CCD器件簡介
前言
CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合器件。CCD是一種半導體器件，它利用光電轉換原理把圖像信息直接轉換成電信號,這樣便實現了非電量的電測量。同時它還具有體積小、重量輕、噪聲低、自掃描、工作速度快、測量精度高、壽命長等諸多優點,因此受到人們的高度重視,在精密測量、非接觸無損檢測、文件掃描與航空遙感等領域中,發揮著重要的作用[1]。
CCD的發展歷程
CCD是于1969年由美國貝爾實驗室（Bell Labs）的維拉·博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治·史密斯（George E. Smith）所發明的。當時貝爾實驗室正在發展影像電話和半導體氣泡式內存。將這兩種新技術結合起來后，波義耳和史密斯得出一種裝置，他們命名為“電荷‘氣泡’元件”。這種裝置的特性就是它能沿著一片半導體的表面傳遞電荷，便嘗試用來做為記憶裝置，當時只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發現光電效應能使此種元件表面產生電荷，而組成數位影像。 到了70年代，貝爾實驗室的研究員已引能用簡單的線性裝置捕捉影像，CCD就此誕生。有幾家公司接續此一發明，著手進行進一步的研究，包括快捷半導體（Fairchild Semiconductor）、美國無線電公司（RCA）和德州儀器（Texas Instruments）。其中快捷半導體的產品率先上市，于1974年發表500單元的線性裝置和100x100像素的平面裝置。
自二十世紀80年代開始，攝影技術出現了革命性的突破， CCD得到廣泛應用。目前，CCD技術已發展成一項具有廣泛應用前景的新技術，成為現代光電子與測試技術中最受關注的研究熱點之一。例如，在國防軍事領域，CCD成像技術在微光、夜視、遙感應用中發
揮著巨大的作用，適應了現代高技術戰爭的需求，成為軍事微電子學的研究熱門；在科研領域，由于其靈敏度高、噪聲低，成為研究宏觀（如天體）和微觀（如生物細胞）現象不可缺少的工具；CCD具有成本低、小而輕的特點，在圖像通信領域也獲得了廣泛的用途；在工程測量領域，CCD在工件尺寸測量、工件表面質量檢測、物體熱膨脹系數測量、光強分布測量等方面都有很好的應用。
器件特點
CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不同大多數器件是以電流或者電壓為信號。CCD的基本功能是電荷的儲存和電荷的轉移。因此，CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產生、存儲傳輸和檢測。
CCD本身具有高分辨率、高靈敏度、像素位置信息強、結構緊湊及其有的特性密切相關。因此各種CCD器件廣泛應用于軍事、工業、商業醫學、科研等領域。
電荷耦合攝像器件是用于攝像或像敏的器件。簡稱為ICCD。它的功能是把二維光學圖像信號轉變為一維時序的視頻信號輸出。它有兩大類型：線陣和面陣。二者都需要用光學成像
系統將景物圖像成在CCD的像敏面上。像敏面將照在每一像敏單元上的圖像照度信號轉變為少數載流子數密度信號存儲于像敏單元(MOS電容)中。然后，再轉移到CCD的位移寄存器(轉移電極下的勢阱)中，在驅動脈沖的作用下順序地移出器件，成為視頻信號。
CCD的結構
CCD結構包含以下部分：
1. 感光二極管（Photodiode）；
2. 并行信號寄存器（Shift Register）：用于暫時儲存感光后產生的電荷；
3. 并行信號寄存器（Transfer Register）：用于暫時儲存并行積存器的模擬信號并將電荷轉移放大；
4. 信號放大器：用于放大微弱電信號；
5. 數模轉換器：將放大的電信號轉換成數字信號；
CCD的工作原理
1.CCD數據采樣
CCD可用于位置、尺寸和圖像的檢測，根據CCD傳感器視頻信號應用的差異，CCD視頻信號的處理有兩種方法：一是對CCD信號進行二值化處理后，再進行數據采樣：二是對CCD視頻信號采樣、量化編碼后再采樣到計算機系統。
由于線陣CCD既具有高靈敏度的光電轉換功能，又具有光電信號的存儲和快速讀出功能，所以通過一組時序脈沖的驅動控制(驅動器)，可以實現對目標光源的實時光電轉換與信號讀出。當入射在CCD像元上成像時，入射光子被CCD像元吸收并產生相應數量的光生電荷。在光積分期間，光生電荷被積累并儲存在彼此隔離的相應像元的勢阱中所積累的信號電荷數與照射在該像元面上的平均照度和光積分時間的乘積成正比。在電荷轉移期間，光生電荷依次轉移至輸出區，通過復位脈沖的控制，在輸出極形成視頻信號，每次積分的輸出波形代表目標光圖像在CCD采樣方向的瞬態強度的空間分布，輸出視頻信號經過低噪聲寬帶放大器放大處理后，每個光斑的輸出波形。然后，對CCD的視頻信號進行二值化處理，二值化的前沿和后沿分別對應CCD像元的信號，計算出這兩個像元位置的平均值，既為光線的中心位置，這即是一個檢驗數據。在CCD連續工作下，所有的檢測數據經過處理后，通過通訊電路將結果傳送給計算機。
2.CCD信號處理及二值化處理:
在進行CCD在線檢測時，干擾光線較難克服，而且光源使用一段時間，光強也會變弱，這樣會引起CCD輸出信號幅度變化，從而導致測量誤差，因此對上邊的電路作了一定改進，
即讓閥值電壓隨CCD視頻信號的幅值變化，改進后的浮動閥值電路。當光源強度變化引起CCD視頻信號變化時，可以通過電路CCD視頻信號的起伏反饋到閥值上，使閥值電壓隨之改變，從而保證在光較弱時，二值化電路仍能輸出二值化信號。
二值化處理后輸出的信號為二值化信號。二值化信號為一個方波形,該波形的前沿和后沿分別對應CCD像元的序號，計算出兩個像元位置的平均值，即為線光源在CCD上成像的中心位置，從而獲得一個檢測數據。在CCD連續工作下，所有的檢測數據經處理后，再經過并行通訊電路將結果傳給計算機進行下一步處理。
電荷耦合器件(CCD)具有自掃描、光電靈敏度高和幾何尺寸精確等一系列優點，因此在光電非接觸測量中得到了廣泛應用。它能將光強分布的空間信息轉換為電信號序列信息，當它對空間光強分布一次采樣后、以電信號形式串行輸出[1]。為了保證信號質量，在每個像素上光信號積分時間有嚴格限制，一般要求串行傳送速率為幾千到幾兆赫茲。而在工業測量系統中，廣泛使用的單片機指令速度相對較慢。對于80C196KB單片機，若外部時鐘為12MHz，內部二分頻后為 6MHz，多數指令執行周期都超過了1us[2].
3.CCD電荷的產生、轉移原理:
CCD是由一系列排得很緊密的MOS電容器組成，每一個光敏像元就是一個MOS電容器。它的突出特點是以電荷用為信號，實現電荷的存儲和電荷的轉移。
4.CCD光電轉換
當在MOS電容器的柵極上加上一個小的正電壓時，半導體中的自由空穴被排斥到遠離柵極的一邊，在SiO2的表面下形成一層電子的耗盡區，當柵壓繼續增加，耗盡層將進一步向半導體內延伸，這一耗盡層對于帶負電荷的電子而言是一個勢能特別低的區域，因此也叫做勢阱[1]。正柵壓進一步增加，在界面上的電子層形成反型層。
