隨著科技的進(jìn)步，CCD相機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)的研究也取得了驚人的進(jìn)展，特別是在圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展更為迅速。含格狀排列像素的CCD應(yīng)用于工業(yè)相機(jī)、光學(xué)掃瞄儀與攝影機(jī)的感光元件。

CCD相機(jī)的主要特點(diǎn)

　　CCD相機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，從外觀上來(lái)看，它的體積小且重量輕;從能耗上來(lái)看，它屬于低功耗器件;從性能上來(lái)說(shuō)，它輸出方便，且受外界干擾程度低。

　　①CCD相機(jī)具有較高的靈敏度。CCD的單元光量子產(chǎn)率很高，當(dāng)光正面照射時(shí)，其產(chǎn)率達(dá)到百分之二十：當(dāng)光背部照射時(shí)，且采用減薄式的CCD，其產(chǎn)率可達(dá)到百分之九十。

　　②CCD相機(jī)具有高精度的光敏元幾何位置和高空間分辨率。

　　③CCD相機(jī)具有寬范圍的光譜響應(yīng)。通常情況下，CCD相機(jī)的有效工作波長(zhǎng)范圍在400nm-1100nm之間，800nm約為它的Zda響應(yīng)。在紫外線照射區(qū)域內(nèi)，硅片本身也會(huì)吸收，這樣就導(dǎo)致量子效率降低。如果光背部照射且采用減薄式的CCD，100nm為其工作波長(zhǎng)極限值。

　?、蹸CD相機(jī)具有寬范圍的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通常情況下，CCD的有效動(dòng)態(tài)響應(yīng)在4-8個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)。

　?、軨CD相機(jī)具有抗過(guò)敏度曝光性能。CCD不會(huì)因?yàn)楣鈴?qiáng)而致使芯片損壞，它只會(huì)使光敏元飽和。

　　⑥CCD相機(jī)不但可抗強(qiáng)光，也可以在低光條件下進(jìn)行信號(hào)采集工作，且實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)輸出。

　?、逤CD相機(jī)可監(jiān)測(cè)快速移動(dòng)的物體，只需選擇小積分時(shí)間。

　?、嘤捎贑CD相機(jī)很易于和其它設(shè)備相聯(lián)接，所以能組成一個(gè)多功能的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。

　　CCD相機(jī)的好壞主要區(qū)別在于它的性能，表現(xiàn)在噪聲低、靈敏度高、量子效率高、線性度好、動(dòng)態(tài)范圍大、像素響應(yīng)均勻性和空間分辨率高等方面，其中一些特性，比如靈敏度、線性度和動(dòng)態(tài)范圍與相機(jī)掃描速度(即讀出速度)直接相關(guān)的。

CCD相機(jī)的主要參數(shù)

　　1、暗電流

　　所有的硅器件都會(huì)產(chǎn)生暗電流，其原因在于少數(shù)載流子的激發(fā)產(chǎn)生了許多熱電子，在CCD相機(jī)中熱電子形成暗電流。暗電流會(huì)影響系統(tǒng)性能。

　　2、線性度

　　所謂線性度，是指CCD相機(jī)產(chǎn)生的電信號(hào)與入射和線性關(guān)系。在典型的視頻或TV應(yīng)用中，人們并不關(guān)心系統(tǒng)的線性度，高達(dá)20%的偏差是允許的。然而，在成像科學(xué)領(lǐng)域中，響應(yīng)的線性是必須考慮的重要參數(shù)，理想情況下，每一個(gè)像素都可視為一個(gè)高保真的光子測(cè)量器件;它產(chǎn)生的電信號(hào)與入射光的強(qiáng)度成精確的正比。

　　3、動(dòng)態(tài)范圍

　　動(dòng)態(tài)范圍是指CCD相機(jī)可觀察圖像的照度范圍。它可用數(shù)字化的灰度來(lái)表示：8bit、12bit等。動(dòng)態(tài)范圍決定了Z小可分辨光強(qiáng)，是選擇某些應(yīng)用場(chǎng)合所需相機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)。許多相機(jī)和成像系統(tǒng)的分辨率是按照電路給出的，但這并不能反映系統(tǒng)的實(shí)際情況，例如，由一個(gè)模擬視頻相機(jī)和采集卡抽組成系統(tǒng)的分辨率通常是按照采集卡的分辨率來(lái)定義的有效的分辨率，通常由視頻相機(jī)的噪聲或線性度所限制。

　　4、噪聲特性

　　CCD相機(jī)的電路噪聲是限制相機(jī)靈敏度和分辨率的主要因素。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的高性能CCD相機(jī)，噪聲通常只是視頻相機(jī)的百萬(wàn)分之一到千分之一。

　　5、像素響應(yīng)不均勻性

　　造成不均勻性的原因是多種多樣的，硅材料本身的質(zhì)量以及CCD的生產(chǎn)工藝造成的不均勻性是無(wú)法改變的，如溝道摻雜濃度不均勻、表面態(tài)密度分布不均勻以及柵氧化物厚度不同造成的開(kāi)啟電壓不同，感光單元有效面積不同，從而引入了固定模式噪聲，表現(xiàn)為暗電流及光電響應(yīng)的不均勻性。

　　6、信噪比

　　信噪比的大小與CCD相機(jī)的成像質(zhì)量有很大的關(guān)系，是CCD相機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。

　　7、靈敏度

　　靈敏度是CCD相機(jī)的Z為重要參數(shù)之一，它具有兩種物理意義。一種是表示光電器件的光電轉(zhuǎn)換能力，與響應(yīng)率的意義相同。

　　對(duì)于給定芯片尺寸的CCD相機(jī)來(lái)說(shuō)，其靈敏度可用單位光功率所產(chǎn)生的信號(hào)電流表示，單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦(V/W)、伏/勒克斯(V/Lux)、伏/流明(V/lm)。光輻射能流密度在光度學(xué)中常以照度Lux表示。

　　在有的資料中，也用mV/lx·s來(lái)表示CCD相機(jī)的靈敏度，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，這是CCD相機(jī)圖像傳感器的響應(yīng)度，即單位曝光量所得到的有效信號(hào)電壓，它反映了CCD相機(jī)圖像傳感器的靈敏度和輸出級(jí)的電荷/電壓轉(zhuǎn)換能力。另一種是指器件所能傳感的Zdi輻射功率(或照度)，與探測(cè)率的意義相同。單位可用瓦(W)或勒克斯(Lux)表示。

　　8、分辨率

　　分辨率是圖像傳感器的重要特性。與采用電子束掃描方式的電真空攝像管的結(jié)構(gòu)不同，CCD相機(jī)圖像傳感器采用自掃描方式，每個(gè)光敏單元都被隔開(kāi)較大的距離。

　　CCD相機(jī)的光電轉(zhuǎn)換實(shí)質(zhì)上是由空間上分立的光敏單元對(duì)光學(xué)圖像進(jìn)行抽樣。光敏單元呈周期性排列，假設(shè)要攝取的光學(xué)圖像是沿水平方向光強(qiáng)(亮度)為正弦分布的條狀圖像，經(jīng)CCD相機(jī)的光敏單元進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，所得的信號(hào)在時(shí)間軸方向也為正弦波信號(hào)。

　　根據(jù)奈氏抽樣定理，CCD相機(jī)的極限分辨率是空間抽樣頻率的一半，因此，CCD相機(jī)原分辨率主要取決于CCD芯片的像素?cái)?shù)。其次，還受到傳輸效率的影響。高集成度的光敏單元可獲得高分辨率，但光敏單元尺寸的減少將導(dǎo)致靈敏度降低。一些新的工藝結(jié)構(gòu)的應(yīng)用(如雙層像感結(jié)構(gòu))可在范圍內(nèi)提高CCD相機(jī)的靈敏度。