CCD发展史

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CCD技术现状和发展趋势

日本索尼公司在1979年首先实现了R、G、B分路彩色摄像机。1980年,日立公司首先推出单片彩色CCD 摄像机。1998年日本采用拼接技术开发成功了 16384×12288像元即(4096×3072)×4像元的CCD图像传感器。由于日本本国的新产品更新换代速度很快,所以无论产品的产量还是质量都占据世界首位。我国的CCD研制工作起步比较晚, 但我国自行研制的第一代普通线阵CCD(光敏元为MOS结构)和第二代对蓝光响应特性好的(光敏元为光电二极管阵列)CCPD 已形成系列产品;面阵CCD也基本上形成了系列化产品。除可见光CCD外,国内目前还研制出了硅化铂肖特基势垒红外CCD。
CCD技术现状
光电像管—超正析像管—视像管—氧化铅管—硅靶管—CCD CCD是20世纪70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。美国是世界上最早开展CCD研究的国家, 也是目前投入人力、物力、财力最多的国家,在此应用研究领域一直保持领先的地位。贝尔实验室是CCD研究的发源地,并在CCD像感器及电荷域信号处理方面的研究保持优势。在CCD传感器和应用电视技术方面,美国以高清晰度、特大靶面、低照度、超高动态范围、红外波段等的CCD摄像机占有绝对优势。这些产品不仅价格昂贵、而且又受到国家的严格管制。
CCD成像器
发展趋势
CCD成像器件简介
CCD（Charged Coupled Device，电荷耦合器件）是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号，实现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应用领域
•1、摄像领域 •2、光学信息处理 •3、生产过程自动化 •4、军事
CCD发展趋势

CCD发展技术

CCD发展技术科学级CCD向大阵列、高分辨率和高性能方向发展，最大单片CCD的像元规模已达刭9K×9K，拼接像元规模16384×12288元，即(4096×3072)×4，线阵CCD达到14404元，TDICCD达到了9216元×128级。

在提高CCD分辨率、感光度和动态范围方面，日本富士开发了5代超级CCD( Super - CCD)。

高分辨率Super CCD HR（High Resolution，HR）集成了600万感光单元，输出1200万像钽电容元超高分辨率的图像；大动态范围Super CCD SR( Super Dynamic Range，SR)的动态范围是第三代的四倍。

CCD光敏像元几何形状为八角形光电二极管结构，增加了感光面积（相当于传统的2倍），像元排列结构按45℃角排列，密度最大，使像元间水平、垂直距离比像元本身对角线小，更符合人眼视觉特点；感光分辨率比传统CCD提高2倍；相同数量的感光单元，可产生相当于传统CCD的1.6倍影像。

分辨率提高40%，动态范围提高130%，感光度提高130%，色彩再现能力提高40%，功耗下降40%，最终获得高的感光灵敏度、信噪比、更宽的动态范围和更高的分辨率。

在提升CCD的感亮度方丽，索尼公司在HAD - CCD( Hole - Accumulation Diode，HAD)基础上，开发了Super HAD CCD技术、New Structure CCD和Exview HAD CCD技术，目的是有效利用入射到CCD的可见光和近红外线光，提高黑暗环境下的感亮度。

hymsm%ddz在可见光CCD灵敏度方面，高灵敏度微光增强CCD，可见光区的量子效率最大可达50%，在微光摄像领域应用方面是迄今为止最高的量子效率。

Kodak公司采用氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)电极的CCD，对蓝光的透光性比一般CCD提高了20%，使ITO - CCD比起传统CCD的蓝光透过率提高了2.5倍，并改善了噪声特性。

从诺贝尔奖看CCD的前世今生

从诺贝尔奖看CCD的前世今生熊巍凭借着在发明电荷藕合器件图像传感器(charged-coupled device)所做出的贡献，两位美国科学家维拉·博伊尔（Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（George E. Smith）获得了2009年的诺贝尔物理学奖。

而我们所熟悉的CCD这个词，更多来自于我们常用的数码产品上，人们把数码相机或是数码摄像机感光的元器件称为CCD。

但就是这么一个不起眼的芯片，却建立在巨大的研发投入和无数科学家的心血上，而从诞生起它也有40年的不平凡历史了。

在CCD被发明之前，除了利用胶片来记录影像，电视摄像机大都使用摄像管。

但是各种类型的摄像管有很多与生俱来的弊病，在成像质量上，小型化等方面难以满足人们的要求，毕竟大多数人都不乐于扛着一个“大家伙”拍东西，于是固态影像传感器的需求应运而生，而CCD就是其中之一。

视像管Vidicon_tube（摄像管的一种）讲到CCD的诞生，要提到一位大名鼎鼎的科学家，也就是20世纪最伟大的科学家爱因斯坦。

他成功的解释了光电效应并获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦提出了光量子假说，即光是由一个个光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一定数值，才能从金属表面打出电子来。

这解释了光电效应，同时给CCD提供了理论上的铺垫。

爱因斯坦构建了光与电的桥梁，而后来CCD的发明，正是应用了光电效应理论的结果。

单单有了理论基础是不够的，科学家们所遇到的难题是如何在很短的时间内，将传感器每一个点上因为光照产生变化的大量电信号采集和辨别出来。

在当时那个时期，博伊尔和史密斯都在贝尔实验室工作。

两位科学家从同时在贝尔实验室研究的影像电话（picture phone）和半导体气泡式记忆体（semiconductor bubble memory）得到启发，把这两种技术结合了起来，得到了CCD的雏形，这种装置被他们称做电荷气泡元件。

摄像机简史

电视摄像机简史⏹电视是20世纪人类最伟大的发明之一。

1936年英国伦敦人类第一座电视台建成并发射，但之后30多年还没有发明电视摄像机，只能用电影摄影机和胶片进行电视新闻画面的拍摄。

⏹电视摄像机的发展经历五个时期：1、酝酿即诞生前时期（20世纪50年代之前）（1）硒元素发现及其光电效应理论基础的奠定：1817年，瑞典科学家布尔兹刘斯发现了化学元素硒；1865年，英国科学家约瑟夫•梅发现了硒的光电作用特性；1873年，约瑟夫•梅奠定了硒的光电效应的理论基础。

（2）非实用摄像机或类似装置的发明：1884年，德国工程师保尔•尼普柯机械性图像扫描圆盘；1835年，英国广播公司以电子扫描代替机械扫描，意味着现代电视的出现；1874年，法国人朱尔•让爽发明了一种与望远镜相接能以每秒1张的速度拍下行星运动一组照片的摄像机，它是现代电影摄影机的始祖；1882年法国工程师马雷发明了一种能拍摄飞鸟连贯动作的可以以每秒12张的频率摄影的摄影机；1888年，马雷又发明了用感光胶片代替感光纸带的摄影机；1889年，美国科学家爱迪生发明了使用十字轮机构控制胶片做间隙运动，并使用带片孔的35毫米胶片的摄影机；1939年，美国无线电公司发明了世界上最早的电视摄像机拍摄了美国总统富兰克林罗斯福出席在纽约举办的“明天的世界”世博会开幕式上的讲话；1947年，美国全国广播公司和哥伦比亚广播公司与有关厂家合作生产出16毫米摄影机及胶片，并开始建立新闻记者队伍。

2、摄像机诞生即电子管电路时期（20世纪50年代至60年代中期）1960年代中期，美国安培公司推出世界上第一台实用性电视摄像机。

3、晶体管和集成电路时期（20世纪60年代至70年代末）晶体管和集成电路技术的发展，氧化铅摄像管的应用在体积、重量和各项电指标取得突破性进展。

之后，其它各类摄像管研制成功，摄像管尺寸逐渐减小，图像质量进一步提高，性能上基本达到广播级的标准，并开始向小型化发展。

CDD图像传感器的发展综述1

CDD传感器的发展综述摘要：CDD图像传感器以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在工业测控中得到广泛应用。

该文简要介绍了CCD 图像传感器的检测原理和它在工业检测中的应用现状，分析了现有CCD检测技术在应用中存在的问题和局限，指出了CCD传感器在工业检测应用中的发展方向。

关键词：CCD；检测技术；图像传感器Abstract：The CCD image sensors have been widely used in industrial process measurement and control systems owing to their wide spectral response,wide dynamic range,high sensitivity and geometric precision ,low noise and convenience for digital processing and connecting computers.The p aper gives a brief introduction about the measuring principle of the CCD image sensor and its application status in industrial measurements.Some difficulties an d limitations existing in its application are analyzed and the trend of its application is pointed out.Key words：CCD;measurement technology;image sensor0 引言电荷耦合器件(Charge Couple Device，CCD)是一种以电荷为信号载体的微型图像传感器，具有光电转换和信号电荷存储、转移及读出的功能，其输出信号通常是符合电视标准的视频信号，可存储于适当的介质或输入计算机，便于进行图像存储、增强、识别等处理[1]。

便携式摄像机的历史回顾

便携式摄像机的历史回顾1984年4月8MM视频标准制定出台1985年9月全世界第一台便携式摄像机CCD-M8面世，其是当时世界上重量最轻(0.1KG)，体积最小的只录摄像机1986年10月8MM的摄像机CCD-V30投放市场，其显著特征是仅为手掌大小，并具备录像重放功能1987年6月高品质画质、多功能的8MMCCD—V90面世，其具有38万像素，并溶入了当时新开发成功的精确CCD技术1988年11月发布了第二代便携式摄像机的标识带有标题编辑功能的CCD-F300产品面1989年4月第一台Hi8、拥有42万像素、高清晰度CCD的CCD-900面世1989年6月简洁、轻便(790G)、仅为护照大小的CCD-TR55面世，并荣获了国际商业工业部的最佳设计奖1992年9月第一台民用便携式摄像机CCD-VX1面世，其拥有1/3英吋，42万像素，三原色可分离二向色的棱镜3CCD 1994年2月第一台配备液晶显示屏(3吋)的CCD-SC7面世1995年4月拥有4吋液晶屏的、具备TRV风格的数码便携式摄像机CCD-TRV90面世1995年9月世界上第一台数码影像格式的便携式摄像机，配有3CCD的DCR-VX1000和DCR-VX700面世1996年7月装备有蔡司镜头的CCD-TR555面世1996年9月，数码样式的第一台护照大小的DCR-PC7面世，其特征为垂直型设计、68万像素CCD和2.5英寸的液晶屏1997年4月TRV风格的CCR-TRV7面世，其显著特征为配备了4英寸液晶显示屏，摄录时间可长达6.5个小时1998年4月第一台配备内在插座，并具夜摄功能的数码摄像机DCR-TRV9面世1998年7月相机式样的Ruvi CCD-CR1摄像机面世，其推出了嵌入式显示屏1998年9月高清晰度的DCR-TRV900面世，其具有3CCD和内置式软盘驱动器和兼容记忆绑1999年3月DCR-TRV10面世，其具有记忆棒插入槽、68万像素及画面稳定处理功能1999年6月有可触摸显示屏的DCR-PC3面世1999年9月世界上第一台拥有超百万像素CCD(107万像素)的DCR-PC110面世2001年9月新推出的网络便携式摄像机PC115，拥有蓝牙功能和155万像素。

索尼与富士CCD技术发展历程

这在当时是一种边沿的研究，温吞水的努力是难以奏效的。而且，这还是一项很费钱的研究，据说从开发阶段直到实现商品化，索尼花在CCD上的钱高达200亿日元。项目研究虽然只花了30亿日元，但因为CCD的加工制造需要大量专有技术，实现大量生产时的技术积累过程难度最大，所以这方面投下了170亿日元。因此，这个项目如果没有优秀的经营者的支持根本办不到。岩间曾任索尼的美国分社长，回到日本索尼以后担任副社长兼索尼中央研究所的所长。据索尼开发团队带头人木原的回忆：“回国最初，岩间视察了中央研究所的全体，随着时间的过去，他的关心逐渐移到了CCD开发方面。大家注意到他一天之中有一半是在从事 CCD研究的越智成之身旁度过的。到了1973年11月，CCD终于立了项，成立了以越智为中心的开发团队。”
注意：本文对数码相机和数码摄像机使用高手或与该领域相关的专业人士的参考作用较大。
一、索尼CCD技术发展历程
由于CCD的生产工艺复杂，因此至今为止，世界上只有索尼、富士、柯达、菲利蒲、松下和夏普６家厂商可以批量生产，而其中最主要的供商是索尼。索尼是一间最早从事CCD制造的厂商，从70年代就开始研发CCD了，它从开始生产CCD至今累积计算，生产量已超越了１亿片以上，以50％的市场占有率成为 CCD 市场领导厂商。下面是索尼CCD技术发展简史。
在全公司的支援下，开发团队克服重重困难，终于在1978年3月制造出了被人认为“不可能的”、在一片电路板上装有11万个元件的集成块。以后，又花了2 年的岁月去提高图像质量，终于造出了世界上第一个CCD彩色摄像机。在这个基础上再改进，首次实现了CCD摄像机的商品化。当时，CCD的成品率非常低，每100个里面才有一个合格的，生产线全开工运转一周也只能生产一块。有人开玩笑说：这哪里是合格率，这简直就是发生率！索尼接到全日空13台CCD摄像机的订单，其中用的CCD集成块的生产足足花了一年。

相机的发展史

未来相机发展随著科技不断进步，未来几年的相机工业是否还会出现什么神奇的技术突破？最近在美国西雅图 Artefact 设计公司的某获奖设计团队提出一个有趣的新概念：Wireless Viewfinder Interchangeable Lens，简称 WVIL“无线取景器可换镜相机”。
概念相机
1. “多眼”
总结

传统的相机已经逐渐被淘汰，越来越高质量的数码相机成为人们的选择。普通民用相机已经可以达到上千万象素，趋向于高质量，更方便简单式的操作。近年来，全紧相机，3d相机，大光圈以及影响处理器和的升级成了新的高科技的发展趋势。并加以外观上更要求设计感与创新。照相机自1839年由法国人发明以来，已经走过了将近200年的发展道路。在这200年里，照相机走过了从黑白到彩色，从纯光学、机械架构演变为光学、机械、电子三位一体，从传统银盐胶片发展到今天的以数字存储器作为记录媒介。笑看浮云遮望眼，瞬间沧海变桑田，数码相机的出现正式标志着相机产业向数字化新纪元的跨越式发展，人们的影像生活也由此得到了彻底改变。
第一款相机（第一幅图）叫做“多眼”（Multi-Ball），其结构是一个球体里头装有很多小的镜头，这种设计的目的是让摄plenoptic camera），它能将你拍出来的照片自动进行怀旧处理。
其实它的长相有点像外星飞船，官方名字叫做CASPER，这款多镜头相机大家还是更喜欢把它叫做鬼马小精灵，不知道拍出来的效果是不是能“机如其名”。
佳能EOS 300D——一代平民数码单反王
2003年8月，佳能推出了采用塑料机身的EOS 300D，它整合了前辈EOS10D惯用的CMOS感光器件，售价首次低于1000美元，从而彻底改变了数码相机市场原有的竞争格局。这款相机采用630万像素CCD，ISO感光度 100-1600，使用CF卡作为存储介质。外观设计应用了银、灰、黑三色，整体给人的感觉还算不错。

CCD_原理及现状

CCD_原理及现状CCD（Charge-Coupled Device）是一种采用半导体材料制成的电子器件，用于图像传感和信号处理。

它是由美国贝尔实验室的Willard Boyle 和George E. Smith于1969年发明的，因此两位科学家获得了2024年度诺贝尔物理学奖。

CCD工作的原理是通过光电效应将光信号转换为电荷信号，并利用电荷耦合传递的方式将电荷信号从像素到像素传输，最终将电荷信号转换为电压信号进行放大和处理。

CCD传感器由大量的光电二极管组成，每个光电二极管对应一个像素，能够测量光的强度并将其转换为电荷。

当光照射在光电二极管上时，光电二极管中的半导体材料会产生电子-空穴对，电子被吸引到P型半导体，而空穴被吸引到N型半导体，从而产生电荷。

这些电荷会被存储在每个像素的电容器中。

CCD传感器还包括行选器、列选器和读出电路。

行选器用于选择要读取的行，而列选器用于选择要读取的列。

读出电路将存储在电容器中的电荷转换为电压信号，并进行放大和处理。

CCD的优点之一是其较高的灵敏度。

由于光电二极管对光的响应很敏感，因此CCD传感器能够捕捉到较弱的光信号。

另一个优点是其较低的噪声水平。

由于电荷信号被传输和放大而不是直接转换为电压信号，因此CCD传感器的噪声水平较低。

此外，CCD传感器具有较高的动态范围，能够捕捉到较宽的亮度范围。

然而，CCD也存在一些限制。

首先，由于CCD传感器是基于半导体制造的，因此其制造过程比较复杂，成本较高。

此外，CCD传感器的读取速度较慢，限制了其在高速应用中的应用。

此外，CCD传感器对于长时间曝光的应用较为不适用，因为长时间曝光会导致电荷积累和噪声增加。

总的来说，CCD传感器作为一种重要的图像传感和信号处理器件，具有高灵敏度、低噪声和较高的动态范围等优点。

尽管存在一些限制，但它仍然在许多领域得到广泛应用，并不断发展和改进。

随着技术的进步，相信CCD传感器在未来会有更广泛的应用和更好的性能。

感光元件发展过程

感光元件发展过程感光元件的发展过程可以追溯到1969年，当时美国的贝尔实验室的维拉·博伊尔（Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（George E. Smith）发明了电荷耦合器件（CCD），这是最早的数字感光器件之一。

尽管早期的CCD影像传感器存在一些缺陷，但经过不断的研究和改进，到了80年代后半期，已经能够制造出高分辨率且高品质的CCD。

进入90年代后，CCD技术得到了迅猛发展，百万像素之高分辨率CCD相继问世，同时，CCD的单位面积也越来越小。

为了提高图像的成像质量，尽管CCD面积减小，但一些公司如SONY开发出了新的技术，如SUPER HAD CCD，这种新的感光元件在CCD面积减小的情况下，依靠CCD组件内部放大器的放大倍率提升成像质量。

后来还出现了如NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD等新技术。

与此同时，另一种重要的数字感光器件——CMOS（互补式金属氧化物半导体）也在不断发展。

CMOS器件具有便于大规模生产、速度快、成本较低等优点，因此被广泛应用于各种数字相机中。

随着技术的不断进步，新的CMOS器件不断推陈出新，如高动态范围CMOS器件等，其成像质量已经接近甚至超过了CCD。

在感光元件的发展历程中，还伴随着非银感光材料的迅速发展。

这些非银感光材料对可见光并不敏感，而对紫外线、电子束或热辐射等敏感，使得感光材料工业的范围不断地扩大。

这些新材料和新技术的发展为感光元件的进步提供了强大的支持。

总的来说，感光元件的发展过程是一个不断创新和改进的过程，从最初的CCD到现代的CMOS和各种新技术、新材料的出现，都推动了感光元件性能的不断提升和应用领域的不断拓展。

CCD发展简史

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© 2001 Roper Scientific, Inc. All rights reserved.
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Figure 1.1. An area-array, solid-state imager.
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FU N D A M E N T A L SH - P E R F O R M A N C E
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I M A G I N G
I. History
In the 1960s, silicon was first used to make discrete devices (transistors and diodes). Small-scale integration in these devices allowed designers to assemble many transistors into basic logic elements, an innovation that revolutionized the digital-electronics industry. The power consumption, size, and cost of integrated circuits were dramatically reduced, and costs continued to decrease to the point where a handheld calculator could be manufactured for less than a dollar. During this rapid development of the solid-state electronics industry, light-sensitive silicon sensors were first integrated into linear arrays and, finally, into two-dimensional area arrays (Figure 1.1). In 1970, researchers at Bell Labs published the first information about CCDs and their potential as a memory alternative to the magnetic bubble device. The CCD was shown to have the ability to represent information (as charge packets of electrons), read the presence of that information serially, and store the resulting information for later retrieval. Combined with the evolution of integrated circuits, the CCD offered a smaller and relatively inexpensive option for memory storage. Although the CCD was successfully presented as an effective memory device, combining the CCD device architecture with silicon's intrinsic light sensitivity resulted in a new paradigm in technology. Astronomers were the first to recognize the potential of the newly invented CCD. In 1973, the Jet Propulsion Laboratory (JPL) developed a large-area-array CCD for space-borne navigation and imaging instruments. To promote the benefits of the CCD over traditional film and tube technologies, the JPL team built the "Traveling CCD Camera System" to be demonstrated at astronomical observatories around the world. The CCD performed beyond all expectations, leading to new scientific discoveries at nearly every site. Demand for the CCD became intense for astronomers. CCDs were outperforming film and tube detectors and were imaging the dimmest, most distant objects in the universe. They boasted sensitivity 100 times faster than film and could produce more data in a shorter period of time. Astronomers with access to CCDs were able to make new discoveries, were getting better funding, and were shaping the future of their profession. Within just a few years, astronomical instrumentation was completely revolutionized as the CCD became the sensor of choice at most major observatories. Even at smaller observatories, CCD cameras were producing science previously only possible with larger telescopes. The size of sensor arrays and the ability to cool devices for longer integration times became as large a concern as telescope size and location. An exponentially increasing number of other scientific fields of study have followed astronomy in the utilization of CCD technology. From light microscopy to spectroscopy, CCDs have revolutionized how scientific applications are performed. CCD manufacturers have developed a host of technologies to best realize the CCD's advantages in size, weight, low-power consumption, ultralow noise, linearity, dynamic range, photometric accuracy, broad spectral response, geometric stability, reliability, and durability over imaging tubes and film. Recent innovations in solid-state imaging technology, such as active-pixel sensors, on-chip signal processing, ultra-low-noise amplifiers, and chargecarrier multiplication, are continuing to redefine scientific imaging.

ccd基本原理与发展状况

RV
Vout 0V
相加阱将电荷输送到输出节点电容， Vout下降到信号电平。
SW R
+5V 0V
-5V +10V
0V
Vout
外部电路对 Vout 进行采样，所采样的Vout电平与信号电荷包中的电荷浓度成正比。
+5V
SW 0V
-5V +10V
R
0V
Vout
至此，完成了信号电荷包的测量。
CCD的工作过程示意图
入射光
e-
e-
e-
e-
e-
+Uth
e- 势阱
ee-
MOS电容器
e- e- e- e-
e-
e-
+Uth
e-
势阱
e-
MOS电容器
入射光
3、信号电荷的传输（耦合）
CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。
平面图一个像素
① ② ③
沟阻，定义了图像区的列
图示为CCD成像区的一小部分（几个像素）。图像区中这个图案是重复的。
三相CCD的电荷转移过程示意图
像元Pn
像元Pn+1 像元Pn+2
电荷包转移驱动脉冲
转移方向
4、信号电荷的检测
CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。
宽 12.7mm 8.8mm 6.4mm 4.8mm 3.2mm
靶面尺寸
高 9.6mm 6.6mm 4.8mm 3.6mm 2.4mm
对角线 16mm 11mm 8mm· 6mm 4mm

CCD图像传感器研究背景发展及国内外现状

CCD图像传感器研究背景发展及国内外现状1CCD图像传感器研究背景 (1)2 CCD图像传感器的发展历史........................................................................ 错误!未定义书签。

1CCD图像传感器研究背景CCD（Charge Coupled Device）即电荷耦合器件，它是20世纪70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件，首先由美国贝尔电话实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年首先提出了CCD的概念，在经历了一段时间的研究之后，建立了以一维势阱模型为基础的非稳态CCD的基本理论。

近30多年来，随着新型半导体材料的不断涌现和器件微细化技术的日趋完备，CCD器件及其应用技术得到了较快的发展，取得了惊人的进步。

目前CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术领域中成果累累，方兴未艾。

而CCD传感器无论是线阵还是面阵结构，其中都混杂有各种噪声或干扰成分，这极大地影响了CCD在高精度测量领域中的应用[1]。

因此降低噪声成为改善成像系统的一个首要任务。

相应的，如何精确地简便地测出CCD的噪声也变得极为重要。

2 CCD传感器的国内外研究现状目前，CCD 图像传感器的生产主要集中在日本的索尼、东芝、松下、滨松、夏普、三洋、富士、奥林巴斯、NEC、加拿大的达尔萨和美国的柯达等公司。

当前各CCD 生产厂商和数码相机、摄像机厂商之间像素和照片质量的竞争, 实质是缩小像素面积的竞争。

自1987年以来，CCD图像传感器的像素面积以每年20%的速度缩小，目前像素面积已经小于错误!未找到引用源。

从目前CCD技术的发展趋势来看，CCD将向高分辨力、高速度、微型化、多光谱、紫外、X射线、红外等方向发展。

近几年，数码相机和微型摄像机的发展过程中，CCD和CMOS 图像传感器相互竞争。

CCD

3、CCD 成像和实现温度测量的基本原理
3.1、基本原理
一个完整的CCD传感器由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入和输出电路组成。工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少，取样结束后，各光敏单元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中，移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端将输出信号接到图像显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。 CCD主要是对物体辐射能量中某一波段能量进行采集，并形成图像，波段并不一定局限于可见光范围。高温物体辐射的信息覆盖了全波段，并且辐射能量随波长发生改变，辐射峰值符合维恩公式，因此高温辐射能量主要集中在近红外和可见光波段，在高温物体温测量中， CCD传感器光谱响应多在可见光和近红外波段。高温物体表面温度场测量中CCD传感器的作用是采集相应响应范围内的整波段的物体辐射能量信息。某些研究中在CCD传感器前加装一些分光、滤光等装置或对CCD传感器进行改造，对进入CCD的信息进行处理，通过对采集的信息进行分析，得到物体表面的温度场分布。目前，高温物体表面测量中，常用的CCD成像器件可分为RGB彩色CCD和近红外CCD两类。 RGB彩色CCD主要用于模仿人眼的视觉效果(图2)进行可见光波段范围的成像，自然界中，任何可见的彩色可以用三原色(R一红、G一绿、B一蓝)按一定比例混合得到。彩色CCD传感器的作用是把来自被测对象的入射光分解为不同比例的R，G，B三原色(图3)，利用计算机进行数据采集和温度场重建的处理。目前主要采用的测温方法有比色法和三色多光谱测温法，最终获得被测物体的温度。测量装置简单，可对高温物体进行实时温度场测量，然而彩色CCD传感器主要应用于视觉成像，并不是为温度测量设计，在测温过程中存在很大的偏差，并且受外界环境影响大。近红外CCD主要是对物体近红外波段辐射出来的能量进行采集。目前的高温测量主要针对 3000K以下，此温度下的高温物体辐射能量主要集中在近红外波段，因此，采用红外CCD进行温度测量时，具有较高的灵敏度，测量的温度下限较低；并且，外界光源主要在可见光范围，对近红外CCD影响相对较小。因此，目前，近红外CCD测温技术得到越来越多研究人员的关注，建立了多种近红外CCD测温方法：单色法、比色法和多谱段测温法等。

摄像头工作原理

摄像头传感器概述：摄像头主要构件有镜头、图象传感器、预中放、 AGC、A/D、同步信号发生器、 CCD驱动器、图象信号形成电路、 D/A 转换电路和电源的电路构成。

其中，图象传感器作为摄像头的核心部件，又分为 CCD 传感器和 CMOS 传感器。

在当今各个科学领域，摄像头传感器得到越来越广泛的应用，其重要性不言而喻。

一、发展历史CCD 发展历史：1969 年，由美国的贝尔研究室所开辟出来的。

同年，日本的SONY 公司也开始研究CCD。

1973 年 1 月，SONY 中研所发表第一个以96 个图素并以线性感知的二次元影像传感器〝8H*8V (64 图素) FT 方式三相CCD〞。

1974 年 6 月，彩色影像用的 FT 方式 32H*64V CCD 研究成功了。

1976 年 8 月，完成实验室第一支摄影机的开辟。

1980 年， SONY 发表全世界第一个商品化的 CCD 摄影机 (编号 XC-1) 。

1981 年，发表了 28 万个图素的 CCD (电子式稳定摄影机 MABIKA)。

1983 年， 19 万个图素的 IT 方式 CCD 量产成功。

1984 年，发表了低污点高分辨率的CCD。

1987 年， 1/2 inch 25 万图素的 CCD，在市面上销售。

同年，发表 2/3 inch 38 万图素的CCD，且在市面上销售。

1990 年 7 月，诞生了全世界第一台 V8。

CMOS 发展历史：1989 年， CMOS 图象传感开始研制出来。

1990 年， CMOS 专用的 DSP 研发成功2002 年， CMOS 的 C3D二、摄像头工作原理摄像头主要有镜头、 CCD 图象传感器、预中放、 AGC、A/D、同步信号发生器、 CCD 驱动器、图象信号形成电路、D/A 转换电路和电源的电路构成。

摄像头的主要图象传感部件是 CCD (Charge Coupled Device)，即电荷耦合器件，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 是电耦合器件(ChargeCouple Device)的简称，它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，因此是理想的摄像元件，是代替摄像管传感器的新型器件。

CCD发展史

CCD发展史CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯（George E. Smith）所发明的。

当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。

将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（Charge "Bubble" Devices）。

这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。

但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。

到了70年代，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。

有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。

其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。

CCD发明者——维拉·博伊尔和乔治·史密斯发明者荣誉2006年元月，波义耳和史密斯获颁电机电子工程师学会（IEEE）颁发的Charles Stark Draper奖章，以表彰他们对CCD发展的贡献。

北京时间2009年10月6日，2009年诺贝尔物理学奖揭晓，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将该奖项授予一名中国香港科学家高锟(Charl es K. Kao)和两名科学家维拉·博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯（George E. Smith）。

科学家Charles K. Kao 因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就” 而获奖，科学家因博伊尔和乔治-E-史密斯因“发明了成像半导体电路——电荷藕合器件图像传感器CCD”获此殊荣。

CCD第四章

第34页，共61页。
Linear 纯线性
• 线型CCD是以一维感光点构成，透过步进马达扫瞄图像，由于照片是一行行组成，所以速度较使用 2维CCD的数字相机来得慢。这型CCD 大多用于平台式扫描仪之上。
第35页，共61页。
Interline Transfer 扫瞄型
• CCD 的曝光步骤就如同前面所介绍的相同， IL 型 CCD 的优点在于曝光后即可将电荷储存于缓存器中，组件可以继续拍摄下一张照片，因此速度较快，目前的反应速度以已经可达每秒 15张以上。相对性的缺点则是暂存区占据了部份感光面积，因此动态范围（Dynamic Range - 系统最亮与最暗之间差距所能表现的程度）较小。不过，由于速度快、成本低，市面上超过 8 成以上的数字相机都采用 IL 型 CCD 为感光组件
第29页，共61页。
CCD工作方式一
• 分解CCD 结构可以发现，为了帮助 CCD 能够组合呈彩色影像，网格被发展成具有规则排列的色彩矩阵，这些网格以红R、绿G和蓝B滤镜片所组成（三原色 CCD），亦有补色CCD （为CMYG .. Y黄色）。每一个 CCD组件由上百万个 MOS电容所构成（光点的多寡端看 CCD 的画素而定）。当数字相机的快门开启，来自影像
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CCD的分类
• 从信号传输方式上分：全帧传输CCD、隔行传输CCD两种；
• 从滤镜类型来分：原色CCD和补色CCD； • 从感光单元形状和排列方式来分：普通CCD
和超级CCD
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CCD生产厂家
• 目前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、 Philps、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和 Sharp，泰半是日本厂商。

浅谈CCD参数介绍及发展史

浅谈CCD参数介绍及发展史
【】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。

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。

在小型化的同时，利用各种新开发的技术，使其感光度不会因为单位面积缩小而受到影响，
也同时要求其性能维持或向上提升。

以下是索尼公司按年代划分而发展的CCD 传感器简介：
1、HAD 感测器
HAD(HOLE-ACCUMULATION DIODE)传感器是在N 型基板，P 型，N+2 极体的表面上，加上正孔蓄积层，这是SONY 独特的构造。

由于设计了这层正孔蓄积层，可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决。

另外，在N 型。

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CCD发展史CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯（George E. Smith）所发明的。

当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。

将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（Charge "Bubble" Devices）。

这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。

但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。

到了70年代，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。

有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。

其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。

CCD简介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。

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，但它是把图像像素转换成数字信号。

CCD 上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。

经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

CCD广泛应用在数位摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如Lucky imagi ng。

CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。

传真机所用的线性CCDCCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，现在市场上所说的CCD和CMOS其实都是CCD，只不过是加工工艺不同，前者是毫安级的耗电量，而后者是微安级的耗电量。

TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。

CCD广泛用于工业，民用产品。

\CCD功能特性CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，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工作原理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见图1-3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。

CCD的应用四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。

随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。

CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被侧物体进行准确的测量、分析。

含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件。

其光效率可达70%(能捕捉到70%的入射光)，优于传统菲林（底片）的2%，因此CC D迅速获得天文学家的大量采用。

传真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后，依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。

传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影，而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像，或从中撷取一块方形的区域。

一旦完成曝光的动作，控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元，到达边缘最后一个单元时，电荷讯号传入放大器，转变成电位。

如此周著复始，直到整个影像都转成电位，取样并数位化之后存入内存。

储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。

在数码相机领域，CCD的应用更是异彩纷呈。

一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜（Bayer filter ）加装在CCD上。

每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。

结果每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。

用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好，分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光，由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。

所有的专业级数位摄影机，和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。

目前，超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵，配备3CCD的高解析静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。

因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜，兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。

这类多次成像的照像机只能用于拍摄静态物品。

经冷冻的CCD同时在1990年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装置，而各大型天文台亦不断研发高像数CCD以拍摄极高解像之天体照片。

CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。

方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致，速度也同步，以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更大的视场。

一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等。

为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体幅射效应。

CCD对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很容易拍到遥控器发出的红外线。

降低温度可减少电容阵列上的暗电流，增进CCD在低照度的敏感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升（信噪比提高）。

温度噪声、暗电流（dark current）和宇宙辐射都会影响CCD表面的像素。

天文学家利用快门的开阖，让CCD多次曝光，取其平均值以缓解干扰效应。

为去除背景噪声，要先在快门关闭时取影像讯号的平均值，即为"暗框"(dark frame)。

然后打开快门，取得影像后减去暗框的值，再滤除系统噪声(暗点和亮点等等)，得到更清晰的细节。

天文摄影所用的冷却CCD照相机必须以接环固定在成像位置，防止外来光线或震动影响；同时亦因为大多数影像平台生来笨重，要拍摄星系、星云等暗弱天体的影像，天文学家利用"自动导星"技术。

大多数的自动导星系统使用额外的不同轴CCD 监测任何影像的偏移，然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用之CCD相机上。

以光学装置把主镜内部份星光加进相机内另一颗CCD导星装置，能迅速侦测追踪天体时的微小误差，并自动调整驱动马达以矫正误差而不需另外装置导星。

一组用于紫外线影像处理用的CCDCCD为什么能看到红外线?其实在CCD中，本来就对红外光有感应,能看到红外线，例如：使用黑白摄像机,在关掉明亮电灯的情况下,开启红外灯,马上可以看到影像。

这是由于黑白摄像机本来就没颜色，但在现实使用的彩色CCD多数看不到红外线。

其实,彩色CCD也能识别和感应到红外线,但会干扰到D.S.P (影像处理主芯片)的运算以导致”偏色”,因此,在彩色CCD中为了让其不“偏色”,在彩色CCD上头黏的那片滤光片，让它不能接收红外线。

从380nm-645nm 穿透率是约93% ,刚好就是可见光的范围(紫-靛-蓝-绿-黄-橙-红),就是彩虹的颜色嘛! 600多nm是红色光,在它往右以”外”,就叫”红外线”,是”红色以外的光” 不是红色的光,因为眼睛已经看不到了,再来,380nm左右我们眼睛看到的是紫色,在380nm往左以”外”,就叫”紫外线”.CCD彩色数码相机一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜（Bayer filter）加装在CCD上。