CCD常用知识总结
ccd基本工作原理
ccd基本工作原理
CCD（电荷耦合器件）是一种光敏器件，常用于数字相机和
视频摄像机等光学成像设备中，其工作原理如下：
1. 光子转化：在CCD上的感光表面，光子与半导体材料相互
作用，使之形成电子空穴对。
光子的能量被转化为电荷。
2. 电荷传输：通过外部的时序脉冲控制，电荷从感光表面通过电荷耦合器件逐行向传感器的输出端传输。
这一过程被称为“行读出”。
3. 电荷放大：在电荷传输的过程中，电荷会被传输放大器放大，增强信号的强度。
4. 行复位：在行读出结束后，CCD的每一行电荷需要被复位
到其初始电位，以进行下一行的光电信号读出。
5. 列读出：经过多行的行读出后，CCD的图像被分割成多个
像素点的排列，通过对每个像素点进行列读出来获取完整图像。
列读出的过程通过增益放大器和模数转换器来完成。
总结起来，CCD的基本工作原理就是将光子转化为电荷，通
过电荷传输控制将电荷逐行读出，并经过电荷放大和列读出来获得完整的图像。
CCD知识简介
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实物
?
图像
图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽 量真实地反映到虚拟的图像上
如何准确地描述一幅图像
感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应 的灰度填充。
实物
光子 电荷 模拟量（电压） 数字量
图像
光电转换设备
放大设备
实物
光子 电荷 模拟量（电压） A/D转换 数字量 光源
图像
显示设备
彩色线阵芯片的结构
单行Bayer
R G B
3CCD水平排列 棱镜3CCD
A 有效像素多，拍摄的图像精度更高 B 帧频高，速度快，拍摄的运动过程更细致 C CCD的芯片的图像质量要优于CMOS，但速度 比CMOS慢。 D 像素尺寸大，能够更多地接收光子，不容易饱 和 E 对于高精密测量，应尽量使用整个像素面积都 感光的芯片 F 使用多通道传输的芯片，能提高传输速度 G 使用3-CCD技术的彩色相机，色彩更真实
光电转换设备
放大设备
实物
光子 电荷 模拟量（电压）
日光
图像
监视器
模拟相机 + 监视器
光电转换设备
放大设备
实物
光子 电荷 模拟量（电压）
光源 数字量 模拟采集卡
模拟相机 + 模拟采集卡
PC存储处理
图像
光电转换设备
放大设备
实物
光子 电荷 模拟量（电压） 数字量 光源 数字采集卡 A/D转换
数字相机 + 数字采集卡
相机最重要的两个性能
• 对光的敏感度
1.芯片材质 2.单位像素尺寸
• 帧速度
1.曝光时间 2.芯片的传输速度——芯片的传输方式决定的
CCD参数的基础知识
CCD参数的基础知识CCD（Charge-Coupled Device）是一种用于图像传感器的技术，被广泛应用于数码相机、摄像机以及其他光学设备中。
CCD参数是指影响图像质量和性能的一系列参数，了解这些参数对于选择和使用CCD设备至关重要。
本文将介绍CCD参数的基础知识，包括感光元件尺寸、像素数量、动态范围、噪声水平等。
1.感光元件尺寸：感光元件尺寸是指CCD芯片上感光元件的物理尺寸，通常以英寸（inch）为单位。
感光元件尺寸越大，可以捕捉到的光线越多，图像质量也越好。
常见的CCD感光元件尺寸有1/2.3英寸、1/1.8英寸、APS-C（1.5英寸）等。
2.像素数量：像素数量是指CCD芯片上感光元件的数量，也就是图像的分辨率。
像素数量越多，图像细节表现越清晰。
常见的CCD像素数量有100万像素、200万像素、1200万像素等。
3.动态范围：动态范围是指CCD芯片能够捕捉到的亮度范围。
动态范围越大，CCD可以同时捕捉到明亮和暗部的细节，图像的对比度和细节丰富度都会更好。
动态范围通常以dB（分贝）为单位表示。
4.噪声水平：噪声是CCD芯片产生的非图像信号，可以分为暗噪声和亮噪声。
暗噪声是指在低光条件下，CCD芯片自身产生的噪声；亮噪声是指在高光条件下，CCD芯片产生的噪声。
噪声水平越低，图像质量越好。
常见的噪声水平有e-（电子）/pixel、dB（分贝）等。
5.曝光时间：曝光时间是指CCD感光元件接收光线的时间长度。
曝光时间越长，CCD可以接收到更多的光线，图像亮度越高。
曝光时间通常以秒为单位。
6.帧率：帧率是指CCD设备每秒处理的图像帧数。
帧率越高，CCD设备可以更快地捕捉连续的图像，适用于快速移动的物体拍摄。
帧率通常以fps（帧/秒）为单位。
7.信噪比：信噪比是指CCD芯片输出信号与噪声之间的比值。
信噪比越高，CCD 输出的图像信号越清晰，噪声干扰越小。
信噪比通常以dB（分贝）为单位。
8.动态响应：动态响应是指CCD芯片对不同亮度的光线变化的反应能力。
CCD基本知识
CCD芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。
目前市场上大部分摄像头采用的是日本SONY、SHARP、松下、LG等公司生产的芯片，现在韩国也有能力生产，但质量就要稍逊一筹。
因为芯片生产时产生不同等级，各厂家获得途径不同等原因，造成CCD采集效果也大不相同。
在购买时，可以采取如下方法检测：接通电源，连接视频电缆到监视器，关闭镜头光圈，看图像全黑时是否有亮点，屏幕上雪花大不大，这些是检测CCD芯片最简单直接的方法，而且不需要其它专用仪器。
然后可以打开光圈，看一个静物，如果是彩色摄像头，最好摄取一个色彩鲜艳的物体，查看监视器上的图像是否偏色，扭曲，色彩或灰度是否平滑。
好的CCD可以很好的还原景物的色彩，使物体看起来清晰自然；而残次品的图像就会有偏色现象，即使面对一张白纸，图像也会显示蓝色或红色。
个别CCD由于生产车间的灰尘，CCD 靶面上会有杂质，在一般情况下，杂质不会影响图像，但在弱光或显微摄像时，细小的灰尘也会造成不良的后果，如果用于此类工作，一定要仔细挑选。
第二章摄像机的主要技术参数一、CCD尺寸即摄象机靶面。
目前采用的芯片大多数为1/3”和1/4”。
在购买摄像头时，特别是对摄像角度有比较严格要求的时候，CCD靶面的大小，CCD与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。
在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大。
1英寸——靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm。
2 /3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm。
1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。
1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。
1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2m m*高2.4mm，对角线4mm。
二、CCD像素是CCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。
CCD是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像素越多，图像越清晰。
ccd摄像机基础知识
ccd摄像机基础知识前言什么是ccd？在闭路监控系统中，摄像机又称摄像头或ccd（charge coupled device）即电荷耦合元器件。
严格来说，摄像机是摄像头和镜头的总称，而实际上，摄像头与镜头大部分是分开购买的，用户根据目标物体的大小和摄像头与物体的距离，通过计算得到镜头的焦距，所以每个用户需要的镜头都是依据实际情况而定的，不要以为摄像机（头）上已经有镜头。
摄像头的主要传感部件是ccd，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点，ccd能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移，也可将储存之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄象元件。
是代替摄像管传感器的新型器件。
摄物体的图像经过镜头聚焦至ccd芯片上，ccd根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。
视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。
这个标准的视频信号同家用的录像机、vcd机、家用摄像机的视频输出是一样的，所以也可以录像或接到电视机上观看。
第一章摄像机发展史第一节ccd发展简史ccd产品问世已有30多年，从当时的20万像素发展到目前的500—800万像素，无论其市场规模还是其应用面，都得到了巨大的发展，可以说是在平稳中逐步提高，特别是近几年来，在消费领域中的应用发展速度更快。
由于ccd的技术生产工艺复杂，目前业界只有索尼、飞利浦、柯达、松下、富士和夏普６家厂商可以批量生产，而其中最主要的供商应是索尼，飞利浦和柯达，其中，在各厂商市占率方面，索尼以50％的市占率，成为市场领导厂商。
索尼从70年代研发ccd以来，即将其广泛运用在摄录放影机及广播电视等专业用摄影机等器材上，目前索尼的研发水平仍是领先于其它公司之上目前的ccd组件，每一个像素的面积和开发初期比较起来，己缩小到1/10以下。
今后在应用产品趋向小型化，高像素的要求下，单位面积将会更加的缩小。
CCD相机的知识简介
Preamplifier
Active Array
Output Node
1. Interline transfer
Interline Transfer Serial Register
Preamplifier
Active Array
Output Node
1. Interline transfer
Interline Transfer Serial Register
Preamplifier
Active Array
Output Node
1. Interline transfer
Interline Transfer Serial Register
Preamplifier
Active Array
Output Node
1. Interline transfer
Interline Transfer Serial Register
CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor )
互补金属氧化物半导体，它集成在被称做金属氧化物的半 导体材料上。
二、CCD 和 CMOS 的比较
CCD与CMOS的光电转换示意图：
光子
CCD sensor 电子
放大
A/D
电压
数字信号
CMOS 芯片可以在像素上同时完成这两个步骤
光源
光子
电荷 A/D转换
模拟量（电压） 数字量
显示设备
图像
一、成像原理
实物
CCD sensor 后端电路
光源
光子
电荷 A/D转换
模拟量（电压） 数字量
显示设备
CCD知识
1 cctv的含义是什么？答：cctv 是英文closed circuit television的缩写，意思是闭路电视监控系统，现阶段已改叫做视频监控系统。
2 什么是镜头的焦距？答：从光学原理来讲焦距就是从焦点到透镜中心的距离。
即焦距长度。
如"f=8-24mm，"，就是指镜头的焦距长度为8-24mm。
3 焦距长短与成像大小视角大小有什么关系？答：焦距长短与成像大小成正比，焦距越长成像越大，焦距越短成像越小。
镜头焦距长短与视角大小成反比，焦距越长视角越小，焦距越短视角越大。
4焦距长短与景深透视感又什么关系？答：焦距长短与景深成反比，焦距越长景深越小，焦距越短景深越大。
焦距长短与透视感的强弱成反比，焦距越长透视感越弱，焦距越短透视感越强.5 什么是监控摄像机的后焦调整？答：当安装上标准镜头，要使被摄景物的成像恰好成在ccd图像传感器的靶面上，可以采用固定镜头，而调整ccd的位置的方法这种方法叫监控摄像机的后焦条整.6 什么是镜头f值？答：f 值即指镜头之明亮度。
镜头规格中所显示＜最大口径比1:1.2＞之＜1.2＞即为f 值。
f值越小表示镜头之明亮度越高。
f值每缩小一级距，明亮度即增加两倍。
镜头之射入光量与光束之断面积[镜头的有效口径[d]的平方]成比例，因此影像明亮度为f值平方之反比。
由此推算，f值每缩小一级距，明亮度即增加两倍。
7 什么是镜头的光圈？答：光圈的功能就如同我们人类眼睛的虹蟆，主要用来调整监控摄像机的进光量，f表示镜头的孔径，较小的f值表示较大的光圈.8 什么是景深？答：当某一物体聚焦清晰时，从该物体前面的某一段距离到其后面的某一段距离内的所有景物也都当清晰的。
焦点相当清晰的这段从前到后的距离就叫做景深.9 什么是广角镜头？（wide angle）答：广角镜头因焦距非常短，所以投射到底片上的景物就变小了扩阔镜头拍摄角度，除可拍摄更多景物，更能在狭窄的环境下拍摄出宽阔角度的影像。
CCD知识
1.靈敏度
: Sensitivity
靈敏度: Sensitivity是CCD最重要的參數之一,它決定了 CCD光電轉換的速度,從而影響到整個Scanner系 統的運行速度.從公式可知:在輸入光量(X,即曝 光量)相同的情況下,靈敏度(a,即直線斜率)越大, 輸出電壓(y)越高.同理,如果要達到 同樣的y,則a越大,所需x越小,而x是與曝光時間 密切相關的,從而所需曝光時間可以縮短.
二. CCD 的Structure
1. CCD 外觀
2. CCD 元件構成簡圖(a)
CCD 元件構成簡圖 (b)
3. CCD 的組成
CCD(Charge Coupled Device)
感光部 傳送部
輸出部
3-1. 感光部
將光能轉換成電荷訊號
暫時儲存所得的訊號
感光部動作原理
認 識 CCD
1. 甚麼是CCD? Defining & Basic Function 2. CCD 的基本結構. Structure 3. CCD 是如何動作的? Active rules 4. 如何使用CCD? Application circuit 5. CCD 特性介紹
一. 甚麼是CCD ?
3-2. 傳送部
功能為傳送電荷訊號
以串列(serial)模式來動作
通常採用兩相驅動( Φ1,Φ2)
兩相驅動的 動作原理
其中一個電位井有儲存
電荷的功能 另一個電位井則有分離 各圖素電荷的功能 電位井間突出的設計可 防止電荷倒流 一個時脈週期內作一個 圖素的輸出
3-3. 輸出部
Out Stage
4. Stagger : 不常用 5. Multiple :不常用ShutterFra bibliotektype 結構簡圖
CCD和COMS成像器件基础知识
UG
P型基底
栅极
Cox
QG+QI+QD=0
QG——栅电荷（+）； QI——自由电子电荷（-）； CD QD——耗尽层固定电荷（-）
QD=NAed d——耗尽层厚度；
NA——受主杂质浓度
根据半导体公式可知， d=(2εVS/NAe)1/2 ε——基底材料的介电常数。 QD=[2εNAeVs]1/2
VS↑，耗尽层宽度d↑，收集电子能力↑、势阱变深，如图6-2
（b）所示。
Ei
Ei
Vf
Ef
Ef
Ev
E
Ef
3. UG>0，UG继续增大
Ev
表面处能带进一步向下弯曲，表面处费米能级位置可能高
于禁带中央能级Ei，这意味着表面处的电子浓度将超过空穴 浓度，即形成与原来半导体衬底导电类型相(a反) 的一层叫做反
场感应耗尽层 和 PN结耗尽层
图6-10 埋沟CCD
图6-11 埋沟CCD能带
通过计算可得，VZ~UG 近似呈线性，VZ是氧化层厚 度dox、N层厚度dN、N层中 的施主浓度ND、P基底的受 主浓度的受主浓度NA，以及 栅压UG的函数。
1．dox=0.1μm, dN=2μm, ND=2×1015cm-3 2．dox=0.6μm, dN=2μm, ND=2×1015cm-3 3．dox=0.1μm, dN=2μm, ND=4×1015cm-3 4．dox=0.1μm, dN=5μm, ND=2×1015cm-3
2．BCCD结构(Vz)
基底为P型，在硅的表面注入杂质，如元素磷P，使之形 成N型薄层。在N型两端做上N+层，起源和漏的作用。
CCD的基础知识
CCD的基础知识CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。
可以称为CCD 图像传感器,也叫图像控制器。
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。
CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。
一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。
CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。
CCD 上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。
1.功能特性CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。
其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。
因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。
CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。
线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。
所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。
线阵CCD 有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。
它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像（线阵CCD如右图所示）。
面阵CCD 的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。
2.性能参数2.1光谱灵敏度CCD的光谱灵敏度取决于量子效率、波长、积分时间等参数。
量子效率表征CCD芯片对不同波长光信号的光电转换本领。
CCD知识培训
CCD知识培训１、依成像色彩划分彩色摄像机：适用于景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。
黑白摄像机：适用于光线不充足地区及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位置或移动时，可选用黑白摄像机。
２、依分辨率灵敏度等划分影像像素在38万以下的为一般型，其中尤以25万像素（512*492）、分辨率为400线的产品最普遍。
影像像素在38万以上的高分辨率型。
３、按CCD靶面大小划分 CCD芯片已经开发出多种尺寸：目前采用的芯片大多数为1/3"和1/4"。
在购买摄像头时，特别是对摄像角度有比较严格要求的时候，CCD靶面的大小，CCD与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。
1英寸--靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm。
2/3英寸--靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm。
1/2英寸--靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。
1/3英寸--靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。
1/4英寸--靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm。
４、按扫描制式划分 PAL制。
NTSC制。
中国采用隔行扫描（PAL）制式（黑白为CCIR），标准为625行，50场，只有医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式。
另外，日本为NTSC制式，525行，60场（黑白为EIA）。
５、依供电电源划分 110VAC（NTSC制式多属此类）， 220VAC， 24VAC。
12VDC或9VDC（微型摄像机多属此类）。
６、按同步方式划分内同步：用摄像机内同步信号发生电路产生的同步信号来完成操作。
外同步：使用一个外同步信号发生器，将同步信号送入摄像机的外同步输入端。
功率同步（线性锁定，line lock）：用摄像机AC电源完成垂直推动同步。
外VD同步：将摄像机信号电缆上的VD同步脉冲输入完成外VD同步。
多台摄像机外同步：对多台摄像机固定外同步，使每一台摄像机可以在同样的条件下作业，因各摄像机同步，这样即使其中一台摄像机转换到其他景物，同步摄像机的画面亦不会失真。
ccd图像传感器基础知识
电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪 比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将 变较模糊； 可大批量生产，品质稳定，坚固，不易 老化，使用方便及保养容易。
10.
23
CCD传感器的应用
24
★高速线阵CCD IL-P1-4096
主要特点 高速线阵CCD IL-P1-4096是加拿DALSA 公司生产的IL-P1系列图像传感器中的一种。 该器件的像素尺寸是10μm×μm、像素线阵 长度为41mm、相邻像素间距也是10μm。线 阵列的像素共有4096个，分两路输出。
10
CCD传感器有两种
第一、特殊CCD传感器，如红外CCD芯片（红外焦平 面阵列器件）、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD、 EBCCD等，另外还有大靶面如2048×2048、 4096×4096可见光CCD传感器、宽光谱范围（紫 外光→可见光→近红外光→3-5μm中红外光→814um远红外光)焦平面阵列传感器等。目前已有商 业化产品,并广泛应用于各个领域。 第二、通用型或消费型CCD传感器在许多方面都有较 大地进展，总的方向是提高CCD摄像机的综合性能。
★LK-G系列CCD激光位移传感器
产品特性
全新开发的Li-CCD （直线性CCD）高精度 Ernostar 物镜以及其它独一无二的先进技术。 KEYENCE 进一步改进了成熟的LK系列的CCD传感 器工艺并开发了包括Li-CCD 和高精度Ernostar 物 镜在内的全新技术。 如图所示
32
33
20
5.
大面积感光（Large Field of View）：利 用半导体技术已可制造大面积的ＣＣＤD晶 片，目前与传统底片尺寸相当的35mm的Ｃ ＣＤ已经开始应用在数码相机中，成为取代 专业有利光学相机的关键元件；光谱响应广 （Broad Spectral Response）：能检测很宽 波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系 统应用领域；
CCD以及镜头入门知识
电信号经过放大和调 整，最终输出为可视 化的图像数据。
光子与CCD传感器上 的像素发生相互作用， 将光信号转换为电信 号。
光电荷转移原理
当光线照射到CCD传感器上时， 每个像素会吸收光子并产生电 子。
电子被收集并存储在像素的势 阱中，形成电荷包。
电荷包通过一系列的转移和放 大，最终输出为图像数据。
画面模糊
可能是由于镜头对焦不准或手抖 等原因引起的。可以尝试重新对 焦或使用三脚架等稳定拍摄设备
来避免手抖。
画面扭曲
可能是由于镜头畸变引起的。可以 在相机设置中选择适当的畸变校正 模式，或者在后期处理软件中进行 畸变校正。
噪点过多
可能是由于传感器像素尺寸较小或 曝光时间过长等原因引起的。可以 尝试增加传感器尺寸或减少曝光时 间来改善。
THANKS
感谢观看
镜头的光圈与景深
光圈越大，进光量越多，景深越浅（ 背景虚化），适合人像和静物拍摄。
光圈越小，进光量越少，景深越深（ 前后景清晰），适合风景和集体照拍 摄。
镜头的光学性能参数
分辨率
表示镜头能够捕捉到的细节数 量。
畸变
表示镜头对直线和平行线的扭 曲程度。
对比度
表示镜头在不同光线条件下捕 捉图像的能力。
信号读取与处理
每个像素的电荷包经过放大器放大， 转换为电压信号。
数字信号经过图像处理引擎的处理， 包括噪声抑制、色彩校正、白平衡等， 最终输出为高质量的图像数据。
电压信号经过模数转换器（ADC）转 换为数字信号。
03
镜头基础知识
镜头的分类
01
02
03
04
定焦镜头
焦距固定，不可调节，成像质 量稳定。
变焦镜头
CCD的基本结构和工作基本知识
CCD的基本结构和工作原理电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或电压为信号。
CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。
因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
CCD有两种基本类型：一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD（简称SCCD）；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）。
下面以SCCD为主讨论CCD的基本工作原理。
D的基本结构构成CCD的基本单元是MOS（金属—氧化物—半导体）结构。
如图2-7(a)所示，它是在p型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为1000Å～1500Å的SiO2，再在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅)，在衬底和金属电极间加上1个偏置电压，就构成1个MOS电容器。
当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入p型Si 衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。
光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子－空穴对，电子－空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。
这些信号电荷存储在由电极组成的“势阱”中。
如图1所示。
(a) (b)图1 CCD的基本单元2.电荷存储如图2 (a)所示，在栅极G施加正偏压U G之前，p型半导体中空穴（多数载流子）的分布是均匀的。
当栅极施加正偏压U G（此时U G小于p型半导体的阈值电压U th）后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图2 (b)所示。
偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体体内延伸。
当U G>U th时，半导体与绝缘体界面上的电势（常称为表面势，用ΦS表示）变得如此之高，以致于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成一层极薄的（约10-2µｍ）电荷浓度很高的反型层，如图2 (c)所示。
CCD基础知识
CCD数码照相机的结构
三基色分离原理
CCD数码相机的结构解剖 （索尼F828）
CCD
CCD数码摄像机
CMOS视频摄像头
带红外LED照 明的CMOS视 频摄像头
CCD单元与线阵列结构的示意图
二．移位寄存器(即信号电荷的传输)
移位寄存器由金属电极、氧化物介质及半导体三部分组成，也是MOS 结构，但不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。
玻璃管CCD视频信号
➢ 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间 亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的 壁厚像。 ➢ 成像物镜的放大倍率为β，CCD相元尺寸为t， 上壁厚、下壁厚分别为n1、n2 ，外径尺寸的脉冲 数（即像元个数）为N，测量结果有：
单沟道线型CCD
双沟道线阵CCD
转移次数多、效率低,只适用于像 素单元较少的成像器件。
转移次数少一半，它的总转移效 率大大提高。
CCD以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就成为 其最重要的性能之一。把一次转移之后，到达下一个势阱中 的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率（CTE）
好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般可达0.999995[3]， 所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。
1、移位寄存器的工作原理
如图四个彼此紧密排列的MOS结构：
12 3
2V 10V 2V 2V
123
2V 10V 10V 2V
12 3
2V 2V 10V 2V
t = t1= 0
t = t2
t = t3
分析可知，从t1到t3时间里，深势阱从1电极下转移到2电极下，势阱 中的信号电荷也向右传输了一位，如果不断地改变电极上的电压，
CCD摄像知识
CCD摄像机分类安全防范系统中，图像的生成当前主要是来自CCD摄像机,CCD是电荷耦合器件（charge coupled deice)的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像机元件，以其构成的CCD摄像机具有体积小、重量轻、部受磁场影响、具有抗震东和撞击之特性而被广泛应用。
CCD摄像机大致可分为下列几大类：依成像色彩划分(1)彩色摄像机：适用于景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。
因有颜色而使信息量增大，信息量一般认为是黑白摄像机的10倍。
(2)黑白摄像机：是用于光线不足地区及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位置或移动时，可选用分辨率通常高于彩色摄像机的黑白摄像机。
依摄像机分辨率划分(1)影像像素在25万像素（pixel）左右、彩色分辨率为330线、黑白分辨率420线左右的低档型。
(2)影像像素在25万~38万之间、彩色分辨率为420线、黑白分辨率在500线上下的中档型(3)影像在38万点以上、彩色分辨率大于或等于480线、黑白分辨率，570线以上的高分辨率。
依摄像机灵敏度划分(1)普通型：正常工作所需照度为1~3Lux(2)月光型：正常工作所需照度为0.1 Lux左右(3)星光型：正常工作所需照度为0.01 Lux以下(4)红外照明型：原则上可以为零照度，采用红外光源成像。
按摄像元件的CCD靶面的大小划分(1)l inch 靶面尺寸为宽12.7mmX高9.6mm,对角线16mm(2)2/3inch靶面尺寸为宽8.8mmX高6.6mm,对角线11mm(3)1/2inch靶面尺寸为宽6.4mmX高4.8mm,对角线8mm(4)1/3inch靶面尺寸为宽4.8mmX高3.6mm,对角线6mm(5)1/4inch靶面尺寸为宽3.2mmX高2.4mm,对角线4mm(6)1/5inch正在开发之中，尚未推出正式产品此外CCD摄像机有PAL制和NTSC制之分，还可以按图像信号处理方式划分或按摄像机结构区分。
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CCD 常用知识总结随着CCD的不断发展，尤其典型的是当微光CCD向低照度方向发展时，噪声已经成为阻碍CCD进一步发展的障碍。
噪声是CCD的一个重要参数，它是决定信噪比S/N （Singal/Noise）的重要因素，而同时信噪比又是各种数据参数中最重要的指标之一。
随着CCD器件向小型化、集成化的不断发展，CCD光敏元数的增加势必减小光敏元的面积，从而降低了CCD的输出饱和信号。
为扩大CCD的动态范围，就必须降低CCD的噪声（动态范围与噪声间的联系）。
CCD工作时，在输入结构、输出结构、信号电荷存储和转移过程中都会产生噪声。
噪声叠加在信号电荷上，形成对信号的干扰，降低了信号电荷包所代表的信息复原后的精度，并且限制了信号电荷包的最小值。
CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中夹杂着各种噪声和干扰。
CCD输出信号处理的目的是在不损失图像细节并保证在CCD 动态范围内，图像信号随目标亮度线形变化是尽可能消除这些噪声和干扰。
（选自《CCD降噪技术的研究》燕山大学工学硕士学位论文）CCD的发展现状CCD最初是1969年由美国贝尔实验室的两名科学家W.S.Boyle与G.E.Smith提出，1970年在贝尔实验室制造成功。
它一问世，就显示出灵敏度高、光谱响应范围大、操作容易、维护方便、成本低、易推广等一系列优点，因而受到人们的普遍重视，现已取代摄像管，成为一种最常见的图像传感器。
自CCD问世以来，特别是近几年来，一直为美、日、英、法、德、荷兰等工业发达国家所瞩目，其中美、日两国的研制与生产能力居于世界领先地位。
国外主要的CCD研制与生产单位有日本的电气、东芝、索尼、夏普、日立，美国德州仪器，荷兰飞利浦等。
二十年来，CCD向着高集成度、高灵敏度、高分辨率、宽光谱响应的方向迅速发展，不断完善。
目前国外已研制出了像素数目为9K×9K的CCD芯片，像素尺寸最小已达到2.4μm×2.4μm;像素数目为4K×4K的CCD芯片已达到商业化水平。
另外CCD芯片的拼接技术也日益成熟。
国内对CCD的研究始于1967年，主要研制单位重庆光电技术研究所、河北半导体研究所等，已经取得了一定的成绩，但研制水平和国外有一段距离，比发达国家落后近十年。
尤其受国内微电子加工技术的限制，生产能力较低，其产量远不能满足国内需求。
（《CCD尺寸测量装置的研制》东北大学硕士论文）目前国内对于CCD参数能够进行标定的单位：北京天文台的CCD工作原理：CCD工作时通过转换光为电子（电荷），这个过程如下：高能光子（可见光或红外范围）撞击硅，并激发硅内电子进入更高能级，这样产生电子空穴对。
电荷被收集到单个像素上，然后通过在垂直和水平寄存器上施加不同的电压进行电荷转移，这些电荷被数字化和编码。
这个过程所需时间依赖系统输出流量。
图像质量依赖于采样。
关于CCD的集中控制采集方案调研：对于CCD的集中图像采集系统目前在我们星光神光实验中，规划的集中采集方式有两种。
1基于软件的CCD图像采集网络式集中控制2基于硬件的单机集中控制其相应的拓扑系统图见神光Ⅲ概念设计报告，杨存榜的方案有两种方案优劣的比较。
CCD及检测中基本知识点CCD（电荷耦合器件）突出特点以电荷作为信号，基本功能是电荷的存储和电荷的转移，工作的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
CCD两种基本类型，一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD（SCCD）;二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道CCD(BCCD).探测x、γ射线的面阵CCD，x、γ射线为电磁辐射，可以直接照射CCD，入射光子与Si 原子的内壳层电子相互作用，对Si材料每激发一对电子—空穴对需3.65ev的能量，为滤除可见光对测量的干扰，在CCD表面用铝化聚脂膜或薄铍窗作遮挡材料，可实现对X，γ射线测量的初步要求。
根据射线能量和探测要求不同，可制成几种结构的CCD探测器。
1直接照射型。
2 通过闪烁/磷光体转换探测型。
3闪烁/磷光体的发光用光学透镜或光导纤维传输，耦合与CCD探测。
4闪烁/磷光体耦合在像增强器或微通道板作预储存放大，再经光学传输与CCD耦合。
CCD在可见光和x光成像中的应用：★在x光成像中：CCD可以对x射线成像。
x射线入射到CCD光敏单元可在单元势阱内产生载流子，从而测量x射线空间强度分布。
由于x射线能量较高，其中一部分会穿过CCD而探测不到，因而CCD对x射线的探测率远远低于可见光。
另外在x射线照射下存在CCD的辐射损伤问题，例如：对于10kev的x射线，ccd的工作寿命只有几个小时。
用CCD对x射线成像的一个有效办法是将x射线在荧光屏上转换为可见光，再用CCD对可见光成像。
如果x射线光强不够，可通过像增强器放大在由CCD读出。
★色温的有关概念色温是借用绝对黑体绝对温度描述一般光源发光特征的一个参数，光源的色温是指与光源发出辐射颜色相同的黑体的绝对温度，如光源本身就是绝对黑体，色温就是光源本身的绝对温度。
若光源本身不是绝对黑体，色温只表示光源发光的颜色特征，不代表光源本身的实际温度。
CCD实践中应用知识x光CCD面阵的前面放置铍窗，其功能是实现x光能量的衰减。
（注意牵涉抽真空系统）1)对于CCD而言，面阵上采集图像如下图：图中圆形区域为采集的灰度表示：a b c 为a，c区域间进行灰度的加减运算？能全都体现出来了。
本软件的最主要就是实现控制箱的控制和图像的采集。
对于更进一步的运算可以采用软件固有的转换功能，将图像转换为ASCII码来在进行运算。
或者在利用专门的图像处理软件来对已经采到的图像来处理。
对于一台CCD而言，一旦厂家出厂以后其量子效率是不会改变的，除非仪器坏了。
所以在正常工作状态下不需要每年都去检测其量子效率（谱响应实际为相对量子效率）。
3王哲斌标定谱响应原理:首先是把辉光经过150谱仪分为单色光，在经过750谱仪。
然后再750谱仪出射口用380功率计测量光波长不同时的光功率。
然后接上CCD测量采集。
根据CCD快门采集时间的设置，采集一系列随波长变化的图像。
然后考虑CCD 面均匀基础上二重积分整个面上∫Q/t（曝光时间）时间归一化处理，即得到相对光功率/入射光功率=相对量子效率。
4 CCD暗电流消除方案。
暗电流噪声可以通过dark frame 的应用从原图像中移除。
dark frame图像的拍摄条件：1没有光照的暗室条件下，I=0；2曝光时间为零△t=原图像的曝光时间。
类同bias frame，dark frame也需要采集一定数目（9幅或者更多）的dark frame然后将他们平均起来。
可以利用中值耦合（median combining）技术来生成一幅 master dark frame.在图像校正中，dark frame 将从原图像中被减除。
5有关平场图的理论：并非CCD的所有像素对光都有同样的灵敏度，即使硅晶片极小的厚度差别都会影响灵敏度。
而且芯片本身像素或许没有被均匀照射、物体本身亮度的浮动都会直接影响灵敏度。
光照不均匀和有害像素间的浮动为5%-10%。
像素的灵敏度浮动和不均匀照射模式对于CCD来说可以通过拍摄一幅均匀光照的图像定义出来。
在此方式下，每个像素队同样亮度光照的反应都可被测量。
这种图像称之为a flat field frame，不仅可以用于校正（pixel sensitivity variation）像素灵敏度浮动和芯片照明浮动（chip illumination variation）,而且可以校正出现在CCD窗口上阻碍光线进入CCD的灰尘和外物。
典型的平场图（flat field frame）是一幅均匀照明源的短时曝光图。
像dark frame 和bias frame 一样，flat field frame也需要采集多幅然后平均中值耦合产生一幅master flat field frame。
但是唯一不同的是在中值耦合（median combining）平场图前，需要从每幅平场图中减去master dark frame和master bias frame,同时要求flat field frame 的曝光时间和dark frame的曝光时间一样。
之后才可将每幅平场图进行中值耦合产生一幅主平场图。
所以对一幅源图的校正：可如下：FI=RI-MBF-MDFFI=final image RI=raw imagine MBF=master bias frameMDF= master dark frame MFFF= master flat field frameCCD的指标概念及相关原理：1量子效率：在所有打入CCD的光子中，有多少比例的光子可以激发光电子。
CCD的量子效率约为30%——70%之间，量子效率越高越好。
对某一台CCD其量子效率并不是固定不变的，而是波长的函数。
每台CCD都只响应其相应波段的光波范围。
针对某一台CCD而言，其量子效率一旦出厂后就是固定值了，标定一次就可以了不必要每年都标定。
除非中间CCD被损伤。
CCD量子效率基本上由半导体材料的性质决定，也与绝缘层、电极材料和结构有关。
不透明电极、半透明电极和绝缘层的吸收、各个界面对光的多次反射都会降低量子效率。
常用的厚度为0.5μm左右的多晶硅对可见光有较严重的干涉效应。
由于光的吸收、反射、干涉和介质厚度有关，所以，在一般工艺条件下，光谱响应在各批器件之间可以变化很大。
同一个硅片上各个器件之间以及一个芯片内各个单元之间光谱响应变化很小。
( CCD量子效率主要有电极、绝缘层的吸收、反射、干涉影响，同时也与半导体吸收系数的具体数值有关。
)针对可见光CCD，当波长在5000Å-7000Å 之间（相当于绿光和红光）有最高的量子效率，而在5000Å以下的蓝光量子效率最低，可能只为绿光的一半一下，（主要因为硅对蓝光的响应比红光的响应差，而且多晶硅对蓝光的吸收比对红光的吸收强）量子效率指探测器对不同波长光的响应，硅CCD对红外最敏感，可以通过镀以特殊材料物质可以使其变得对紫外光敏感。
（网页文字翻译）2暗电流：在没有光照CCD时，CCD中各个MOS电容器存储的电荷称为暗电流。
暗电流来自于耗尽区内载流子的热产生及耗尽区边界载流子的扩散，其中载流子的热产生构成暗电流的主要成分。
一部CCD暗电流特性与其所用的晶片有关，也与其上的冷却机构有关（冷却能力越强越好）。
暗电流同温度与曝光时间有关，它同曝光时间（积分时间）成正比，所以在要求积分时间较长的弱光测量中，暗电流噪声是起限制作用的一种因素。
温度越高暗电流越大。
CCD芯片的温度每降7℃，暗电流减少一半。