CCD摄像机原理及应用
CCD工作原理
CCD工作原理CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）是一种用于光电转换的半导体器件，广泛应用于数码相机、摄像机、扫描仪等光学设备中。
CCD的工作原理是基于光电效应和电荷耦合效应。
1. 光电效应CCD的光电效应是指当光照射到CCD的表面时，光子与半导体材料相互作用，产生电子-空穴对。
这些电子-空穴对会被电场分离，电子被会萃在表面，形成电荷。
2. 电荷耦合效应CCD的电荷耦合效应是指将电荷从一个电容传输到另一个电容的过程。
CCD由一系列电荷耦合器件组成，每一个电荷耦合器件包含一个电荷传输区域和一个电荷储存区域。
电荷传输区域由一系列电荷传输门控制，可以将电荷从一个电容传输到下一个电容。
3. 工作步骤CCD的工作步骤包括光电转换、电荷传输和电荷读出。
- 光电转换：当光照射到CCD的表面时，光子与半导体材料相互作用，产生电子-空穴对。
电子被会萃在表面形成电荷。
- 电荷传输：电荷传输是通过电荷传输门控制的。
传输门打开时，电荷从一个电容传输到下一个电容。
传输门的打开和关闭是由时钟信号控制的。
- 电荷读出：当所有的电荷传输完成后，CCD中的电荷被读出。
读出过程通过将电荷转换为电压信号完成。
读出电路将电荷转换为电压，并进行放大和转换，最终输出为数字信号。
4. 工作原理优势CCD的工作原理具有以下优势：- 高灵敏度：CCD对光的响应范围广，可以捕捉到较弱的光信号。
- 低噪声：CCD在传输过程中减少了噪声的干扰，提高了图象质量。
- 高动态范围：CCD可以捕捉到较宽范围的亮度差异，使图象更加细致。
- 高分辨率：CCD可以提供高分辨率的图象，捕捉更多的细节。
- 快速传输：CCD的电荷传输速度较快，可以实现高速图象采集。
总结：CCD工作原理是基于光电效应和电荷耦合效应。
光照射到CCD表面时，光子与半导体材料相互作用，产生电子-空穴对，电子被会萃在表面形成电荷。
电荷通过电荷传输器件的传输门控制，从一个电容传输到下一个电容。
CCD基本原理与应用
CCD基本原理与应用CCD（Charge-Coupled Device）是一种光电转换器件，它的基本原理是利用光电效应将光信号转换为电荷信号，然后通过电荷耦合传输的方式将电荷信号从一个电容储存区传输到另一个电容储存区，最后将电荷信号转换为电压信号。
CCD的主要应用领域包括数字摄像机、天文观测、医学影像等。
CCD的基本原理可以分为三个步骤：光电转换、电荷耦合传输和电荷转换为电压。
首先是光电转换。
当光照射到CCD的感光表面时，感光表面上的光敏元件会发生光电效应，将光子转换为电子。
这些电子会被吸引到感光表面下方的电荷储存区。
接下来是电荷耦合传输。
CCD内部有一系列的电容储存区，被称为像元。
电子从感光表面下方的电荷储存区开始传输，通过电场的作用逐个传输到相邻的电容储存区。
这个传输过程是通过在CCD上施加适当的时序脉冲来实现的。
最后是电荷转换为电压。
当电子传输到最后一个电容储存区时，通过适当的控制信号，电子会被转移到输出节点上的读出电容中。
然后，读出电容上的电荷被转换为电压信号，经过放大和处理后，最终得到模拟电压信号。
CCD的应用非常广泛。
最常见的应用是在数码相机和摄像机中。
CCD 作为图像传感器，能够将光信号转换为电信号，然后通过数字信号处理技术将电信号转换为数字信号，最终形成图片或视频。
CCD的高灵敏度和低噪声特性使得它在图像传感器领域具有重要的地位。
此外，CCD还被广泛应用于天文观测领域。
天文学家利用CCD摄像机可以拍摄到远离地球的星体图像，并通过处理和分析这些图像来研究宇宙的起源和演化。
医学影像是另一个CCD的重要应用领域。
例如，CCD能够用于X射线摄像机，将X射线转换为电荷信号，然后转换为图像。
这种技术在医学检查中非常有用，可以帮助医生进行诊断和治疗。
总的来说，CCD作为一种光电转换器件，利用光电效应将光信号转换为电荷信号，并通过电荷耦合传输和电荷转换为电压的方式最终得到电压信号。
CCD具有高灵敏度、低噪声和高分辨率等特点，因此在数字摄像机、天文观测、医学影像等领域得到广泛应用。
CCD基本原理与应用
CCD基本原理与应用CCD，即电荷耦合器件（Charge-Coupled Device），是一种用于转换光信号为电信号的半导体器件。
CCD是一种由光电二极管线性排列而成的芯片，其工作原理基于光电效应和电荷耦合。
CCD广泛应用于图像传感器、视频摄像机、天文望远镜等领域。
CCD的基本结构由光电二极管（Photodiode）、多相控制电极（Phased Shifted Electrode）和读出电极（Output Electrode）组成。
光电二极管负责将光信号转化为电荷信号。
多相控制电极则用来控制电荷在CCD上的传输，以保证信号的准确性和可靠性。
读出电极则用来将电荷信号转化为电压信号输出。
CCD的工作原理如下：1.光电二极管接收到光信号后，产生电子-空穴对。
2.电子穿过p-n结向n区域迁移，空穴则向p区迁移。
3.迁移过程中，由于p区电导性较差，电子会在n区逐渐积累，形成电荷包。
4.控制电极的作用下，电荷包从一个像素点传输到相邻的像素点，最终传输至读出电极。
5.读出电极通过引出信号电压，将电荷信号转化为电压信号输出。
CCD的应用十分广泛，主要包括以下几个方面：1.数字相机：CCD作为图像传感器，广泛应用于数码相机中，能够实现高质量的图像采集和处理。
2.视频摄像：CCD能够将光信号转化为电压信号输出，适用于摄像机领域。
和传统的摄像管相比，CCD具有更高的分辨率和更低的噪声水平。
3.星座图像传感器：CCD的高灵敏度和低噪声特性使其成为天文学领域中观测星座图像的主要工具。
4.医学成像：CCD能够捕捉体内不同器官的光信号，被广泛应用于医学成像设备，如X光、核磁共振等。
5.显微镜：CCD能够高精度地捕捉显微镜中的图像，用于医学、生物、材料等领域的显微观察和分析。
总结起来，CCD作为一种重要的半导体器件，通过光电效应和电荷耦合实现了光信号到电信号的转换。
其具有高灵敏度、低噪声、高分辨率等优点，因此广泛应用于图像传感器、摄像机、天文望远镜等领域，对于现代科技的发展起到了重要的推动作用。
CCD基本原理与应用
CCD基本原理与应用CCD（Charge Coupled Device）是一种电子器件，也是一种图像传感器。
它是由许多电荷传输电极、储存节点和输出寄存器组成的。
CCD原理基于光电效应，通过转换光子能量为电荷，进而将电荷转换为电信号。
CCD工作原理是通过感光元件接收光线，将光线中的不同颜色和亮度转化为电荷信号，进一步转化为电压信号。
CCD感光元件由排列在平面上的微小光敏单元（Pixel）组成，每个光敏单元可以转换接收到的光线为一定量的电荷。
当光线进入CCD感光元件时，光子会与感光元件上的硅原子相互作用，使电子从价带跃迁到导带，形成电荷。
光敏单元的形状和大小决定了CCD的空间分辨率。
在CCD感光元件的排列结构中，光敏单元被分成两个区域：感光区和储存区。
感光区接收到光线，产生的电荷被存储在相应的储存区。
当电荷存储完毕后，通过逆向偏置的输出寄存器完成信号的放大和读取。
读出的信号可以用来构建图像。
CCD的应用非常广泛。
最常见的应用之一是在数字相机和摄像机中充当图像传感器。
CCD感光元件可以捕捉到细节丰富的图像，并转换为数字信号。
这些数字信号可以通过影像处理、压缩和存储等方式进行后续的处理和使用。
CCD也在天文学中广泛应用。
天文学家使用CCD相机来观测和拍摄星体的图像。
由于CCD可以捕捉非常微弱的光信号，并具有较高的灵敏度和低噪声特性，所以CCD相机成为天文观测中不可或缺的工具。
CCD还广泛应用于光谱仪中。
光谱仪将光线分散为不同波长的光谱，CCD感光元件可以将光谱转换为电信号，并进行进一步的分析和测量。
这使得CCD成为光谱分析领域中的关键技术。
此外，CCD还被应用于医学成像、工业检测和科学研究等领域。
在医学成像中，CCD感光元件可以捕捉到医学图像，并帮助医生进行诊断。
在工业检测中，CCD可以用来检测产品的表面缺陷和异常，提高生产质量。
在科学研究中，CCD可以用来观测微观现象和进行粒子探测。
总的来说，CCD基本原理是通过光电效应将光子能量转换为电荷，进而转换为电信号。
ccd是什么
ccd是什么CCD 是电荷耦合器件（Charge-Coupled Device）的缩写。
它是一种使用在图像传感器和高速数据转移领域的技术。
CCD 在图像传感器和摄像机中广泛应用，因为它的可靠性和高质量图像输出。
本文将介绍 CCD 的原理、应用和发展趋势。
一、CCD 的原理CCD 是一种半导体器件，其工作原理基于电荷的轨迹和传输。
CCD 由一系列的电荷传输节点和电极组成。
当光子进入 CCD 的光敏区域时，它会产生电荷。
电荷被控制电极和传输电极捕捉，然后通过电荷耦合和转移来传输到读取电极。
最后，电荷被转换成电压信号并传输到 AD 转换器进行数字化。
CCD 的核心是光敏区域，也称为像素阵列。
每个像素都是一个光敏元件，可以将入射的光子转化为电荷。
这个过程称为光电转换。
光子的能量越高，产生的电荷就越多。
因此，在 CCD 中，每个像素的电荷量可以表示光的强度。
二、CCD 的应用1. 数码相机：CCD 是数码相机中最常用的图像传感器。
它能够捕捉高质量、高分辨率的图像，并提供良好的色彩还原能力。
由于 CCD 能够对光的强度进行准确测量，因此它在摄影领域得到广泛应用。
2. 星空观测：CCD 能够捕捉微弱的星光信号，并转化为可见的图像。
这使得天文学家能够观测到远离地球的星体，研究星体的性质和演化过程。
3. 医学影像：CCD 在医学影像领域发挥着重要作用。
例如，CCD可以用于光学显微镜和内窥镜等设备，捕捉并放大被观察组织的图像。
这对于医生进行疾病诊断和治疗决策至关重要。
4. 太阳能电池板：在太阳能电池板中，CCD 被用作表面缺陷检测工具。
它可以检测表面缺陷，提高太阳能电池板的效率和耐久性。
5. 科学研究：CCD 在科学研究中发挥重要作用。
例如，在光学显微镜和电子显微镜中，CCD 能够捕捉微小的结构和颗粒，并提供高分辨率的图像。
三、CCD 的发展趋势1. 提高分辨率：随着科技的不断进步，对于图像质量的要求也越来越高。
未来的 CCD 将会追求更高的分辨率，以捕捉更多细节和精确的图像。
ccd摄像机工作原理
ccd摄像机工作原理
CCD摄像机是一种使用电子器件来捕捉光信号并转换为电子信号的摄像设备。
其工作原理可分为以下几个步骤：
1. 光信号捕捉：CCD摄像机通过透镜将场景中的光线聚焦到图像传感器上。
图像传感器使用一种叫做CCD（Charge-Coupled Device）的电荷耦合器件来捕捉光信号。
2. 光信号转换：当光线通过透镜进入图像传感器后，会击中感光元件上的像素。
每个像素都包含一个光电二极管，当光线照射到光电二极管上时，会产生电荷。
3. 电荷传输：CCD摄像机中的感光元件是由一条长长的电荷传输通道连接在一起的。
这条通道上有许多电荷传输栅，通过改变电压来控制电荷的传输。
4. 电压控制：在感光元件中，电荷会被从像素中传输到电荷传输通道的一端。
电压信号会在电荷传输过程中不断变化，通过控制每个电荷传输栅的电压，可以将电荷有序地传递到下一个像素。
5. 电荷读取：当所有的电荷都传输到电荷传输通道的末端后，CCD摄像机会将电荷传输到AD转换器中进行模数转换。
转换后得到的数字信号就是图像的亮度信息。
总结：CCD摄像机的工作原理是利用CCD传感器中的感光元
件来捕捉光信号，并通过适当的电压控制和电荷传输过程将光信号转换为数字信号，从而生成图像。
CCD工作原理
CCD工作原理CCD（Charge-Coupled Device）是一种光电转换器件，广泛应用于数码相机、摄像机、天文望远镜等领域。
CCD工作原理是指CCD如何将光信号转换为电信号的过程。
下面将详细介绍CCD工作原理的标准格式文本。
一、CCD的基本结构CCD由一系列的电荷传输单元组成，每个单元都是一个电荷集合区和一个电荷传输区。
电荷集合区用于接收光信号，而电荷传输区用于将电荷传输到下一个单元。
二、光信号的转换过程1. 光信号的捕获当光照射到CCD的感光面上时，光子会激发感光元件中的电荷。
感光元件通常由硅制成，其表面涂有光敏材料。
光敏材料吸收光子后会产生电子-空穴对，其中电子会被捕获并形成电荷。
2. 电荷的收集电荷集合区位于感光元件下方，当光信号激发的电荷进入电荷集合区时，电荷会被收集并存储在该区域中。
电荷集合区的容量决定了CCD的灵敏度。
3. 电荷的传输电荷传输区负责将电荷从一个单元传输到相邻的单元。
传输过程通过调整电压来实现，通常使用时钟信号来控制电荷的传输。
电荷传输区的设计和工艺对CCD 的分辨率和噪声性能有重要影响。
4. 电荷的放大和读出当电荷传输到CCD的输出端时，电荷会被放大并转换为电压信号。
这个过程通常通过源随随机接入（source-follower）放大器来实现。
放大后的电压信号可以通过模数转换器（ADC）转换为数字信号，进而被处理和存储。
三、CCD的工作模式CCD有两种常见的工作模式：隔行扫描模式和全帧扫描模式。
1. 隔行扫描模式在隔行扫描模式下，CCD先扫描奇数行的像素，然后再扫描偶数行的像素。
这种模式适用于捕捉运动较快的场景，可以减少运动模糊。
2. 全帧扫描模式在全帧扫描模式下，CCD按照从上到下的顺序扫描每一行像素。
这种模式适用于静态场景的拍摄，可以获得更高的图像质量。
四、CCD的特点和应用领域1. 高灵敏度：CCD可以捕捉微弱的光信号，适用于低光条件下的拍摄。
2. 低噪声：CCD具有较低的噪声水平，可以提供清晰的图像。
CCD工作原理
CCD工作原理CCD（Charge-Coupled Device）是一种用于光电转换的器件，广泛应用于数码相机、摄像机、扫描仪等光学设备中。
它利用光电效应将光信号转换为电荷信号，并通过电荷耦合的方式将电荷信号传输和存储，最终转化为数字信号。
CCD工作原理可以分为光电转换、电荷传输和读出三个主要步骤。
1. 光电转换CCD芯片表面覆盖着一层光敏材料，通常是硅，其表面被分成很多个微小的光电二极管单元，每个单元称为像素。
当光线照射到像素上时，光子会被光敏材料吸收，并激发出电子。
这些电子会被收集到像素的电荷积累区域。
2. 电荷传输CCD芯片内部有一系列的电荷传输通道，通常是由隔离栅和电荷传输栅组成。
隔离栅用于将像素之间的电荷隔离开，避免相互干扰。
电荷传输栅则用于将电荷从像素中传输到芯片的储存区域。
在传输过程中，电荷会通过电荷传输栅逐个传输到芯片的储存区域，这个过程称为行扫描。
每一行的电荷传输完成后，下一行的电荷传输就会开始，直到所有行的电荷都被传输到储存区域。
3. 读出当所有的电荷都被传输到储存区域后，CCD芯片就进入读出阶段。
读出过程中，电荷会被逐个转换为电压信号，并通过放大器进行放大。
放大后的信号可以被进一步处理和转换为数字信号，用于显示或存储。
CCD工作原理的关键在于电荷传输的准确性和稳定性。
为了保证传输过程中的电荷不受干扰，CCD芯片通常会采用隔离栅和电荷传输栅来隔离不同像素之间的电荷，并通过控制电压的方式来控制电荷的传输速度和方向。
此外，CCD芯片还需要配合适当的光学系统，如透镜和滤光片，来控制光线的入射角度和波长范围，以提高图像的质量和色彩还原度。
总结：CCD工作原理是通过光电转换、电荷传输和读出三个步骤实现图像的捕捉和转换。
光线照射到CCD芯片上时，光电二极管单元会将光信号转换为电荷信号，并通过电荷传输的方式将电荷传输到芯片的储存区域。
最后，电荷会被转换为电压信号并通过放大器进行放大，最终转化为数字信号。
ccd的基本功能
CCD的基本功能CCD（Charge-Coupled Device）是一种用于光电转换的器件，广泛应用于数字相机、摄像机、光学扫描仪等领域。
它能够将光信号转换成电荷，并将电荷传输至读出电路进行信号放大和处理。
本文将详细介绍CCD的基本功能及其在各个领域中的应用。
1. CCD的工作原理CCD是由一系列光敏元件组成的二维阵列，每个光敏元件对应图像中一个像素点。
其基本工作原理如下：1.光信号的接收：当光照射到CCD表面时，光子会激发CCD中的光敏元件产生电子-空穴对。
2.电荷转移：通过控制时钟信号，CCD将产生的电荷传输至相邻位置，最终集中到输出端。
3.信号放大和读出：输出端通过增益放大器等电路对传输过来的电荷进行放大和处理，最终得到图像信号。
2. CCD的基本功能2.1 光信号转换CCD能够将光信号高效地转换成电荷信号，实现图像信息的捕捉。
其高灵敏度和低噪声特性使得CCD成为优秀的图像传感器之一。
2.2 像素级控制CCD中的每个光敏元件对应一个像素点，通过对每个像素点的电荷进行读取和处理，可以实现对图像的细节捕捉和调整。
2.3 高速连续采集CCD具有较快的连续采集速度，能够在较短时间内捕捉到大量图像信息。
这使得CCD在需要高速连续拍摄的应用场景中得到广泛应用，如运动跟踪、高速摄影等领域。
2.4 高动态范围CCD能够在较宽的光照范围内获取准确的图像信息，具有较高的动态范围。
这使得CCD在需要同时获取亮部和暗部细节的场景中表现出色，如摄影、天文学观测等领域。
3. CCD在不同领域中的应用3.1 数字相机数字相机是最常见的使用CCD技术的设备之一。
CCD作为图像传感器，能够将光信号转化为电信号，并通过后续的图像处理和存储，最终得到高质量的数字图像。
3.2 摄像机CCD在摄像机中的应用广泛，包括安防监控、电视摄像、工业检测等领域。
其高速连续采集和高动态范围的特性使得CCD能够捕捉到清晰、细腻的图像，满足各种实时监控和录制需求。
CCD的工作原理及应用现状
CCD的工作原理及应用现状CCD（像面耦合元件）是一种半导体光电转换器件，能够将光信号转换为电信号。
它的工作原理是利用半导体材料中光电效应的发生，通过光电二极管将光信号转化为电荷信号，并通过CCD电荷传输技术将电荷信号转移到读出电子器件上进行放大和转换。
CCD的工作原理主要包括光电效应、光电二极管、电荷传输和读出电子器件。
光电效应是指当光线照射在半导体材料上时，光子能量被半导体吸收后产生电子-空穴对，即光生载流子。
光电二极管是一种P-N结构，当光生载流子通过P-N结时会产生电流信号。
电荷传输是指通过控制电压，将光电二极管处的电荷信号传输到读出电子器件上，并将信号进行放大和转换。
CCD的应用现状非常广泛。
在图像采集领域，CCD被广泛应用于数码相机、摄像机、扫描仪等设备中，能够将光信号转换为数字信号，实现图像的采集和存储。
此外，在天文学、卫星遥感、医学影像等领域也广泛应用CCD技术，通过CCD传感器对目标进行观测和测量。
在光学显微镜、荧光显微镜中，CCD也被用于图像捕捉和显示。
另外，CCD技术也常用于光谱仪、光学测量仪器、光学通信设备等光学仪器中。
在光谱仪中，CCD能够对不同波长的光进行准确的光谱分析，用于化学、物理等领域的研究。
在光学测量仪器中，CCD可用于测量距离、角度、形状等参数，并广泛应用于机器视觉和自动化控制系统中。
此外，由于CCD具有高灵敏度、低噪声等特点，还被应用于低光水平条件下的成像和检测系统中，如夜视仪、安防监控等领域。
虽然CCD技术在图像传感器领域一度占据主导地位，但随着CMOS （互补金属氧化物半导体）技术的发展和进步，CMOS传感器在成本、功耗和集成度等方面具有优势，逐渐取代了部分CCD应用。
然而，由于CCD 在低噪声、高灵敏度、动态范围等方面的优势，以及在一些特殊领域的独特应用，CCD仍然保持着一定的市场和应用前景。
总之，CCD作为一种光电转换器件，通过光电效应和电荷传输技术将光信号转化为电信号，并应用于图像采集、光学仪器、医学影像、光谱分析等多个领域。
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《中国有线电视》2005(14)CH I N A D I GI T AL CABLE T V・摄编制播・CC D 摄像机原理及应用□刘 崧,戚小平,钟双英(南昌大学,江西南昌330047)摘 要:在介绍电荷耦合器件(CCD )摄像机的工作原理、性能指标的基础上,阐述了CCD 在高校教学、科研及管理中的应用。
关键词:CCD 摄像机;工作原理;应用中图分类号:T N948.4 文献标识码:B 文章编号:1007-7022(2005)14-1417-03The Pr i n c i ple and Appli ca ti on of CCD Cam era□L I U Song,Q I Xiao 2p ing,ZHONG Shuang 2ying(Nanchang University,J iangxi Nanchang 330047,China )Abstract:The article base on intr oducing the operati on p rinci p le and perf or mance index of the ca mera of the charge coup led device (CCD ).The article expatiated the app licati on of CCD in university’s teaching,scientif 2ic research and manage ment .Key words:CCD ca mera;operati on p rinci p le;app licati on CCD 是电荷耦合器件(Charge Coup led Device )的缩写,它是一种半导体成像器件,具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点[1]。
电荷耦合器件是20世纪70年代初期由Bell 实验室发明的,今天,CCD 摄像机广泛应用于各个领域,在学校教学、电视监控等方面发挥着重要的作用。
本文着重介绍电荷耦合器件(CCD )摄像机的工作原理、性能指标和在高校教学、科研及管理中的应用,期望更多的教育工作者了解和应用CCD 摄像机。
1 CCD 摄像机的工作原理CCD 基本阵元是金属-氧化物-半导体(Metal 2Oxide 2Se m iconduct or )电容,或称为MOS 结构,其基本结构是一种密排的MOS 电容器,能够存储由入射光在CCD 像敏单元激发出的光信息电荷,并能在适当相序的时钟脉冲驱动下,把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移,实现自扫描,完成从光信号到电信号的转换。
这种电信号通常是符合电视标准的视频信号,可在电视屏幕上复原成物体的可见光像,也可以将信号存储在磁带机内或输入计算机,进行图像增强、识别、存储等处理,因此CCD 器件是一种理想的摄像器件。
1.1 MOS 电容器MOS (金属—氧化物—半导体)电容器的形成方法是这样的[2～3]:在P 型或N 型单晶硅的衬底上覆盖一层厚度约为100～150n m 的Si O 2绝缘层,再在Si O 2基金项目:江西省南昌大学校基金资助(NO:Z -2495)作者简介:刘 崧(19682 ),男,讲师,从事光电子和物理理论及实验教学;戚小平(19632 ),男,高级实验师,主要从事光电子实验教学。
7141表面按一定层次制备一金属电极,在衬底和电极间加上一个偏置电压(栅极电压),即形成了一个MOS 电容器。
CCD 一般是以P 型硅为衬底,在这种P 型硅衬底中,多数载流子是空穴,少数载流子是电子。
在电极施加栅极电压V G 之前,空穴的分布是均匀的,当电极相对于衬底施加正栅压V G 时,在电极下的空穴被排斥,产生耗尽层,当栅压继续增加,耗尽层将进一步向半导体内延伸,这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域,因此也叫做“势阱”,如图1所示。
图1 MOS 电容器势阱图在耗尽状态时,耗尽区电子和空穴浓度与受主浓度相比是可以忽略不计的,但如果正栅压V G 进一步增加,界面上的电子浓度将随着表面电势成指数增长,而表面电势又是随耗尽层宽度成平方率增加的。
这样随着表面电势的进一步增加,在界面上的电子层形成反型层。
而一旦出现反型层,MOS 就认为处于反型状态。
显然,反型层中电子的增加和因栅压的增加的正电荷相平衡,因此耗尽层的宽度几乎不变。
反型层的电子来自耗尽层的电子-空穴对的热产生过程。
对于经过很好处理的半导体材料,这种产生过程是非常缓慢的,因此在加有直流电压的金属板上叠加小的交流信号时,反型层中电子数目不会因叠加有交流信号而变化。
1.2 电荷存储当一束光投射到MOS 电容器上时,光子透过金属电极和氧化层,进入Si 衬底,衬底每吸收一个光子,就会产生一个电子-空穴对,其中的电子被吸引到电荷反型区存储,从而表明了CCD 存储电荷的功能。
一个CCD 检测像元的电荷存储容量决定于反型区的大小,而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材料和厚度、半导体材料的导电性和厚度等一些因素。
图2表示了Si -Si O 2的表面电势V S 与存储电荷Q S 的关系,曲线的直线性好,说明两者之间有良好的反比例线性关系,这种线性关系很容易用半导体物理中“势阱”的概念来描述。
电子之所以被加有栅极电压V G 的MOS 结构吸引到Si -Si O 2的交接面处是因图2 CCD 表面势与信号电荷量的关系为那里的势能最低。
在没有反型层电荷时,势阱的“深度”与电极电压的关系恰如表面电势V S 与电荷Q S 的线性关系。
1.3 电荷转移CCD 最基本的结构是彼此非常靠近的一系列MOS 电容器,这些电容器由同一半导体衬底制成,衬底上面生长均匀、连续的氧化层,只是各个金属化电极互相绝缘,但只相隔极小的距离,这是保证相邻的势阱耦合和电荷转移的基本条件。
任何可移动的电荷信号都将向表面势大的位置移动,这就造成了相邻势阱间的电荷转移,如此不断地进行直到阵列的边缘,馈送至输出电路形成输出信号。
CCD 摄像机就是以CCD 构成的一种中微型图像传感器。
被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。
2 CCD 摄像机的主要性能2.1 CCD 摄像机的技术指标CC D 摄像机具有体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、抗振动及不受电磁干扰等特点,这也正是CC D 摄像机相比以前的摄像管式摄像机所具有的最大优点[4],衡量CC D 摄像机性能的技术指标主要有以下几个方面:(1)清晰度:一般多指水平清晰度。
黑白摄像机的分辨率一般为380～600,彩色为380～480,其数值越大成像越清晰。
电视监控系统水平清晰度用400线左右的黑白摄像机就可以满足要求。
而对于科研中图像处理等特殊场合,用600线的摄像机能得到更清晰的图像;(2)灵敏度(也称最低照度):灵敏度用lx 表示,如某一摄像机的最低照度为0.1lx 。
其灵敏度一般在0.1lx 以上的摄像机为普通型,灵敏度在0.1lx 以下的摄像机为高灵8141刘 崧等:CCD 摄像机原理及应用 《中国有线电视》2005年第14期敏度型l;(3)信噪比:摄像机的图像信号与它的噪声信号之比,用S/N表示,S表示摄像机在假设无噪声时的图像信号值,N表示摄像机本身产生的噪声值,二者之比即为信噪比,用分贝(d B)表示,信噪比越高越好,典型值为46d B;(4)视频输出:一般用输出信号电压的峰-峰值表示,多为1Vp-p～1.2Vp-p,即1～1.2V峰-峰值负极性输出,且为750复合视频信号,采用BNC 接头(同步头朝下)。
除了上述几种技术指标外,按摄像机的供电电源分为直流和交流两种供电型式,常见的交流供电电压有110V和24V,直流供电电压有24V、12V和9V。
2.2 CCD摄像机的分类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: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。
依摄像机灵敏度划分:(1)普通型:正常工作所需照度为1～31lx;(2)月光型:正常工作时所需照度为0.1lx左右;(3)星光型:正常工作所需照度为0.01lx 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英寸(1英寸=2.54c m)靶面尺寸为宽12.7mm×高9.6 mm,对角线16mm;(2)2/3英寸靶面尺寸为宽8.8 mm×高6.6mm,对角线11mm;(3)1/2英寸靶面尺寸为宽6.4mm×高4.8mm,对角线8mm;(4)1/3英寸靶面尺寸为宽4.8mm×高3.6mm,对角线6mm;(5)1/4英寸靶面尺寸为宽3.2mm×高2.4mm,对角线4mm。
2.3 CCD摄像机的成像灵敏度通常用最低环境照度要求来表明摄像机灵敏度,黑白摄像机的灵敏度大约是0.02～0.5lx,彩色摄像机多在1lx以上。
0.1lx的摄像机用于普通的监视场合,在夜间使用或环境光线较弱时推荐使用0.02lx的摄像机,与近红外灯配合使用时也必须使用低照度的摄像机,另外,摄像机的灵敏度还与镜头有关,0.97lx/ F0.75,相当于2.5lx/F1.2,或相当于3.4lx/F1。
3 CCD摄像机的应用CCD摄像机具有各种突出优点,所以从发明至今20多年发展速度惊人,近10年来,CCD摄像机的应用已深入到各个领域,可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品,这里仅介绍CCD摄像机在教学科研领域的应用,如电视监控、视频网络传输等。
我们在教学中利用CCD摄像机和大屏幕电视实时地演示物理实验,例如演示密立根油滴实验,效果非常理想,这是一般投影仪无法做到的。
随着新的高质量、高分辨率的CCD摄像机器件的出现,制造出适合广播电视用的CCD摄像机,促进了电视事业的快速发展。
CCD传感器采集的图像信号经过数字处理后可被记录在磁卡上,由计算机读取磁卡上的图像数据再现出图像,并可借助各种图像处理软件进行图像编辑和图像处理。
笔者在等厚干涉牛顿环实验[5]中,使用CCD摄像机取代传统的读数显微镜,并设计了较大视场的观测系统,使该实验的观察效果更好,数据采集更方便,更加适合现代化的实验要求。