CCD图像传感器 PPT资料共44页

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
CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将 入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包 的过程。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。
半导体内延伸。
每个光敏元（像 素）对应有三个相 邻的转移栅电极1、 2、3,所有电极彼 此间离得足够近,以 保证使硅表面的耗 尽区和电荷的势阱 耦合及电荷转移。 所有的1电极相连 并施加时钟脉冲 φ 1,所有的2、3也 是如此,并施加时钟 脉冲φ 2、φ 3。这 三个时钟脉冲在时 序上相互交迭。
1
• 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。
二相驱动
视频输出
检波二极管
行
输
扫
出
描
寄
发 生 器
存 器
感光区
二相驱动
P1 P2 P3
P1 P2 P3
P1 P2
P3串行读出Fra bibliotek(a)(b)
面型CCD图像传感器结构
沟阻 感光区 析像单元
存储区 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。
的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间
亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的
壁厚像。
成像物镜的放大倍率为β，CCD相元尺寸为t，
上壁厚、下壁厚分别为n1、n2 ，外径尺寸的脉冲
数（即像元个数）为N，测量结果有：
d 1 n1t / d 2 n2t / D N t /
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。
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。
转移栅 转移栅
• 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。
传统三原色CCD Sony发布的四色感应CCD-ICX456
新增的这个颜色加强了对自然风景的解色能力， 让绿色这个层次能够创造出更多的变化。
CCD传感器应用
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。
CCD基本工作原理
工作原理
1.信号电荷的产生 2.信号电荷的存贮 3.信号电荷的传输 4.信号电荷的检测
1.信号电荷的产生
CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD可以将 入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光 电效应（也就是光生伏打效应）。
信号电荷的产生（示意图）
入射光
e-
e-
e-
e- e-
• 目前，主流的手机用的都是CMOS传感器，如三星 Galaxy Note 2、iPhone 5、小米2、魅族MX四核 版、诺基亚Lumia 800等。
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
ee-
MOS电容 器
入射光
e- e- e- e-
e-
e-
+Uth
e-
势阱
e-
MOS电容
器
• 在栅极G电压为零时，P型半导体中的空穴(多数载
流子)的分布是均匀的。当施加正偏压UG(此时UG 小于p型半导体的闽值电压Uth)，空穴被排斥，产 生耗尽区。电压继续增加，则耗尽区将进一步向
超级CCD
提高分辨率与单纯增加像素数之间存在着一种 矛盾。富士公司对人类视觉进行了全面研究，研 制出了超级CCD ( Super CCD) 。
传统CCD
超级CCD
超级CCD的性能提升
1.分辨力 独特的45°蜂窝状像素排列，其分辨力比传统
CCD 高60%。
2.感光度、信噪比、动态范围 像敏元光吸收效率的提高使这些指标明显改善
光积分单元
不透光的电荷转移结构 (a)
输出
光积分区 输出
(b)
线型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。
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。
(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
• 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。
d1 d2 D
分别为上壁厚、 下壁厚，外径尺寸。
CCD与CMOS比较
• 图像传感器可以分为两类：
•
1、CCD：电荷耦合器件。CCD的优点是灵敏度
高，噪音小，信噪比大。但是生产工艺复杂、成
本高、功耗高。在网络摄像头产品上，很少采用
CCD图像传感器。
•
2、CMOS ： （ Complementary Metal-Oxide
2
3 t1 t2 t3 t4 t5
三个时钟脉冲的时序
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
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。
线性CCD图像传感器的应用实例
尺寸检测
L 光积分单元（感光单元 ） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 转移栅
输出
不透光的电荷转移机构
实例
• 测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加 工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径 与壁厚的测量为例。
由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像
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。
，在300 万像素时提升达130% 。
3.彩色还原
由于信噪比提高，且采用专门LSI ，彩色还原能力提高50%。
信号处理器
• CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的 工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强 度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作 组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展，大致 的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要 是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于 最底下的电子线路矩阵所组成。
Semiconductor，互补性氧化金属半导体 ）。CMOS