《现代测试技术》
课程考核论文
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摘要：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。 关键字：电信号、图像信号、相机、摄像机。
该传感器的工作原理
构成CCD的基本单元是MOS（金属－氧化物－半导体）结构。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。工作时，需要在金属栅极上加一定的偏压，形成势阱以容纳电荷，电荷的多少与光强成线性关系。电荷读出时，在一定相位关系的移位脉冲作用下，从一个位置移动到下一个位置，直到移出CCD，经过电荷ˉ电压变换，转换为模拟信号。由于在CCD中每个像元的势阱所容纳电荷的能力是有一定限制的，所以如果光照太强，一旦电荷填满势阱，电子将产生“溢出”现象。另外，在电荷读出时，由于它是从一个位置到下一个位置的电荷转移过程，所以存在电荷的转移效率和转移损失问题
电荷耦合摄像器件（CCD）的突出特点是以电荷为信号载体。它的功能是接受存储模拟电荷信号，并将它逐级转移（并存储）输送到输出端。其基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测，因此实际上相当于一个模拟移位存储器。主要有信息处理用延迟线、存储器和光电摄像器件三个方向应用
CCD有表面（沟道）CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）两种基本类型。作为图像传感器用摄像器件还另外具有光敏元阵列和转移栅，以进行光电转移，并将光电转换的信号电荷转移到CCD转移电极下。
该传感器的的测量的物理量及范围
线型CCD即CCD的感光元件排列在一条直线上。它成像方式是CCD在光学系统成像所在的焦平面上垂直扫过，地到一幅完整的影像。传统的扫描仪都使用这种类型的CCD，因此我们又称它为扫描型CCD。线性CCD的这种工作方式决定了
2它得到一幅完整的影像需要很长的时间，即嚗光时间很长。自然它就无法用于拍摄动态的物体，另外在嚗光过程中需要一致的光线环境，它也不支持闪光拍摄。虽然有如此重大的缺陷，但线性CCD的感光元件可以做到很高的线密度，这样用线性CCD可以得到极高像素数量的影像，因此它仍然被用于数码相机，拍摄需要超高分辨率的静物影像。典型的例子是Agfa的StudioCam相机，它用三条线性CCD分别感应红蓝绿三色光，每条3648像素，色彩灰度为12位，可得到1640万像素分辨率高达4500*3648的图象，最终的影像容量高达50-100MB。其预扫描时间需要12秒，每一线依精度需要1/15-1/200秒。
面型CCD 又称全幅式CCD,阵列型CCD。面型CCD的嚗光方式有以下三种。 1．单CCD芯片三次嚗光：即通过三色滤镜轮盘分别将红蓝绿三色光投射在CCD上，三次采集后合成得到影像。这种方式得到的影像质量很高，但三次嚗光，不能用于拍摄动态影像。
2．三CCD一次嚗光：三个CCD芯片，分别感应红绿蓝三色光（或其中两片感应绿色光，另一片感应红蓝光），自然光通过分光棱镜系统将三色光分别投影在CCD上，一次嚗光得到完整影像。这种方式得到的影像质量和单芯片三次嚗光一样，而一次嚗光可拍摄动态影像.缺点是三CCD的成本很高，分光棱镜的制作技术难度也很大。
3.单CCD芯片一次嚗光：CCD上组合排列感应三种色光的像素，一次嚗光后得到影像，由于人眼对绿色最为敏感，通常CCD上的感绿色像素最多。这种方式的影像质量最低，但受成本的限制和对动态影像的拍摄要求，市面上主流产品大都采用单CCD芯片一次嚗光。
CCD - CCD原理
说到CCD的尺寸，其实是说感光器件的面积大小，这里就包括了CCD和CMOS。感光器件的面积大小，CCD/CMOS面积越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。CCD/CMOS是数码相机用来感光成像的部件，相当于光学传统相机中的胶卷。
CCD上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列。当其表面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面
该传感器的对测量某一物理量的具体应用
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。CCD一般可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD将CCD内部电极分成数组，并施加同样的时钟脉冲，以满足不同场合的应用。面阵CCD较线阵CCD结构更为复杂，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，以获取大量信息，完成复杂图像的处理。
一般考察CCD质量性能，可以对其不同参数进行考虑。包括CCD的光谱灵敏度、暗电流与噪声、转移效率和转移损失率、时钟频率的上、下限、动态范围、非均匀性、非线性度、时间常数、CCD芯片像素缺陷等。
CCD图像传感器一般体积较小，功耗也较低，因此适应于各类电子产品而不会占用太大空间。同时CCD灵敏度高、噪声低、动态范围大、响应速度快、像素集成度高、尺寸精确等，都让它的应用得到普及。
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。经冷冻的CCD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能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能，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
该传感器的技术指标及参考价格、可能的生产厂家 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。不同工艺制成的CCD芯片，其量子效率不同。灵敏度还与光照方式有关，背照CCD的量子效率高，光谱响应曲线无起伏，正照CCD由于反射和吸收损失，光谱响应曲线上存在若干个峰和谷。
2.CCD的暗电流与噪声
CCD暗电流是内部热激励载流子造成的。CCD在低帧频工作时，可以几秒或几千秒的累积（曝光）时间来采集低亮度图像，如果曝光时间较长，暗电流会在
4光电子形成之前将势阱填满热电子。由于晶格点阵的缺陷，不同像素的暗电流可能差别很大。在曝光时间较长的图像上，会产生一个星空状的固定噪声图案。这种效应是因为少数像素具有反常的较大暗电流，一般可在记录后从图像中减去，除非暗电流已使势阱中的电子达到饱和。
晶格点阵的缺陷产生不能收集光电子的死像素。由于电荷在移出芯片的途中要穿过像素，一个死像素就会导致一整列中的全部或部分像素无效；过渡曝光会使过剩的光电子蔓延到相邻像素，导致图像扩散性模糊。
3.转移效率和转移损失率
电荷包从一个势阱向另一个势阱转移时，需要一个过程。像素中的电荷在离开芯片之前要在势阱间移动上千次或更多，这要求电荷转移效率极其高，否则光电子的有效数目会在读出过程中损失严重。
引起电荷转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获，转移损失造成信号退化。采用“胖零”技术可减少这种损耗。
4.时钟频率的上、下限
下限取决于非平衡载流子的平均寿命，上限取决于电荷包转移的损失率，即电荷包的转移要有足够的时间。
5.动态范围
表征同一幅图像中最强但未饱和点与最弱点强度的比值。数字图像一般用DN表示。
6.非均匀性
表征CCD芯片全部像素对同一波长、同一强度信号响应能力的不一致性。
7.非线性度
表征CCD芯片对于同一波长的输入信号，其输出信号强度与输入信号强度比例变化的不一致性。
8.时间常数
表征探测器响应速度，也表示探测器响应的调制辐射能力。时间常数与光导和光伏探测器中的自由载流子寿命有关。
9.CCD芯片像素缺陷
a.像素缺陷：对于在50%线性范围的照明，若像素响应与其相邻像素偏差超过30%，则为像素缺陷。
b.簇缺陷：在3*3像素的范围内，缺陷数超过5个像素。
c.列缺陷：在1*12的范围内，列的缺陷超过8个像素。
d.行缺陷：在一组水平像素内，行的缺陷超过8个像素
价格：600~800元之间
生产厂家：索尼、尼康
优缺点
优点：CCD制造工艺较复杂，成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确一般是颜色好，
缺点：费电，曝光时间长的时候温升大，噪点相对严重，最重要的是大规格的成品率低，成本高
针对缺点有何改进措施
1)围绕空间CCD相机的设计技术要求,本文在相机的结构设计过程中完成了以下工作: (a)通过对星载空间相机常用材料的性能分析比较,合理地完成部件结构的材料选择,为达到轻量化的设计要求奠定基础; (b)应用有限元分析方法,对相机关键部件——主镜筒和支架进行了优化设计; 2)在该相机精确CAD模型的基础上,对CCD相机进行了简化造型。利用简化后的模型建立了整机的有限元模型,完成了该相机结构动态特性分析计算
参考文献
[1].曾光奇.工程测试技术基础.武汉：华中科技大学出版社.2002.36
