[科普中国]-CCD图像采集

从上世纪70年代至今，CCD图像传感器经过近30年多的发展，目前在技术和制造工艺上已经成熟并实现了商品化。CCD图像传感器从最初简单的8像元移位寄存器发展至今，己具有数百万至上千万像元。由于CCD图像传感器具有很大的潜在市场和广阔的应用前景，通过国内外专家和公司的不懈努力，CCD图像传感器的研究应用取得了令人瞩目的成果。从1993年德州仪器公司报道1024 X 1024像元虚相CCD开始，目前CCD像元数己从100万像元提高到2000万像元以上。福特空间公司还推出了2048 X 2048,4096 X 4096像元帧转移CCD。在摄像机方面，日电公司制成了4096 X 5200像元的超高分辨率CCD数字摄像机，分辨率高达1000 X 1000条TV线。目前，加拿大达尔萨(Dalsa)公司报道了5120 X 5120像元的帧转移CCD。荷兰菲利浦成像技术公司研制成功了7000X 9000像元的CCDo 1997年美国EG & G Retion研制出6144 X 6144, 8192 X 8192像元高分辨率CCD图像传感器。亚利桑那大学报道了9126 X 9126像元CCD，1998年日本采用拼接技术开发成功了16384 X 12288像元即(4096 X 3072) X 4像元的CCD图像传感器。

目前美国、日本、德国和法国的部分公司己开发出长线阵和大面阵可见光CCD图像传感器。CCD器件小型化和微型化，使CCD传感器在视频影像机以外的应用显著增多。自80年代中期实现40万以下像元CCD的规模生产后，目前CCD开发己转向大面阵、小像元、紫外光谱响应等方面[3]，以便能适应数字照相机、数字摄像机、扫描仪以及其它科学领域的需要。CCD的成本高低与像元大小和面阵大小有关，目前最小尺寸的像元为3.24 mX3.275 m，38万像元阵列正趋向于1/6英寸以下芯片尺寸。X射线CCD以非晶硅材料为主，可见光至紫外区扩展光谱则以普通CCD背面减薄技术为主。为了开发单片式低成本摄像机，目前的CCD传感器的研究重点也更多地转向互补金属氧化物半导体(CMOS)有源像素图像传感器((APS)方面，这种器件在21世纪将成为数字照相机、摄像机和高清晰度电视(HDTV)的关键器件。CMOS-APS的最大优点是在工作中勿需电荷逐级转移，避免了影响CCD性能的主要参数一电荷转换效率(CTE) 0 90年代初，美国的洛克威尔公司、得克萨斯仪器公司、喷气推进实验室/加州。理工学((JPL/Caltech)及日本的东芝、奥林巴斯、佳能等公司均开发了多种APS的基本结构。CMOS的突出优点是无需CCD那样高的直流驱动电压，能使各种信号处理电路与摄像器件实现单片集成，这将是未来系统小型化、低成本、低功耗的关键。

目前，成像阵列取得了突破性进展，1996年德州仪器的体电荷调制器件((BCMD)图像传感器阵列达到687(H) X 499(V)像素，奥林巴斯光学公司的CMD图像传感器达2048(H) X 2048(V)像素。其后，贝尔实验室、MIT、JPL、Photobit等相继报道了256 X 256, 512 X 512, 1024 X 1024. 1040 X 1040. 1296 X750像元的CMOS一APS，像元尺寸7.5 mX7.51 m，芯片尺寸为16.3mm X 16.3mm由三个晶体管和一个光电二极管构成。现在把时钟电路模块、A/D转换模块、输出放大器模块等与传感器阵列集成在一个单片衬底上的研究也在同时进行之中。

CCD以其优良的性能受到图像采集领域的青睐，但单独的一块CCD芯片是远远不能完成图像采集的，还需要相关的驱动、时序控制电路。同时，图像的采集控制、后期的图像处理与传输，还需要微处理器来完成。

CCD ( Charge Coupled Device)即电荷祸合器件是基于金属一氧化物一半导体技术的光电转换器件，它是由很多光敏像元组成即在P型(或N型)硅衬底的表面用氧化方法形成一层厚度约0.切m的二氧化硅再在二氧化硅上蒸镀一层金属膜，并用光刻的方法制成栅状电极。CCD的基本工作步骤为：把入射光子转变成电荷，把这些电荷转移到输出放大器上，并把电荷转变成电压或电流信号，使这些电压或电流能被传感器外的电路感知。当栅极施加正偏压后，空穴被排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸，将半导体电子吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。CCD中电荷从一个位置转移到另一个位置，在开始时刻，有一些电荷存储在偏压为10V的第一个电极下的势阱中，其它电极上均加有大于阑值的较低电压。经过一定时刻后，各电极上的电压发生变化，电荷包向右移动。将按一定规律变化的电压(如外部的时钟电压)加到CCD各电极上，电极下的电荷包就沿半导体表面按一定方向转移到输出端，实现图像的自扫描，从而将照射在CCD上的光学图像转换成电信号图像，直接显示图像全貌。1

完整的CCD图像采集系统主要由以下几个部分组成(结构框图如图所示)：前端光学系统，CCD图像采集模块，模数转换模块，FPGA预处理模块，Flash程序存储模块，DSP图像处理模块，SDRAM数据存储模块，图像显示模块，和后端PC机。
　　当然，根据不同的应用要求，有些模块不是必需的。例如：在市场上常见的视频监控系统，就可以省略DSP图像处理模块和SDRAM模块：而有些系统重在数字图像的处理方面，则DSP图像处理模块是整个系统中的重点；FPGA模块也不是必需的，在一些线阵的CCD系统中，由于时序比较简单，在速度要求不高的情况下，用一般的IO控制线就可以模拟CCD的时序，此模块也可以省略。

如图所示，典型的CCD图像采集传输系统主要由光学机械接口、CCD芯片、驱动电路、信号处理电路、微处理器、图像传输接口等部分构成。其功能描述如下：

1、光学机械接口提供与电路系统与光学镜头的机械连接，一般分为F型、C型、CS型等形式，实现光学系统与CCD的祸合和光电通路。

2、 CCD芯片是系统信号的来源，整个系统的工作目标为之而定。

3、驱动电路一般由晶振、时序信号发生模块等构成，主要为CCD提供所需的时序驱动信号和输出控制信号。同时，还可为信号处理电路提供钳位、复合同步/消隐、采样/保持等信号。

4、信号处理电路主要完成CCD输出的原始信号的A/D转换、视频信号的合成等功能。

5、微处理器控制整个采集流程，完成图像处理、传输，并可提供嵌入式人机交互功能。

6、图像传输接口用于把图像数据通过各种标准、非标准的媒质，传输到目标机或者因特网上，并可实现可图像采集的远程监控。2

在CCD的不断发展中，像元总数不断增加和像元面积不断减小的同时还出现了很多新技术。这些技术从结构上和外围电路上不断增强其性能，使其成像性能不断提高，应用范围不断扩大。下面将具体介绍这些新技术。

在CCD成像器件中，各像素的偏置电压是不均匀的，校正电路进行校正，使每个像元对光的敏感度保持一致，可以在系统中设置非均匀性提高CCD的线性度。

缩短曝光时间是最有效的减小光晕的手段，同时在CCD的结构上也可以利用溢出沟道和溢出门，将多余的电荷倾泻到基底中去，抑制了这些电荷向相邻的电荷包转移。

物体颜色会因投射光线颜色产生改变，在不同光线的场合下采集的图像会有不同的色温。一般来说，CCD无法像人眼一样会自动修正光线的变化。所以通过白平衡的修正，它会按瞬时画像中图像特质，立即调整整个图像红绿蓝三色的强度，以修正外部光线所造成的误差。

真空变像管型图像增强器的优点是光放大倍数很高，可高达106倍，能做到单光子成像；缺点是：结构大，量子效率较低。
　　微通道板型图像增强器的优点是量子效率高、畸变小、尺寸小，结构牢固、性能优良；但是会导致电子束发散、像质下降和光斑闪烁。3