2024年5月11日发(作者：呼浩歌)
CCD 常用知识总结
随着CCD的不断发展，尤其典型的是当微光CCD向低照度方向发展时，噪声已经成为
阻碍CCD进一步发展的障碍。噪声是CCD的一个重要参数，它是决定信噪比S/N
（Singal/Noise）的重要因素，而同时信噪比又是各种数据参数中最重要的指标之一。随着
CCD器件向小型化、集成化的不断发展，CCD光敏元数的增加势必减小光敏元的面积，从
而降低了CCD的输出饱和信号。为扩大CCD的动态范围，就必须降低CCD的噪声（动态
范围与噪声间的联系）。
CCD工作时，在输入结构、输出结构、信号电荷存储和转移过程中都会产生噪声。噪声
叠加在信号电荷上，形成对信号的干扰，降低了信号电荷包所代表的信息复原后的精度，并
且限制了信号电荷包的最小值。CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，
其中夹杂着各种噪声和干扰。CCD输出信号处理的目的是在不损失图像细节并保证在CCD
动态范围内，图像信号随目标亮度线形变化是尽可能消除这些噪声和干扰。（选自《CCD降
噪技术的研究》燕山大学工学硕士学位论文）
CCD的发展现状
CCD最初是1969年由美国贝尔实验室的两名科学家与提出，1970
年在贝尔实验室制造成功。它一问世，就显示出灵敏度高、光谱响应范围大、操作容易、维
护方便、成本低、易推广等一系列优点，因而受到人们的普遍重视，现已取代摄像管，成为
一种最常见的图像传感器。自CCD问世以来，特别是近几年来，一直为美、日、英、法、
德、荷兰等工业发达国家所瞩目，其中美、日两国的研制与生产能力居于世界领先地位。国
外主要的CCD研制与生产单位有日本的电气、东芝、索尼、夏普、日立，美国德州仪器，
荷兰飞利浦等。二十年来，CCD向着高集成度、高灵敏度、高分辨率、宽光谱响应的方向
迅速发展，不断完善。目前国外已研制出了像素数目为9K×9K的CCD芯片，像素尺寸最小
已达到2.4μm×2.4μm;像素数目为4K×4K的CCD芯片已达到商业化水平。另外CCD芯片
的拼接技术也日益成熟。国内对CCD的研究始于1967年，主要研制单位重庆光电技术研究
所、河北半导体研究所等，已经取得了一定的成绩，但研制水平和国外有一段距离，比发达
国家落后近十年。尤其受国内微电子加工技术的限制，生产能力较低，其产量远不能满足国
内需求。（《CCD尺寸测量装置的研制》东北大学硕士论文）
目前国内对于CCD参数能够进行标定的单位：北京天文台的
CCD工作原理：
CCD工作时通过转换光为电子（电荷），这个过程如下：高能光子（可见光或红外范围）
撞击硅，并激发硅内电子进入更高能级，这样产生电子空穴对。电荷被收集到单个像素上，
然后通过在垂直和水平寄存器上施加不同的电压进行电荷转移，这些电荷被数字化和编码。
这个过程所需时间依赖系统输出流量。图像质量依赖于采样。
关于CCD的集中控制采集方案调研：
对于CCD的集中图像采集系统目前在我们星光神光实验中，规划的集中采集方式有两种。
1 基于软件的CCD图像采集网络式集中控制
2 基于硬件的单机集中控制
其相应的拓扑系统图见神光Ⅲ概念设计报告，杨存榜的方案有两种方案优劣的比较。
CCD及检测中基本知识点
CCD（电荷耦合器件）突出特点以电荷作为信号，基本功能是电荷的存储和电荷的转移，
工作的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
CCD两种基本类型，一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类
器件称为表面沟道CCD（SCCD）;二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在
半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道CCD(BCCD).
探测x、γ射线的面阵CCD，x、γ射线为电磁辐射，可以直接照射CCD，入射光子与Si
原子的内壳层电子相互作用，对Si材料每激发一对电子—空穴对需3.65ev的能量，为滤除
可见光对测量的干扰，在CCD表面用铝化聚脂膜或薄铍窗作遮挡材料，可实现对X，γ射
线测量的初步要求。根据射线能量和探测要求不同，可制成几种结构的CCD探测器。
1直接照射型。 2 通过闪烁/磷光体转换探测型。 3闪烁/磷光体的发光用光学透镜或
光导纤维传输，耦合与CCD探测。4闪烁/磷光体耦合在像增强器或微通道板作预储存放大，
再经光学传输与CCD耦合。
CCD在可见光和x光成像中的应用：
★ 在
x光成像中：
CCD可以对x射线成像。x射线入射到CCD光敏单元可在单元势阱内产生载流
子，从而测量x射线空间强度分布。由于x射线能量较高，其中一部分会穿过
CCD而探测不到，因而CCD对x射线的探测率远远低于可见光。另外在x射线
照射下存在CCD的辐射损伤问题，例如：对于10kev的x射线，ccd的工作寿
命只有几个小时。用CCD对x射线成像的一个有效办法是将x射线在荧光屏上
转换为可见光，再用CCD对可见光成像。如果x射线光强不够，可通过像增强
器放大在由CCD读出。
★ 色温的有关概念
色温 是借用绝对黑体绝对温度描述一般光源发光特征的一个参数，光源的色
温是指与光源发出辐射颜色相同的黑体的绝对温度，如光源本身就是绝对黑体，
色温就是光源本身的绝对温度。若光源本身不是绝对黑体，色温只表示光源发光
的颜色特征，不代表光源本身的实际温度。
CCD实践中应用知识
x光CCD面阵的前面放置铍窗，其功能是实现x光能量的衰减。（注意牵涉抽真空系统）
1) 对于CCD而言，面阵上采集图像如下图： 图中圆形区域为采集的灰度表示：a b c 为
灰度不同的采集的几个区域能否在a，c区域间进行灰度的加减运算？
答：目前软件本身提供的功能不能，CCD软件所提供的功
a
能全都体现出来了。本软件的最主要就是实现控制箱的控制
b
和图像的采集。对于更进一步的运算可以采用软件固有的转
换功能，将图像转换为ASCII码来在进行运算。或者在利
c
用专门的图像处理软件来对已经采到的图像来处理。
对于一台CCD而言，一旦厂家出厂以后其量子效率是不会改变的，除非仪器坏了。所
2024年5月11日发(作者：呼浩歌)
CCD 常用知识总结
随着CCD的不断发展，尤其典型的是当微光CCD向低照度方向发展时，噪声已经成为
阻碍CCD进一步发展的障碍。噪声是CCD的一个重要参数，它是决定信噪比S/N
（Singal/Noise）的重要因素，而同时信噪比又是各种数据参数中最重要的指标之一。随着
CCD器件向小型化、集成化的不断发展，CCD光敏元数的增加势必减小光敏元的面积，从
而降低了CCD的输出饱和信号。为扩大CCD的动态范围，就必须降低CCD的噪声（动态
范围与噪声间的联系）。
CCD工作时，在输入结构、输出结构、信号电荷存储和转移过程中都会产生噪声。噪声
叠加在信号电荷上，形成对信号的干扰，降低了信号电荷包所代表的信息复原后的精度，并
且限制了信号电荷包的最小值。CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，
其中夹杂着各种噪声和干扰。CCD输出信号处理的目的是在不损失图像细节并保证在CCD
动态范围内，图像信号随目标亮度线形变化是尽可能消除这些噪声和干扰。（选自《CCD降
噪技术的研究》燕山大学工学硕士学位论文）
CCD的发展现状
CCD最初是1969年由美国贝尔实验室的两名科学家与提出，1970
年在贝尔实验室制造成功。它一问世，就显示出灵敏度高、光谱响应范围大、操作容易、维
护方便、成本低、易推广等一系列优点，因而受到人们的普遍重视，现已取代摄像管，成为
一种最常见的图像传感器。自CCD问世以来，特别是近几年来，一直为美、日、英、法、
德、荷兰等工业发达国家所瞩目，其中美、日两国的研制与生产能力居于世界领先地位。国
外主要的CCD研制与生产单位有日本的电气、东芝、索尼、夏普、日立，美国德州仪器，
荷兰飞利浦等。二十年来，CCD向着高集成度、高灵敏度、高分辨率、宽光谱响应的方向
迅速发展，不断完善。目前国外已研制出了像素数目为9K×9K的CCD芯片，像素尺寸最小
已达到2.4μm×2.4μm;像素数目为4K×4K的CCD芯片已达到商业化水平。另外CCD芯片
的拼接技术也日益成熟。国内对CCD的研究始于1967年，主要研制单位重庆光电技术研究
所、河北半导体研究所等，已经取得了一定的成绩，但研制水平和国外有一段距离，比发达
国家落后近十年。尤其受国内微电子加工技术的限制，生产能力较低，其产量远不能满足国
内需求。（《CCD尺寸测量装置的研制》东北大学硕士论文）
目前国内对于CCD参数能够进行标定的单位：北京天文台的
CCD工作原理：
CCD工作时通过转换光为电子（电荷），这个过程如下：高能光子（可见光或红外范围）
撞击硅，并激发硅内电子进入更高能级，这样产生电子空穴对。电荷被收集到单个像素上，
然后通过在垂直和水平寄存器上施加不同的电压进行电荷转移，这些电荷被数字化和编码。
这个过程所需时间依赖系统输出流量。图像质量依赖于采样。
关于CCD的集中控制采集方案调研：
对于CCD的集中图像采集系统目前在我们星光神光实验中，规划的集中采集方式有两种。
1 基于软件的CCD图像采集网络式集中控制
2 基于硬件的单机集中控制
其相应的拓扑系统图见神光Ⅲ概念设计报告，杨存榜的方案有两种方案优劣的比较。
CCD及检测中基本知识点
CCD（电荷耦合器件）突出特点以电荷作为信号，基本功能是电荷的存储和电荷的转移，
工作的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
CCD两种基本类型，一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类
器件称为表面沟道CCD（SCCD）;二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在
半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道CCD(BCCD).
探测x、γ射线的面阵CCD，x、γ射线为电磁辐射，可以直接照射CCD，入射光子与Si
原子的内壳层电子相互作用，对Si材料每激发一对电子—空穴对需3.65ev的能量，为滤除
可见光对测量的干扰，在CCD表面用铝化聚脂膜或薄铍窗作遮挡材料，可实现对X，γ射
线测量的初步要求。根据射线能量和探测要求不同，可制成几种结构的CCD探测器。
1直接照射型。 2 通过闪烁/磷光体转换探测型。 3闪烁/磷光体的发光用光学透镜或
光导纤维传输，耦合与CCD探测。4闪烁/磷光体耦合在像增强器或微通道板作预储存放大，
再经光学传输与CCD耦合。
CCD在可见光和x光成像中的应用：
★ 在
x光成像中：
CCD可以对x射线成像。x射线入射到CCD光敏单元可在单元势阱内产生载流
子，从而测量x射线空间强度分布。由于x射线能量较高，其中一部分会穿过
CCD而探测不到，因而CCD对x射线的探测率远远低于可见光。另外在x射线
照射下存在CCD的辐射损伤问题，例如：对于10kev的x射线，ccd的工作寿
命只有几个小时。用CCD对x射线成像的一个有效办法是将x射线在荧光屏上
转换为可见光，再用CCD对可见光成像。如果x射线光强不够，可通过像增强
器放大在由CCD读出。
★ 色温的有关概念
色温 是借用绝对黑体绝对温度描述一般光源发光特征的一个参数，光源的色
温是指与光源发出辐射颜色相同的黑体的绝对温度，如光源本身就是绝对黑体，
色温就是光源本身的绝对温度。若光源本身不是绝对黑体，色温只表示光源发光
的颜色特征，不代表光源本身的实际温度。
CCD实践中应用知识
x光CCD面阵的前面放置铍窗，其功能是实现x光能量的衰减。（注意牵涉抽真空系统）
1) 对于CCD而言，面阵上采集图像如下图： 图中圆形区域为采集的灰度表示：a b c 为
灰度不同的采集的几个区域能否在a，c区域间进行灰度的加减运算？
答：目前软件本身提供的功能不能，CCD软件所提供的功
a
能全都体现出来了。本软件的最主要就是实现控制箱的控制
b
和图像的采集。对于更进一步的运算可以采用软件固有的转
换功能，将图像转换为ASCII码来在进行运算。或者在利
c
用专门的图像处理软件来对已经采到的图像来处理。
对于一台CCD而言，一旦厂家出厂以后其量子效率是不会改变的，除非仪器坏了。所