CCD图像传感器详解汇总
第七章-CCD光电图像传感器
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
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图像传感器基础知识解析
CCD摄像机的数字化
在制造CCD摄像机时，从以往的Analog 模拟系统逐步实现DSP数位化处理，可以借 助电子计算机和专门软件系统实现对CCD摄 像机，特别是对彩色CCD摄像机的各种参数 的量化调整，可以确保CCD摄像机性能指标 的优化一致性以及在特殊使用条件下的参数 量化修改。
ＣＣＤ传感器有以下优点：
功耗
在初期研制的CCD摄像机有+24V、+22V、 +17V和+5V等，目前通用的为+12V。为配合 PC摄像机和网络图像传输的应用，逐步以 +12V和+5V两种工作电压为主。
提高CCD摄像机的制造效率
为了降低CCD摄像机的制造成本，实现高速自动 化生产，制造厂家追求紧密性结构，致力于CCD摄 像机的小型化，即由Dip On Board（DOB）过锡板 工艺改进为Chip On Board（COB）板上连接IC芯 片的贴片方式。到目前为止，已实现多层板的Multi Chip Module（MCM）多芯片集成模组化制造技术。
CCD传感器是一种特殊的半导体材料，由大量独 立的感光二极管组成，一般按照矩阵形式排列，相当
于传统相机的胶卷。
目前，CCD的种类有很多，其中面阵型CCD是主要 应用在数码相机中。它是由许多单个感光二极管组成 的阵列，整体呈正方形，然后像砌砖一样将这些感光 二极管砌成阵列来组成可以输出一定解析度图像的 CCD传感器。
CCD传感器技术 发展的五个趋势
CCD传感器的像面尺寸向集
成化各轻量化方向的发展:
由于制造CCD传感器的硅片和加工成 本都很高，所以很希望一片6.5英寸的硅片上 光刻出更多的CCD传感器芯片；以由于光刻 机的进步，所以在仍保持具有很高灵敏度的 特性下，CCD传感器的尺寸向1/2英寸、1/3 英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向发展在1993 年，1/2英寸的CCD传感器占总产量的5%;1/4 英寸的CCD传感器占总产量的10%;1/3英寸 的CCD传感器占总产量的85%。。
CCD图像传感器
CCD用于图像记录
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数码相机的外形
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CCD数码照相机的结构
三基色分离原理
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数码相机的结构解剖
（索尼F828）
CCD
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CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片
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CCD数码摄像机
CCD图像传感器
CCD全称电荷耦合器件，它具备光
电转换、信息存贮和传输等功能，具有
集成度高、功耗小、分辨力高、动态范
围大等优点。 CCD图像传感器被广泛应 用于生活、天文、医疗、电视、传真、 通信以及工业检测和自动控制系统。
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（一）CCD的基本工作原理
一个完整的CCD器件由光敏元、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，光敏元对 光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元 的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转 移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存 器相应单元中。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。输出信号 可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、 处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。
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面阵CCD外形（续）
200万和1600万像素的面阵CCD
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面阵CCD外形（续）
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面阵CCD外形（续）
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（三）CCD的基本特性参数
CCD的基本特性参数有： 光谱响应、动态范围、信噪比、CCD 芯片尺寸等。在CCD像素数目相同的条件
CCD图像传感器详解(精品文档)_共11页
CCD图像传感器CCD（Charge Coupled Device）全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。
它是在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、信息存贮和传输等功能，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、信息存贮和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、转换和视觉功能的扩展，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和自动控制系统。
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是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，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，这些电子是可以传导的。
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传感器介绍
CCD传感器介绍CCD（Charge-coupled device）传感器是一种基于光电效应的半导体器件，广泛应用于数字影像获取和图像处理领域。
它是一种能够将光信号转化为电信号的器件，可以实现对光的灵敏检测和定量测量。
本文将介绍CCD传感器的结构、原理、工作流程以及应用领域。
一、CCD传感器的结构CCD传感器通常由三个主要组件组成：光敏区（photodiode array）、垂直传输区（vertical transfer region）和水平传输区（horizontal transfer region）。
1. 光敏区：光敏区是由大量光敏二极管（photodiode）组成的，负责感受光信号。
每个光敏二极管对应CCD表面上一个像素点。
光敏区的材料一般是硅（Si）或硒化铟（In-Se）。
2. 垂直传输区：垂直传输区通常由垂直移位寄存器（verticalshift register）和充电区（charge region）组成。
它负责将光敏区中产生的电荷信号传输到水平传输区。
3. 水平传输区：水平传输区由水平移位寄存器（horizontal shift register）和输出增益放大器（output amplifier）组成。
它负责将从垂直传输区传输过来的电荷信号进行处理和放大，并输出为模拟电压信号。
二、CCD传感器的工作原理光电效应是指当光照射到光敏区时，光子会激发光敏二极管中的电子，从而产生电荷。
这个电荷的大小与被照射到的光的强度成正比。
当光源的亮度不同，电荷也会有所不同。
电荷耦合效应是指通过垂直传输区和水平传输区中的电荷传输器件将光敏区产生的电荷信号逐个传递到输出端。
水平传输区一般通过周期性的时钟信号来驱动，分别将像素中的电荷逐行、逐列传输并输出。
三、CCD传感器的工作流程1.曝光：在曝光阶段，光线会照射到CCD芯片的光敏区，光敏区中的光敏二极管会将光信号转化为电荷信号，并在每个像素位置上存储下来。
ccd图像传感器的原理和应用
CCD图像传感器的原理和应用1. 引言CCD (Charge-Coupled Device) 图像传感器是一种常用的光电转换器件，具有高灵敏度、低噪音等特点，广泛应用于数字摄像机、摄像监控、光学传感器等领域。
本文将介绍CCD图像传感器的原理和应用。
2. CCD图像传感器的原理CCD图像传感器是利用光电效应将光信号转换为电信号的器件。
其原理可分为以下几个步骤：2.1 光电转换光通过CCD图像传感器的光敏表面，激发光敏材料中的电子，形成光生载流子对。
光生载流子对的产生与光的能量和波长有关。
2.2 光电荷转移光敏表面形成的光生载流子对被电场作用下转移到表面下方的感光区域。
这一步骤是通过电场的调制将光电荷转移到后续电荷转移阶段。
2.3 电荷积分光电荷在感光区域累积，其数量与光照强度成正比。
该阶段称为电荷积分。
2.4 电荷读出通过移动电荷或光电荷势阱的方式，将电荷沿电荷传输路径传输到输出节点。
最后，电荷通过放大电路放大为电压信号。
3. CCD图像传感器的应用3.1 数字摄像机CCD图像传感器是数字摄像机中的核心部件。
它能够将光信号转换为电信号，并通过后续的编码和压缩处理产生数字图像，实现高质量的图像捕捉和录制。
3.2 摄像监控CCD图像传感器在摄像监控领域广泛应用。
它可以实时拍摄监控区域的图像，并将图像通过监控器或网络传输到监控中心。
CCD图像传感器的高灵敏度和低噪音特性，使得摄像监控系统能够在低光照条件下获取清晰的图像。
3.3 光学传感器光学传感器是利用CCD图像传感器感知环境中的光照强度和光照分布的设备。
光学传感器可以用于测量光线强度、测距、物体识别等应用。
通过对CCD图像传感器输出图像的处理，可以获取物体的形状、颜色和光照分布等信息。
3.4 科学研究CCD图像传感器在科学研究领域也得到广泛应用。
例如，在天文学中，CCD图像传感器可以用于拍摄星系、星云等天体图像。
在生物医学领域，CCD图像传感器可以用于显微镜图像的采集和分析。
CCD图像传感器原理与应用详解
信号电荷的产生（示意图）
入射光
e-
e-
e-
e- e-
e- e光生电子
金属电极 氧化物
半导体
MOS电容器
(2)信号电荷的存储
❖ 当金属电极上加正电压时， 由于电场作用，电极下P型 硅区里空穴被排斥入地成耗 尽区。对电子而言，是一势 能很低的区域，称“势阱”。 有光线入射到硅片上时，光 子作用下产生电子—空穴对， 空穴被电场作用排斥出耗尽 区，而电子被附近势阱（俘 获）。
CCD芯片 增大单位像素尺寸 缩短曝光时间 间歇开关时钟电压 溢出沟道和溢出门
缺点
对于暗的部分曝光不足 降低速度 制作复杂，且还有缺陷
由此可见，增大像素尺寸是最简单有效的做法。
（3）信号电荷的转移（耦合）
当一个CCD芯片感光完毕后，每个像素所转 换的电荷包就按照一行的方向转移出CCD感光区 域，以为下一次感光释放空间。
势阱的深浅由电极上所加电压的大小决定。电 荷在势阱内可以流动，它总是从相邻浅阱里流进 深阱中，这种电荷流动称为电荷转移。若有规律 改变电极电压，则势阱的深度就会随之变化，势 阱内电荷就可以按人为确定的方向转移，直到最 终由输出端输出。
如何实现电荷定向转移呢？下面以三相控制方式为 例说明控制电荷定向转移的过程。
CCD
光信息
电脉冲
脉冲只反映一个光敏元的受光情况
脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱
输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置
完成图像传感
CCD基本工作原理
信号电荷的产生 信号电荷的存贮 信号电荷的转移
信号电荷的检测
CCD的基本功能是存储与转移信息电荷
特点：以电荷作为信号
(1)信号电荷的产生
光电导效应
CCD图像传感器
CCD图像传感器线阵CCD：用一排像素扫描过，做三次曝光——分离对应于红、绿、蓝三色滤镜，正如名称所表示的，线性是捕获一维图像。
初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高辨别率的图像时，受局限于非移动的延续光照的物体。
三线传感器CCD：在三线传感器中，三排并行的像素分离笼罩RGB滤镜，当捕获彩色时，完整的彩色由多排的像素来组合成。
三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的辨别率和光谱色阶。
交织传输CCD：这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化，允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。
交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。
全幅面CCD：此种CCD具有更多电量处理能力，更好动态范围，低噪音和传输光学辨别率，全幅面CCD允许即时拍摄全彩。
全幅面CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出组成。
全幅面CCD曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像，并行寄存器用于测光和读取测光值。
图像投摄到作投影幕的并行阵列上。
此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目打算量化的元素。
这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。
此过程反复执行，直到全部的信息传输完毕。
接着，系统举行精确的图像重组。
数码相机曝光的囫囵流程：1．机械快门打开，CCD曝光2．在CCD内部光信号转为电信号3．快门关闭，堵塞光芒。
4．电量传送到CCD输出口转化为信号。
5．信号被数字化，数字资料输入内存。
6．图像资料被举行处理，显示在或电脑上。
面阵数码相机如何解决彩色图像的曝光？1．三块CCD同时曝光的办法第一种办法是实行了三块CCD芯片同时曝光的办法，它可以在一次曝光拍摄的同时，捕获到全部的彩色信息。
当光芒通过镜头射向CCD表面的时候，由一个特制的棱镜式分光镜，将影像的成像光速成分射到三个不同的CCD平面。
每一个CCD只记录红绿蓝色光中一种色光的彩色信息，并且只再现一种颜色，然后通过软件的对准处理，合成为一幅完整的全彩色画面。
CCD图象传感器技术简介
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。 光注入电荷 QIP =ηqATC△neo
η为材料的量子效率： q为电子电荷量； △neo为入射光的光子流速； A为光敏单元的受光面积
TC为光注入时间
感应电路构造
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。
电荷的产生（注入）
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。
行间转移 IT (Interline Transfer)
帧间转移 FT (Frame Transfer)
行帧间转移 FIT
色彩的形成
CCD的半导体感光元件只能感应光强，而无法反映 光线颜色，为此必须配合彩色滤镜来形成多彩的画 面。 3CCD 单CCD
单CCD法 优点：节约成本 缺点：每个像素都具有红、绿和蓝的色彩值，但这 三个值中只有一个真正来自CCD。其它两个值都由 插值法计算而得，即估算值。这些估算值不但干扰 测量过程本身，而且它们对于总线及计算机而言都 会增加不必要的负载。 此外单CCD法所得图像边沿比较模糊，拍摄纤细的 景物时效果较低
CCD图像传感器
什么是CCD
CCD（Charge 电荷藕合器件 CCD图像传感器可直接将光学信号
5.2 传感器技术-CCD图像传感器
传统CCD
超级CCD
5.2 CCD图像传感器
45 °排列结构
由于地球引力等因素影响，图像信息空间频率的功率 主要聚集于水平轴和垂直轴，而45°对角线上功率最低。
根据发表的技术资料，超级CCD的这种排列方式， 感光时可以达到传统CCD两倍的分辨力。
正八角形的像素外形
用八角形像素单元取代传统矩形单元，使像素 空间效率显著提高、密度达到最大，从而可以使光 吸收效率得到显著提高。
5.2 CCD图像传感器
机器人：计算机视觉、机械视觉
5 光电式传感器
5.2.1 CCD的结构及工作原理
CCD的基本功能是电荷的产生、存储、转移和 输出。
一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位 寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。
一个MOS电容器就是一个光敏元，可以感应一 个像素点，那么传递一幅图像就需要多个MOS 光敏元大规模集成的器件。
5.2.4 CCD图像传感器的应用 ➢ CCD数码照相机
数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换 器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器 中。
数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、 对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相 机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别， 其快门结构也大不相同。
将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例 的电信号“图像”的一种功能器件。 固态图像传感器是一种高度集成的半导体光电 器件，在一个器件上可以完成光电信号转换、 传输和处理。
5 光电式传感器
5.2 CCD图像传感器
CCD （Charge Coupled Device )全称电荷耦合 器件，是 1970年贝尔实验室的威拉德 ·博伊尔 (Willard S. Boyle )和乔治·史密斯 (George E. Smith )发明的。
CCD图像传感器
1.2基本结构
将一系列MOS结构组成阵列，加 上输入输出结构 则构成CCD 器 件。 注入的电荷可有控 制地从 一个电容移位 到另一个电容。 CCD与MOS 光敏元 的区别 (1)、半导体底部覆盖一层遮光 层，防止外来光线干扰 (2) 、三个相邻电极组成3。
而线阵CCD的优点是一维像元数可以做得很多，而总像元数角较面阵 CCD相机少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于一维动态 目标的测量。而且线阵CCD 分辨力高，价格低廉，可满足大多数测量视 场的要求，但要用线阵CCD获取二维图像，必须配以扫描运动，而且为 了能确定图像每一像素点在被测件上的对应位臵，还必须配以光栅等器 件以记录线阵CCD每一扫描行的坐标。一般看来，这两方面的要求导致 用线阵CCD获取图像有以下不足：图像获取时间长，测量效率低；由于 扫描运动及相应的位臵反馈环节的存在，增加了系统复杂性和成本；图 像精度可能受扫描运动精度的影响而降低，最终影响测量精度。
四、特性参数 4.1、CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述 内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的 特性,是器件理论设计的重要依据； 外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标主要 包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作 频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。
五、CCD图像传感器的应用
吸收的光电子数与入射到势阱 的光强成 正比。 在一定条件下： UG↑→耗尽区(势阱)越深 →表面 势↑→光敏元容纳的电荷 量↑ 存储了电荷的势阱称为电荷包。
2.2.2、电荷转移
为实现信号电荷转移及保证相邻势阱 耦合，MOS 电容阵列相邻间距极小。 任何可移动的信号将向表 势大的位臵 移动
2.2.2.1、电荷转移原理
信号电荷的产生 信号电荷的存贮 CCD基本工作原理 信号电荷的传输 信号电荷的检测 基本功能：电荷的存贮和转移 特点：以电荷作为信号
光电传感器-CCD图像传感器
CCD图像传感器
1.概述 2.主要特性 3.应用举例
CCD (Charge Coupled Device –电：把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字 信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置 硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机。
资CCD的应用与发展前景》张晓 华 ，张认成，龚雪，黄湘莹 《CCD图象传感器的应用技术》王春谊 《显微图像处理系统中CCD的应用研究》 苗振魁 刘诗荣 苗军秋
THANKS
双CCD红外夜视防水一体化摄像机
医学诊断图像采样分析
CCD应用于机器人的视觉图像采样
CCD应用于遥感探测设备
CCD应用于宇宙观测等的照片的处理
在未来的趋势中，CCD依然会在工业检测， 自动控制中独领风骚，运用CCD传感器在进 行船体，存储罐等复杂几何形状
总结
随着半导体材料科学与技术的发展，特别 是超大规模集成电路技术的不断进步，CCD 图象传感器的性能也在迅速提高，将CCD技 术、计算机图象处理技术与传统测量方法 相结合，能获取被测对象的更多信息，实 现快速、准确的无接触测量，显著提高测 量技术水平和智能化水平，因此，CCD技术 必将以其突出的优点而在工业测控、机器 视觉、多媒体技术、虚拟现实技术及其他 许多领域得到越来越广泛的应用。
全扫描CCD的内部结构
主要特性
尺寸小，工作电压低（DC：7-12V),寿命长， 坚固耐冲击，电子自扫描 1：输出与曝光量成正比（处于饱和时的输 出不可信） 2：像素灵敏闪烁性 3：对环境温度非常敏感 4：光电响应：很难达到单个光电二极管的 灵敏度
第五章 CCD 图像传感器..
同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点： (1) 全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都 很低；耐冲击性好．可靠性高，寿命长。 (2)基本上不保留残象，无象元烧伤、扭曲，不受电磁 干扰。 (3) 红外敏感性。硅的 SSPA 光谱响应： 0.20~1.0 ； CCD 可作成红外敏感型； CID 主要用于光谱响应大于 3~5 微米的 红外敏感器件。 (4) 象元尺寸的几何位置精度高 ( 优于 1微米 ) ，因而可用 于不接触精密尺寸测量系统。 (5)视频信号与微机接口容易 主要应用领域：①小型化黑白 /彩色 TV摄象机；②传真 通 讯 系 统 ； ③ 光 学 字 符 识 别 （ OCR: Optical Character Recognition ）；④工业检测与自动控制；⑤医疗仪器；⑥ 多光谱机载和星载遥感；⑦天文应用；⑧军事应用。
5.1 CCD图像传感器
电荷的转移（耦合）
电荷的转移（耦合）
第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由 2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有 几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。 原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下 势阱所共有。 若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个 电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二 个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向 右移动了一个位置。 CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地 自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD， 1μm的间隙长度是足够了。
光线
读出移位寄存器的工作原理是依靠MOS电容 与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高 低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当 MOS电容栅压VG增高时，在半导体内部被排斥 的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电 势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的 陷阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用来存 放电子。其特点是：当VG增加，势阱变深；当 VG减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。
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。
第五章CCD图像传感器
同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：
(1)全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都 很低；耐冲击性好．可靠性高，寿命长。
(2)基本上不保留残象，无象元烧伤、扭曲，不受电磁 干扰。
(3)红外敏感性。硅的SSPA光谱响应：0.20~1.0；CCD 可作成红外敏感型；CID主要用于光谱响应大于3~5微米的 红外敏感器件。
CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地 自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD， 1μm的间隙长度是足够了。
ＣＣＤ的工作原理
ＣＣＤ主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。
输入部分：将信号电荷引入到ＣＣＤ的第一个转移栅极下的势阱 中，称为电荷注入。
电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入
5.1 CCD图像传感器
电荷的转移（耦合）
电荷的转移（耦合）
第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由 2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有 几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。 原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下 势阱所共有。
若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个 电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二 个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向 右移动了一个位置。
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。
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CCD图像传感器CCD（Charge Coupled Device）全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。
它是在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、信息存贮和传输等功能，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、信息存贮和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、转换和视觉功能的扩展，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和自动控制系统。
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是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，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，这些电子是可以传导的。
光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。
总之，上述结构实质上是个微小的MOS 电容，用它构成象素，既可“感光”又可留下“潜影”，感光作用是靠光强产生的电子电荷积累，潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图象的传递。
二．电荷的转移与传输CCD 的移位寄存器是一列排列紧密的MOS 电容器，它的表面由不透光的铝层覆盖，以实现光屏蔽。
由上面讨论可知，MOS 电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外加电压一定，势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小。
利用这一特性，通过控制相邻MOS 电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。
制造时将MOS 电容紧密排列，使相邻的MOS 电容势阱相互“沟通”。
认为相邻MOS 电容两电极之间的间隙足够小（目前工艺可做到0.2μm ），在信号电荷自感生电场的库仑力推动下，就可使信号电荷由浅处流向深处，实现信号电荷转移。
为了保证信号电荷按确定路线转移，通常MOS 电容阵列栅极上所加电压脉冲为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲。
下面我们分别介绍三相和二相CCD 结构及工作原理。
1.三相CCD 传输原理简单的三相CCD 结构如图2所示。
每一级也叫一个像元，有三个相邻电极，每隔两个电极的所有电极（如1、4、7……，2、5、8……，3、6、9……）都接在一起，由3个相位相差1200 的时钟脉冲φ1、φ2、φ3来驱动，故称三相CCD ，图2（a ）为断面图；图（b ）为俯视图；图（d ）给出了三相时钟之间的变化。
在时刻t 1,第一相时钟φ1处于高电压，φ2、φ3处于低压。
这时第一组电极1、4、7……下面形成深势阱，在这些势阱中可以贮存信号电荷形成“电荷包”，如图（c ）所示。
在t 2时刻φ1电压线性减少，φ2为高电压，在第一组电极下的势阱变浅，而第二组（2、5、8……）电极下形成深势阱，信息电荷从第一组电极下面向第二组转移，直到t 3时刻，φ2为高压，φ1、φ3为低压，信息电荷全部转移到第二组电极下面。
重复上述类似过程，信息电荷可从φ2转移到φ3，然后从φ3转移到φ1电极下的势阱中，当三相时钟电压循环一个时钟周期时，电荷包向右转移一级（一个像元），依次类推，信号电荷一直由电极1、2、3……N 向右移，直到输出。
金属氧化物少数载流子耗尽区PSi （a ）电子静电位能 表面势 信号电荷 势阱（b ） 图1 CCD 结构和工作原理图(a)用作少数载流子贮存单元的MOS 电容器剖面图 (b)有信号电荷的势阱，图上用阱底的液体代表2．二相CCD 传输原理CCD 中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的.在三相CCD 中是靠时钟脉冲的时序控制,来形成非对称势阱.但采用不对称的电极结构也可以引进不对称势势阱,从而变成二相驱动的CCD.目前实用CCD 中多采用二相结构.实现二相驱动的方案有:阶梯氧化层电极阶梯氧化层电极结构参见图3。
由图可见,此结构中将一个电极分成二部分,其左边部分电极下的氧化层比右边的厚,则在同一电压下,左边电极下的位阱浅,自动起到了阻挡信号倒流的作用.设置势垒注入区(图4)对于给定的栅压, 位阱深度是掺杂浓度的函数.掺杂浓度高,则位阱浅.采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处，则该处位阱就较浅,任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动。
（a ）结构示意； (b)驱动脉冲图3采用阶梯氧化层电极形成的二相结构 图4采用势垒注入区形成二相结构三．电荷读出方法CCD 的信号电荷读出方法有两种:输出二极管电流法和浮置栅MOS 放大器电压法.图2 三相CCD 传输原理图 (a)(b) t 1t 2t 3(c) (d)t 1 t 2 t 3 t 4图5(a)是在线列阵未端衬底上扩散形成输出二极管,当二极管加反向偏置时,在PN 结区产生耗尽层。
当信号电荷通过输出栅OG 转移到二极管耗尽区时,将作为二极管的少数载流子而形成反向电流输出。
输出电流的大小与信息电荷大小成正比,并通过负载电阻R L 变为信号电压U 0输出.图5(b)是一种浮置栅MOS 放大器读取信息电荷的方法.MOS 放大器实际是一个源极跟随器,其栅极由浮置扩散结收集到的信号电荷控制,所以源极输出随信号电荷变化.为了接收下一个“电荷包”的到来,必须将浮置栅的电压恢复到初始状态,故在MOS 输出管栅极上加一个MOS 复位管。
在复位管栅极上加复位脉冲φR ,使复位管开启,将信号电荷抽走,使浮置扩散结复位.图5(c)为输出级原理电路,由于采用硅栅工艺制作浮置栅输出管,可使栅极等效电容C 很小。
如果电荷包的电荷为Q,A 点等效电容为C,输出电压为U 0，A 点的电位变化△U=－CQ ,因而可以得到比较大的输出信号,起到放大器的作用,称为浮置栅MOS 放大器电压法。
实验仪器简介:一、CCD 多功能实验仪CCD 多功能实验仪外形如图6所示。
它的核心是一块TCD 1206UD CCD 芯片，配以外围电路，以产生使 CCD 正常工作所需的各路驱动脉冲。
仪器内部已连接好，仪器面板的右部是各路脉冲的外接线柱，方便学生对这些脉冲进行测试。
面板上的积分时间设置有1—16档，显示窗显示数字大于16的设置无效。
频率设置为0—3档。
为减少因误操作而引起的CCD 器件损坏，仪器左前方有一个CCD 上电接钮，打开实验仪开关时CCD 上电按钮是不亮的，此时CCD 没有接通电源，可以通过CCD 实验仪上面的接线柱测量CCD 的各路驱动脉冲。
按动CCD 上电按钮使之变亮，则CCD 电源接通，可观测CCD 的输出信号。
实验仪后部有一个DB9数据接口，可将CCD 的输出信号与同步脉冲与其它数据处理设备连接。
（a ）输出二极管电流法 (b)浮置栅MOS 放大器电压法 (c)输出级原理电路图6 CCD 多功能实验仪外形图图7为TCD 1206UD 的结构示意图，它为一双通道二相驱动的线阵CCD 器件，共有2160个光敏元。
奇数光敏元与其中一列移位寄存器相连，偶数光敏元与另一列移位寄存器相连。
移位寄存器的像元数量与光敏光相同，相邻像元中的一个与光敏元相连，并接1φ脉冲，另一个不直接与光敏元连接，接2φ脉冲，如图4所示。
图8为各路脉冲的波形图。
SH 信号加在转移栅上。
当SH 为高电平时，正值φ1为高电平。
移位寄存器中的所有φ1电极下均形成深势阱，同时SH 的高电平使光敏元MOS 电容存储势阱与φ1电极下的深势阱沟通，光敏MOS 电容中的信号电荷包迅速向上下两列移位寄存器中与φ1连接的MOS 电容转移。
SH 为低电平时，光敏元与移位寄存器的连接中断，此时光敏元在外界光照作用下产生与光照对应的电荷，而移位寄存器中的信号电荷在φ1φ2时钟脉冲作用下由右向左转移，在输出端将上下两列信号按原光敏元采集的顺序合为一列后，由输出端输出。
由于结构上的安排，输出电路首先输出13个虚设单元的暗信号，再输出51个暗信号，接着输出2160个有效信号，之后再输出10个暗电流信号，接下去输出两个奇偶检测信号，然后可输出多余的暗电流信号。
由于该器件为双列并行传输的器件，所以在一个光敏元图7 TCD1206UD 结构示意（补偿输出）电源SH 周期中至少要有1117个φ1 脉冲，即T SH ＞1117T 1。
φ2脉冲与φ1脉冲互为反相，即φ1高电平时φ2为低电平，φ1为低电平时φ2为高电平。
φR 为复位信号，对于双通道器件而言，它的周期是φ1φ2的一半，即在一个φ1φ2脉冲周期内有两个φR 脉冲，且φR 的下降沿稍超前φ1φ2的变化前沿。
S P 为像元同步脉冲，φC 为行同步脉冲，用作CCD 与其它信号存储、处理设备连接时作同步信号。
U 0为输出信号。
图8 各路脉冲波形图二、TDS210数字示波器的使用1.数字示波器的面板图如图9（液晶显示屏位于面板的左边未画）2.数字示波器TDS210的特点（1）操作简单对于一般周期性的波形，通过按“自动设置”便可以看到波形。
“自动设置”的作用在于合理地设置触发电平（“释抑电平”）、电压衰减系数（“V/格”）和时基信号（“秒/格”）。
（2）可以测量波形的多种参数可以测量周期、频率、电压平均值、电压峰-峰值、电压均方根值、波形上升时间、波形下降时间、正频宽和负频宽。
（3）具有自动计算功能作为数字式的仪表，它具有计算的功能，能够将结果显示出来，对待测量不需要作进一步的计算，比如测量频率，只需要设置为测量频率，然后从数字示波器的屏幕上读出频率的数字即可。