CCD图像传感器研究背景发展及国内外现状

1、CCD图像传感器研究背景发展及国内外现状1CCD图像传感器研究背景12 CCD图像传感器的发展历史13 CCD传感器的国内外研究现状31CCD图像传感器研究背景CCD（Charge Coupled Device）即电荷耦合器件，它是20世纪70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件，首先由美国贝尔电话实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年首先提出了CCD的概念，在经历了一段时间的研究之后，建立了以一维势阱模型为基础的非稳态CCD的基本理论。近30多年来，随着新型半导体材料的不断涌现和器件微细化技术的日趋完备，CCD器件及其应用技术得到了较快的发展，取得了惊人的进步。目前CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术领域中成果累累，方兴未艾。而CCD传感器无论是线阵还是面阵结构，其中都混杂有各种噪声或干扰成分，这极大地影响了CCD在高精度测量领域中的应用1。因此降低噪声成为改善成像系统的一个首要任务。相应的，如何精确地简便地测出CCD的噪声也变得极为重要。2 CCD图像传感器的发展历史自从60年代末

2、期，电荷耦合这一新概念和一维CCD器件模型被提出以来，人们就预言了CCD器件在信号处理、信号储存及图像传感中的应用前景。由于美国在MOS器件工艺及硅材料研究等方面的雄厚基础，在该领域一直处于领先地位。Bell实验室是CCD研究的发源地，并在CCD像感器及电荷域信号处理研究方面保持优势。麻省理工学院林肯研究室、宇航局喷气推进研究室、罗姆空间发展中心及SRI Sarnoff研究中心在CCD及其应用方面具有雄厚的科技实力，并受到美国国防部计划部及空军部战略防御计划大力支持。另外通用电气公司(GEC)、仙童公司(Fairchild)和无线电(RCA)等著名公司的研究机构在面向军、民用应用及工艺研究等方面都已经达到相当先进的技术水平。日本是世界上的CCD主产大国，其产量位居世界之首。索尼(SONY)、NEC等公司的CCD研制发展极快，已成为美国强大的竞争对手。在日本广播协会实施的高清晰度电视计划中，已把高分辨率CCD摄像器件研究列为主攻方向之一。近几年来，CCD器件在军、民用领域都有了长足发展。民用领域主要用于视频摄录一体化(VTR)、保安监视报警、医疗、工业自动化、科研、新闻广播、多媒体、办公

3、自动化及其他许多领域，日益与现代社会的工作生活紧密相联。军事领域则更是CCD的用武之地，广泛用于战斗机、舰船、坦克及单兵武器装备的图像、探测部件。可见光CCD图像传感器主要为侦察、制导、预警、瞄准等武器系统提供高清晰度、高分辨率的图像，并通过高速实时监控及遥感技术，反馈回精确的战斗信息，从而提高部队战术战略快速反应能力，已逐渐成为现代武器装备不可或缺的重要组成部分。1974年，美国RCA公司的512320像元面阵CCD摄像机首先面世。随着大规模、超大规模集成电路工艺的不断发展和完善，其它一些国家如日本、英国、荷兰、德国、俄罗斯等也迎头赶上，纷纷研制成功了CCD器件。世界各科技强国在CCD研制、开发及应用领域都投入了大量的人力、物力和财力，展开了广泛而深入的工作。随着线阵CCD像元数的不断增加，性能也有了明显改善，正向着高灵敏度、高速度和宽动态范围方向发展。如日本东芝公司的5000位CCD，由于在工艺中采用了埋沟道和加速电极结构，其工作频率可达20MHz，像元及相邻像元中心间距已减小到7m，实现了高分辨率和高速读出，其光谱响应峰值已经移至紫光波段。美国希洛克(Xerox)公司的5732位

4、CCD，采用了两排光敏元结构和四排CCD读出方式，其工作频率可达32MHz，这些CCD在人们的生产、生活中有着十分广泛的应用前景。与此同时，在面阵CCD器件方面，美国Tektronix公司于1985年就已经推出了20482048像素的面阵CCD图像传感器。众所周知，面阵CCD是构成数码相机的核心器件。目前，200万以上像素的数码相机品种已很多，并己成为美国、日本等一些发达国家市场上的主流产品。与此同时，飞利浦公司己开发出了像素边间距2.4m、像素数达6600万的用于太空探测的世界顶尖级的CCD。从最近资料介绍来看，日本、美国、英国、荷兰、德国、俄罗斯、韩国、中国(包括台湾地区在内)等国家均投入大量的资金和人力从事CCD图像传感器研究以及CCD摄像机的研制和生产。其中日本、美国所生产的CCD传感器芯片和摄像机无论在质量上还是在数量上都处于领先地位。美国在军用、空间应用CCD技术方面处于世界领先地位，但在中、低档器件及整机方面，日本已雄霸世界市场。同时形成了一些在CCD器件研究及应用方面具有雄厚实力、较大规模的实验研究中心，例如Lincoln Labotalory MIT、NASA Jet

5、 Propulsion Laboratory、Rome Air Development Center等。彩色摄像方面，在CCD问世后不久，美国的RCA公司就用三片帧转移型512320像元的CCD研制成功了彩色CCD摄像机，被摄物照度需要数万勒克斯，灵敏度很低。随后几家日本电气公司相继投入到彩色CCD摄像机的研制与生产中。CCD摄像机技术是集成光学、光电子学和图像信号处理的技术密集型产物。CCD彩色摄像机不但具有真空管摄像机无法比拟的体积小、重量轻、耗电省、寿命长、可靠性高、成本低的优点，而且在性能上已经超过了真空管彩色摄像机。目前，市场上已有10241024像素高清晰度彩色CCD摄像机。日本把彩色CCD性能及批量生产成品率等问题作为重大课题进行攻关。各种新构思的高性能CCD不断推出，必将推动彩色CCD不断向前发展。CCD器件的迅速发展使数码相机在问世以来得到了相当快地发展，如Nikon COOLPIX系列、Kodak DC系列、Casio QV系列相机都是针对家庭设计的、不同档次的通用型(消费型)数码相机。消费级CCD数码相机的发展表现在分辨率逐渐提高、功能多样化、信息存储多样化、操作

6、简便等方面。它已不再是电子玩具，真正进入了实用阶段。3 CCD传感器的国内外研究现状目前， CCD 图像传感器的生产主要集中在日本的索尼、东芝、松下、滨松、夏普、三洋、富士、奥林巴斯、NEC、加拿大的Dalsa和美国的柯达等公司。当前各CCD 生产厂商和数码相机、摄像机厂商之间像素和照片质量的竞争, 实质是缩小像素面积的竞争。自1987年以来，CCD图像传感器的像素面积以每年20%的速度缩小，目前像素面积已经小于。从目前CCD技术的发展趋势来看，CCD将向高分辨力、高速度、微型化、多光谱、紫外、X射线、红外等方向发展。近几年，数码相机和微型摄像机的发展过程中，CCD和CMOS图像传感器相互竞争。总的来看，在军用领域，CCD使用的较多；在民用领域，CMOS图像传感器与CCD之间的竞争相当激烈，重点是制作工艺、功耗、集成度和成本。在竞争的过程中, CCD和CMOS图像传感器的研制和开发厂商不断推出新品。从CMOS与CCD目前的应用、技术发展以及未来的发展趋势看，CMOS图像传感器可能成为主流。CMOS 固体摄像器件与90%的半导体器件都采用相同标准的芯片制造技术，而CCD 则需要一种特殊的

7、制造工艺，故CCD的制造成本高很多。微光探测方面，市场上已推出了lx，水平分辨率大于700TV线，动态范围4000:1的CCD像机。德国B&M光谱公司出售的制冷CCD像机，在15(液氮制冷)下灵敏度达lm，动态范围16000:1，是光谱分析、X射线分析、遥感摄像等极好的工具。在图像传感方面，目前还是以低性能的CCD(即线阵CCD和30万像素以下的面阵CCD)为主，多用于办公自动化方面的传真机、复印机、摄影机等；工业方面的机器人视觉、热影分析、安全监视、工业监控等；社会生活方面的家庭摄录一体化、汽车后视镜、门视镜等；军事方面的成像制导和跟踪、微光夜视、光电侦察、可视电话等。至于高性能的CCD多用于医疗、高清晰度电视、电视摄像以及天文学、卫星遥感等领域。对于CCD来说，随着大规模、超大规模集成工艺的进展，CCD不仅研究水平不断提高，阵列元素不断增加，CCD摄像机的性能越来越好，而且更重要的是CCD芯片的成品率不断提高，摄像机的价格大幅度下降，CCD摄像机的价格较之管式摄像机的价格平均要低20%60%。又如俄罗斯机器人综合研究所推出的一种CCD像机能在微光中拍摄并分辨出比人的头发丝还细的物体，其售价只有同类管式摄像机的1/3。价格低廉使CCD摄像机的应用领域迅速扩大。现在不论是信号处理，还是数字存储，不论是高精度摄影还是家用摄像，不论是民用还是军用，可以说从太空到海底到处都有CCD的用武之地。国内图像传感器水平和国外差距较大。电子44所、西安光机所和13所等开展CCD研究。在西安光机所研制的中国嫦娥CCD立体相机（参数）获取到了首张月图。电子44所CCD图像传感器开发中心具有从事CCD技术研究的4英寸、2微米工艺线和测试仪器设备，是国内唯一的CCD研制线，具有相应的在线检测和CCD参数测试评价仪器设备。44所主要从事高性能可见光CCD极大阵列化、以及新型红外CCD研究，自行研制出PtSi红外CCD组件，可见CCD已产品化，包括线阵1024、2048、4096和6000像素CCD，和像素CCD，可见光TDI CCD、高速CCD等；可见光CCD像素尺寸最小。

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