走近CCD图像传感器

2013-12-16 admin1 57

  2009年诺贝尔物理学奖授予了美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯,因为他们开启了CCD图像传感器的大门,彻底革新了传统的摄影技术,给数码照相机安装了电子眼,让我们从此告别胶片成像的时代,进入了另一番五彩缤纷的世界。

  那么何谓CCD,它又是怎样实现图像传感功能的呢?CCD即电荷藕合器(Charge Coupled Device),它是一种大规模金属氧化物半导体(MOS)集成电路光电器件,其基本单元是MOS光敏元。成千上万个MOS光敏元相互独立的分布在半导体硅片上,每一个MOS光敏元构成一个像素。当光照射在硅片上时,在光子的作用下,半导体硅产生电子-空穴对,光生电子就被附近的势阱所吸收,而空穴被排斥出耗尽区。由于势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比,因此,当明暗起伏的光线照射在这些光敏元上时,光敏元就将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包的空间分布,即感生出一幅与光照强度相对应的“光生电荷图像”。由于CCD电荷耦合器件直接产生的是电荷信号而不是电压、电流信号,因此还需要利用移位寄存器将光生电荷图像转移出来,在输出电路的作用下,生成幅度与光生电荷包成正比的电脉冲序列,从而将照射在CCD上的光学图像转换为电信号图像,实现了CCD图像传感的功能。

  根据结构形式的不同,CCD图像传感器可以分为单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构CCD等;根据光敏元件排列形式的不同,CCD图像传感器又可以分为线型CCD和面型CCD两种。其中,线型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。面型CCD图像传感器主要用于图像的传感,如固体摄像器件、图像存储和图像处理等。

  与其他摄像器件相比CCD不仅具有寿命长、集成度高、体积小、重量轻、灵敏度和分辨率高等特点,也具有功耗小、光谱响应范围宽、工作电压低、抗震性和抗冲击性好等优势,因此其应用前景十分广阔。而且,CCD图像传感器在传真通讯系统、光学字符识别、零件尺寸的自动测量、医学标本分析与检测、交通监控等民用领域及空间遥感遥测、水下扫描摄像、图像跟踪制导等军事领域中也都发挥着重要作用。

  CCD图像传感器自1969年问世以来,发展十分迅速,制造技术已经成熟并已实现了商品化,器件从初期的10多万像素已经发展至目前的几百万甚至上千万像素。特别是在以数字信息发展为主题的今天,科技的发展带动人民生活水平的提高,基于CCD图像传感器的数码相机、摄像机等产品也越来越受人们的欢迎,相信在不久的将来CCD图像传感器又将带给我们一个别样的人生。

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