技术文章：CCD基本工作原理

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magicpig

资深泡菜

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帖子: 1109

2002-07-17 16:05

纯技术文章，有兴趣的可以看，不懂的地方可以问我，我会尽力解答。

CCD基本工作原理

相关标签： CCD

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第 1 帖

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pipedream

陈年泡菜

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2002-08-20 20:21

对角线长1/1.8英寸，也就是2.54除1.8=1.4

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第 19 帖

Sonar

泡菜

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2002-08-20 20:08

1/1.8寸CCD是什么14? 面积? 长度?

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第 18 帖

magicpig

资深泡菜

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2002-07-19 09:40

pipedream：以前确实用PMT做过阵列，大概一排有几十个，原来上学的时候
系里就有一台这样的。我接触的多为工业用光谱测量，可能在学校和科研所
里用PMT的还有，MCP我就没怎么接触过。PMT的时间性是个优点，有时候也
是个缺点，比如前几年我接触的一个1米光栅光谱仪，它采用了8个线阵CCD
同时采样，用PMT就没办法同步了，另外在诸如电弧和火花光谱分析中，
必须在电弧产生的瞬间采样，否则空气中其它成分的氧化就干扰谱线分析了，
这时用CCD同步就简单多了。这方面我也就是这几年接触过一些，但是都没
自己参与过，所以所知也有限。

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第 17 帖

pipedream

陈年泡菜

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主题: 298

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2002-07-19 09:25

我接触的PMT都是个大管子，可能作不成阵列。
其实PMT在现在的光谱探测中还是很重要的，因为它本身就有时间分辨能力，有时间分辨能力的ICCD很贵。要是简单光谱仪器,PMT的无制冷高效性也是优点。所以我认为CCD还没有达到你说的那种占领程度。不过这只是我的看法，希望与你一同探讨。我也希望在这方面多些知识。

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第 16 帖

magicpig

资深泡菜

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主题: 31

帖子: 1109

2002-07-19 08:48

pipedream：大凡现在用在光谱分析领域的CCD都采用了不同程度的制冷，制冷其实是
很简单的技术，一个半导体制冷器的成本很低。
PMT和MCP我都没有实际接触过，应该说目前大部分光谱探测应用基本都是CCD的天下
了，PMT肯定在某些场合还在用，PMT的动态范围虽然很高，但是其梁子效率要低一
些，所以无法达到CCD的阵列数和精度。不过我可以确定，CCD作不到单光子技术。

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第 15 帖

pipedream

陈年泡菜

泡网分: 43.855

主题: 298

帖子: 11464

2002-07-19 07:49

CCD动态范围要想超过PMT，还要靠冷却吧？MCP的动态范围如何？据说PMT和MCP都可以做到单光子计数，CCD能吗？

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第 14 帖

magicpig

资深泡菜

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帖子: 1109

2002-07-18 18:00

忆松：你好。

扫描仪、复印机、传真机上用的基本都是线阵CCD，顾名思义，其排列为一条线，
彩色扫描仪和彩色复印机上用的是彩色线阵CCD，实际上有三条成像线，表面附
着RGB三色滤光片，民用的线阵CCD其动态范围还比不上倍增管，工业用的，比如
美国Perkin Elmer的光谱探测线阵CCD（以前是EG&G，后者被前者收购），其标称
动态范围在10000以上，接近倍增管，所以现在地光谱分析仪器基本都采用CCD
作为探测器。而美国军用的线阵CCD其动态范围更高，甚至超过人眼。
线阵CCD除了用于扫描仪等民用设备，最主要的应用场合就是工业非接触尺寸、
振动和光谱测量了。用线阵扫描的分辨率比采用面阵CCD高得多，现在um级的
尺寸测量用线阵CCD实现没什么难度。面阵CCD由于象素整体数量多，工艺稳定性
控制更复杂，因此目前期动态范围还不是很高。

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第 13 帖

忆松

资深泡菜

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主题: 42

帖子: 926

2002-07-18 17:41

magicpig,

谢谢！
能否再讲讲扫描仪的CCD的类型和工作方式，有没有可能今后在动态上超过倍增管？下面所说线阵CCD是不是一长条，派什么用处？

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第 12 帖

magicpig

资深泡菜

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主题: 31

帖子: 1109

2002-07-18 15:04

X3技术我不是很了解，从样片上看，其对于提高色彩饱和度和有效利用硅片面积
是很好的，不过据我接触的知识，目前CMOS工艺在几项性能上仍无法和CCD相比，
动态范围就是其中之一，而国外两者之间的竞争关系也已经缓和许多，各自占领
有利市场。对于DC来说，直射和斜射没什么区别，因为借助镜头其对反射光线
响应，镜头就变得比较重要了。

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第 11 帖

泡菜

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主题: 23

帖子: 331

2002-07-18 14:54

对于X3这样的感光原理，斜射和直射光应该有所不同？

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第 10 帖

magicpig

资深泡菜

泡网分: 15.761

主题: 31

帖子: 1109

2002-07-18 08:54

忆松：
理论上说，单个象素的势阱的深度越深、电极面积越大，偏置电压越高，那么其
动态范围就越大。而实际上，从象素分辨率和成本角度考虑，在保证分辨率的前提下，
希望面积越小成本越低，硅片面积的增加造成成本的级数增加。最重要的，现有的工艺
对于CCD整体加工还不能保证极高的线性度，即每个象素对相同的入射光响应是有差异
的，民用器件的非线性度一般处在5％－10％；随着单个象素动态范围的增大，这种非
线性差异也越大，整体动态范围反而会降低。速度也是一个间接因素，速度带来的噪声
对动态范围是反作用关系的。
线阵CCD从象素数量上看是不多，但是线分辨率高，10000象素的线阵CCD现在已经很常
见，但是10000×10000的面阵可能只有军方才有的吧。关键还是一点，成本，10000×
4um的CCD成本只有几百块，而10000×11um的成本就得上万了，而且目前提高分辨率是
主要因素。

yp：理论上直射和斜射的光如果到达CCD表面的光子数目相同的话，输出也相同。但是
考虑到CCD表面的滤光镜以及器件外围的玻璃或石英窗口，对斜射光还是有损失的。

whj：不客气。看看是否能将绿光滤色片的透过率再提高，CCD对550nm左右的绿光通常
是100％响应的。

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第 9 帖

whj

资深泡菜

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主题: 11

帖子: 426

2002-07-18 08:46

多谢magicpig！现有的CCD是7um的。因是在现有设备的基础上改造，客户不想改动过多的东西，但还要保证现有精度。一句话，就是想省钱。我才想用这个方法。不然的话，换个彩色的就行了。
光源是卤素灯，连续性应该没问题。滤光片还没有选定，要在这上面下点功夫。手头的样品，红色滤光片的透射率为80%多，兰、绿两色滤光片的透射率为60%至70%之间。看来还是可行的。

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第 8 帖

泡菜

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主题: 23

帖子: 331

2002-07-17 19:42

问一个问题：
入射光的角度对光电转换有什么影响，是否可以定量计算

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第 7 帖

忆松

资深泡菜

泡网分: 34.079

主题: 42

帖子: 926

2002-07-17 17:42

理论上单个CCD的动态范围可做的很高（甚至超过倍增管），现在数码机上是不是像元过多，单个CCD的面积过小使动态范围减小还是取样数过大，速度不够不得以缩小动态范围？扫描仪的CCD数目不多，单个尺寸可做的比较大，为什么动态还是那么小？

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第 6 帖

magicpig

资深泡菜

泡网分: 15.761

主题: 31

帖子: 1109

2002-07-17 17:17

whj：

看样子你对速度要求不高，方法是可行的，但必须保证你的白光光源是连续
光谱的，否则会丢失部分颜色，不考虑滤光片的损失的话，合成后的亮度
应该是一样的。如果滤光镜是带通的，必须覆盖整个CCD响应范围，通常是
250nm－1000nm，比可见光要宽。
我不知道你的精度要求多高，我用过的彩色线阵CCD有10550象素×4um，
黑白的基本都是7um和14um，你可以参考一下，可能的话，直接用彩色
芯片更方便一些。不过彩色器件的灵敏度一般较黑白的低，对光源要求
要高一些。

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第 5 帖

whj

资深泡菜

泡网分: 36.58

主题: 11

帖子: 426

2002-07-17 17:04

正要找这方面的专家，你就送上门来了。

我现在正在给客户设计个装置。原本客户用的是黑白线性CCD，逐行扫出图像，因他们想用彩色图像，但对图像的精度要求极高，故不愿用彩色线性CCD。我准备用一红绿兰交变光源做照明，每一行在不同颜色光的照明下分别扫描一次，得出三个图像。然后再合成一幅彩色图像。
我的问题是如果白光光源还用现有的，只是用滤光片来改变输出颜色。在这样的情况下，在每一单一颜色时，到达CCD上的能量就减弱了。简单地用原来的CCD，只是把三个图像合成为彩色图像，还能得出和原来白光照明时亮度一样的图像吗？还是要用灵敏度更高的CCD？
谢谢赐教。

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第 4 帖

magicpig

资深泡菜

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主题: 31

帖子: 1109

2002-07-17 16:59

呵呵，说实话，我也差不多忘光了，毕业好几年了。
给个链接看吧，比我说要好：
http://upsdesigner_51_net/ElectronicsTrade/Ch4/0430102/0430102XX_01.htm

至于CMOS传感器原理，我也不大清楚，看看这个吧
http://www_xitek-lab_com/magicpig/magicpig-papers/ccd_cmos_1.htm

至于CCD的坏点，因为CCD是转移电荷输出的，有点儿想几个人排成一对运砖头，
甲传给乙，乙传给丙，丙传给丁。。。，如果丙倒下了，对应于CCD的一个坏
点，丁后面的都接不到砖头，也就没法子传了。这样解释不知道能说清楚吗？

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第 3 帖

pipedream

陈年泡菜

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主题: 298

帖子: 11464

2002-07-17 16:42

好文章，慢慢看
对了，我把以前学的累积层，耗尽层，反型层的概念都忘了，懒不愿意回去翻书了，给我解释解释吧？
还有再讲一讲CMOS的工作原理，和 CCD对比一下。
还有，CCD为什么不能有坏点？我是只知其然而已

多谢解惑

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