第七章-CCD光电图像传感器
CCD图像传感器
CCD图像传感器激光位移计-CCD的工作原理与应用(初稿)CCD,Charge Coupled Devices,电荷耦合器件～是70年代初发展起来的新型半导体器件。
它由美国贝尔实验室的W. S. Boyle和G. E. Smith于1970年首先提出～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基本理论。
几十年来～CCD的研究取得了惊人的进展～特别是在像感器应用方面发展迅速～已成为现代光电子学和现代测试技术中最活跃～最富有成果的新兴领域之一。
实验目的1、了解二相线阵CCD的基本工作原理2、了解二相线阵CCD驱动信号时序3、了解线阵CCD在位移测量中的应用方法实验仪器1. CCD激光位移计2. 数字示波器准备好坐标纸、铅笔和直尺～也可用相机。
实验原理1( CCD的基本结构电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号～而不同于其它大多pseudonym Ding Bingcheng), to Jiangsu and Zhejiang in Taihu Lake area opened work, towards armed, carried out guerrilla race. 4 people such as Ding Bingcheng took Zhang Yan, Zhou Fen, from Shanghai, Zhao Anmin troopsstationed at the border of Jiangsu and Zhejiang. Ding Bingcheng reach dual-COR, and "anti-" established contact of Communist Party members, when the Kuomintang military Committee in Jiangsu, Zhejiang and Deputy Commander of the Brigade in Taihu Lake and Qian Kangmin, Director of the Department of the Commission (CPC) accompanied by consultations with Commander Zhao Anmin placement I was personnel related issues. Qian Kangmin efforts, Zhao Anmin also agreed to subordinate Gong Shengxiang Brigade guns to form a band in Taihu Lake. Qian Kangmin hired a boat to bring Gong Shengxiang, together with Zhang Yan start, boats to crossnear the fan, was seized by Cheng Wanjun. After Cheng Buzheng Jin Lu Wang, Director of training helps releasing personnel, but the weapon lost. Is autumn, Ding Bingcheng Wujiang was ordered to open up again,its task is: towards reconstruction guerrillas, Communist-led team.Along with Liu Zirong (Liu), Zhang Yan (Liu), huada busy (Chen Zhengzhi), Yu Zhe (Zhou Fen), Ye Chu Xiao (Lu Qiusheng), Henry (nandeqin), "anti-" players. Flat looking men Shen Yuezhen as a guide. Shen Yuezhen Ding Bingcheng single leader, Shen Yuezhen specializing in intelligence work, in September, through Mao Xiaocen served as the KMT's County Clerk, Shen Yuezhen after entering the County, deftly juggling between elites, was Chang Shen Liqun, who appreciated, has created favorable conditions for gathering intelligence. Meanwhile, Shen Yuezhen introduce jindapeng (Kanewaka Wang), xiaoxin was joined the "resistance", also activelydoing the standing political instructor Yu Qingzhi Shen Wenchao, Secretary of Justice and County Government数器件是以电流或者电压为信号。
ccd图像传感器基础知识精讲【可编辑的PPT文档】
★LK-G系列CCD激光位移传感器
❖ 产品特性
全新开发的Li-CCD （直线性CCD）高精度 Ernostar 物镜以及其它独一无二的先进技术。 KEYENCE 进一步改进了成熟的LK系列的CCD传感 器工艺并开发了包括Li-CCD 和高精度Ernostar 物 镜在内的全新技术。
如图所示
Li-CCD减少了像素边缘错误，精确度是传统型号
ＣＣＤ传感器有以下优点：
❖ 1. 高解析度（High Resolution）：像点的大小为 μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从 早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸， 像素数目从初期的10多万增加到现在的400～500万 像素；
❖ 2. 低杂讯（Low Noise）高敏感度：ＣＣＤ具有很 低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比 （SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光 也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使ＣＣＤ的应用 较不受天候拘束；
IL-PI4096具体应用
❖ IL-P1-4096的精度高、感光响应快，在工业控制 和测量领域（如流水线产品检测、分类，文字与图 像的识别，机械产品尺寸非接触测量等），该器件 具有很强的实用性。
❖ IL-PI4096的工作频率要求很高、相位关系复杂， 使用高速CPLD作为CCD的基本时序发生器。推荐 设计时可使用Lattic公司的 ispMACH4000C/B/V系 列芯片，该芯片的工作时钟可以达到400MHz，完 全可以满足此CCD的工作时序要求。
需要注意的是，IL -P1-4096传感器是两路输出， 奇像素和偶像素分别从不同的输出通道输出，是一 种双排的线列阵CCD，光敏单元在中间，奇、偶单 元的信号电荷分别传到上下两列移位寄存器后分两 路串行输出。这种CCD的优点是具有较高的封装密 度，转移次数减少一半，因而可提高转移效率，改 善图像传感器的信号质量。
ccd图像传感器的工作原理
ccd图像传感器的工作原理
CCD（Charged Coupled Device）图像传感器是一种将光信号
转换为电信号的电子器件。
它具有由一系列电荷耦合转移器件组成的阵列。
其工作原理如下：
1. 光感受：图像传感器的表面涂有光敏材料，例如硅或硒化铟。
当光照射到传感器上时，光子会激发光敏材料中的电子。
2. 电荷耦合：在CCD传感器中，光激发的电子通过电场力被
引导至特定位置。
在传感器的一侧，存在着电荷耦合器件（CCD）的阵列。
这些器件由一系列电容构成，能将移动的
电子推入下一个电容。
3. 移位寄存：一旦电子被推入下一个电容，电荷耦合器件会以逐行或逐列的方式将电子移动到存储区域。
这些存储区域称为移位寄存器，在这里，电荷可以被暂时存储和传输。
4. 电荷读出：当所有行或列的电荷都被移动到相应的移位寄存器时，电子的集合就可以被读出。
通过将电荷转换为电压信号，其可以被进一步处理和转换为数字信号。
总结：CCD图像传感器的工作原理可以分为光感受、电荷耦合、移位寄存和电荷读出四个步骤。
通过光激发、电荷移动和存储，最终将光信号转换为电信号，并进一步处理为数字信号。
ccd图像传感器的原理
ccd图像传感器的原理
CCD图像传感器是一种基于电荷耦合器件（Charge-Coupled Device）的光学传感技术。
其原理是利用PN结以及电荷耦合
的原理将光信号转换为电荷信号，并通过逐行读取的方式将这些电荷信号转换为数字图像。
当一个光子击中CCD图像传感器上的感光表面时，它会激发
感光表面上的电子，并将它们转换成电荷信号。
这些电荷信号会被储存在电荷耦合器件中的位势阱中，由于耦合电介质介导电耦合效应，使电荷可以在电荷耦合器件中进行传输。
在图像采集过程中，电荷信号会被逐行读取。
首先，所有的电荷信号都会被传输到传感器芯片的顶部电荷传输区域。
然后，通过逐行读取的方式，将每行中的电荷信号传输到图像信号处理电路中进行进一步处理。
在逐行读取的过程中，每行的电荷信号会根据时钟脉冲的控制，被顺序地传输到图像信号处理电路中。
在图像信号处理电路中，电荷信号会被放大、调整和数字化，最终形成完整的数字图像。
CCD图像传感器具有高灵敏度、高动态范围和低噪声等优点，因此广泛应用于数码相机、摄像机、望远镜等领域。
它的原理基于光电效应和电荷耦合效应，为数字图像采集和处理提供了高质量的解决方案。
CCD图像传感器课件
CCD实物
•CCD图像传感器课件
常见的基于CCD光电耦器件的设备
•CCD图像传感器课件
•CCD图像传感器课件
嫦娥二号携带的CCD立体摄像机
•CCD图像传感器课件
CCD图像传感器
• CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属— 氧化物—半导体）电容器组成的阵列。在P型或N 型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅 ,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶 硅电极（栅极）,形成规则的MOS电容器阵列，再 加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。
•CCD图像传感器课件
• 自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视 装置、指纹机；
• 作为机器人视觉系统；
• 用于传真技术，文字、图象 、 车 牌 识别。例如用 CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作 用；
• M2A摄影胶囊（Mouth anus）,由发光二极管做光 源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到 存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下 载。
3 t1 t2 t3 t4 t5
三个时钟脉冲的时序
•CCD图像传感器课件
输入二极输管入栅Ф1 Ф2
Ф3
SiO2
输出栅 输出二极管
耗尽区
P型Si 电荷转移方向
CCD的MOS结构
•CCD图像传感器课件
3、信号电荷的传输（耦合）
CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是 将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个 像元，直到全部电荷包输出完成的过程。 通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以 实现光电荷在相邻势阱间的转移。
•CCD图像传感器课件
(a)初始状态； (b)电荷由①电极向电极②转移； (c)电荷在①②电极下均匀分 布；(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②电极； (f)三相 转移脉冲
光电传感技术第七八章答案
1，设光敏二极管的光敏面积为1 mm×1 mm，若用它扫描500 mm×400 mm的图像，问所获得的图像水平分辨率最高能达到多少？答：水平分辨率最高可以达到500 mm/1 mm=500。
2，上题中光敏二极管在水平方向（沿图像500 mm方向）正程运动的速度为5 m/s，逆程运动的速度达50 m/s，垂直方向正程运动的速度应为多少？扫描一场图像的时间需要多少？答：水平扫描周期应为垂直方向行进到下一行的时间，因此垂直方向正程速度为：。
扫描一场图像需时间为：。
3，上述扫描出来的图像怎样显示出来？能直接用什么制式的电视监视器显示？为什么？若想看到用线阵CCD扫描出来的图像，应采用怎样的措施？4，比较逐行扫描与隔行扫描的优缺点，说明为什么20世纪的电视制式要采用隔行扫描方式？我国的PAL电视制式是怎样规定的？答：逐行扫描闪烁感低，扫描方式和控制扫描的驱动设计也要简单，隔行扫描对行扫描频率的要求只是逐行扫描的一半，对信号传输带宽要求也小。
20世纪的显示器行扫描频率达不到逐行扫描的行频要求，因此用隔行扫描技术。
PAL制式规定场周期为20 ms，其中场正程时间为18.4 ms，场逆程时间为1.6 ms，行频为15625 Hz，行周期为64μs，行正程时间为52 μs，行逆程时间为12 μs。
5，现有一台线阵CCD图像传感器（如ILX521）为256像元，如果配用PAL电视制式的显示器显示他所扫描出来的图像需要采用怎样的技术与之配合？6，如何理解“环保的绿色电视”？100 Hz场频技术是基于怎样的基础？答：100 Hz扫描技术就是利用数字式场频转换技术，它把PAL制的50 Hz场频的信号，通过数字式存储器DARM，采用“慢存快取”的方法，即读出的时钟频率是存入时钟频率的2倍，实现信号场频率的倍频转换，使场扫描数倍增，从而成为场频为100 Hz的视频信号。
7，图像传感器的基本技术参数有哪些？他们对成像质量分别有怎样的影响？答：1，成像物镜的焦距f’，决定了被摄劲舞在光电成像器件上成像的大小；2，相对孔径D/f’，决定了物镜的分辨率、像面照度和成像物镜的成像质量；3，视场角2ω，决定了能在光电图像传感器上成像良好的空间范围。
ccd传感器工作原理
ccd传感器工作原理
ccd传感器的工作原理是基于光电转换效应。
它可以将光信号转化为电信号。
CCD（Charge-Coupled Device）传感器是一种由多个电容阵列组成的芯片。
每个电容都对应着图像上的一个像素点。
当光线通过透镜进入传感器后，首先会被透镜聚焦到每个像素点上。
光子的能量会导致在每个像素点的电荷量发生改变。
CCD传感器的每个像素点都包含了一个光电二极管（photodiode）和一个电容。
当光子进入光电二极管时，会产生电子-空穴对。
电子会被光电二极管的电场吸引，并被保留在像素点内的电容中。
这个过程被称为光电转换。
在拍摄过程中，相机的快门会打开，允许光线进入CCD传感器。
每个像素点会记录下通过透镜传入的光子数量，转变成电子数量，并储存在电容中。
拍摄完毕后，快门关闭，传感器上的电荷被传到读出电路中。
读出电路会将电荷转化为电压，再经过模数转换器（ADC）转化为数字信号。
数字信号被传送到图像处理器中进行后续的图像处理和压缩，最终形成一张数字图像。
值得注意的是，CCD传感器中的像素是按行排列的，并且通过逐行扫描的方式进行读取。
这意味着每一行的像素点会被逐个读取出来，然后传输到图像处理器中。
当读取完一行后，传感器会自动跳到下一行继续读取，直到整个图像被读取完成。
通过以上的工作原理，CCD传感器能够将光信号高效地转化为电信号，并实现对图像的捕捉和处理。
这使得CCD传感器在数字相机、摄像机等设备中得到广泛应用。
CCD图像传感器的原理及应用
CCD图像传感器的原理及应用摘要：随着科技的迅猛发展，人们希望在生活生产中更多地实现自动化，而在实现自动化的过程中，传感器起着举足轻重的地位。
传感器其实就是人类感官的延伸，因此也叫“电五官”。
而图像传感器就是“电视觉”，本文就图像传感器中的一种——CCD图像传感器的原理及应用做一介绍。
关键字：CCD图像传感器原理应用CCD图像传感器是通过将光学信号转换为数字电信号来实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。
光学信号转化为数字信号主要由CCD感光片完成。
CCD感光片由三部分组成，即镜片，彩色滤镜和感应电路，如下图。
镜片和彩色滤镜主要是对接受的光线（即图像）进行一定的预处理，感应电路为CCD传感器的核心，它又可分为光敏元件阵列和电荷转移器件两部分。
下面我们介绍一下感应电路的构成，CCD的感应电路是由若干个电荷耦合单元组成，该单元的结构如图所示。
其最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2作为光敏器件，再在SiO2层上依次沉积铝电极而构成MOS的电容式转移器。
将MOS阵列加上输入、输出端，便构成了CCD的感应电路。
当光照射到ＣＣＤ硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子－空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。
当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。
其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包（势阱）电荷转移的控制方法，类似于步进电极的步进控制方式。
也有二相、三相等控制方式之分。
下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。
三相控制是每一排像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次施加三个相位不同的脉冲，使得每排电极下电荷包向一侧移动，如下页图。
随着控制脉冲的分配，电荷包从一侧转移到最终端，由输出二极管收集后送给放大器处理，实现电荷移动。
当各排电荷全部移出感应区即扫描完成一幅画面，这些电荷最终以二进制的形式存储或修改。
CCD图像传感器详解
CCD图像传感器CCD(Charge Coupled Device)全称为电荷耦合器件,就是70年代发展起来的新型半导体器件。
它就是在MOS集成电路技术基础上发展起来的,为半导体技术应用开拓了新的领域。
它具有光电转换、信息存贮与传输等功能,具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点,故在固体图像传感器、信息存贮与处理等方面得到了广泛的应用。
CCD图像传感器能实现信息的获取、转换与视觉功能的扩展,能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息,被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测与自动控制系统。
实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器,都用了CCD作图象探测元件。
一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。
CCD工作时,在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样,将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。
取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。
移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷顺次转移到输出端。
将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中,就可对信号再现或进行存储处理。
由于CCD光敏元可做得很小(约10um),所以它的图象分辨率很高。
一.CCD的MOS结构及存贮电荷原理CCD的基本单元就是MOS电容器,这种电容器能存贮电荷,其结构如图1所示。
以P型硅为例,在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层,然后在SiO2上淀积一层金属为栅极,P 型硅里的多数载流子就是带正电荷的空穴,少数载流子就是带负电荷的电子,当金属电极上施加正电压时,其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。
于就是带正电的空穴被排斥到远离电极处,剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层(耗尽层),电子一旦进入由于电场作用就不能复出,故又称为电子势阱。
当器件受到光照时(光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入,或经衬底的薄P型硅射入),光子的能量被半导体吸收,产生电子-空穴对,这时出现的电子被吸引存贮在势阱中,这些电子就是可以传导的。
CCD图像传感器
显微镜下的MOS元表面 显微镜下的MOS元表面 MOS
CCD结构示意图 CCD结构示意图
CCD图像传感器的结构及工作原理 CCD图像传感器的结构及工作原理
是由规则排列的金属—氧化物—半导体（ CCD 是由规则排列的金属—氧化物—半导体（Metal Semiconductor,MOS）电容阵列组成。 Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。
概述
四、固态图像传感器所用的敏感器件
电荷耦合器件（ 电荷耦合器件（CCD） ） 电荷注入器件（CID） 电荷注入器件（ ） 戽链式器件（ 戽链式器件（BBD） ） 金属氧化物半导体器件（ 金属氧化物半导体器件（MOS） ）
CCD图像传感器 CCD图像传感器
CCD，英文全称：ChargeCCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。 Device，中文பைடு நூலகம்称：电荷耦合元件。也 称CCD图像传感器，是一种大规模金属 CCD图像传感器， 图像传感器 氧化物半导体集成电路光电器件， 氧化物半导体集成电路光电器件，是贝 尔实验室的于1970年发明的。 尔实验室的于1970年发明的。 1970年发明的 它能够把光学影像转化为数字信号。 它能够把光学影像转化为数字信号。
CCD图像传感器的结构及原理 CCD图像传感器的结构及原理
三、信号电荷的传输（读出移位寄存器） 信号电荷的传输（读出移位寄存器） 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半 MOS结构 导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于， 导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体底 MOS光敏元的区别在于 部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。 部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。 由三个十分邻近的电极 组成一个耦合单元； 组成一个耦合单元； 在三个电极上分别施加 脉冲波三相时钟脉冲 Φ1Φ2Φ3。 Φ1Φ2Φ3。
ccd图像传感器的工作原理及应用
CCD图像传感器的工作原理及应用1. CCD图像传感器简介CCD（Charge-Coupled Device）是一种光电器件，可以将光信号转换成电信号，并进行捕获和存储图像数据。
CCD图像传感器广泛应用于相机、摄像机、扫描仪和图像处理等领域。
2. CCD图像传感器的工作原理CCD图像传感器的工作原理基于光电效应和电荷耦合技术。
2.1 光电效应当光照射到CCD上时，光子将激发CCD芯片中的光敏元件产生电子-空穴对。
光电效应的强弱与光的强度成正比，光的能量越高，激发的电子-空穴对越多。
2.2 电荷耦合技术CCD图像传感器中对光电效应产生的电子进行耦合和传输的是电荷。
CCD芯片由一系列电荷传输区域组成，其中包括感光区、垂直传输区和水平传输区。
在感光区，电荷被积累，并且与光照的强度成正比。
然后，电荷被垂直传输区逐行传输到水平传输区。
在水平传输区，电荷被逐列传输到输出端，由模数转换器将其转换为数字信号。
3. CCD图像传感器的应用CCD图像传感器在许多领域中都有广泛的应用，下面列举了几个典型的应用领域。
3.1 摄影和摄像CCD图像传感器是数码相机和摄像机的核心部件。
它们能够捕捉细节丰富、高质量的图像和视频，成像效果较好。
3.2 扫描仪CCD图像传感器还被广泛用于扫描仪，用于将纸质文件和照片转换为数字形式。
CCD的高分辨率和色彩还原能力使其成为扫描仪最佳的图像采集技术之一。
3.3 星光相机CCD图像传感器在天文学中也有重要应用。
由于其高灵敏度和低噪声性能，CCD被广泛用于天文图像的采集，尤其是星光相机。
星光相机能够捕捉到微弱的星光，从而探测远离地球的天体。
3.4 医学成像CCD图像传感器也被应用于医学成像领域。
例如，在X射线成像中，CCD传感器能够捕捉到X射线影像，用于医学诊断和治疗。
3.5 工业视觉CCD图像传感器在工业视觉应用中起着关键作用。
它们可以检测和测量产品中的缺陷、尺寸和形状，并用于自动化生产线上的质量控制。
CCD图像传感器
CCD图像传感器Biblioteka （2）面型CCD图像传感器。按一定的方式将一维线型光敏单 元及移位寄存器排列成二维阵列，即可构成面型CCD图像传感器， 它主要用于摄像机及测试技术。如图1-13所示，面型CCD图像传感 器有三种基本类型：线转移型、帧转移型和隔离转移型。
CCD图像传感器
CCD输出信号经过滤波、放大和二值化处理，输出DO脉冲信 号和转移脉冲SH。采用外置的CCD 驱动装置自带滤波、放大和二 值化电路，阈值电平可调，DO输出脉冲的幅度直接反映了每个像 敏单元上的光照度。测量前首先需要对系统进行定标，记录光点在 CCD上的初始位置，即（t1+t2）/2。当光点在CCD上发生移动时， 得到的SH下降沿到DO脉冲宽度中心值距离与初始位置相减的宽度 值，它与光点移动的距离值成正比。利用单片机对这几组脉冲进行 测量、处理，结果送至上位机对其进行几何公式的转换，即可实时 显示待测件的偏转角度。
CCD图像传感器
一、 电荷耦合工作原理 1. CCD原理
MOS电容器CCD是一种固 态检测器，由多个光敏像元组 成，其中每个光敏像元就是一 个MOS 体）电容器。CCD的基本结构 如图1-11所示，但其工作原理 与MOS晶体管不同。
图1-11 CCD的基本结构
CCD图像传感器
CCD中的MOS电容器的形成方法是：在P型 或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚 度为100~150 nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面 按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬 底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即 形成了一个MOS电容器，具有光生电荷、电荷存 储和电荷传移的功能。
CCD图像传感器
CCD简介CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，前者是毫安级的耗电量，而后者是微安级的耗电量。
TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。
CCD广泛用于工业，医疗、民用产品。
CCD功能特性CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号,电流信号经过放大和模数转换,实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。
其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。
因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。
CCD工作原理CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。
线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。
所需相数由CCD 芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。
线阵CCD 有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。
它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像(线阵CCD如右图所示)。
面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。
CCD的应用四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。
随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。
CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。
图像传感器ppt课件
图2.6 PN结像素结构
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为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
6.cmos传感器的动态范围
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2.2 CMOS传感器的像素结构
❖ 由于PPD像素结构在暗电流和噪声方面的优异表现，近 年来市面上的CMOS传感器都是以PPD结构为主。但是 ，PPD结构有4个晶体管，有的设计甚至有5个，这大大 降低了像素的填充因子（即感光区占整个像素面积的比 值），这会影响传感器的光电转换效率，进而影响传感 器的噪声表现。
图2.7 PPD像素结构
对于PPD，右边部分电路只是信号读出电路。读出电路与光电转换结 构通过TX完全隔开，这样可以将光感区的设计和读出电路完全隔离开 ，有利于各种信号处理电路的引入（如CDS，DDS等）。另外，PPD 感光区的设计采用的是p-n-p结构，减小了暗电流
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为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
2.2 CMOS传感器的像素结构
passivel Pixel噪声较大有2 个主要原因：
1、相对读出电路上的寄生电 容，PN结的电容相对较小。 代表其信号的电压差相对较小， 这导致其对电路噪声很敏感。 2、如图2.5(b)，PN结的信号， 先经过读出电路，才进行放大。 这种情况，注入到读出信号的 噪声会随着信号一起放大。
CCD图像传感器的工作原理及其特点
CCD图像传感器的工作原理及其特点构成CCD的基本单元是MOS（金属－氧化物－半导体）结构。
CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。
工作时，需要在金属栅极上加一定的偏压，形成势阱以容纳电荷，电荷的多少与光强成线性关系。
电荷读出时，在一定相位关系的移位脉冲作用下，从一个位置移动到下一个位置，直到移出CCD，经过电荷ˉ电压变换，转换为模拟信号。
由于在CCD中每个像元的势阱所容纳电荷的能力是有一定限制的，所以如果光照太强，一旦电荷填满势阱，电子将产生“溢出”现象。
另外，在电荷读出时，由于它是从一个位置到下一个位置的电荷转移过程，所以存在电荷的转移效率和转移损失问题。
电荷耦合摄像器件（CCD）的突出特点是以电荷为信号载体。
它的功能是接受存储模拟电荷信号，并将它逐级转移（并存储）输送到输出端。
其基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测，因此实际上相当于一个模拟移位存储器。
主要有信息处理用延迟线、存储器和光电摄像器件三个方向应用。
CCD有表面（沟道）CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）两种基本类型。
作为图像传感器用摄像器件还另外具有光敏元阵列和转移栅，以进行光电转移，并将光电转换的信号电荷转移到CCD转移电极下。
由CCD图像传感器的结构和工作原理决定了这类器件有以下优点：● CCD是一种固体化器件，体积小、重量轻、可靠性高、寿命长：● 图像畸变小、尺寸重现性好；● 具有较高的空间分辨率；● 光敏元间距的几何尺寸精度高，可获得较高的定位精度和测量精度；● 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。
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比较CCD传感器与CMOS传感器的差异噪点：由于ＣＭＯＳ每个感光二极管都需搭配一个放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，...CMOS图像传感器简议数码相机和可拍照式便携设备的兴起，使得CMOS图像传感器这个名词进入大众的视野，而这种产品也成为了半导体产品中增长最快的一种。
图像传感器—CCD
线型：线型CCD图像传感器是由一列MOS光敏单元和一列CCD移位 寄存器构成的，光敏单元与移位寄存器之间有一个转移控制栅
光光光光 转转转 输输
转移移移处 转移移移处 1
(a)
光光光光 输输 转转转
转移移移处 2
(b)
面型：按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列
二二二二 检检二检检 输 输 移 移 处 移存处光光 感光感 二二二二 输输转移移移处 输输 输输转移移移处
CCD的工作原理图 CCD的工作原理图
∆t ID P—Si n＋ Q＝ID∆ t (a) (b) IG
Φ1
Φ2
Φ3
Φ1
P—Si
电荷注入方法 （a） 背面光注入； （b） 电注入
通常在半导体硅片上制有几百个或几千个相互独立的MOS元 通常在半导体硅片上制有几百个或几千个相互独立的MOS元，它们按线阵或 MOS 面阵有规则地排列。如果在金属电极上施加一正电匝， 面阵有规则地排列。如果在金属电极上施加一正电匝，则在这半导体硅片上 就形成几百个或几千个相互独立的势阱。 就形成几百个或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上的是一幅 明暗起伏的图像，则与此同时， 明暗起伏的图像，则与此同时，在这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度 相对应的光生电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电效应的基本原理。 相对应的光生电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电效应的基本原理。
4.12 CCD图像传感器 图像传感器—CCD 图像传感器
电荷耦合器件（ 电荷耦合器件 （ Charge Couple Device, 缩写为 CCD） 是固态图器的核心， 化物半导体（ 化物半导体 （ MOS） 集成电路光电器件 。 它以电荷为信 ） 集成电路光电器件。 具有光电信号转换、 存储、 号， 具有光电信号转换、 存储、 转移并读出信号电荷的 功能。 年问世以来， 功能 。 CCD自 1970年问世以来， 由于其独特的性能而发 自 年问世以来 展迅速， 广泛应用于航天、遥感、 工业、农业、 展迅速， 广泛应用于航天、遥感、 工业、农业、天文及 通讯等军用及民用领域信息存储及信息处理等方面， 通讯等军用及民用领域信息存储及信息处理等方面， 尤 其适用以上领域中的图像识别技术。 其适用以上领域中的图像识别技术。
CCD传感器
工作原理
CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存 储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有 光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的 应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。CCD有面阵和线阵之分，面阵是把CCD像素排成1个平 面的器件；而线阵是把CCD像素排成1直线的器件。由于在军事领域主要用的是面阵CCD，因此这里主要介绍面阵 CCD。
主要种类
面阵CCD
面阵CCD：允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。
面阵CCD的结构一般有3种。第一种是帧转性CCD。它由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区 域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。其优点是结构较简单并容易增加像素数，缺点是CCD尺寸 较大，易产生垂直拖影。第二种是行间转移性CCD。它是CCD的主流产品，它们是像素群和垂直寄存器在同一平面 上，其特点是在1个单片上，价格低，并容易获得良好的摄影特性。第三种是帧行间转移性CCD。它是第一种和第 二种的复合型，结构复杂，但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门等优点。
CCD与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换， 将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传 感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内 存电路的方式将数据输出。
CCD图像传感器-42页精选文档
三原色：红、绿、蓝 R、G、B
三补色：青、品、黄 C、M、Y
所谓一种原色的补色即为除此原色外另外两种原色的 和色。三原色中，红与绿的和色为黄，绿与蓝的和 色为青，红与蓝的和色为品。
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互为补色对照表 红
因为芯片生产时产生不同等级，各厂家获得途径不同 等原因，造成CCD采集效果也大不相同。
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CCD的选购：
检测方法：
1、接通电源，连接视频电缆到监视器，关闭镜头光圈，看图 像全黑时是否有亮点，屏幕上雪花大不大。
2、然后打开光圈，看一个静物，如果是彩色摄像头，最好摄 取一个色彩鲜艳的物体，查看监视器上的图像是否偏色，扭 曲，色彩或灰度是否平滑。好的CCD可以很好的还原景物 的色彩，使物体看起来清晰自然；
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CCD工作原理
CCD的工作原理由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层，
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1. 微型镜头（第一层） 微型镜头为CCD的第一层，我们知道，数码相
机成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD的 采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提 高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微 型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。
品红
黄
蓝
绿
青
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3. CCD感光层（第三层）
负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号 传送到影像处理芯片，将影像还原。
CCD芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。
目前我国尚无能力制造，市场上大部分摄像头采用的 是日本SONY、SHARP、松下、富士等公司生产的芯 片，现在韩国三星等也有能力生产，但质量就要稍逊 一筹。
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七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷存储
通常在半导体硅片上制有成千上 万个相互独立的MOS光敏单元， 如果在金属电极上加上正电压， 则在半导体硅片上就形成成千 上万的个相互独立的势阱。如 果此时照射在这些光敏单元上 是一幅明暗起伏的图像，那么 这些光敏元就会产生出一幅与 光照强度相对应的光电荷图像。
获得目标尺寸和像素的变换关系 根据几何光学原理，被测物体尺寸计算公式为D=np/M
式中： n——覆盖的光敏像素数； p——像素间距； M——倍率。
D
被测 物体
成像 透镜
CCD
七、 CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 TCD1209D的像敏单元阵列由2075个光电二极管构成，其中
有27个光电二极管（前边D13～D31和后边的D32～D39）被遮蔽， 中间的2048个光电二极管为有效的像敏单元。每个像敏单元的 尺寸为14µm×14µm，相邻的两个像元的中心距为14µm。像敏单 元阵列的总长度为28.672mm。
特性参数
七、CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 （2）灵敏度
特性参数
线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量(lx.s)的作用下器
件的输出信号电压，即
R UO
式中的UO为线阵CCD输出的信号H电V 压，HV光敏面上的曝光量。
衡量器件灵敏度的参数还常用器件输出信号电压饱和时光敏面
上的曝光量表示，称为饱和曝光量，记为SE。饱和曝光量SE越
电源 输出
驱动脉冲
控制脉冲
钳位脉冲 复位脉冲TCD1209D原理结构图
七、CCD光电图像传感器
TCD1209D驱动脉冲波形图
控制脉冲
驱动脉冲
复位脉冲 嵌位脉冲 输出
七、CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 （1）光谱响应特性 TCD1209D的光谱响应的 峰值波长为550nm，短波响 应在400 nm处大于70%（实 践证明该器件在300nm处仍 有较好的响应），光谱响应 的长波限为1100nm。响应范 围远远超出人眼的视觉范围。
七、 CCD光电图像传感器
D原理
每一个光敏单元 （MOS电容）的电子 势阱收集根据光照强 度而产生的光生电子， 每个势阱中收集的电 子数与光照强度成正 比。
七、 CCD光电图像传感器
D原理
在CCD电路时钟脉冲的作用 下，势阱中的电荷信号会依 次向相邻的单元转移，从而 有序地完成载流子的运输— 输出，成为视频信号。
七、 CCD光电图像传感器
D原理
电荷转移
七、 CCD光电图像传感器
D原理
电荷转移
七、 CCD光电图像传感器
D原理
电流输出方式 ：
电荷输出
反偏二极管
衬底P和N+区构成输出二极管（反偏压）
七、 CCD光电图像传感器
D原理
电荷输出
复位脉冲RS
10－>2V
5V
Id Qs 信号电荷
博伊尔(Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（George
E. Smith）发明。 2009年，科学家因博伊尔和乔治-E-史密斯因“发
明了成像半导体电路——电荷耦合器件图像传感器
CCD” 与高锟一同获得了当年的诺贝尔物理学奖。
七、CCD光电图像传感器
1、 CCD概念
七、 CCD光电图像传感器
小的器件其灵敏度越高。TCD1209D的饱和曝光量SE仅为
0.06(lx.s)。
七、CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器
特性参数
（3）动态范围
动态范围参数DR定义为饱和曝光量与信噪比等于1时的曝光 量之比 。
DR USAT U DAk
TCD1209D的特性参数
特性参数 灵敏度
像敏单元的不均匀 性
160 98 0.2 2 000 5.5
0.6 1
由一系列排紧密的MOS（金ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ氧化物-半导体)电容器组成称为电 荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）。
以电荷作为信号，经过其产生 、存储、转移和检测等过程，实现 光图像变成电信号。
CCD阵列表面结构（放 大1000倍）
七、 CCD光电图像传感器
1、 CCD概念
历史
CCD于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维·
面阵CCD
可见光CCD 红外CCD X光CCD 紫外CCD
黑白CCD 彩色CCD 微光CCD
七、 CCD光电图像传感器
小 结：
电荷存储
CCD 电荷注入
电荷输出
电荷转移
七、 CCD光电图像传感器
小为什结么：称为电荷耦合器件？
电荷－－器件中的信息是以电荷形式出现的，
不同于其他探测器的“电流”或“电压”。
饱和输出电压 饱和曝光量 暗信号电压 暗信号电压不均匀
性 直流功率损耗 总转移效率
输出阻抗 动态范围 输出信号的直流电
位 噪声 驱动频率
参数符号 R
PRNU PRNU(V)
VSAT SE VDAK DSNU
PD TTE ZO DR VOS
NDO F
最小值 25 1.5 0.04
92 4.0
典型值 31 3 4 2.0 0.06 1.0 1.0
深度耗尽状态
1）势阱的形成 施加正电压 空穴耗尽区
势阱
栅极G 金属 氧化物
UG>0
半导体 P
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
势阱的形成
栅极正向电压增加 时，势阱变深。
－－改变UG，调 节势阱深度
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷产生
依靠半导体的光电特性，用光注入的办法产生。
§7 CCD光电图像传感器
固体摄像器件
摄像头 CCD摄象机 输出视频信号：
电视墙
－－摄像型光电成像器件
固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分 布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串 行输出的电信号—— 视频信号。其视频信号能再现入射 的光辐射图像。
固体摄像器件
固体摄像器件主要有三大类： 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即CID）
分辨率
实际中，CCD器件的分 辨率一般用像素数表示， 像素越多，则分辨率越 高。
44万（768*576）、100万 （1024*1024）、200万 （1600*1200）、600万 （2832*2128）
七、 CCD光电图像传感器
4.对光源的要求 –光源的类型
检测被检测物体的像 白炽灯或卤钨灯
CCD检测系统
当外界有光信号入射到MOS电容器的P型半导体内时， 会产生电子-空穴对，光越强，电子-空穴对越多，产 生信号电荷，光信号转换为电信号。
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷产生
光注入： 产生产电生子电－子空－穴空对穴对
空穴
－－栅极电压排斥
电子
－－被吸入势阱
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷存储
耗尽区对于带负电的电子来讲 是一个势能很低的区域，若注 入电子，电场则吸引它到电极 下的耗尽区。表面处构成了对
于电子的“陷阱”，称之为表面势阱，势阱积累电子 的容量取决于势阱的“深度”，而表面势的大小近似 与栅压VG成正比。
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷存储
MOS电容具有存储电荷的能力
3.特性参数
工作频率
（a）工作频率的下限f下
1 f 1
3 c
3 g
电荷包在相邻两电极之间的转移时间t
t＜τc
三相CCD：
t
T 3
,
f下
1
3 c
二相CCD
：
t
T 2
,
f下
1
2 c
七、 CCD光电图像传感器
3.特性参数
工作频率
（b）工作频率的上限f上 三相CCD f 1
3 g f 1
3 d
电荷从一个电极转移到另一个 电极的固有时间
七、 CCD光电图像传感器
D原理
在CCD电路时钟脉冲的作用 下，势阱中的电荷信号会依 次向相邻的单元转移，从而 有序地完成载流子的运输— 输出，成为视频信号。
七、 CCD光电图像传感器
D原理
在CCD电路时钟脉冲的作用 下，势阱中的电荷信号会依 次向相邻的单元转移，从而 有序地完成载流子的运输— 输出，成为视频信号。
栅极G 金属 氧化物
半导体 P
UG>0
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
势阱的形成
• UG＞ Uth时，半导体与绝缘体 界面上的电势变得非常高，以 致于将半导体内的电子(少子) 吸引到表面，形成一层极薄但 电荷浓度很高的反型层（沟 道）。
栅极G 金属 氧化物
半导体 P
UG>0
N型(P沟道） P型(N沟道）
2、 CCD工作原理
CCD结构
MOS结构 单元－像素
P
基本单元：MOS电容器。
在半导体硅上氧化生成一层薄 (约0.1μm)的
SiO2绝缘层，再镀上一层小面积金属作为电极，称 栅极。
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
CCD结构
由多个像素组成线阵, 金属栅极是分立的， 氧化物与半导体是连 续的。