ccd图像传感器基础知识解析
CCD基础知识
现以A-A截面的电极为例进行分析。很显然，它相似于移位寄存器中 的一个传输单元。如果在电极a1’、Z、a1上分别加上电压Ua’、Uz、 Ua，它们的波形如图。则对应于t0、t1、t2时刻的势阱波形同样可以得 到。如图。
d像素尺寸大能够更多地接收光子不容易饱和e对于高精密测量应尽量使用整个像素面积都感光的芯片f使用多通道传输的芯片能提高传输速度g使用3ccd技术的彩色相机色彩更真实ccdcmos设计单一感光器感光器连接放大器灵敏度同样面积下高感光开口小灵敏度低成本线路品质影响程度高成本高cmos整合集成成本低ccd与cmos比较解析度连接复杂度低解析度高低新技术高噪点比单一放大噪点低百万放大噪点高功耗比需外加电压功耗高直接放大功耗低90年代初cmos传感器开始被部分市场所采纳一个重要原因就是它可以在同一个芯片上集成各种信号和图象处理模块如运放器adcs彩色处理和数据压缩电路标准tv和计算机io接口形成一个单片集成数字成象系统
电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态
CCD光敏元显微照片
CCD图像传感器的分类
1. 线阵CCD外形
2.面阵CCD
面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。
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，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。
面阵列CCD摄象器件
二维固体摄象器件中，电荷包转移情 况与线阵列器件类似，只是它的形式 较多。有的结构简单，但摄象质量不 好，有的摄象质量好些，但驱动电路 复杂，目前比较常用的形式是帧转移 结构。
光敏区是由光敏CCD阵列构成的，其 作用是光电变换和在自扫描正程时间 内进行光积分，暂存区是由遮光的 CCD构成的，它的位数和光敏区一一 对应，其作用是在自扫描逆程时间内， 迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移 到它里面暂存起来。
CCD基本原理解析
Si O2
N＋
1
2
62
63
64
P型衬底
CCD芯片的构造
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 φ1,所有的2、3也 是如此,并施加时钟 脉冲φ2、φ3。这 三个时钟脉冲在时 序上相互交迭。
水平读出寄存器（遮光） 帧转移面阵CCD结构图
帧转移面阵CCD工作过程
优点：电极结构简单，感光区面积可以很小。 缺点：需要面积较大大暂存区。
光敏区
隔列转移面阵CCD结构图
隔列转移面阵CCD工作过程
优：转移效率大大提高。 缺：结构较为复杂。
面阵CCD同时曝光整个图 像
常用面阵CCD尺寸系列
光学系统
CCD
图像处理
一、CCD传感器的基本原理
CCD的最基本单元
MOS电容器是构成CCD 的最基本单元是，它是 金属—氧化物—半导体 （MOS）器件中结构最 为简单的。
金属电极 氧化物
半导体
MOS电容器
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（也就是光生伏特效 应）。
当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅 衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随
正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）
被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中
Ф1极下），形成电荷包（势阱）。对于N型硅 衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流 子为空穴。
Gi 输入
N＋
CCD常用知识总结
CCD 常用知识总结随着CCD的不断发展，尤其典型的是当微光CCD向低照度方向发展时，噪声已经成为阻碍CCD进一步发展的障碍。
噪声是CCD的一个重要参数，它是决定信噪比S/N （Singal/Noise）的重要因素，而同时信噪比又是各种数据参数中最重要的指标之一。
随着CCD器件向小型化、集成化的不断发展，CCD光敏元数的增加势必减小光敏元的面积，从而降低了CCD的输出饱和信号。
为扩大CCD的动态范围，就必须降低CCD的噪声（动态范围与噪声间的联系）。
CCD工作时，在输入结构、输出结构、信号电荷存储和转移过程中都会产生噪声。
噪声叠加在信号电荷上，形成对信号的干扰，降低了信号电荷包所代表的信息复原后的精度，并且限制了信号电荷包的最小值。
CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中夹杂着各种噪声和干扰。
CCD输出信号处理的目的是在不损失图像细节并保证在CCD 动态范围内，图像信号随目标亮度线形变化是尽可能消除这些噪声和干扰。
（选自《CCD降噪技术的研究》燕山大学工学硕士学位论文）CCD的发展现状CCD最初是1969年由美国贝尔实验室的两名科学家W.S.Boyle与G.E.Smith提出，1970年在贝尔实验室制造成功。
它一问世，就显示出灵敏度高、光谱响应范围大、操作容易、维护方便、成本低、易推广等一系列优点，因而受到人们的普遍重视，现已取代摄像管，成为一种最常见的图像传感器。
自CCD问世以来，特别是近几年来，一直为美、日、英、法、德、荷兰等工业发达国家所瞩目，其中美、日两国的研制与生产能力居于世界领先地位。
国外主要的CCD研制与生产单位有日本的电气、东芝、索尼、夏普、日立，美国德州仪器，荷兰飞利浦等。
二十年来，CCD向着高集成度、高灵敏度、高分辨率、宽光谱响应的方向迅速发展，不断完善。
目前国外已研制出了像素数目为9K×9K的CCD芯片，像素尺寸最小已达到2.4μm×2.4μm;像素数目为4K×4K的CCD芯片已达到商业化水平。
CCD图像传感器
CCD图像传感器激光位移计-CCD的工作原理与应用(初稿)CCD,Charge Coupled Devices,电荷耦合器件～是70年代初发展起来的新型半导体器件。
它由美国贝尔实验室的W. S. Boyle和G. E. Smith于1970年首先提出～在经历了一段时间的研究之后～建立了以一维势阱模型为基础的非稳态CCD基本理论。
几十年来～CCD的研究取得了惊人的进展～特别是在像感器应用方面发展迅速～已成为现代光电子学和现代测试技术中最活跃～最富有成果的新兴领域之一。
实验目的1、了解二相线阵CCD的基本工作原理2、了解二相线阵CCD驱动信号时序3、了解线阵CCD在位移测量中的应用方法实验仪器1. CCD激光位移计2. 数字示波器准备好坐标纸、铅笔和直尺～也可用相机。
实验原理1( CCD的基本结构电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号～而不同于其它大多pseudonym Ding Bingcheng), to Jiangsu and Zhejiang in Taihu Lake area opened work, towards armed, carried out guerrilla race. 4 people such as Ding Bingcheng took Zhang Yan, Zhou Fen, from Shanghai, Zhao Anmin troopsstationed at the border of Jiangsu and Zhejiang. Ding Bingcheng reach dual-COR, and "anti-" established contact of Communist Party members, when the Kuomintang military Committee in Jiangsu, Zhejiang and Deputy Commander of the Brigade in Taihu Lake and Qian Kangmin, Director of the Department of the Commission (CPC) accompanied by consultations with Commander Zhao Anmin placement I was personnel related issues. Qian Kangmin efforts, Zhao Anmin also agreed to subordinate Gong Shengxiang Brigade guns to form a band in Taihu Lake. Qian Kangmin hired a boat to bring Gong Shengxiang, together with Zhang Yan start, boats to crossnear the fan, was seized by Cheng Wanjun. After Cheng Buzheng Jin Lu Wang, Director of training helps releasing personnel, but the weapon lost. Is autumn, Ding Bingcheng Wujiang was ordered to open up again,its task is: towards reconstruction guerrillas, Communist-led team.Along with Liu Zirong (Liu), Zhang Yan (Liu), huada busy (Chen Zhengzhi), Yu Zhe (Zhou Fen), Ye Chu Xiao (Lu Qiusheng), Henry (nandeqin), "anti-" players. Flat looking men Shen Yuezhen as a guide. Shen Yuezhen Ding Bingcheng single leader, Shen Yuezhen specializing in intelligence work, in September, through Mao Xiaocen served as the KMT's County Clerk, Shen Yuezhen after entering the County, deftly juggling between elites, was Chang Shen Liqun, who appreciated, has created favorable conditions for gathering intelligence. Meanwhile, Shen Yuezhen introduce jindapeng (Kanewaka Wang), xiaoxin was joined the "resistance", also activelydoing the standing political instructor Yu Qingzhi Shen Wenchao, Secretary of Justice and County Government数器件是以电流或者电压为信号。
CCD参数的基础知识
CCD参数的基础知识CCD（Charge-Coupled Device）是一种用于图像传感器的技术，被广泛应用于数码相机、摄像机以及其他光学设备中。
CCD参数是指影响图像质量和性能的一系列参数，了解这些参数对于选择和使用CCD设备至关重要。
本文将介绍CCD参数的基础知识，包括感光元件尺寸、像素数量、动态范围、噪声水平等。
1.感光元件尺寸：感光元件尺寸是指CCD芯片上感光元件的物理尺寸，通常以英寸（inch）为单位。
感光元件尺寸越大，可以捕捉到的光线越多，图像质量也越好。
常见的CCD感光元件尺寸有1/2.3英寸、1/1.8英寸、APS-C（1.5英寸）等。
2.像素数量：像素数量是指CCD芯片上感光元件的数量，也就是图像的分辨率。
像素数量越多，图像细节表现越清晰。
常见的CCD像素数量有100万像素、200万像素、1200万像素等。
3.动态范围：动态范围是指CCD芯片能够捕捉到的亮度范围。
动态范围越大，CCD可以同时捕捉到明亮和暗部的细节，图像的对比度和细节丰富度都会更好。
动态范围通常以dB（分贝）为单位表示。
4.噪声水平：噪声是CCD芯片产生的非图像信号，可以分为暗噪声和亮噪声。
暗噪声是指在低光条件下，CCD芯片自身产生的噪声；亮噪声是指在高光条件下，CCD芯片产生的噪声。
噪声水平越低，图像质量越好。
常见的噪声水平有e-（电子）/pixel、dB（分贝）等。
5.曝光时间：曝光时间是指CCD感光元件接收光线的时间长度。
曝光时间越长，CCD可以接收到更多的光线，图像亮度越高。
曝光时间通常以秒为单位。
6.帧率：帧率是指CCD设备每秒处理的图像帧数。
帧率越高，CCD设备可以更快地捕捉连续的图像，适用于快速移动的物体拍摄。
帧率通常以fps（帧/秒）为单位。
7.信噪比：信噪比是指CCD芯片输出信号与噪声之间的比值。
信噪比越高，CCD 输出的图像信号越清晰，噪声干扰越小。
信噪比通常以dB（分贝）为单位。
8.动态响应：动态响应是指CCD芯片对不同亮度的光线变化的反应能力。
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
CCD系统信噪比
信噪比（ Signal to Noise Ratio ）
-衡量信号及噪音的关系
-表征检测的限度（灵敏度）
噪音常常表现在电子元件 传输或接收信号的时候
CCD像素指标-填充因子
填充因子（ Fill Factor ）-CCD实际感光面积占像素 面积的比值
理想值-100% 实际值-30%（隔行传 输式CCD） 通过微型镜头 （Microlenses）改善 （但微型镜头的应用 会影响紫外光的检测） 填充因子是影响灵敏 度的一个因数
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图像传感器的工作原理及应用
CCD图像传感器的工作原理及应用1. CCD图像传感器简介CCD（Charge-Coupled Device）是一种光电器件，可以将光信号转换成电信号，并进行捕获和存储图像数据。
CCD图像传感器广泛应用于相机、摄像机、扫描仪和图像处理等领域。
2. CCD图像传感器的工作原理CCD图像传感器的工作原理基于光电效应和电荷耦合技术。
2.1 光电效应当光照射到CCD上时，光子将激发CCD芯片中的光敏元件产生电子-空穴对。
光电效应的强弱与光的强度成正比，光的能量越高，激发的电子-空穴对越多。
2.2 电荷耦合技术CCD图像传感器中对光电效应产生的电子进行耦合和传输的是电荷。
CCD芯片由一系列电荷传输区域组成，其中包括感光区、垂直传输区和水平传输区。
在感光区，电荷被积累，并且与光照的强度成正比。
然后，电荷被垂直传输区逐行传输到水平传输区。
在水平传输区，电荷被逐列传输到输出端，由模数转换器将其转换为数字信号。
3. CCD图像传感器的应用CCD图像传感器在许多领域中都有广泛的应用，下面列举了几个典型的应用领域。
3.1 摄影和摄像CCD图像传感器是数码相机和摄像机的核心部件。
它们能够捕捉细节丰富、高质量的图像和视频，成像效果较好。
3.2 扫描仪CCD图像传感器还被广泛用于扫描仪，用于将纸质文件和照片转换为数字形式。
CCD的高分辨率和色彩还原能力使其成为扫描仪最佳的图像采集技术之一。
3.3 星光相机CCD图像传感器在天文学中也有重要应用。
由于其高灵敏度和低噪声性能，CCD被广泛用于天文图像的采集，尤其是星光相机。
星光相机能够捕捉到微弱的星光，从而探测远离地球的天体。
3.4 医学成像CCD图像传感器也被应用于医学成像领域。
例如，在X射线成像中，CCD传感器能够捕捉到X射线影像，用于医学诊断和治疗。
3.5 工业视觉CCD图像传感器在工业视觉应用中起着关键作用。
它们可以检测和测量产品中的缺陷、尺寸和形状，并用于自动化生产线上的质量控制。
CCD图像传感器的特性
CCD图像传感器的特性一般包括光谱特性、分辨率、暗电流、灵敏度和动态范围等。
1、光谱特性CCD图像传感器具有很宽的感光光谱范围，其感光光谱可延伸至红外区域，利用此特性，可以在夜间无可见光照明的情况下，用辅助红外光源照明，也能使CCD图像传感器清晰地成像。
∙CCD的光谱响应范围CCD器件的光谱响应范围宽于人眼的视觉范围，一般在0.2~1.1µm的波长范围内。
特种材料的红外CCD 的波长响应可扩展到几微米，即CCD 的光谱响应范围从远紫外，近紫外，可见光到近红外区，甚至到中红外区。
∙人眼的视觉范围光波的波长范围从几纳米到1 mm，即10-9 ~10-3m，而人眼的感光范围只在0.38~0.78 μm的范围。
2、分辨率分辨率是CCD的最重要的特性，一般用器件的MTF （Modulation Transfer Function）即调制转移函数来表示。
需要说明的是，CCD芯片的分辨率与后面提到的CCD摄像机的分辨率的定义是不同的。
3、暗电流暗电流产生的主要原因在于CCD器件本身的缺陷，而且这种器件本身还使得暗电流的产生也不均匀；暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围；暗电流的大小与温度的关系极为密切，温度每降低100C，暗电流约减少一半。
4、灵敏度和动态范围CCD的灵敏度一般用最低照度表示，所谓灵敏度高就是要求在很低的照度下也能输出较为清晰（轮廓）的图像。
动态范围是势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比。
CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量取决于CCD电极面积及器件结构，时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素。
5、弥散现象（Blooming)由于CCD势阱对光信号电荷的收容能力有一定的限度，所以，当高照度光局部地照射CCD单元时，电荷量将从势阱溢出，并流入邻近势阱，光产生的图像就会失真，这就是弥散现象。
6、噪声CCD的噪声源主要有以下几种：电荷注入器件产生的噪声;电荷转移时,电荷量波动产生的噪声;电荷读出时的噪声。
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。
CCD的基础知识
CCD的基础知识CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。
可以称为CCD 图像传感器,也叫图像控制器。
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。
CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。
一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。
CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。
CCD 上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。
1.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。
2.性能参数2.1光谱灵敏度CCD的光谱灵敏度取决于量子效率、波长、积分时间等参数。
量子效率表征CCD芯片对不同波长光信号的光电转换本领。
05-CCD图像传感器基本工作原理
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
电荷的收集
光子入射到CCD中产生电子空穴对， 电子向器件中 电势最高的地区聚集，并在那里形成电荷包。每个电荷包 对应一个像元。
入射的光子
电荷收集 的效率与 电势的分 布、复合 寿命和扩 散长度有 关。
电荷包
像元边界
n-型硅 p-型硅
电极结构 SiO2 绝缘层
像元边界
表面势表征了耗尽区的深度，与栅极电压和氧化层厚 度有关
势阱：由表面势产生的阱
不同氧化层厚度
状空间。有的定义为：存 储电荷的电势分布状态。
电极上的电压越大，势阱 越深，可存储的电荷量越 多，也就代表了CCD器件 具有电荷存储功能。
不存在反型层电荷时
理论分析参见半导体物理
栅极电压不变时，表面势与反型层电荷密度的关系：
处于低电位，形成了势
电势
垒，并确定了这个像元
的边界。像元水平方向
势能
上的边界由沟阻确定。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
电荷的收集 MOS 电容器
CCD曝光时，产生 光生电荷，光生电荷在 势阱里收集。随着电荷 的增加，电势将逐渐变 低，势阱被逐渐填满， 不再能收集电荷，达到 饱和。
势阱能容纳的最多
扩散产生了内部电场，在n-型层内电势达到最大。
电势
n p
这种‘埋沟’结构的优点 是能使光生电荷离开 CCD 表面，因为在CCD 表面缺欠多，光生电荷会 被俘获。这种结构还可以 降低热噪声（暗电流）。
电子势能最小的地方位 于n-型区内并与硅 - 二 氧化硅 (Si - SiO 2) 的 交界面有一定距离
1、三相电极结构(三相 CCD)
采用对称电极结构，三相 CCD是最简单的电极结构。 因为在某一确定的时刻，对存贮有电荷的电极而言， 两个相邻电极，需要一个被“打”开，另一个保持“关” 闭，以阻止电荷倒流。
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。
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
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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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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传感器的成像原理是使用感光二极 管将光线转换为电荷，当拍摄者对焦完毕按 下快门的时候，光线通过打开的快门（目前 消费级数码相机基本都是采用电子快门）透 过马赛克色块射入在CCD图像传感器上，感 光二极管在接受光子的撞击后释放电子，所 产生电子的数目与该感光二极管感应到的光 成正比。
当本次曝光结束之后，每个感光二极管上含 有不同数量的电子，而我们在显示器上面看 到的数码图像就是通过电子数量的多与少来 进行表示和储存，然后控制电路从CCD中读 取图像，进行红R、绿G和蓝B三原色合成， 并且放大和将其数字化，这些数字信号被存 入数码相机的缓存内，最后写入相机的移动 存储介质完成数码相片的拍摄 。
CCD传感器向高素数、多制式发展
各种CCD传感器的像面尺寸在减少，但 其像素数在增加，已由早期的512（H） ×596(V)向795（H）×596（V）发展,甚至 出现超过百万像素的CCD传感器。为提高水 平方向和垂直方向的分辨能力，已从通常的 隔行扫描向逐行扫描格式发展。
降低CCD传感器的工作电压、减少
ＣＣＤ图ห้องสมุดไป่ตู้传感器
---------------------------------Charged Coupled Device (电荷藕合器件图像传感器)
CCD传感器概论
电子耦合组件即charged
coupled device，它 就像传统相机的底片一样的感光系统，是感 应光线的电路装置，你可以将它想象成一颗 颗微小的感应粒子，铺满在光学镜头后方， 当光线与图像从镜头透过、投射到ccd表面时， ccd就会产生电流，将感应到的内容转换成数 码资料储存在相机内部的闪速存储器或内置 硬盘卡内。ccd像素数目越多、单一像素尺寸 越大，收集到的图像就会越清晰。
3. 动态范围广（High Dynamic Range）：同时侦 测及分办强光和弱光，提高系统环境的使用范围， 不因亮度差异大而造成信号反差现象。
4. 良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源 强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯 不致损失，降低信号补偿处理成本；高光子转换效 率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光 照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器， 即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到；
CCD图像传感器的组成
第一层，微镜头； 第二层，滤色片； 第三层，感光元件. CCD图像传感器的每一个感光元件由一个光电 二极管和控制相邻电荷的存储单元组成光电管当然 是捕捉光子用的，它将光子转化成电子，收集到的 光线越强产生的电子数量就越多，电子信号强了当 然就越容易被记录而越不容易丢失，图像细节就更 丰富了。
在1997年，在总产量比1993年增200% 以上的情况下，1/2英寸的CCD传感器仍有很 大发展，已占总产量的15%（1/2英寸由于靶 面较大仍有许多场合需要，尤其在科研领域 中如MTV1881EX、MTV-2821CB摄像机）； 1/4英寸的CD传感占总产量的60%。也就是 说，1/2英寸较大靶面尺寸CCD传感器仍有很 大增长。
CCD传感器有两种
第一、特殊CCD传感器，如红外CCD芯片（红外焦平 面阵列器件）、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD、 EBCCD等，另外还有大靶面如2048×2048、 4096×4096可见光CCD传感器、宽光谱范围（紫 外光→可见光→近红外光→3-5μm中红外光→814um远红外光)焦平面阵列传感器等。目前已有商 业化产品,并广泛应用于各个领域。 第二、通用型或消费型CCD传感器在许多方面都有较 大地进展，总的方向是提高CCD摄像机的综合性能。
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；