第讲CCD图像传感器new
CCD图像传感器第1讲
注意：辐射出射度M和辐射照度E公式相同、
单位相同，意义不同，一个是辐射源的发射
特性，一个是被照表面的接收特性。
光谱辐射量
前述辐射量是全波段的辐 射（波长λ从0～∞），或称为全 景辐射。但我们有时关心某个 波长附近的辐射特性。所以要 引入光谱辐射量。(p38，图3-3)
发出的辐射
“照度”是被照表面积上接收到的辐射
光度量
•
单位时间内通过某一面积的光通量(功率)
780 nm
K m
V ( ) d
e
780 nm
单位：lm (流明)
380 nm
•
对于明视觉： 对于暗视觉：
683
V ( ) d
e
380 nm
•
' 1700 V ' ( ) e d
光子辐射量
光谱辐射量是单位波长间隔内的辐射特性，是波长λ 的函数。 光子辐射量是单位时间间隔内传输的光子数，(发送或接收)。引入该量的目 的是研究某些问题时比较方便(例如光子探测器)。
dN p
Q d h
光子数量：NP（无量纲，是纯数字）
Qν是用频率表示的辐射能。hν是一个光子的能量。光子数=总的能量除一个光子 的能量。 又：λν=c，ν=c/λ，即
射”——“光”。
2. 下角标有e、λ、p、ν，辐射量在与其它量同用时标e。
3. 从表达式可直接说出定义及物理意义。 4. 从表达式可直接说出单位。 5. 出射度和照度的表达式相同、单位也相同，注意一个 是发射，一个是接收。
三个发射量的区别和关系
辐射强度I 辐射出射度 M 辐射亮度L 源特点 点源 面源 2π空间 面源 立体角内
CCD图像传感器 ppt课件
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(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
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图中CCD的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在 偏压为10V的(1)电极下面的深势阱中，其他电极 加有大于阈值的较低的电压(例如2V)，如图(a)所 示。一定时刻后，(2)电极由2V变为10V，其余电 极保持不变，如图(b)。因为(1)和(2)电极靠的很 近(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(1)下的电荷变为(1)和(2)两个 电极共有，图(C)示。此后，改变(1)电极上10V电 压为2 V，(2)电极上10V不变，如图(d)示，电荷 将转移到(2)电极下的势阱中。由此实现了深势阱 及电荷包向右转移了一个位置。
输出 4电荷检测
CCD传感器
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CCD结构类型
按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵 和面阵两大类。
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目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如 图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转 移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作 用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就 形成了原来光敏信号电荷的顺序。
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信号电荷的存储（示意图）
UG < Uth 时
+UG
UG > Uth 时
+UG
入射光
e-
e-
e-
e-
e-
+Uth
e- 势阱
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。
第4讲 CCD图像传感器newPPT课件
1.基本结构
CCD基本结构分两部分： （1）MOS（金属—氧化物—半导体）
光敏元阵列； 电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元， 一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。 （2）读出移位寄存器。
传6 感山器西原工理程职及业应技用术学院
CCD结构示意图
二、CCD器件
1、分类
CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不
同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、 行间转移结构CCD。 ❖ 线阵CCD结构 ➢ 线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存 器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控 制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位 寄存器组成。读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出 信息，这一过程是一个串行输出过程。
传19 感山器西原工理程职及业应技用术学院
集散控制系统应用
二、CCD器件
a.线阵型
传20 感山器西原工理程职及业应技用术学院
电荷输出控制波形
集散控制系统应用
二、CCD器件
64位线阵CCD结构
传21 感山器西原工理程职及业应技用术学院
集散控制系统应用
2. 电荷耦合器件的工作原理
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
传8 感山器西原工理程职及业应技用术学院
完成图像传感
集散控制系统应用
CCD基本工作原理
信号电荷的产生 信号电荷的存贮 信号电荷的传输
集散控制系统应用
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
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。
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。
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。
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。
CCD固态图像传感器传感器课件
CCD固态图像传感器的性能直接影响到成像的质量。其分辨率、灵敏度、动态范围等参数决定了图像的清晰度、色彩 准确性和细节表现。
在自动化和机器人领域的应用
随着自动化和机器人技术的快速发展，CCD固态图像传感器在定位、识别、导航等方面发挥着越来越重 要的作用，推动了相关行业的进步。
技术发展与市场需求的相互促进
市场发展
技术创新推动CCD固态图像传感器市 场不断扩大，应用领域从传统的摄影 和摄像领域拓展到医疗、安全监控、 无人驾驶等新兴领域。
新型应用领域的拓展
医疗领域
随着医疗设备的高端化和智能化，CCD固态图像传感器在 医疗领域的应用越来越广泛，如内窥镜、显微镜和医学影 像诊断等。
安全监控领域
CCD固态图像传感器的高分辨率、低噪声和快速响应等特 点使其成为安全监控领域的理想选择，广泛应用于视频监 控、人脸识别和交通监控等领域。
光子能量与电子-空穴对数量关系
光子能量越高，产生的电子-空穴对数量越多，从而在像素中形成更多的电荷。
光电转换效率
不同波长的光线具有不同的光电转换效率，因此CCD传感器对不同颜色的敏感度不同。
信号电荷的产生与转移
01
02
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信号电荷的产生
在光电转换过程中，电子空穴对被半导体材料捕获 并形成信号电荷。
低噪声性能
总结词
CCD固态图像传感器具有低噪声性能，能够降低图像中的随机噪声和干扰，提高 图像的信噪比和稳定性。
详细描述
CCD固态图像传感器采用电荷耦合技术，能够有效地将信号电荷传输到放大器中 ，避免了传统传感器中的热噪声和散粒噪声等问题。此外，其低噪声性能还能够 在高帧频下实现连续稳定的图像采集。
未来挑战
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电荷存储原理动画演示
电荷耦合器件的光电物理效应
➢ 一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素， 把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包； ➢ CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元， 每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱； ➢ 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图 象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的 光生电荷图象。 ➢这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。
三、应用举例
➢ CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、 光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合， 主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。
二、CCD器件
a.线阵型
电荷输出控制波形
二、CCD器件
64位线阵CCD结构
二、CCD器件
二、CCD器件
b.面阵电荷耦合器
b．面型CCD图像传感器 面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部
分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。
图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区 和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水 平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极 管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构 易于引起图像模糊。
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
(1)信号电荷的产生
光电导效应
(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），此时势阱内吸的光子 数与光强度成正比。
二相驱动 输出寄存器
检波二极管
视频输出 垂直转移 寄存器
感光区
二相驱动
光栅报时钟 (c)
图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图(b)中 感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光 的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控 制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期 内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位 寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位 到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单， 但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。
(3)电荷耦合器信号输出
二、CCD器件
1、分类
CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不
同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、 行间转移结构CCD。 ❖ 线阵CCD结构 ➢ 线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存 器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控 制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位 寄存器组成。读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出 信息，这一过程是一个串行输出过程。
二相驱动
视频输出
检波二极管
行
输扫出描 Nhomakorabea寄
发 生 器
存 器
感光区
二相驱动
(a)
P2P1 P3
P1 P2 P3
P1 P2
P3
沟阻
感光区 析像单元
存储区
串行读出 (b)
视频输出 输出栅
图（b）所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光 的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电 极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直 回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存 储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行 的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向 右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开 始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等 优点，但增加了存储器。
目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生产的产 品的单元数也越来越多，最多已达1024×1024像元。我国也能 生产512×320像元的面型CCD图像传感器。
二、CCD器件
➢ 对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同 的。
➢ 不同型号的CCD器件具有完全不同的外型结构和 驱动时序，在实际使用时必须加以注意。
（3）电荷转移原理
❖读出移位寄存器 D电荷耦合器件是以 电荷为信号。 b.读出移位寄存器也是 MOS结构。 c.由三个十分邻近的电极 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。
电荷转移原理动画演示
电荷转移原理动画演示
(4)电荷耦合器信号输出
CCD信号电荷 的输出的方式 主要有电流输 出、电压输出 两种,以电压 输出型为例： 有浮置扩散放 大器（FDA）、 浮置栅放大器 （FGA）
传感器原理及应用
CCD图像传感器
3.2 光电器件-电荷耦合器件
基于CCD光电耦器件的输入 设备：数字摄像机、数字相 机、平板扫描仪、指纹机
一、电荷耦合器件的结构和工作原理 显微镜下的MOS元表面
1.基本结构
CCD基本结构分两部分： （1）MOS（金属—氧化物—半导体）
光敏元阵列； 电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元， 一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。 （2）读出移位寄存器。
➢ 我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索 取相关资料，为CCD器件的应用提供技术支持。
2、特性参数
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。
CCD结构示意图
MOS电容
CCD 是由规则排列的金属—氧化物—半导体 （Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。
Metal Oxide Semiconductor
2. 电荷耦合器件的工作原理
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