第五章 电荷耦合器件(CCD)..
ccd电路原理
ccd电路原理
CCD电路原理
CCD（Charged Coupled Device，电荷耦合器件）电路是一种
用于光电信号转换和图像采集的器件。
它由一系列电荷转移阱（Charge Transfer Gates，CTG）和电荷存储阱（Charge Storage Gates，CSG）组成。
CCD通过在每个光敏元件上引入
一个由特殊材料制成的电容结构来实现光电转换。
通常情况下，CCD摄像头包含三个主要的区域：感光区、传
输区和输出区。
感光区由一系列光感受器件组成，每个光感受器件都能够将光能转换为电荷信号。
传输区由电荷传输阱组成，它们用于将感光区中的电荷信号传输到输出区。
而输出区则包含一系列的输出电极，将传输区传来的电荷信号转换为电压信号。
在工作过程中，首先，感光区的每个光感受器件接收到光能，将其转化为电荷信号，并存储在各自的电容结构中。
接着，通过逐行方式进行电荷传输，将每个感光器件中的电荷信号依次传输到传输区中。
传输区的电荷传输阱则负责将电荷信号传输给输出区。
最后，输出区的输出电极将传输区传来的电荷信号转换为电压信号，供给外部电路进行处理。
总的来说，CCD电路原理是通过光感受器件将光能转换为电
荷信号，再通过电荷传输阱将电荷信号传输至输出区，并最终由输出电极将电荷信号转换为电压信号。
这种原理使得CCD
电路广泛应用于数字相机、摄像机、扫描仪等光学图像采集设备中。
电荷耦合器件(CCD)位置传感器
中所示 的 无损部分 放 电技术
、
路 中 出 现 的 高 压看 作是 绝缘 失效
, ,
此 时 适用 于
能 给测 试工 程 师 提供 一 种安 全 来评 价 绝缘 性能
。
可 重 复 的 方法
低 电 压装 置 的电火 花检 测器 ( E S D ) 电压 将 击 穿 有缺 陷 的 绝缘 体 噪声
。
破 坏元 件
“
并使 旁路 感应
部 分放 电或 电晕放 电常 常发生 在绝缘 系统 的边缘 或 出现 在另外 同质 绝缘 材料 的空 隙处
。
虽 然采 用 从
” 强 的 或非 限 流电源 产生
o e e r
i n g”
19 87,
2 3
无 损绝 缘 测 试
Wa 由 隐 藏 的缺 陷 造成 的 绝 缘 击穿 能 损坏元 件
lt
e r
G il l i
s
的高 电压 绝 缘体
,
,
能 以 剧 烈 的 毁坏 方式 找到 有缺陷 的
1
和 昂 贵的 设 备
。
一 般大 多数 测 试工 程或 师把 电
,
然而图
,
因此 图
。
2
中
,
,
在 阴影 有
效 移动 之前 延时 是有 可能 的
动 所 引起 的
。
曲线 顶端 的 跳 动
正 常机 械颤
,
是 由于 装 置移 动到 其极限 位置 时
图
1 CC D
位置 传感 器 的 简 图
通 过一 个 用 户 的 受控时 钟 电 路
。
可 以 改 变采 样频 率 在 积分 周 期 ( 相 当于行 扫 描采 样时 间 ) 之 后
ccd是什么
ccd是什么CCD 是电荷耦合器件（Charge-Coupled Device）的缩写。
它是一种使用在图像传感器和高速数据转移领域的技术。
CCD 在图像传感器和摄像机中广泛应用，因为它的可靠性和高质量图像输出。
本文将介绍 CCD 的原理、应用和发展趋势。
一、CCD 的原理CCD 是一种半导体器件，其工作原理基于电荷的轨迹和传输。
CCD 由一系列的电荷传输节点和电极组成。
当光子进入 CCD 的光敏区域时，它会产生电荷。
电荷被控制电极和传输电极捕捉，然后通过电荷耦合和转移来传输到读取电极。
最后，电荷被转换成电压信号并传输到 AD 转换器进行数字化。
CCD 的核心是光敏区域，也称为像素阵列。
每个像素都是一个光敏元件，可以将入射的光子转化为电荷。
这个过程称为光电转换。
光子的能量越高，产生的电荷就越多。
因此，在 CCD 中，每个像素的电荷量可以表示光的强度。
二、CCD 的应用1. 数码相机：CCD 是数码相机中最常用的图像传感器。
它能够捕捉高质量、高分辨率的图像，并提供良好的色彩还原能力。
由于 CCD 能够对光的强度进行准确测量，因此它在摄影领域得到广泛应用。
2. 星空观测：CCD 能够捕捉微弱的星光信号，并转化为可见的图像。
这使得天文学家能够观测到远离地球的星体，研究星体的性质和演化过程。
3. 医学影像：CCD 在医学影像领域发挥着重要作用。
例如，CCD可以用于光学显微镜和内窥镜等设备，捕捉并放大被观察组织的图像。
这对于医生进行疾病诊断和治疗决策至关重要。
4. 太阳能电池板：在太阳能电池板中，CCD 被用作表面缺陷检测工具。
它可以检测表面缺陷，提高太阳能电池板的效率和耐久性。
5. 科学研究：CCD 在科学研究中发挥重要作用。
例如，在光学显微镜和电子显微镜中，CCD 能够捕捉微小的结构和颗粒，并提供高分辨率的图像。
三、CCD 的发展趋势1. 提高分辨率：随着科技的不断进步，对于图像质量的要求也越来越高。
未来的 CCD 将会追求更高的分辨率，以捕捉更多细节和精确的图像。
电荷耦合器件图像传感器CCD原理与应用
电荷耦合器件图像传感器CCD原理与应用摘要：电荷耦合器件图像传感器ccd（charge coupled device），是由一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，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，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。
本文通过对ccd的简介、工作原理和应用的阐述，一起对其做进一步说明。
关键词：ccd原理应用功能特性电荷耦合器件(ccd)是一种新型的固体成像器件，是近代光学成像领域中非常重要的一种高新技术产品。
作为一种新型图象传感器，ccd器件具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作简便、易于维护、成本低、应用广等诸多优点。
由于ccd的像元尺寸小、几何精度高，配置适当的光学系统，即可获得很高的空间分辨率，特别适用于各种精密图象传感和无接触工件尺寸的在线检测。
由于ccd是以时间积分方式工作的，光积分时间可在很宽的范围内调节，因此使用方便灵活，适应性强，ccd的输出信号易于数字化处理，易于与计算机连接组成实时自动测量控制系统，可以广泛用于光谱测量及光谱分析，文字与图象识别，光电图象处理，传真、复印、条形码识别及空间遥感等众多领域。
1、ccd简介1.1ccd发展史ccd在1969年由美国贝尔实验室（bell labs）的维拉博伊尔(willard s. boyle)和乔治史密斯（george e. smith）所发明的。
当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。
将这两种新技术结合起来后，博伊尔和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（charge “bubble” devices）。
这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。
但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。
电荷耦合器件CCD
填空
电荷耦合器件 (CCD) 的发明者 George Elwood Smith
George Elwood Smith
喬治 史密斯 1930年5月10日
簡介:
1930年出生于美國白原市（White Plains） 美國國籍。 1959年從芝加哥大學獲得物理學博士學位。 因CCD获2009年度诺贝尔物理学奖，70万美 金的奖金。
电荷耦合器件(CCD)的发明者
Willard Sterling Boyle
Willard.S Boyle
威拉德．博伊爾 1924年8月19日出生
簡介:
1924年出生於加拿大Amherst 擁有加拿大和美國國籍。 1950年從加拿大麥吉爾大學獲得物理學博士 學位 因CCD获2009年度诺贝尔物理学奖，70万美金 的奖金。
填空
CCD的基本光敏元(电荷存储)
我们先来了解CCD的光敏元。
①P型半导体多数 载流子为空穴②加 正电压，电子做信 号③P 型沟道CCD
它的基础是金属—氧化物—硅MOS电容器
Metal Oxide Semicon结构
填空
把势阱想成一个桶
返回
CCD的基本光敏元(电荷存储)
CCD 也 存 在 二 相 的电荷转移方式， 在这种方式中设计 了不对称的电极结 构，可以保证电荷 转移的定向性。
电荷耦合器件(CCD)
电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，其 主要功能是将其表面接收到的光强信号转变为电信号。 目前的数码相机、摄像机、扫描仪、广播电视、可 视电话和无线电传真中大多采用CCD作为图像采集器 件，是这些电子产品的核心。 CCD的成像基本单位被叫做像素，当它用于图像采 集时，通常与光学镜头配合使用，由光学镜头将图像 投影到CCD表面，再由CCD将图像转化为数字信号； 当它应用在生产过程自动检测和控制等领域时，可以 直接应用而不配套镜头。 它是1970年贝尔实验室的W· S· Boyle和G· E· Smith发 明的。
第五章 电荷耦合器件(CCD)..
1．线阵CCD图像传感器
线阵CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的 构成一个主体，在它们之间设有一个转移控制栅 ，这种结构叫做 单沟道线阵CCD。
目前，实用的线阵CCD图像传感器为双行结构，叫做双沟道线 阵CCD。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，然后在输出端交替合并输出，得到最终的信号。
Willard Sterling Boyle
▪ Willard.S Boyle
▪ 威拉德．博伊爾 ▪ 1924年8月19日出生 ▪ 簡介:
▪ 1924年出生於加拿大Amherst ▪ 擁有加拿大和美國國籍。 ▪ 1950年從加拿大麥吉爾大學獲得物理學博士
學位 ▪ 因CCD获2009年度诺贝尔物理学奖，70万美金
在电流输出中，输出端是一个反向偏置的二极管，而这次， 输出端是一个三极管。在RG不导通的情况下，信号电荷与T2 三极管的基极中的多数载流子复合，产生基极电流。T2将基 极电流放大，从集电极发出，形成电流信号输出。电阻R是 调整信号强弱的分流电阻。
当RG，也就是复位信 号加上高电平以后，T1 三极管基极和发射级正 向偏置，这样残余的信 号电荷被快速抽出，因 此T1为复位三极管。
CCD的势阱
▪ 光敏元之中的势阱深度与两方面的因素有关：栅极电压和 反型层电荷量。
▪ 栅极电压越大势阱越深。 ▪ 反型层电荷越多，势阱越浅。(可以认为是反型层电荷抵
消了一部分栅极电压)
半导体也可采用N型半导体，如下图所示。①载流N型子半为导电体子多数 ②加负电压 ③N型沟道CCD
。 很薄约1200A
这就造成一个问题，就是信号转移过程中，感光单元被占用了 ，这段时间就浪费了。要想连续拍两幅图像必须等第一幅图像输 出以后才可以拍第二幅。
CCD工作原理
CCD工作原理CCD（Charge-Coupled Device）是一种用于图像传感和信号转换的电子器件。
它是一种集成电路，由大量的光敏元件和电荷传输结构组成。
CCD工作原理基于光电效应和电荷耦合效应，实现了图像的捕捉、传输和转换。
1. 光电效应：CCD的光敏元件是由半导体材料制成的，通常是硅。
当光线照射到CCD上时，光子会激发半导体材料中的电子，使其跃迁到导带中，产生电荷。
这个过程称为光电效应，是CCD工作的基础。
2. 电荷耦合效应：CCD的电荷传输结构由一系列电荷耦合器件组成，如电荷耦合二极管（CCD）和电荷耦合放大器（CCA）。
光电效应产生的电荷通过电荷耦合器件传输，形成电荷包（charge packet）。
3. 图像捕捉：当光线照射到CCD上时，光子会激发光敏元件中的电子，产生电荷。
这些电荷被电荷耦合器件收集，并形成电荷包。
电荷包的大小与光的强度成正比，因此可以通过测量电荷包的大小来确定光的强度。
4. 信号传输：电荷包通过电荷耦合结构传输到CCD的输出端。
在传输过程中，电荷包会逐个经过一系列的电荷耦合器件，被逐个转移到下一个电荷耦合器件中。
这种逐个传输的方式称为串行传输，可以保持电荷包的空间分布不变。
5. 信号转换：当电荷包到达CCD的输出端时，它们会被电荷耦合放大器读取，并转换成电压信号。
电荷包的大小决定了输出的电压信号的强弱。
通过将电压信号放大和处理，最终可以得到完整的图像信号。
总结：CCD工作原理基于光电效应和电荷耦合效应，通过光敏元件将光线转化为电荷，再通过电荷耦合器件将电荷传输，最终转换为电压信号。
这种工作原理使得CCD成为一种常用的图像传感器，广泛应用于数码相机、摄像机、扫描仪等设备中。
电荷耦合器件(CCD)介绍和工作原理
Willard.S Boyle
威拉德．博伊爾 1924年8月19日出生 簡介:
1924年出生於加拿大Amherst 擁有加拿大和美國國籍。 1Βιβλιοθήκη 50年從加拿大麥吉爾大學獲得物理學博士
學位 因CCD获2009年度诺贝尔物理学奖，70万美金
接地
CCD的单元结构
CCD的信号转移
CCD图象传感器实际上是由由光敏元件阵列和电荷转 移器件集合而成，光敏元件也参与电荷转移。一般来说每 个光敏元有三个相邻的转移电极1、2、3，所有电极彼此离 得足够近，以使硅表面的耗尽区和电荷的势阱交叠，能够 耦合及电荷转移。
输入二极输管入栅Ф1 Ф2
Ф3
输出栅 输出二极管
金的奖金。
填空
CCD简介
CCD 供应商
Dalsa e2v technologies Fairchild Imaging Hamamatsu Photonics
Characteristics and use of FFT-CCD Kodak Panasonic Sony Texas Instruments Toshiba
CCD的成像基本单位被叫做像素，当它用于图像采 集时，通常与光学镜头配合使用，由光学镜头将图像 投影到CCD表面，再由CCD将图像转化为数字信号；
当它应用在生产过程自动检测和控制等领域时，可以 直接应用而不配套镜头。
它是1970年贝尔实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith发 明的。
电荷耦合器件(CCD)的发明者
电荷耦合器件(CCD)介绍和工作原理
Charge Coupled Device)
名词解释
电荷耦合器件CCD工作原理
电荷耦合器件CCD⼯作原理什么是电荷耦合器件？电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD），⼜称图像传感器，是⼀种⼤规模集成电路光学器件，是在MOC集成电路技术基础上发展起来的新型半导体传感器。
电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，⽽不同于其他⼤多数器件是以电流或者电压为信号。
所以CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。
它存储由光或电激励产⽣的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。
CCD⼯作过程的主要问题是信号电荷的产⽣，存储，传输，和检测。
CCD的⼯作原理：CCD的尺⼨是说感光器件的⾯积⼤⼩，这⾥就包括了CCD和CMOS.感光器件的⾯积⼤⼩，CCD/CMOS⾯积越⼤，捕获的光⼦越多，感光性能越好，信噪⽐越低。
CCD/CMOS是数码相机⽤来感光成像的部件，相当于光学传统相机中的胶卷。
CCD上感光组件的表⾯具有储存电荷的能⼒，并以矩阵的⽅式排列。
当其表⾯感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产⽣的信号，就构成了⼀个完整的画⾯。
现在市⾯上的消费级数码相机主要有2/3英⼨、1/1.8英⼨、1/2.7英⼨、1/3.2英⼨四种。
CCD/CMOS尺⼨越⼤，感光⾯积越⼤，成像效果越好。
1/1.8英⼨的300万像素相机效果通常好于1/2.7英⼨的400万像素相机(后者的感光⾯积只有前者的55%)。
⽽相同尺⼨的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光⾯积缩⼩，有曝光不⾜的可能。
但如果在增加CCD/CMOS像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在⾄少维持单个像素⾯积不减⼩的基础上增⼤CCD/CMOS的总⾯积。
⽬前更⼤尺⼨CCD/CMOS加⼯制造⽐较困难，成本也⾮常⾼。
因此，CCD/CMOS尺⼨较⼤的数码相机，价格也较⾼。
感光器件的⼤⼩直接影响数码相机的体积重量。
超薄、超轻的数码相机⼀般CCD/CMOS尺⼨也⼩，⽽越专业的数码相机，CCD/CMOS尺⼨也越⼤。
ccd的工作原理及应用
ccd的工作原理及应用1. CCD是什么？CCD，即电荷耦合器件（Charge-Coupled Device），是一种光电转换器件，广泛应用于图像传感、光学测量和光谱分析等领域。
它由多个光敏二极管组成，能够将光信号转换成电信号，并可通过逐行读取的方式将图像信息传输到计算机或其他设备上。
2. CCD的工作原理CCD的工作原理可以分为光电转换和信号传输两个部分。
2.1 光电转换CCD的光电转换是通过光敏元件实现的，光敏元件包括感光区域和电荷传输区域。
当感光区域受到光照时，光子激活感光元件并生成电荷。
每个感光元件负责转换一个像素点的光信号。
2.2 信号传输CCD的信号传输是通过电荷耦合的方式完成的。
电荷在感光元件之间通过电荷传输位移的方式进行传输。
当光信号转换成电荷后，电荷逐行传输到输出端。
3. CCD的应用CCD具有灵敏度高、信噪比好、动态范围宽等优点，因此在许多领域得到广泛的应用。
3.1 数字摄像机CCD是数字摄像机中的核心部件，用于将光信号转换成电信号。
它能够捕捉细节丰富的图像，拥有较高的分辨率和色彩还原能力，广泛应用于数码相机、摄像机和手机等设备。
3.2 天文观测CCD在天文观测中发挥着重要的作用，能够感受到微弱的天体光信号，并将其转换成电信号。
天文学家利用CCD可以捕捉到遥远星系、行星、恒星等天体的图像，研究宇宙的演化和结构。
3.3 生物医学影像CCD在生物医学影像中也有广泛的应用。
例如在X射线成像、核磁共振成像和超声成像等方面，CCD可以将医学图像转换成数字信号，并进行后续的处理和分析，为医生提供准确的诊断结果。
3.4 光谱分析CCD在光谱分析领域也有重要的应用。
通过将不同波长的光信号转换成电信号，并通过CCD的逐行读取功能，可以获取光谱图像。
这对于材料分析、化学反应研究等领域具有重要意义。
3.5 星座相机星座相机是一种利用CCD进行星图测量和天文学研究的设备。
它使用高精度的CCD传感器，能够实时测量星体的位置和亮度，帮助天文学家研究星系结构、测定恒星距离和运动等。
ccd测量原理
ccd测量原理
CCD（电荷耦合器件）是一种光电转换装置，基于光电效应原理，通过测量入射光对CCD芯片上的光敏区域产生的电荷进行光强度的测量。
CCD测量原理可以简单描述为以下几个步骤：
1. 光入射：被测量的物体或场景中的光线通过透镜或其他光学系统进入CCD芯片上的光敏区域。
2. 光电转换：当光线照射到光敏区域时，光子会激发CCD芯片中的光敏元件，产生电子-空穴对。
光敏元件通常由掺杂的硅材料制成，掺入杂质会形成PN结，使光敏元件变成半导体器件。
3. 电荷积累：光敏元件中的自由电子会受到正电荷的吸引并被积累。
光线的强度越强，产生的电荷积累就越多。
4. 电荷传输：通过外部电压的作用，电荷在CCD芯片中被传输到特定的像元（pixel）上，并存储为电荷信号。
5. 电荷读出：通过逐行读出或其他方式，将各个像元中的电荷信号转化为电压信号，然后根据电压信号的大小来测量光的强度。
CCD测量原理的关键在于通过电荷的积累和传输来实现光信号的转换和测量。
由于CCD芯片中有大量的像元，可以同时
测量多个光信号，因此CCD具有高灵敏度、高分辨率等优点，被广泛应用于光学成像、光谱分析、数字摄影等领域。
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器件简介
CCD器件简介前言CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合器件。
CCD 是一种半导体器件，它利用光电转换原理把图像信息直接转换成电信号,这样便实现了非电量的电测量。
同时它还具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、工作速度快、测量精度高、寿命长等诸多优点,因此受到人们的高度重视,在精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空遥感等领域中,发挥着重要的作用[1]。
CCD的发展历程CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·博伊尔(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯（George E. Smith）所发明的。
当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。
将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”。
这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。
但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。
到了70年代，贝尔实验室的研究员已引能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。
有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。
其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。
自二十世纪80年代开始，摄影技术出现了革命性的突破， CCD得到广泛应用。
目前，CCD技术已发展成一项具有广泛应用前景的新技术，成为现代光电子与测试技术中最受关注的研究热点之一。
例如，在国防军事领域，CCD成像技术在微光、夜视、遥感应用中发挥着巨大的作用，适应了现代高技术战争的需求，成为军事微电子学的研究热门；在科研领域，由于其灵敏度高、噪声低，成为研究宏观（如天体）和微观（如生物细胞）现象不可缺少的工具；CCD具有成本低、小而轻的特点，在图像通信领域也获得了广泛的用途；在工程测量领域，CCD在工件尺寸测量、工件表面质量检测、物体热膨胀系数测量、光强分布测量等方面都有很好的应用。
电荷耦合器件
7.3 固体摄像器件7.3.1 电荷耦合器件1.电荷耦合器件的结构与工作原理电荷耦合器件 以电荷作为信号载体的半导体光电器件，简称CCD 。
CCD 的分类：• 表面沟道电荷耦合器件（SCCD ）——信号电荷存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输。
• 体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD ）——信号电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内部沿一定方向传输。
CCD 的基本单元：一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器（简称MOS 结构）。
CCD 线阵：由多个像素（一个MOS 单元称为一个像素）组成。
图7-25 CCD 的单元与线阵结构示意图MOS 电容器的电学特性：• 栅极未加电压时——P 型Si 内的多数载流子（空穴）均匀分布。
• 栅极施加正电压U G 后——在半导体上表面附近形成一层多子的耗尽区（势阱）。
• 电压UG 超过阈值电压Uth 时——形成反型层（沟道）。
图7-26 CCD 栅极电压U G 的变化对P 型Si 耗尽区的影响电荷包的存储：CCD 单元能够存储电荷包、其存储能力可通过调节U G 而加以控制。
图7-27 注入电荷包时，势阱深度随之变化的示意图每个金属栅极下的势阱中能够存储的最大（信息）电荷量为：d G ox A U C Q ⋅⋅= （7-8）CCD 中电荷包的转移：将电荷包从一个（因存储了这些电荷而变浅的）势阱转入相邻的深势阱。
三相CCD 中电荷包的转移过程：• 开始时刻电荷包存储在栅极电压为10 V 的第1个栅极下的深势阱里，其他栅极上加有大于阈值的低电压（2 V ）；• 经时间t 1后，第1个栅极电压仍保持为10 V ，而第2个栅极的电压由2 V →10 V ； • 栅极靠得很近的两个势阱发生耦合，使原来在第1个势阱中的电荷包被耦合势阱共享；• 在t 2时刻，第1个栅极的电压由10 V →2 V 、第2个栅极的电压仍为10 V ，势阱1收缩，电荷包流入势阱2中。
CCD工作原理
CCD工作原理CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）是一种用于光电转换的半导体器件，广泛应用于数码相机、摄像机、扫描仪等光学设备中。
CCD的工作原理是基于光电效应和电荷耦合效应。
1. 光电效应CCD的光电效应是指当光照射到CCD的表面时，光子与半导体材料相互作用，产生电子-空穴对。
这些电子-空穴对会被电场分离，电子被聚集在表面，形成电荷。
2. 电荷耦合效应CCD的电荷耦合效应是指将电荷从一个电容传输到另一个电容的过程。
CCD由一系列电荷耦合器件组成，每个电荷耦合器件包含一个电荷传输区域和一个电荷储存区域。
电荷传输区域由一系列电荷传输门控制，可以将电荷从一个电容传输到下一个电容。
3. 工作步骤CCD的工作步骤包括光电转换、电荷传输和电荷读出。
- 光电转换：当光照射到CCD的表面时，光子与半导体材料相互作用，产生电子-空穴对。
电子被聚集在表面形成电荷。
- 电荷传输：电荷传输是通过电荷传输门控制的。
传输门打开时，电荷从一个电容传输到下一个电容。
传输门的打开和关闭是由时钟信号控制的。
- 电荷读出：当所有的电荷传输完成后，CCD中的电荷被读出。
读出过程通过将电荷转换为电压信号完成。
读出电路将电荷转换为电压，并进行放大和转换，最终输出为数字信号。
4. 工作原理优势CCD的工作原理具有以下优势：- 高灵敏度：CCD对光的响应范围广，可以捕捉到较弱的光信号。
- 低噪声：CCD在传输过程中减少了噪声的干扰，提高了图像质量。
- 高动态范围：CCD可以捕捉到较宽范围的亮度差异，使图像更加细致。
- 高分辨率：CCD可以提供高分辨率的图像，捕捉更多的细节。
- 快速传输：CCD的电荷传输速度较快，可以实现高速图像采集。
总结：CCD工作原理是基于光电效应和电荷耦合效应。
光照射到CCD表面时，光子与半导体材料相互作用，产生电子-空穴对，电子被聚集在表面形成电荷。
电荷通过电荷传输器件的传输门控制，从一个电容传输到下一个电容。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
CCD原理简介
▪ 电荷耦合元件（CCD，Charge-coupled Device）是 一种集成电路，上有许多排列整齐的细小的半导体 结构，为了便于理解我们简单将其比喻为电容，这 些电容能感应光线，并将影像转变成数字信号。经 由外部电路的控制，每個小电容能将其所帶的电荷 转给它相邻的电容。
▪ 这些小的半导体结构用通俗的语言来说就是像素单 元，用科学语言将叫做光敏元。
金的奖金。
填空
CCD简介
CCD 供应商
▪ Dalsa ▪ e2v technologies ▪ Fairchild Imaging ▪ Hamamatsu Photonics
Characteristics and use of FFT-CCD ▪ Kodak ▪ Panasonic ▪ Sony ▪ Texas Instruments ▪ Toshiba
SiO2
耗尽区
P型Si 电荷转移方向CC的MOS结构CCD中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。CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过 程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，不会受到干扰。下面 以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。
简答或论述
t1 t2 t3t4 t5t6t7
第三时刻，保持第二电极高电压，第三电极低电压，将 第一电极转变为低电压，第一电极下的势阱消失的过程中， 信号电荷全部转移到第二电极下的势阱中，完成了一次完 整的信号转移过程。
将第一电极、第二电极更换为任意两个相邻电极重复上 述三步，都可完成电荷转移。
第三电极的存在确保了电荷的定向转移。
CCD 也 存 在 二 相 的电荷转移方式， 在这种方式中设计 了不对称的电极结 构，可以保证电荷 转移的定向性。
接地
CCD的单元结构
CCD的信号转移
CCD图象传感器实际上是由由光敏元件阵列和电荷转 移器件集合而成，光敏元件也参与电荷转移。一般来说每 个光敏元有三个相邻的转移电极1、2、3，所有电极彼此离 得足够近，以使硅表面的耗尽区和电荷的势阱交叠，能够 耦合及电荷转移。
输入二极输管入栅Ф1 Ф2
Ф3
输出栅 输出二极管
电荷转移过程
CCD中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。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定 向转移的过程。
第一时刻，即初始状态时，第一电极外加高电平，其它 电极外加低电平，此时只有第一电极下方具有深势阱，信 号电荷存储于第一电极下方。
第二时刻，第一电极和第二电极外加高电平，第三电极 外加低电平，第二电极下产生深势阱并与第一电极下的势 阱连通，信号电荷变为共有。
的奖金。
填空
电荷耦合G器eo件rg(CeCEDl)w的o发od明S者mith
▪ George Elwood Smith
▪ 喬治 史密斯 ▪ 1930年5月10日
▪ 簡介: ▪ 1930年出生于美國白原市（White Plains） ▪ 美國國籍。 ▪ 1959年從芝加哥大學獲得物理學博士學位。 ▪ 因CCD获2009年度诺贝尔物理学奖，70万美
CCD的势阱
▪ 光敏元之中的势阱深度与两方面的因素有关：栅极电压和 反型层电荷量。
▪ 栅极电压越大势阱越深。 ▪ 反型层电荷越多，势阱越浅。(可以认为是反型层电荷抵
消了一部分栅极电压)
半导体也可采用N型半导体，如下图所示。①载流N型子半为导电体子多数 ②加负电压 ③N型沟道CCD
。 很薄约1200A
CCD的成像基本单位被叫做像素，当它用于图像采 集时，通常与光学镜头配合使用，由光学镜头将图像 投影到CCD表面，再由CCD将图像转化为数字信号；
当它应用在生产过程自动检测和控制等领域时，可以 直接应用而不配套镜头。
它是1970年贝尔实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith发 明的。
电荷耦合器件(CCD)的发明者
Willard Sterling Boyle
▪ Willard.S Boyle
▪ 威拉德．博伊爾 ▪ 1924年8月19日出生 ▪ 簡介:
▪ 1924年出生於加拿大Amherst ▪ 擁有加拿大和美國國籍。 ▪ 1950年從加拿大麥吉爾大學獲得物理學博士
學位 ▪ 因CCD获2009年度诺贝尔物理学奖，70万美金
电荷耦合器件(CCD) Charge Coupled Device)
名词解释
电荷耦合器件(CCD)
电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，其 主要功能是将其表面接收到的光强信号转变为电信号。
目前的数码相机、摄像机、扫描仪、广播电视、可 视电话和无线电传真中大多采用CCD作为图像采集器 件，是这些电子产品的核心。
接地
CCD的单元结构 把势阱想成一个桶
填空
返回
CCD的基本光敏元(电荷存储)
CCD的信号来源(光注入)
▪ 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。
▪ 光注入方式又可分为正面照射式与背面照射式。由于正面 有光栅电极，会对光有遮挡，因此绝大多数都采用背面照 射。
▪ CCD 的基本结构应包含转移电极结构、转移沟道 结构、信号输入结构和信号检测结构。
填空
CCD的基本光敏元(电荷存储)
我们先来了解CCD的光敏元。
①P型半导体多数 载流子为空穴②加 正电压，电子做信 号③P 型沟道CCD
它的基础是金属—氧化物—硅MOS电容器
Metal Oxide Semiconductor
CCD原理简介
▪ 电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而 不同于其他大多数元件是以电流或者电压为信号。
▪ 所以CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。 它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施 加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在 CCD內作定向传输。 CCD工作过程的核心技术是信 号电荷的产生，存储，传输，和检测。
QIP =qneoATC
信号电荷
想象为存贮在桶底上的流体
填空
CCD的信号来源(电注入)
▪ 所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或者电流 进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。电注 入的方法很多，这里只介绍两种常用的电流注入法和电压 注入法。
▪ 目前已经不再采用这种方法了，这种功能现在有独立的器 件A/D转换器，即模/数转换器来实现。