第五章 CCD 图像传感器
5第五章CCD产品简介汇总
5.1 典型CCD芯片简介 5.2 特种CCD芯片介绍
总目录
二用于高速检测的(并行/分段输出) 线阵CCD
三用于光谱测量的线阵CCD
四用于彩色图像采集的线阵CCD
一 用于尺寸测量的线阵CCD
5.1 典型CCD芯片简介
TCD1001P
黑白
128
32×32×32
2、分段式多路并行输出的高速线阵CCD
RL1282D、RL1284D、RL1288D器件： 分别具有256、512或1024像元 像元尺寸：18×18×18 (单位：微米) 双沟道器件 每128像元为一段，每段又分奇偶两个沟道并行输出
整个器件的输出时间大大地缩短，器件的工作速度提高。
必须的三路脉冲（其他属扩展）：转移脉冲ST、驱动脉冲CR1、CR2 EOS信号可以作为A/D转换器的行同步信号；
RL1024SB的特性参数
（1）光谱响应
两种类型：普通光学玻璃窗和石英玻璃窗，以G和Q区分； 石英玻璃：光谱响应范围为200nm至1100nm,峰值响应波长为750nm。该器件在中紫外至近红外波段的光谱响应较好，常用于这段谱区的光谱探测和光谱分析应用中，尤其是在紫外波段的光谱探测更为重要。 普通玻璃：截止于350nm，对紫外波段光的吸收较大。
应用：对彩色图像采集、测量 芯片介绍：
TCD2000P
TCD2252D
TCD2557D
TCD2901D
象元
160×3
2700×3
5340×3
10550×3
总长
5.28mm
42.72mm
37.38mm
42.2mm
象元面积
11×11
CCD图像传感器 ppt课件
ppt课件
20
(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
ppt课件
21
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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25
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。
ppt课件
15
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
05ccd图像传感器基本工作原理
CCD 的工作过程1 前照明光输入1 背照明光输入2 电荷生成3 电荷收集4 电荷转移5 电荷测量视频输出第五讲CCD图像传感器基本工作原理 电荷存储电荷耦合CCD电极结构电荷注入和检测CCD特性参数电荷耦合摄像器件：工作原理、特性参数一、电荷存储——光电转换得到的信号电荷怎么存储？为了存储电荷必须制造一个存储区。
不仅要把生成的电荷尽量收集起来，而且保证所收集电荷不被复合。
信号电荷以何种机制储存？信号电荷是空穴还是电子？——CCD多用电子利用电子可以被高电势所吸引的性质。
在光电二极管中，不管用什么方法只要做出高于周围电势的部分，信号电荷(电子)就可以在此集中储存。
电势阱：储存信号电荷的电势分布状态当在栅电极上加上型衬底中的空穴从界面处被排斥到衬底的另一侧，在不同氧化层厚度不存在反型层电荷时栅极电压不变时，表面势与反型层电荷密度的关系：反型层电荷填充势阱时，表面势收缩的情况：溢出 现象水桶模型势阱存信号电荷类似水桶盛水中国科学院长春光学精密机械与物理研究所电荷的收集 埋沟MOS 电容器埋沟电容是在 一个 p-型衬底上建造的；在p-型衬底表面 上形成一个 n-型区(~1μm厚)； 然后，生长出一层薄的二氧 化硅(~0.1μm厚)；再在二氧化硅层上用金属或高掺杂的多晶 硅制作电极或栅极；至此完成了MOS电容的制作。
电子的势能：N型硅 耗尽区 P型硅Ep = − q × Ψ2-6 q 是电子的电荷 量，而Ψ为静电势电极光生电子－空穴对 二氧化硅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电容器无偏置时， n-型层内含有多余的电子向p-型层扩散， p-型层内含有多余的空穴并向n-型层扩散； 这个结构与二极管结的结构完全相同。
上述的 扩散产生了内部电场，在n-型层内电势达到最大。
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 沿此线的电势示于上图. 这个势能最小(或电位 最高) 的地方就是多余 电子聚集的地方。
5第五章CCD产品简介
彩色线阵CCD有两种形式：单行串行和三行并行
1、TCD2000P——单行串行形式 单沟道
两相驱动
480个有效PD组成像敏区
单元尺寸：长11*高33*11
3个单元一组，每一组依
次采用G、B并行形式 高灵敏度低暗电流的彩色线阵CCD器件。
2160
2160 2048 2660 2700 2700 1024 5340 5000
14×14×14
14×14×14 14×14×14 11×11×11 11×11×11 8× 8× 8 14×14×14 7× 7× 7 7× 7× 7
45
110 31 70 35 9.1 12 4.8 13
1700
RL1024SB的特性参数
（1）光谱响应
两种类型：普通光学玻璃窗和石英玻璃窗，以G和Q区分； 石英玻璃：光谱响应范围为200nm至1100nm,峰值响应波长为750nm。
该器件在中紫外至近红外波段的光谱响应较好，常用于这段谱区的光谱探
测和光谱分析应用中，尤其是在紫外波段的光谱探测更为重要。 普通玻璃：截止于350nm，对紫外波段光的吸收较大。
500 4600 1700
单路 单路 单路
TOSHIBA NEC TOSHIBA
高速尺寸、振动测量 尺寸、振动测量 尺寸测量
TCD1206SUP
TCD1208P TCD1209D μPD3734D TCD1251UD TCD2252D TCD132D TCD1500C TCD1501D
黑白
黑白 黑白 黑白 黑白 彩色 黑白 黑白 黑白
转移脉冲ST 器件的地 器件的衬底偏压 行输出结束信号 5V供电电压输入 暗光电信号
“开花”是指光敏单元所存储的电荷超出了势阱容纳电荷的
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图像传感器详解备课讲稿
C C D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，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，然后在收集于网络，如有侵权请联系管理员删除收集于网络，如有侵权请联系管理员删除SiO 2 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SiO 2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SiO 2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。
固态成像器件原理及应用第五讲-CCD图像传感器参数及实例
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• 曲线的横坐标为每个周期中的曝光时间,纵 坐标输出信号电压与饱和输出电压时间的 百分比 • 积分时间越长,CCD所接受的入射光的能量 就越多,它输出的信号电压幅度就越高; • 在一定的积分时间下,输出信号电压的幅度 与入射幅度成正比（线性关系）
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• 当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚 集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。
势阱：深耗尽条件下的表面势形成的空间区域。 势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。
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IA-D4型面阵CCD结构
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基本特性
1 光谱响应特性 IA-D4面阵CCD的光 谱特性如图所示,光 谱响应范围为4001000nm,峰值波长为 560nm,峰值波长响应 度为10[V/(uJ/nm2)]
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基本特性
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London, England
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分辨率：0.6m
Chaska, Minnesota 分辨率：0.6m
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欧洲火星快车探测器相机
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2015年4月28日
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火卫一的照片 2015年4月28日 第62页
第五章 CCD 图像传感器
5.4 线阵CCD在线测量棒状物尺寸
图中，平行光源、棒 状物参比端及CCD 图像传感器必须置于 同一基准面上。棒状 物被测端、平行光中 心轴线和CCD的中 心点要大致位于同一 直线上。
平行光源的作用是产 生一束高平行度的光 线，以使棒状物经平 行光垂直照射后在 CCD上形成1：1的 高精度像。
7-5-16 棒状物成像系统及CCD输出波形
电荷存储
在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。 加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。
当UG＞ Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导
体内的电子(少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。
反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。
ＣＣＤ的类型
CCD按电荷存储的位置分有两种基本类 型 1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的 界面，并沿界面传输 ——表面沟道CCD(简称SCCD)。 2、电荷包存储在离半导体表面一定深度 的体内，并在半导体体内沿一定方向传 输， ——体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。
ＣＣＤ的类型
线阵ＣＣＤ：光敏元排列为一行的称为线阵， 象元数从128位至5000位以至7000位不等，由 于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型 号的器件可供选用。
5.3 CCD玻管尺寸测控仪
图7-5-14 系统结构框图
系统结构框图
5.3 CCD玻管尺寸测控仪
图7-5-13 CCD视频信号
CCD视频信号
5.3 CCD玻管尺寸测控仪 把视频信号中的外径尺寸部分和壁厚部分进行二 值化处理，填入标准时钟脉冲，该时钟脉冲对应 CCD空间分辨率，由计算机采集这两个尺寸对应 的脉冲数，经数据处理后可得到被测玻管的尺寸。 本系统被测玻管的直径尺寸为20mm，光学系统的 放大率为0.8倍，则玻管像的大小为16mm，被测 玻管的测量精度要求达到±0.05mm，他在像面上 对应精度为±0.04mm。根据CCD测量灵敏度的要 求， 0.04mm要大于2个CCD像素的空间尺寸。选 择TCD102C型号CCD可满足上述测量范围和精度 的要求。该器件的技术指标为： 2048感光像素元，14微米相邻像素中心距， 工作时钟1MHz，两相驱动， 同步脉冲宽度128微秒，同步周期：7.5ms。
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
1.2基本结构
将一系列MOS结构组成阵列，加 上输入输出结构 则构成CCD 器 件。 注入的电荷可有控 制地从 一个电容移位 到另一个电容。 CCD与MOS 光敏元 的区别 (1)、半导体底部覆盖一层遮光 层，防止外来光线干扰 (2) 、三个相邻电极组成3。
而线阵CCD的优点是一维像元数可以做得很多，而总像元数角较面阵 CCD相机少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于一维动态 目标的测量。而且线阵CCD 分辨力高，价格低廉，可满足大多数测量视 场的要求，但要用线阵CCD获取二维图像，必须配以扫描运动，而且为 了能确定图像每一像素点在被测件上的对应位臵，还必须配以光栅等器 件以记录线阵CCD每一扫描行的坐标。一般看来，这两方面的要求导致 用线阵CCD获取图像有以下不足：图像获取时间长，测量效率低；由于 扫描运动及相应的位臵反馈环节的存在，增加了系统复杂性和成本；图 像精度可能受扫描运动精度的影响而降低，最终影响测量精度。
四、特性参数 4.1、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。
五、CCD图像传感器的应用
吸收的光电子数与入射到势阱 的光强成 正比。 在一定条件下： UG↑→耗尽区(势阱)越深 →表面 势↑→光敏元容纳的电荷 量↑ 存储了电荷的势阱称为电荷包。
2.2.2、电荷转移
为实现信号电荷转移及保证相邻势阱 耦合，MOS 电容阵列相邻间距极小。 任何可移动的信号将向表 势大的位臵 移动
2.2.2.1、电荷转移原理
信号电荷的产生 信号电荷的存贮 CCD基本工作原理 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
CCD图像传感器
CCD图像传感器CCD,即电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体光电器件。
具有灵敏度高，分辨率好，光谱响应宽，动态范围大等一系列优点。
至今，CCD已从实验室研究走向实际应用阶段。
在航空航天、卫星侦察、遥感遥测、天文测量、传真、静电复印、非接触工业测量、光学图像处理等领域都得到了广泛的应用；在动态非接触的尺寸检测、液面位置的遥测等光电测试技术中更引起人们高度的重视；特别是在摄像和信号处理等技术领域已独树一帜。
可见，CCD技术是一项具有广泛应用前景的新技术。
一CCD简介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。
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。
二CCD发展史CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·波义耳(Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（GeorgeE. 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经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、美国无线电公司）和德州仪器。
其中快捷半导体的产品领先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。
CCD图像传感器
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(2),电荷存储 ),电荷存储
以衬底为P型硅构成的 电容为为例. 以衬底为 型硅构成的MOS电容为为例. 型硅构成的 电容为为例
当在金属电极加上一个正阶梯电压时, 当在金属电极加上一个正阶梯电压时,在Si-SiO2界 面处的电势发生变化,附近的P型硅中的多数载流子 型硅中的多数载流子-空 面处的电势发生变化,附近的 型硅中的多数载流子 空 穴被排斥,形成耗尽层.如果栅极电压超过MOS晶体管 穴被排斥,形成耗尽层.如果栅极电压超过 晶体管 的开启电压,则在Si-SiO2界 的开启电压,则在 面处形成深度尽状态, 面处形成深度尽状态,电子 在那里势能较低-形成了一个 在那里势能较低 形成了一个 势阱.如有信号电子, 势阱.如有信号电子,将聚 集在表面,实现电荷的存储. 集在表面,实现电荷的存储. 此时耗尽层变薄. 此时耗尽层变薄.势阱的深 浅决定存储电荷能力的大小. 浅决定存储电荷能力的大小.
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),电荷检测 输出) (5),电荷检测 (输出) ),
CCD输出结构是将 输出结构是将CCD传输和处理的信号 输出结构是将 传输和处理的信号 电荷变换为电流或电压输出. 电荷变换为电流或电压输出.
电荷输出结构有多种形式, 电荷输出结构有多种形式,如电流输出结 构,浮置扩散输出结构,浮置栅输出结构等. 浮置扩散输出结构,浮置栅输出结构等. 浮置栅输出结构应用最广. 浮置栅输出结构应用最广.
一,光电成像系统的分类: 光电成像系统的分类:
按照光电成像系统对应的光波长范围,光 按照光电成像系统对应的光波长范围, 电成像系统可以分为:可见光,紫外光, 电成像系统可以分为:可见光,紫外光,红外 光, X光光电成像系统. 光光电成像系统.
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二,光电成像系统要研究的问题
ppt_CCD图像传感器.wps
CCD传感器应用
• CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件， 取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描）， 与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电 压低、功耗小，且不需要高压; • 作为机器人视觉系统； • 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。
一、CCD的结构 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。
显微镜下的MOS元表面
（2）读出移位寄存器。
CCD结构示意图
线阵CCD进行工件尺寸测量
M2A胶囊 CCD在医疗诊断中的应用
CCD发展史
1969年美国贝尔实验室（Bell Labs） 的维拉·波义耳（Willard·Boyle）和 乔治·史密斯（George E·Smith）发明 了CCD
维拉· 波义耳（Willard· Boyle）和 乔治· 史密斯（George E· Smith）
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图像传感器的工作原理及其特点
CCD图像传感器的工作原理及其特点构成CCD的基本单元是MOS（金属－氧化物－半导体）结构。
CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。
工作时，需要在金属栅极上加一定的偏压，形成势阱以容纳电荷，电荷的多少与光强成线性关系。
电荷读出时，在一定相位关系的移位脉冲作用下，从一个位置移动到下一个位置，直到移出CCD，经过电荷ˉ电压变换，转换为模拟信号。
由于在CCD中每个像元的势阱所容纳电荷的能力是有一定限制的，所以如果光照太强，一旦电荷填满势阱，电子将产生“溢出”现象。
另外，在电荷读出时，由于它是从一个位置到下一个位置的电荷转移过程，所以存在电荷的转移效率和转移损失问题。
电荷耦合摄像器件（CCD）的突出特点是以电荷为信号载体。
它的功能是接受存储模拟电荷信号，并将它逐级转移（并存储）输送到输出端。
其基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测，因此实际上相当于一个模拟移位存储器。
主要有信息处理用延迟线、存储器和光电摄像器件三个方向应用。
CCD有表面（沟道）CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）两种基本类型。
作为图像传感器用摄像器件还另外具有光敏元阵列和转移栅，以进行光电转移，并将光电转换的信号电荷转移到CCD转移电极下。
由CCD图像传感器的结构和工作原理决定了这类器件有以下优点：● CCD是一种固体化器件，体积小、重量轻、可靠性高、寿命长：● 图像畸变小、尺寸重现性好；● 具有较高的空间分辨率；● 光敏元间距的几何尺寸精度高，可获得较高的定位精度和测量精度；● 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。
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比较CCD传感器与CMOS传感器的差异噪点：由于ＣＭＯＳ每个感光二极管都需搭配一个放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，...CMOS图像传感器简议数码相机和可拍照式便携设备的兴起，使得CMOS图像传感器这个名词进入大众的视野，而这种产品也成为了半导体产品中增长最快的一种。
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对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下， 半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱 俘获。这种光生电子作为反映光强的载体——电荷包被收 集，成为光电荷注入，这就是CCD摄像器件的光电变换过 程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。 光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并 行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移 位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个 来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。
电荷存储
在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。 加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。
当UG＞ Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导
体内的电子(少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。
反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。
ＣＣＤ的类型
CCD按电荷存储的位置分有两种基本类 型 1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的 界面，并沿界面传输 ——表面沟道CCD(简称SCCD)。 2、电荷包存储在离半导体表面一定深度 的体内，并在半导体体内沿一定方向传 输， ——体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。
ＣＣＤ的类型
线阵ＣＣＤ：光敏元排列为一行的称为线阵， 象元数从128位至5000位以至7000位不等，由 于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型 号的器件可供选用。
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。
输入 栅 栅 输出
输入二极管
SiO2 P-Si
输出二极管
ＣＣＤ的工作原理
在ＣＣＤ栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值 的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱 用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使 阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管 送出视频信号。 为了实现电荷的定向转移，在CCD的MOS阵列上划分 成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构。一位 CCD中含的MOS个数即为CCD的像数。 以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为 N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道 CCD，简称为P型CCD。由于电子的迁移率远大于空 穴的迁移率，因此N型CCD比P型CCD的工作频率高得 多。
为确保CDD的转移功能，对时钟脉冲的要求 是： 1）三相时钟脉冲有一定的交叠，在交 叠区内，电荷包的源势阱与接收势阱同时共存， 以保证在这两个势阱间进行充分转移； 2）时钟脉冲的低电平必须保证沟道表 面处于耗尽状态； 3）时钟脉冲幅度选取得当。
作为成像器件，CCD的主要特性参数仍然是 灵敏度、分辨力、光谱响应以及信噪比等。 但CCD还起着电荷传输的作用，故还应包 括转移效率、噪声、功耗等参数。 主要参数： 1 转移效率 和损耗率
面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若 干行和列的结合。 目前达到实用阶段的象元数由25万至数百／3英寸以至1英寸之分。
5.2 CCD图像测量的二值化
CCD图像测量的基本原理是：光学系统把被 测对象的光信息投射在CCD的光敏面元上， 形成了光学图像。由CCD器件把光敏元上的 光信息转换成与光强成比例的电荷量，积累 起来的光电荷在一定频率的时钟脉冲的驱动 下，在CCD 输出端得到被测对象的视频信号。
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。
5.4 线阵CCD在线测量棒状物尺寸
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
– 电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅 极施加电压。 – 光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCD 硅片时，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。
CCD的特性参数
2 时钟频率的上、下限
3 光谱特性和光电特性
CCD的特性参数
像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪 比等
像素数是指CCD上感光元件的数量。44 万（768*576）、100万（1024*1024）、 200万（1600*1200）、600万 （2832*2128）
信噪比：典型值为46分贝 感光范围 — 可见光、红外
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。
线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低； 面阵CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大；
面阵CCD芯片
CCD在检测方面的应用
几何量测量
– 测宽、测长、测径。
光谱测量
– 光谱仪输出信号测量。
5.3 CCD玻管尺寸测控仪
CCD尺寸测量技术是一种非常有效的非接触检测 方法，广泛应用于在线检测工件的尺寸。CCD玻 管尺寸测控仪就是测量的一个应用实例，它对玻 管外圆直径及壁厚尺寸进行实时监测，并根据测 量结果对生产过程进行控制。光源照射被测玻管， 经光学系统成像在CCD光敏阵列面上。由于各处 透射率的不同，玻管的像在上下边缘处形成两条 暗带，中间部分的透射光相对较强而形成亮带。 两条暗带最外的边界距离是玻管外径成像的大小， 中间亮带是玻管内径像的大小，暗带则是玻管壁 厚像的大小，如图所示，CCD视频信号上出现了 两个谷
5.3 CCD玻管尺寸测控仪
图7-5-14 系统结构框图
系统结构框图
5.3 CCD玻管尺寸测控仪
图7-5-13 CCD视频信号
CCD视频信号
5.3 CCD玻管尺寸测控仪 把视频信号中的外径尺寸部分和壁厚部分进行二 值化处理，填入标准时钟脉冲，该时钟脉冲对应 CCD空间分辨率，由计算机采集这两个尺寸对应 的脉冲数，经数据处理后可得到被测玻管的尺寸。 本系统被测玻管的直径尺寸为20mm，光学系统的 放大率为0.8倍，则玻管像的大小为16mm，被测 玻管的测量精度要求达到±0.05mm，他在像面上 对应精度为±0.04mm。根据CCD测量灵敏度的要 求， 0.04mm要大于2个CCD像素的空间尺寸。选 择TCD102C型号CCD可满足上述测量范围和精度 的要求。该器件的技术指标为： 2048感光像素元，14微米相邻像素中心距， 工作时钟1MHz，两相驱动， 同步脉冲宽度128微秒，同步周期：7.5ms。
5.4 线阵CCD在线测量棒状物尺寸
图中，平行光源、棒 状物参比端及CCD 图像传感器必须置于 同一基准面上。棒状 物被测端、平行光中 心轴线和CCD的中 心点要大致位于同一 直线上。
平行光源的作用是产 生一束高平行度的光 线，以使棒状物经平 行光垂直照射后在 CCD上形成1：1的 高精度像。
7-5-16 棒状物成像系统及CCD输出波形
第五章 CCD 图像传感器
图像传感器(Imaging Sensor ,缩写为IS，又称成像 器件、摄像器件)作为现代视觉信息获取的一种基 础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能 的扩展(光谱拓宽、灵敏度范围扩大)，能给出直观、 真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，所 以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。 图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号， 即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息 (可见光和非可见光)、转换为按时序串行输出的电 信号 —— 视频信号，而视频信号能再现入射的光 辐射图像。把空间图像转换为按时序变化的电信号 的过程称为扫描。
50年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束 摄像管(如光导摄像管、飞点扫描管等)来完成。60 年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是MOS 集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅 速发展，到70年代末期。已有一系列产品在军事、 民用各方面得到广泛应用。 固体图象传感器(Solid State Imaging Sensor ——缩 写为SSIS)主要有三大类型、一种是电荷耦合器件 (Charge Coupled Device简称CCD)，第二种是MOS 图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(Self Scanned Photodiode Array，简称SSPA)，第三种是 电荷注入器件(Charge Injection Device，简称CID)。 目前，前两种用得比较多。