固态图像传感器
什么叫CCD传感器
什么叫CCD传感器
于暗〔无照）电流。
④灵敏度：单位辐射照度产生的输出光电流表示固态图象传感器的灵敏度，它主要与固态图像传感器的像元大小有关。
⑥弥散：饱和曝光量以上的过亮光像会在象素内产生与积蓄起过饱和信号电荷，这时，过饱和电荷便会从一个像素的势阱经过衬底扩散到相邻像素的势阱。
这样，再生图像上不应该呈现某种亮度的地方反而呈现出亮度，这种情况称为弥散现象。
⑥残像：对某像素扫描并读出其信号电荷之后，下一次扫描后读出信号仍受上次遗留信号电荷影响的现象叫残像。
⑦等效噪声曝光量：产生与暗输出（电压）等值时的曝光量称为传感器的等效噪声曝光量。
tips:感谢大家的阅读，本文由我司收集整编。
仅供参阅！。
固态图像传感器的作用及实际应用
文 字 识 别 技 术 等 方 面 。面 型 固 态 图 像 传 感 器 的 发 展 方
向 主 要 用 作 磁 带 录 像 的 小 型 照 相 机 。本 节 主 要 介 绍 线 型 ＣＣＤ 传 感 器 。
１ 概 述
掉 半 导体 衬 底 内 的 多 数 载 流 子 ， 成 “ 阱 ” 运 动 ， 形 势 的
进 而达 到 信 号 电 荷 （ 数 载 流 子 ） 转 移 。如 果 所 转 移 少 的 的 信 号 电荷 是 由 光 像 照 射 产 生 的 ， 则 ＣＣＤ 具 备 图 像 传 感 器 的 功 能 。若 所 转 移 的 电荷 通 过 外 界 注 入 方 式 得
将光强的空间分布转换 为与光强成 比例 的， 大小不等的电荷包空间分 布。然后利用移位寄存器的功能将这些 电荷包 在时钟脉冲控制下实现读取与输出 ， 形成一 系列幅值不等的时序脉冲序列 。 关键词 ：图像传感器；转换；图像；光敏 ； 空间
中 图分 类 号 ： Ｐ２ ２ Ｔ １ ． ９ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编号 ：０４ ｌ６ （０ １０ — ０ ２ ０ １０ 一 １８ ２ １ ）３０ ７— ３
间 分 布 转 换 为 与 光 强 成 比 例 的 、 小 不 等 的 电 荷 包 空 大
ＣＣＤ， ＯＳ线 型传 感器 以及 ＣＣＤ， Ｍ ＭＯＳ面型 传感 器 等。
线 型 固 态 图像 传 感 器 主 要 用 于 测 试 、 真 和 光 学 传
间 分 布 。然 后 利 用 移 位 寄 存 器 的 功 能 将 这 些 电荷 包 在
Ｃ ＣＤ） 是 固 态 图 像 传 感 器 的 敏 感 器 件 ， 与 普 通 的 ， ＭＯＳ、 Ｔ Ｔ Ｌ等 电路 一 样 ， 于 一 种 集 成 电 路 ， ＣＣＤ 属 但 具 有 光 电转 换 、 号 储 存 、 移 （ 输 ） 输 出 、 理 以 信 转 传 、 处 及 电子 快 门等 多 种 独 特 功 能 。 电 荷 耦 合 器 件 ＣＣＤ 的 基 本 原 理 是 在 一 系 列
CMOS图像传感器的基础与应用
1.图像传感器的历史——从真空摄像管到CCD/CMOS图像传感器1.1 图像传感器的诞生在图像传感器出现前，胶片是唯一记录保存图像的工具，而胶片所保存的图像在远距离传输以及后期处理方面存在着难以逾越的障碍。
而图像传感器的目的是将拍摄的图像转化为电信号进行远距离传输、保存以及数字化保存和后期处理。
那么图像传感器又是何时出现在人们生活中的呢？最早登场的是1923年由V.K.兹沃雷金发明的光电摄像管，它是利用在真空中可自由操作电子运动的性质制作的。
如图1.1所示，在真空管中放置的云母板上面涂抹具有光电效应的铯（Cs），光线通过镜头在云母板上成像，此处产生的电荷，经等死放出的电子书进行扫描，取出信号电流。
此后，一个又一个的改良感光度的摄像管被发明，如超正析摄像管（1946年），光导摄像管，硒砷碲摄像管，雪崩倍增靶（HARP）摄像管等，逐渐担任产生电视图像的角色。
从原理可知，摄像管无法做到接通电源后立即工作，且工作电压高，功耗大，因燃烧寿命短等缺点。
在以后的日子里，摄像管会被固态图像传感器取代。
1.2 固态图像传感器（Solid-State Image Sensor）用于晶体管或者IC得Si（硅）等半导体材料，具有将接受的光转换成电的光电变换性质。
如果把单片IC基台的硅基板作为摄影面，并有规则的排列光电二极管（photodiode），然后依次将光电二极管的光电流以某种方式取出，则此基板具有了图像传感器的功能。
最早可以产生图像，以像素平面排列的固态图像传感器，其构造与目前的CCD不同。
例如发表于1966年的光敏晶体管平面排列的图像传感器；1967年发表了将光电二极管以平面矩阵排列，利用扫描脉冲与MOS晶体管，以XY地址方式取出信号的方法。
这种方法虽然实现了实用化，但在与CCD的竞争中失败，成为后来的CMOS传感器的原型。
1.3 CCD图像传感器1969年，CCD（Charge Coupled Device,电荷耦合器件）由美国贝尔实验室的维拉·博伊尔（Willard. S. Boyle）与乔治·史密斯（George. E. Smith）所发明，两位发明者也因此获得了2009年诺贝尔新物理学奖。
CMOS图像传感器的基础与应用
1.图像传感器的历史——从真空摄像管到CCD/CMOS图像传感器1.1 图像传感器的诞生在图像传感器出现前，胶片是唯一记录保存图像的工具，而胶片所保存的图像在远距离传输以及后期处理方面存在着难以逾越的障碍。
而图像传感器的目的是将拍摄的图像转化为电信号进行远距离传输、保存以及数字化保存和后期处理。
那么图像传感器又是何时出现在人们生活中的呢？最早登场的是1923年由V.K.兹沃雷金发明的光电摄像管，它是利用在真空中可自由操作电子运动的性质制作的。
如图1.1所示，在真空管中放置的云母板上面涂抹具有光电效应的铯（Cs），光线通过镜头在云母板上成像，此处产生的电荷，经等死放出的电子书进行扫描，取出信号电流。
此后，一个又一个的改良感光度的摄像管被发明，如超正析摄像管（1946年），光导摄像管，硒砷碲摄像管，雪崩倍增靶（HARP）摄像管等，逐渐担任产生电视图像的角色。
从原理可知，摄像管无法做到接通电源后立即工作，且工作电压高，功耗大，因燃烧寿命短等缺点。
在以后的日子里，摄像管会被固态图像传感器取代。
1.2 固态图像传感器（Solid-State Image Sensor）用于晶体管或者IC得Si（硅）等半导体材料，具有将接受的光转换成电的光电变换性质。
如果把单片IC基台的硅基板作为摄影面，并有规则的排列光电二极管（photodiode），然后依次将光电二极管的光电流以某种方式取出，则此基板具有了图像传感器的功能。
最早可以产生图像，以像素平面排列的固态图像传感器，其构造与目前的CCD不同。
例如发表于1966年的光敏晶体管平面排列的图像传感器；1967年发表了将光电二极管以平面矩阵排列，利用扫描脉冲与MOS晶体管，以XY地址方式取出信号的方法。
这种方法虽然实现了实用化，但在与CCD的竞争中失败，成为后来的CMOS传感器的原型。
1.3 CCD图像传感器1969年，CCD（Charge Coupled Device,电荷耦合器件）由美国贝尔实验室的维拉·博伊尔（Willard. S. Boyle）与乔治·史密斯（George. E. Smith）所发明，两位发明者也因此获得了2009年诺贝尔新物理学奖。
固态传感器的工作原理
固态传感器的工作原理
固态传感器是一种用于检测物理量并将其转换为电信号的设备。
它们在许多应用中被广泛使用，例如汽车行业中的压力传感器和温度传感器，医疗行业中的血糖传感器，以及工业自动化中的位移传感器等。
固态传感器相对于传统的机械传感器更加稳定和可靠，因为它们没有运动部件，所以寿命更长且更容易维护。
基本上可以分为两种类型：电容型和电阻型。
1. 电容型传感器
电容型传感器通过监测物体与传感器之间的电容变化来检测物理量。
当物体接近传感器时，物体会改变传感器的电场分布，从而改变传感器的电容。
传感器将这种变化转换为电信号，进而可以测量物体与传感器之间的距离或其他物理量。
电容型传感器的一个常见应用是接近传感器。
当目标物体接近传感器时，电容会发生较大的变化，传感器可以检测到这种变化并输出信号。
这种原理也被用于触摸屏，当手指接近屏幕时会改变屏幕的电容，从而实现触摸的功能。
2. 电阻型传感器
电阻型传感器通过监测物体与传感器之间的电阻变化来检测物理量。
当物体接近传感器时，电阻会发生变化，传感器可以测量并转换这种变化为电信号。
电阻型传感器的一个常见应用是压力传感器。
当压力施加在传感器上时，传感器的电阻会发生变化，从而可以测量压力的大小。
另一个常见应用是温度传感器，当温度变化时，传感器的电阻也会发生变化，从而可以测量温度。
总的来说，固态传感器的工作原理是通过测量物体与传感器之间的电容或电阻变
化来检测物理量。
这种原理使得固态传感器具有稳定性高、寿命长、精度高等优点，因此在各行各业都得到了广泛的应用。
CMOS图像传感器芯片OV及其应用技术
CMOS图像传感器芯片OV5017及其应用1 CMOS图像传感器的一般特征目前，CCD（电荷耦合器件）是主要的实用化固态图像传感器件，它具有读取噪声低、动态范围大、响应灵敏度高等优点。
但CCD技术难以与主流的CMOS 技术集成于同一芯片之中。
这样，诸如定时产生、驱动放大、自动曝光控制、模数转换及信号处理等支持电路就不能与像素阵列做同一芯片上，以CCD为基础的图像传感器难以实现单片一体化，因而具有体积大、功耗高等缺点。
CMOS图像传感器是近向年发展较快的新型图像传感器，由于采用了相同的CMOS技术，因此可以将像素阵列与外围支持电路集成在同一块芯片上。
实际上，CMOS图像传感器是一个较完成的图像系统（Camera on Chip），通常包括：一个图像传感器核心、单一时钟、所有的时序逻辑、可编程功能和模数转换器。
其基本结构见图1。
与CCD相比，CMOS图像传感器将整个图像系统集成在一块芯片上，具有以下优点：（1）体积小、重量轻、功耗低；（2）编程方便、易于控制；（3）平均成本低。
2 OV5017的性能与特点2.1 OV5017的基本性能OV5017是美国OmniVision公司开发的CMOS黑白图像传感器芯片，该芯片将CMOS光感应核与外围支持电路集成在一起，具有可编程控制与视频模/数混合输出等功能，其输出的视频为黑白图像，与CCIR标准兼容。
OV5017芯片的基本参数为：(1)图像尺寸4.2mm×3.2mm，像素尺寸11μm×11μm。
(2)信噪比SNR>42dB。
(3)帧频50时，最小照度为0.5lux@f1.4；(4)帧频50时，峰值功耗小于100mW。
OV5017输出模拟视频信号，格式为逐行扫描。
OV5017内部嵌入了一个8bit的A/D，因而可以同步输出8位的数字视频流D[7…0]。
在输出数字视频流的同时，还提供像素时钟PCLK、水平参考信号HREF、垂直同步信号VSYNC，便于外部电路读取图像。
传感器：第八章固态传感器
由上式可知： ①只有当光子能量大于物体的表面逸出功时，才产 生光电子。每种物体都对应一个红限频率，当入射 光的频率大于该频率时才会产生光电子。 ②入射光的频谱成分不变时，产生的光电子数量与 光强成正比。 ③光电子逸出物体表面时具有初始动能。 （二）内光电效应
内光电效应分为两类： ①光导效应。在光线作用下电子吸收光子能量从价 带跃迁到导带，引起材料电阻率的变化。称为光导 效应。
(4)频率特性
3BCM锗磁敏三极管响应时间为1μS，截止频
率为500kHz左右。3CCM硅磁敏三极管响应时间为
0.4μS，截止频率为2.5MHz左右。
(5)磁灵敏度
磁敏三极管的磁灵敏度有正向h+和负向h-两种，
定义如下
h
ICB ICO100% ICOB
右图电路，电压磁灵敏度为
U h(E CU S)C
8.2 光敏传感器
一、光电效应
（一）外光电效应 在光作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外
发射的现象称为外光电效应。 光子具有能量，每个光子的能量为
Eh
若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出
功 A 0 时，电子逸出物体表面。要使电子逸出，光子
的能量必须大于物体的逸出功，超过部分的能量转化 尔电压与磁感应
强的的关系，称为UH —B特性。通常UH —B 关系不 完全是线性关系。参见
下图。
（六）误差分析及其补偿方法
1. 元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响 在前面公式推导中，
假设霍尔片的长度L为无 限长。实际上霍尔片具有
一定的长宽比 L/ b 。实 际上，霍尔电压与 L/ b
U H K H IH B K H 0 ( 1 t)IH B
图像传感器
CMOS图像传感器属于新兴产品市场，其市场占有率变化不如成熟产业那般恒常不变，例如在1999年时，CMOS 市场中，按照出货比例排名依序为Agilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市场占有率分别为24%、22%、14% 和14%，其中STM是欧洲厂商，Hyundai是韩国厂商；但只经过一年后的市场竞争，Agilent和OmniVision出货排 名顺序仍然分居一、二，且市场占有率分别提升到37.7%和30.8%，而STM落居第四，市场占有率大幅滑落至4.8%， 至于Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市场占有率，值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成长，全球市场占 有率快速成长至13.7%，排名全球第三。这三家厂商出货量就占全球出货量的82.2%。从中可以分析，这个产业的 厂商集中度相当密集，所以观察上述三家厂商的动态和发展，可看出许产业和技术未来发展方向。
2014年初，美国Foveon公司公开展示了其最新发展的Foveon X3技术，立即引起业界的高度。Foveon X3是 全球第一款可以在一个像素上捕捉全部色彩的图像传感器阵列。传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感 应色彩信息，需要通过滤色镜来感应色彩信息，我们称之为Bayer滤镜。而Foveon X3在一个像素上通过不同的深 度来感应色彩，最表面一层感应蓝色、第二层可以感应绿色，第三层感应红色。它是根据硅对不同波长光线的吸 收效应来达到一个像素感应全部色彩信息，已经有了使用这种技术的CMOS图像传感器，其应用产品是“Sigma SD9”数码相机。
解析图像传感器的功能
解析图像传感器的功能固态图像传感器（Solid-state image sensor）也称之为成像器（Imager)，是一种将通过成像透镜形成的光学图像转换为电子信号的半导体器件。
通过调整它的结构与材料，图像传感器的感光范围很广，可从X射线到红外波长区域。
而人眼可见的光谱范围只有380nm-780nm，对应的是可见光传感器。
1. 光电转换若一定通量的光子以高于半导体带隙能量Eg的能量进入半导体，即在厚度为dx的区域中所吸收的光子数量与光子通量Φ(x)的数值成正比，这里x表示距离半导体表面的距离。
可见光图像传感器的材料多是硅，硅的带隙能量为1.1eV，所以波长短于1100nm的光会被吸收，并且发生光子到信号电荷的转换，而硅对波长超过1100nm的光本质上是透明的。
光子通量吸收的连续性方程如下：这里α是吸收系数，与波长相关。
边界条件为代入得可以看出，光子通量随着与表面距离的增大呈现指数衰减。
吸收的光子在半导体中产生电子-空穴对，其密度分布服从上式。
图1显示了硅的吸收系数与波长的关系。
图1：硅的吸收系数与波长的关系图2显示了光通量的吸收过程。
横坐标为穿透深度，即1/α，代表光通量衰减到1/e时的深度。
如图2所示，蓝光（450nm）的穿透深度仅为0.42um，而红光（600nm）的穿透深度已经增大为2.44um 了。
图2：光通量的吸收过程2.电荷收集与积累图3为一个反向偏置的光电二极管用作电荷收集器件的原理。
图3：反向偏置光电二极管图3中，p型区域接地，而n+区域首先被复位到一个正电压V R。
之后二极管保持反偏条件并进入浮空状态。
由于内建电场的作用，被光子激发出的电子倾向于在n+区域聚集，从而此区域的电势减小；同时，空穴流入地端。
在这种情况下，电子就是信号电荷。
数码相机领域的所有的CCD和CMOS图像传感器都工作在这种电荷积分模式下，这种模式由G.Weckler在1967年首次提出。
图4为一个反向偏置的MOS二极管用作电荷收集器件的原理。
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图像传感器简介及应用
二、CCD的工作原理
金属电极加上适当的电 压时，在较短的时间内， 半导体表面就会出现深 耗尽层 。 半导体表面的自由电荷 可以在金属电极所加电 压的作用下，从一个电 极下面向另一个电极下 面转移。
金属电极
绝缘层
P型衬底
二、CCD的工作原理
1、光照 2、光生载流子
金属电极
绝缘层
3、电荷收集
六、CCD与CMOS图像传感器
七、结束语
目前已有报道的像元大小仅为0.5μm，进入了 亚微米时代。CCD将围绕着高分辨率、高读 出速度、低成本、微型化、结构优化、多光谱 应用、3D照相等方面进一步发展。目前， CMOS发展迅速，但随着CCD在功耗、成本 方面的持续改善，在未来几年中，其仍将是 CMOS图像传感器有力的竞争对手，两者的技 术也将进一步相互借鉴，共同前进。
六、CCD与CMOS图像传感器
近几年，数码相机和微型摄像机的发展过程中， CCD和CMOS图像传感器相互竞争。特别是 在民用领域，CMOS图像传感器与CCD之间 竞争相当激烈。
六、CCD与CMOS图像传感器
CMOS固体摄像器件与90%的半导体器件都采 用相同标准的芯片制造技术，而CCD则需要 一种特殊的制造工艺，故CCD的制造成本高 很多 。 随着CMOS图像传感器技术的进一步研究和发 展，过去仅在CCD上采用的技术正在被应用 到CMOS图像传感器上。
三、CCD图像传感器的分类
2、面阵CCD型 面阵CCD主要用于实时摄像
三、CCD图像传感器直转移 寄存器
感光区
二相驱动
光栅报时钟
四、CCD图像传感器需解决的问题
1、分辨率的提高 ① 减小像元 自1987年以来，CCD图像传感器的像素 面积以每年20%的速度缩小，目前像素面积已 经 小于1μm×1μm。 ② 增大CCD成像面积 市场上的相机尺寸最大的CCD有1/1.8英寸。
光电子技术
工业用内窥镜
另一种结构形式如下图所示。内部结构的图像通过传 像束送到CCD器件上，可以把光的图像信息转换成电信号送 入微机进行相应的处理，微机的输出可以通过伺服装置， 实现跟踪、控制等。
科学级CCD相机头
线阵CCD器件检测工件尺寸
L ( Nd 2d )M
2d为图象末端两个光敏单 元之间可能的最大误差。 根据目前产品情况 d＝0.013～0.03mm。
L——工件尺寸，
N——覆盖的光敏单元
d——相邻光敏单元中心距离 M——光学系统放大率
文字图像识别系统
邮政编码识别系统：写有邮政编码的信封放在 传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的 运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到 光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描 的方式把数字依次读出。 读出的数字经二值化等处理，与计算机中 存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由 数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相 应分类箱中。
单沟道CCD结构
面阵电荷耦合器 （二维）： 光敏元件排列成 二维矩阵形式， 主要用于摄像机 及测量技术
CCD传感器的应用
CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技 术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCD被广 泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦 等方面。 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。
电荷的积分
在Φ 1 高电位控制下的栅极形成深势阱，此时Φ 2 和 Φ 3 保持低电位，在持续时间内，积累的电荷与对应 的光照成正比，持续时间即为曝光（积分）时间。
2
3
1 t1 t2 t3 t4 t5 积分时间 电荷转移
电荷耦合器件(CCD)
7.6 电荷耦合器件 CCD
固态图像传感器（Solid state imaging sensor）是 指在同一半导体衬底上生成若干个光敏单元与位移寄 存器构成一体的集成光电器件，其功能是把按空间分 布的光强信息转换成按时序串行输出的电信号。CCD 是其中应用最广泛的一种。 CCD(Charge Couple Device)是1970年贝尔实验室 的W· Boyle和G· Smith发明的，它与光敏二极管 S· E· 阵列集成为一体，构成具有自扫描功能的CCD图象传 感器。它不仅作为高质量固体化的摄象器件成功地应 用于广播电视、可视电话和无线电传真，而且在生产 过程自动检测和控制等领域已显示出广阔的前景和巨 大的潜力。
1. CCD的工作原理
CCD是一种半导体器件，在N型或P型硅衬底上生 长一层很薄的SiO2 ，再在SiO2 薄层上依次序沉积 金属电极，这种规则排列的MOS电容阵列再加上 两 端 的 输 入 及 输 出 二 极 管 就构 成 了 CCD芯 片 。 CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉 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的强弱，输出脉冲的顺序可 以反映光敏元的位置，这就起到图象传感器的作 用。
CCD固体图像传感器的应用
CCD固体图像传感器的应用主要在以下几方面： · 计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺 陷的非接触在线检测、距离测定等。 · 光学信息处理：光学文字识别、标记识别、图形识别、 传真、摄像等。 · 生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、自动 搬运机、监视装置等。 · 军事应用：导航、跟踪、侦查(带摄像机的无人驾驶飞 机、卫星侦查)。
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
03
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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当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子 产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流 子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集 在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的 光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。 光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。
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）。浮置栅放大器（FGA）应用 最广。
18
D的特性参数
19
20
D的特性参数
21
D的特性参数
22
23
第13章
固态图像传感器
CCD固态图像传感器 线阵CCD型 面阵CCD型
P1 P2 P3 P1 P3 P1 P2 P3 t=t0 P1 P2 P2 P3 t=t1 P1
P1
P2 P2
P3 P3
P1
P2 P3 t=t2
P1 P2
P3 t=t3
（4）光信号的注入
CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入 两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传 来的光信号，即采用光注入CCD。
电荷转移的控制方法，非常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 控制电荷定转移的过程。见图
三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极 P1,P2,P3,依次 在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。 CCD 电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图 (b) 采 用电注入方式。
第13章
固态图像传感器
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、 分辨率等。
D的特性参数
CCD 的基本功能 —— 电荷存储和 电荷转移。 CCD工作过程——信号电荷的 产生、存储、传输和检测的过程。
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D工作原理
(1)MOS的结构 一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底 制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续 的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金 属化电极（栅极）。
CCD基本结构分两部分： 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。 读出移位寄存器。
CCD结构示意图
电荷耦合器件（ CCD ）特点 ——
以电荷作为信号。
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(2)电荷存储原理： 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。
P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t0 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P2 P3 t=t2 Ф
Ф1 Ф2
Ф3 0 t0 t1 t2 t3 (b) t=t3 t
P1
P1 P2
P3
当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）； 当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合， 原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）； 当 P1 回 到 低 电 位 时 ， 电 荷 包 全 部 流 入 P2 下 的 势 阱 中 （t=t2）。 然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从 P2下转到 P3 下的势阱（ t=t3），以此控制，使 P1下的电荷转移到 P3下。 随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到 最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器 处理，便实现电荷移动。
D工作原理 分辨率（MOS元多少）不同的图象比较
265×180
66×45
133×90
33×22
D工作原理
(3)电荷转移原理（读出移位寄存器） 光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，CCD电荷 耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、 半导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体 底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； 在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲Φ1Φ2Φ3。
固态图像传感器
图像传感器：利用光电器件的光－电转换功能， 将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关 系的电信号“图像”的一种功能器件， 固态图像传感器：在同一半导体衬底上布设的若 干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能化 的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像 点”。 特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC7～12V）、 功耗小。 该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型 化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农 业、军用等各个领域。
固态图像传感器由光敏元件阵列和电荷转 移器件集合而成。
敏感元件主要有三大类：
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）
显微镜下的MOS元表面
一个MOS光敏元结构
D工作原理 (2)电荷存储原理：
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 电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基 本原理。