光電測(cè)試技術(shù)

光電測(cè)試技術(shù)第一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日電荷耦合器件第二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

CCDCCD是一種電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)CCD的突出特點(diǎn)：是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。CCD工作過(guò)程的主要問(wèn)題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。第三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

電荷耦合器件(charge—CoupledDevices)簡(jiǎn)稱CCD，是1970年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首先研制出來(lái)的新型固體器件。作為MOS技術(shù)的延伸而產(chǎn)生的一種半導(dǎo)體器件。第四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日CCD作為一種多功能器件，有三大應(yīng)用領(lǐng)域：攝像、信號(hào)處理和存貯。特別是在攝像領(lǐng)域，作為二維傳感器件，CCD與真空攝像器件相比，具有無(wú)灼傷，無(wú)滯后，體積小，低功耗、低價(jià)格、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。第五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日廣播級(jí)電視攝像機(jī)中，CCD攝像機(jī)可與真空器件攝像機(jī)“平分秋色”。而在閉路電視、家庭用攝像方面，CCD攝像機(jī)則呈現(xiàn)出“一統(tǒng)天下”的趨勢(shì)。在工業(yè)、軍事和科學(xué)研究等領(lǐng)域中的應(yīng)用，如方位測(cè)量、遙感遙測(cè)、圖像制導(dǎo)，圖像識(shí)別等方面更呈現(xiàn)出其高分辮力，高準(zhǔn)確度，高可靠性等突出優(yōu)點(diǎn)。第六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

圖像傳感器實(shí)際上只能記錄光線的灰度，也就是說(shuō)，它能記錄光線的強(qiáng)弱，但卻沒(méi)有辦法分辨顏色，而我們最需要的卻是光線的顏色。目前CCD主要的解決方式是在每一個(gè)光電二極管上都采用了濾光器，使對(duì)應(yīng)的光電二極管只能記錄相應(yīng)單色光。

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各種單色分別被相鄰的光電二極管記錄下來(lái)，生成的圖像顏色是分離的，最后還需要通過(guò)一些處理過(guò)程把這些數(shù)值合成為彩色的圖像。數(shù)碼相機(jī)里面，這個(gè)處理過(guò)程稱之為插值。通常的做法是計(jì)算1個(gè)像素周圍8個(gè)像素的顏色值，然后根據(jù)它自身所記錄的顏色值，結(jié)合計(jì)算出最終像素的混合顏色值。

第八頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日CCD攝像機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景由于CCD攝像機(jī)所具有的各種突出優(yōu)點(diǎn)，所以從發(fā)明至今僅20多年其發(fā)展速度驚人。近10年來(lái)，CCD攝像機(jī)的應(yīng)用已深入到各個(gè)領(lǐng)域，可以說(shuō)是跨行業(yè)、跨專業(yè)多方面應(yīng)用的一種光電產(chǎn)品。它的用量以每年20%的速度遞增。具不完全統(tǒng)計(jì)，1997年—1998年僅中國(guó)大陸彩色和黑白CCD攝像機(jī)的用量就達(dá)60-70萬(wàn)臺(tái)，這些產(chǎn)品大多數(shù)來(lái)自國(guó)外或者由臺(tái)灣地區(qū)和國(guó)內(nèi)組裝。從1998年日本出版的《技術(shù)市場(chǎng)》雜志獲悉,世界上已把CCD列為未來(lái)10年可能增益100倍的高技術(shù)產(chǎn)品.據(jù)國(guó)外專家統(tǒng)計(jì),1997年CCD世界市場(chǎng)規(guī)劃為16億美元,而實(shí)際上1997年為50億美元,1998年為65億美元.日本松下公司對(duì)CCD攝像機(jī)的世界市場(chǎng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè),如表1所示。一、概述

由于CCD攝像機(jī)所具有的各種突出優(yōu)點(diǎn)，所以從發(fā)明至今僅20多年其發(fā)展速度驚人。近10年來(lái)，CCD攝像機(jī)的應(yīng)用已深入到各個(gè)領(lǐng)域，可以說(shuō)是跨行業(yè)、跨專業(yè)多方面應(yīng)用的一種光電產(chǎn)品。它的用量以每年20%的速度遞增。一、概述第九頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

CCD傳感器有兩種第一、特殊CCD傳感器，如紅外CCD芯片（紅外焦平面陣列器件）、高靈敏度背照式和電子轟擊式CCD、EBCCD等，另外還有大靶面如2048×2048、4096×4096可見(jiàn)光CCD傳感器、寬光譜范圍（紫外光→可見(jiàn)光→近紅外光→3-5μm中紅外光→8-14um遠(yuǎn)紅外光)焦平面陣列傳感器等。目前已有商業(yè)化產(chǎn)品,并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。第十頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日CCD攝像機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)1、CCD攝像機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

CCD攝像機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)展，應(yīng)用技術(shù)的深化又促進(jìn)CCD攝像機(jī)的多樣化產(chǎn)品的生產(chǎn)?？傮w有MOBILE、PUBLIC、HOME三個(gè)方面，其中有：第十一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（1）Camcorder攝錄一體化CCD攝像機(jī)。從中國(guó)電子工業(yè)部市場(chǎng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)獲悉，2000年需求量可達(dá)150萬(wàn)臺(tái)。（2）TVphone據(jù)資料介紹，有些移動(dòng)電話公司正在研發(fā)可帶視頻圖像攝入和顯示的手機(jī)即大哥大。第十二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（3）PCcamera到21世紀(jì)初，隨著電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展，PCCamera作為電腦前端和圖像輸入系統(tǒng)，CCD攝像機(jī)將以不可阻擋的發(fā)展勢(shì)頭深入到各種電腦應(yīng)用的方方面面，也會(huì)很快進(jìn)入家庭。借助電腦網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)音、視頻同步遠(yuǎn)程通訊。第十三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（4）Doorphone隨著住宅商品化，各種現(xiàn)代化住宅樓像雨后春筍般撥地而起，民用住宅的安全防范已提到日程上來(lái)，許多住宅可在室內(nèi)及時(shí)地看到來(lái)訪客人的實(shí)時(shí)圖像和室外局部區(qū)域的情況，也為防范壞人入室作案起到有效的監(jiān)控作用。第十四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（5）Scanner由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及，所以為了提高各種資料、文字的輸入速度，可采用各種掃描儀，讀取經(jīng)過(guò)文字識(shí)別的資料，可將讀入的文字資料轉(zhuǎn)換成文件存入計(jì)算機(jī)進(jìn)行編輯，以便在網(wǎng)絡(luò)上交流。按PC機(jī)配套率10%計(jì)算，可需線陣和面陣CCD傳感器105.6萬(wàn)臺(tái)。第十五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（6）BarCodeRegister（BCR）條形碼記錄器在各種商業(yè)流通領(lǐng)域如商場(chǎng)、倉(cāng)儲(chǔ)連鎖店等普遍采用。條形碼物品記錄識(shí)別系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)可隨時(shí)取得各種數(shù)據(jù)。（7）Medical醫(yī)用顯微內(nèi)窺鏡利用超小型的CCD攝像機(jī)或光纖圖像傳輸內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)人體顯微手術(shù)，減小手術(shù)刀口的尺寸，減小傷口感染的可能性，減輕病人的痛苦。同時(shí)還可進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程會(huì)診和現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。第十六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（8）VehicleCamera在各種車輛中加裝CCD攝像機(jī)可以使駕駛?cè)藛T借助車內(nèi)CCD攝像機(jī)、車上的后視鏡系統(tǒng)和駕駛員前面的顯示器，不僅可隨時(shí)看到車內(nèi)的情況，而且可在倒車時(shí)觀察后面的道路情況，在向前行進(jìn)過(guò)程中也能隨時(shí)看到后方車輛所保持的距離，提高了行車安全。第十七頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（9）ClosedCircuitTelevision（CCTV）CCTV是近幾年被大家廣泛注意的電視監(jiān)控系統(tǒng)，目前，已發(fā)展成為一種新的產(chǎn)業(yè)。以CCD攝像機(jī)為主要前端傳感器，帶動(dòng)了一系列各種配套的主機(jī)和配套設(shè)備以及傳輸設(shè)備的研制和生產(chǎn)企業(yè)。第十八頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（11）PersonalDataAssistant（PDA）個(gè)人數(shù)據(jù)秘書(shū)系統(tǒng)是一種體積小于筆記本的電腦，是功能齊全的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以完成多種數(shù)據(jù)管理功能，并可借助移動(dòng)電話上的Internet網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳送資料、發(fā)傳真等。第十九頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日（12）DigitalSignalCamera（DSC）由CCD傳感器采集的圖像信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字處理后，可被記錄在磁卡上，由計(jì)算機(jī)讀取磁卡上的圖像數(shù)據(jù)再現(xiàn)出圖像，并可借助各種圖像處理軟件進(jìn)行圖像編輯和圖像處理。第二十頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日CCD的結(jié)構(gòu)MOS光敏元：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬—氧化物—半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。（Ｐ／Ｎ型層）電極第二十一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日在柵極加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的。加正偏壓后，空穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。當(dāng)UG＞Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)變得非常高，以致于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子(少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。電荷存儲(chǔ)第二十二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）第二十三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）第一個(gè)電極保持10V，第二個(gè)電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個(gè)電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起。原來(lái)在第一個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢(shì)阱所共有。若此后第一個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電極下的勢(shì)阱中。這樣，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對(duì)絕大多數(shù)CCD，1μm的間隙長(zhǎng)度是足夠了。第二十四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日第二十五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日ＣＣＤ主要由三部分組成：信號(hào)輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)輸出。輸入部分：將信號(hào)電荷引入到ＣＣＤ的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵極下的勢(shì)阱中，稱為電荷注入。電荷注入的方法主要有兩類：光注入和電注入電注入：用于濾波、延遲線和存儲(chǔ)器等。通過(guò)輸入二極管給輸入柵極施加電壓。光注入：用于攝像機(jī)。用光敏元件代替輸入二極管。當(dāng)光照射CCD硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開(kāi)，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。ＣＣＤ的工作原理P-Si輸入柵輸入二極管輸出二極管輸出柵SiO2第二十六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日在ＣＣＤ柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過(guò)閾值的電壓，則在半導(dǎo)體表面形成不同深淺的勢(shì)阱。勢(shì)阱用于存儲(chǔ)信號(hào)電荷，其深度同步于信號(hào)電壓變化，使阱內(nèi)信號(hào)電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏敚詈髲妮敵龆O管送出視頻信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰MOS電荷為一單元的循環(huán)結(jié)構(gòu)。一位CCD中含的MOS個(gè)數(shù)即為CCD的像數(shù)。以電子為信號(hào)電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡(jiǎn)稱為N型CCD。而以空穴為信號(hào)電荷的CCD稱為P型溝道CCD，簡(jiǎn)稱為P型CCD。由于電子的遷移率遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此N型CCD比P型CCD的工作頻率高得多。ＣＣＤ的工作原理第二十七頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日CCD的特點(diǎn)體積小，功耗低，可靠性高，壽命長(zhǎng)?？臻g分辨率高，可以獲得很高的定位精度和測(cè)量精度。光電靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，紅外敏感性強(qiáng)，信噪比高。高速掃描，基本上不保留殘象(電子束攝象管有15~20％的殘象)集成度高可用于非接觸精密尺寸測(cè)量系統(tǒng)。無(wú)像元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。有數(shù)字掃描能力。象元的位置可由數(shù)字代碼確定，便于與計(jì)算機(jī)結(jié)合接口。第二十八頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日CCD的特性參數(shù)像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等像素?cái)?shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。44萬(wàn)（768*576）、100萬(wàn)（1024*1024）、200萬(wàn)（1600*1200）、600萬(wàn)（2832*2128）信噪比：典型值為46分貝感光范圍—可見(jiàn)光、紅外第二十九頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日

CCD按電荷存儲(chǔ)的位置分有兩種基本類型

1、電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?/p>

——表面溝道CCD(簡(jiǎn)稱SCCD)。

2、電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸，

——體溝道或埋溝道器件(簡(jiǎn)稱BCCD)。ＣＣＤ的類型第三十頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日ＣＣＤ的類型線陣ＣＣＤ：光敏元排列為一行的稱為線陣，象元數(shù)從128位至5000位以至7000位不等，由于生產(chǎn)廠家象元數(shù)的不同，市場(chǎng)上有數(shù)十種型號(hào)的器件可供選用。面陣CCD：器件象元排列為一平面，它包含若干行和列的結(jié)合。目前達(dá)到實(shí)用階段的象元數(shù)由25萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)個(gè)不等，按照片子的尺寸不同有1／3英寸、l／2英寸、2／3英寸以至1英寸之分。第三十一頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日線陣CCD：一行，掃描；體積小，價(jià)格低；

面陣CCD:

整幅圖像；直觀；價(jià)格高，體積大；面陣CCD芯片第三十二頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日線陣CCD結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低?？梢酝瑫r(shí)儲(chǔ)存一行電視信號(hào).由于其單排感光單元的數(shù)目可以做得很多，在同等測(cè)量精度的前提下，其測(cè)量范圍可以做的較大，并且由于線陣CCD實(shí)時(shí)傳輸光電變換信號(hào)和自掃描速度快、頻率響應(yīng)高，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，并能在低照度下工作，所以線陣CCD廣泛地應(yīng)用在產(chǎn)品尺寸測(cè)量和分類、非接觸尺寸測(cè)量、條形碼等許多領(lǐng)域。面陣CCD可以同時(shí)接受一幅完整的光像.面陣CCD有行間轉(zhuǎn)移（IT）型、幀間轉(zhuǎn)移（FT）型和行幀間轉(zhuǎn)移（FIT）型三種。第三十三頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日面陣CCD：優(yōu)點(diǎn)是可以獲取二維圖像信息，測(cè)量圖像直觀。缺點(diǎn)是像元總數(shù)多，而每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀幅率受到限制第三十四頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日線陣CCD：優(yōu)點(diǎn)是一維像元數(shù)可以做得很多，而總像元數(shù)角較面陣CCD相機(jī)少，而且像元尺寸比較靈活，幀幅數(shù)高，特別適用于一維動(dòng)態(tài)目標(biāo)的測(cè)量。分辨力高，價(jià)格低廉可滿足大多數(shù)測(cè)量視場(chǎng)的要求缺點(diǎn)：圖像獲取時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量效率低；由于掃描運(yùn)動(dòng)及相應(yīng)的位置反饋環(huán)節(jié)的存在，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本；圖像精度可能受掃描運(yùn)動(dòng)精度的影響而降低，最終影響測(cè)量精度。

線陣CCD加掃描運(yùn)動(dòng)獲取圖像的方案目前仍使用廣泛，尤其是在要求視場(chǎng)大，圖像分辨率高的情況下第三十五頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日CCD在檢測(cè)方面的應(yīng)用幾何量測(cè)量自動(dòng)步槍激光模擬射擊系統(tǒng)。光譜測(cè)量光譜儀輸出信號(hào)測(cè)量。第三十六頁(yè)，共四十頁(yè)，2022年，8月28日CCD攝像機(jī)大致可分為下列幾大類依成像色彩劃分

(1)彩色攝像機(jī)：適用于景物細(xì)部辨別，如辨別衣著或景物的顏色。因有顏色而使信息量增大，信息量一般認(rèn)為是黑白攝像機(jī)的10倍。

(2)黑白攝像機(jī)：是用于光線不足地區(qū)及夜間無(wú)法安裝照明設(shè)備的地區(qū)，在僅監(jiān)視景物的位置或移動(dòng)時(shí)，可選用分辨率通常高于彩色攝像機(jī)的黑白攝像機(jī)。

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依攝像機(jī)分辨率劃分

(1)影像像素在25萬(wàn)像素（pixel）左右、彩色分辨率為330線、黑白分辨率420線左右的低檔型。

(2)影像像素在25萬(wàn)~38萬(wàn)之間、彩色分辨率為420線、黑白分辨率在500線上下的中檔型

(3)影像在38萬(wàn)點(diǎn)以上、彩色分辨率大于或等于480線、黑白分辨率，570線以上