CCD图像传感器PPT课件
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图像传感器原理介绍CCD和CMOS介绍V12 课件
34 PPT课件
全景Full-Frame
? 全像 CCD 则是一种架构更简单的感光设计。有鉴于 IL 的缺点， FF改良可以利用整个感光区域（没有暂存区的设计），有效增 大感光范围，同时也适用长时间曝光。其曝光过程和 Interline 相同，不过感光和电荷输出过程是分开。因此，使用 FF CCD 的数字相机在传送电荷信息时必须完全关闭快门，以隔离镜头 入射的光线，防止干扰。这也意味着 FF 必须使用机械快门 （无法使用 IL 的电子 CLOCK 快门)，同时也限制了 FF CCD 的 连续拍摄能力。 Full-Frame CCD 大多被用在顶级的数位机背上。
数字相机的快门开启，来自影像的光线穿过这些 马赛克色块会让感光点的二氧化硅材料释放出电 子〈负电〉与电洞〈正电〉。经由外部加入电压， 这些电子和电洞会被转移到不同极性的另一个硅 层暂存起来。电子数的多寡和曝光过程光点所接 收的光量成正比。在一个影像最明亮的部位，可 能有超过 10万个电子被积存起来。
14 PPT课件
CCD外形尺寸信息
15 PPT课件
原理篇
16 的工作需求，业界发展出四种 不同类型的 CCD ：
? Linear 线性、 ? Interline扫瞄、 ? 全景 Full-Frame ? Frame-Transfer 全传
17 PPT课件
CCD分辨率
19 PPT课件
黑白CCD的组成结构图
20 PPT课件
彩色CCD的组成结构分图
?CCD 的三层结构：上：增光镜片、中：色块网格 下：感应线路
? 由微型镜头、马赛克分色网格，及垫于最底层的 电子线路矩阵所组成
21 PPT课件
彩色CCD运行图
22 PPT课件
彩色CCD运行图说明
全景Full-Frame
? 全像 CCD 则是一种架构更简单的感光设计。有鉴于 IL 的缺点， FF改良可以利用整个感光区域（没有暂存区的设计），有效增 大感光范围，同时也适用长时间曝光。其曝光过程和 Interline 相同，不过感光和电荷输出过程是分开。因此，使用 FF CCD 的数字相机在传送电荷信息时必须完全关闭快门，以隔离镜头 入射的光线，防止干扰。这也意味着 FF 必须使用机械快门 （无法使用 IL 的电子 CLOCK 快门)，同时也限制了 FF CCD 的 连续拍摄能力。 Full-Frame CCD 大多被用在顶级的数位机背上。
数字相机的快门开启，来自影像的光线穿过这些 马赛克色块会让感光点的二氧化硅材料释放出电 子〈负电〉与电洞〈正电〉。经由外部加入电压， 这些电子和电洞会被转移到不同极性的另一个硅 层暂存起来。电子数的多寡和曝光过程光点所接 收的光量成正比。在一个影像最明亮的部位，可 能有超过 10万个电子被积存起来。
14 PPT课件
CCD外形尺寸信息
15 PPT课件
原理篇
16 的工作需求，业界发展出四种 不同类型的 CCD ：
? Linear 线性、 ? Interline扫瞄、 ? 全景 Full-Frame ? Frame-Transfer 全传
17 PPT课件
CCD分辨率
19 PPT课件
黑白CCD的组成结构图
20 PPT课件
彩色CCD的组成结构分图
?CCD 的三层结构：上：增光镜片、中：色块网格 下：感应线路
? 由微型镜头、马赛克分色网格，及垫于最底层的 电子线路矩阵所组成
21 PPT课件
彩色CCD运行图
22 PPT课件
彩色CCD运行图说明
CCD图像传感器 ppt课件
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。
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
24
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。
ppt课件
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
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(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
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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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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。
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信号电荷的存储（示意图）
UG < Uth 时
+UG
UG > Uth 时
+UG
入射光
e-
e-
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e-
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+Uth
e- 势阱
《图像传感器》PPT课件
市场
• 在高分辨率像素产品方面，日前台湾锐视 科技已领先业界批量推出了210万像素的 CMOS图像传感器，而且已有美商与台湾 的光学镜头厂合作，将在第三季推出此款 CMOS传感器结合镜头的模组，CMOS应 用已经开始在200万像素数码相机产品中应 用。
结论
• 从产品的技术发展趋势看，无论是CCD还是 CMOS，其体积小型化及高像素化仍是业界积极 研发的目标。因为像素大则图像产品的分辨率越 高，清晰度越好，体积越小，其应用面更广泛。 • 从上述二种图像传感器解析度来看，未来将有 几年时间，以130万像素至200万像素为界，之上 的应用领域中，将仍以CCD主流，之下的产品中， 将开始以CMOS传感器为主流。目前已有300、 400万像素的CMOS上市。
CCD
• CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件， CMOS则应用于较低影像品质的产品中。 • 它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多， 这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电 源且价格便宜的原因。 • 尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两 者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源 的要求要高一些，但现在该问题已经基本得到解 决。目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英 寸。 • 在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。
传统CCD
• 传统CCD使用的是矩形的感光单元，而富 士公司2年前研制的“SuperCCD（超级蜂 窝结构）使用的是八边形的感光单元，使 用了蜂巢的八边形结构，因此其感光单元 面积要高于传统CCD。这样会获得三个好 处，一是可以提高CCD的感光度、二是提 高动态范围、三是提高了信噪比。这三个 优点加上SuperCCD更高的生成像素成为富 士公司在数码相机产品上的最大卖点。
CCD应用范围
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。
图像传感器PPT演示文稿
滤光片 透镜 固态图像 传感器
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光源（钨丝灯泡即可） 图 9.37 工件微小伤痕及污垢检测
图8.16 尺寸微小伤痕及污垢检测
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8.4 图像传感器
3. 月票自动发售机
顾客
申请单
CCD线
放
镜头
型图像
大
传感器
器
光源
纸
自动 誉写机
打
印
月
票
机
图 9.38 月票自动发售机结构组成
图8.17 月票自动发售机结构组成
8.4 图像传感器
图像传感器是20世纪70年代发展起来的一 种新型器件，它是利用光电器件的光电转换原 理，将其感光面上的光像转换成为与光像成相 应比例关系的电信号“图像”的一种器件。图 像传感器具有体积小、重量轻、析像度高、功 耗低和低电压驱动等优点，可探测可见光、紫 外光、x射线、红外光和电子轰击等，广泛应 用于图像识别和传送。本节着重介绍CCD 图像 传感器。
8
8.4 图像传感器
根据光敏元件排列形式的不同，CCD固态 图像传感器可分为线阵和面阵两种。
线阵是指在一块芯片上制造了紧密排列的 许多光敏元，它们排列成一条直线，感受一维 方向的光强变化；
面阵是指将光敏元件数目从256个到4096 个或更多；而在面阵中，光敏元的数目可以是 600 ×500（个），甚至4096 ×4096个以上。
1
8.4 图像传感器
8.4.1 图像传感器的敏感元件 图像传感器的敏感元件有CCD（信号
电荷耦合器件）、CID（信号电荷器件）、 BBD（戽链式器件）以及MOS（金属— 氧化物—半导体）等 。
2
8.4 图像传感器
图像传感器ppt课件
3、读出。在曝光完成后，RS会被 激活，PN结中的信号经过运放SF 放大后，读出到column bus。 4、循环。读出信号后，重新复位， 曝光，读出不断的输出图像信号。
图2.6 PN结像素结构
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为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
6.cmos传感器的动态范围
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2.2 CMOS传感器的像素结构
❖ 由于PPD像素结构在暗电流和噪声方面的优异表现，近 年来市面上的CMOS传感器都是以PPD结构为主。但是 ，PPD结构有4个晶体管，有的设计甚至有5个，这大大 降低了像素的填充因子（即感光区占整个像素面积的比 值），这会影响传感器的光电转换效率，进而影响传感 器的噪声表现。
图2.7 PPD像素结构
对于PPD，右边部分电路只是信号读出电路。读出电路与光电转换结 构通过TX完全隔开，这样可以将光感区的设计和读出电路完全隔离开 ，有利于各种信号处理电路的引入（如CDS，DDS等）。另外，PPD 感光区的设计采用的是p-n-p结构，减小了暗电流
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为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
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为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
2.2 CMOS传感器的像素结构
passivel Pixel噪声较大有2 个主要原因：
1、相对读出电路上的寄生电 容，PN结的电容相对较小。 代表其信号的电压差相对较小， 这导致其对电路噪声很敏感。 2、如图2.5(b)，PN结的信号， 先经过读出电路，才进行放大。 这种情况，注入到读出信号的 噪声会随着信号一起放大。
图2.6 PN结像素结构
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6.cmos传感器的动态范围
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2.2 CMOS传感器的像素结构
❖ 由于PPD像素结构在暗电流和噪声方面的优异表现，近 年来市面上的CMOS传感器都是以PPD结构为主。但是 ，PPD结构有4个晶体管，有的设计甚至有5个，这大大 降低了像素的填充因子（即感光区占整个像素面积的比 值），这会影响传感器的光电转换效率，进而影响传感 器的噪声表现。
图2.7 PPD像素结构
对于PPD，右边部分电路只是信号读出电路。读出电路与光电转换结 构通过TX完全隔开，这样可以将光感区的设计和读出电路完全隔离开 ，有利于各种信号处理电路的引入（如CDS，DDS等）。另外，PPD 感光区的设计采用的是p-n-p结构，减小了暗电流
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2.2 CMOS传感器的像素结构
passivel Pixel噪声较大有2 个主要原因：
1、相对读出电路上的寄生电 容，PN结的电容相对较小。 代表其信号的电压差相对较小， 这导致其对电路噪声很敏感。 2、如图2.5(b)，PN结的信号， 先经过读出电路，才进行放大。 这种情况，注入到读出信号的 噪声会随着信号一起放大。
ppt_CCD图像传感器.wps
ccd1969年美国贝尔实验室belllabs的维拉波义耳willardboyle和乔治史密斯georgeesmith发明了ccd维拉波义耳willardboyle和乔治史密斯georgeesmith1973年仙童公司制造出第一只商用ccd成像器件索尼ccd技术起步也较早于1980年制造出了第一部ccd彩色摄像机1999年富士公司研制出了第一代超级ccdsuperccd采用八角形的光电二极管和蜂窝状的像素排列使得在单位像素面积不减小的基础上增大了ccd的总面积它有更高的灵敏度更高的信号噪声比并有更广泛的动态范围
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）
典型线阵CCD图像传感器ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
第六讲
典型线阵CCD图像传感器
不同的线阵CCD具有不同的特点，适用于不同的 应用场合。
本章从应用的角度介绍几种典型线阵CCD的基本 结构、特性参数、驱动方式和应用特点。
TCD1209D优点：速度快;灵敏度高;动态范围宽; 像敏单元不均匀性好;功耗低;光谱响应范围宽
1) 光谱响应特性
光谱响应的峰值波长为550nm; 短波响应在400 nm处大于70%; 光谱响应的长波限在1100nm; （Si基底）
像敏单元不均匀性典型值为3%，双沟道线阵CCD达不到。
50%饱和曝光量作用下:
在的D0～D12。它们只是虚设的单元(在移位寄存器中有12组对应单元) 2）遮蔽的27个PD的作用？
获得暗电流等信息用于对有效信号处理 3）根据原理图请问CCD模拟移位寄存器的驱动电极至少多少？
（2048+27+13）×2 = 4176个。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
2 、TCD1209D的基本工作原理
TCD1209D的驱动脉冲波形图（掌握）
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
TCD1209D五路驱动脉冲组成及作用：
①转移脉冲SH（沟通/阻隔 PD 和 CCD；控制光积分时间） ②驱动脉冲CR1 （配合CR2把信号电荷从CCD右向左移动） ③驱动脉冲CR2（其中CR2B代表CCD移位寄存器的最后一个电极） ④复位脉冲RS（清除上一次未来得及转移走留在输出二极管中的电荷） ⑤缓冲控制脉冲CP（过滤掉输出信号的尖脉冲噪声）
第六讲
典型线阵CCD图像传感器
不同的线阵CCD具有不同的特点，适用于不同的 应用场合。
本章从应用的角度介绍几种典型线阵CCD的基本 结构、特性参数、驱动方式和应用特点。
TCD1209D优点：速度快;灵敏度高;动态范围宽; 像敏单元不均匀性好;功耗低;光谱响应范围宽
1) 光谱响应特性
光谱响应的峰值波长为550nm; 短波响应在400 nm处大于70%; 光谱响应的长波限在1100nm; （Si基底）
像敏单元不均匀性典型值为3%，双沟道线阵CCD达不到。
50%饱和曝光量作用下:
在的D0～D12。它们只是虚设的单元(在移位寄存器中有12组对应单元) 2）遮蔽的27个PD的作用？
获得暗电流等信息用于对有效信号处理 3）根据原理图请问CCD模拟移位寄存器的驱动电极至少多少？
（2048+27+13）×2 = 4176个。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
2 、TCD1209D的基本工作原理
TCD1209D的驱动脉冲波形图（掌握）
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
TCD1209D五路驱动脉冲组成及作用：
①转移脉冲SH（沟通/阻隔 PD 和 CCD；控制光积分时间） ②驱动脉冲CR1 （配合CR2把信号电荷从CCD右向左移动） ③驱动脉冲CR2（其中CR2B代表CCD移位寄存器的最后一个电极） ④复位脉冲RS（清除上一次未来得及转移走留在输出二极管中的电荷） ⑤缓冲控制脉冲CP（过滤掉输出信号的尖脉冲噪声）
CCD传感器教程 ppt课件
ppt课件
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CCD图像传感器的应用
线阵CCD在 扫描仪中的应用
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27
线阵CCD在图像扫描中的应用
风云一号卫星可以对 线阵CCD摄像机可用于 地球上空的云层分布 彩色印刷中的套色工艺监控
进行逐行扫描
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28
线阵CCD用于字符识别
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CCD数码照Leabharlann 机数码相机简称DC，它采用CCD作为光 电转换器件，将被摄物体的图像以数字形 式记录在存储器中。
在光学中指两种色光以适当地比例混合而能产生白色 感觉时，则这两种颜色就称为“互为补色”
三原色：红、绿、蓝 R、G、B
三补色：青、品、黄 C、M、Y
所谓一种原色的补色即为除此原色外另外两种原色的 和色。三原色中，红与绿的和色为黄，绿与蓝的和 色为青，红与蓝的和色为品。
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互为补色对照表 红
品红
黄
蓝
绿
青
ppt课件
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3. CCD感光层（第三层）
负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号 传送到影像处理芯片，将影像还原。
CCD芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。
目前我国尚无能力制造，市场上大部分摄像头采用的 是日本SONY、SHARP、松下、富士等公司生产的芯 片，现在韩国三星等也有能力生产，但质量就要稍逊 一筹。
一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零 照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等。 CCD对红外线的敏感度造成另 一种效应，各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很 容易拍到遥控器发出的红外线。
为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却，因室温下
CCD固态图像传感器传感器课件
对成像质量的影响
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
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
图像传感技术PPT课件
16
CCD图像传感器基本特征参数
1. 光电转换特性
CCD的光电转换特性具有良好的线性。特性曲线的
拐点G所对应的曝光量叫饱和曝光量SE，当曝光量
10
CCD的MOS结构及存储电荷原理
1.电荷的传输
为了保证信号电荷按确定路线转移，通常MOS电容阵 列栅极上所加脉冲电压为严格满足相位要求的二相、 三相或四相系统的时钟脉冲电压。
(a) 三相CCD的结构及工作原理 (b) 二相CCD的结构及工作原理
11
三相CCD的结构及工作原理
(1) 每一个像元，有两个相邻电极，每隔两个电极 的所有电极都接在一起，由3个相位相差120°的时 钟脉冲驱动，故称三相CCD。 (2) 电荷定向转移靠势阱的非对称性实现。靠时钟 脉冲电压的时序控制，来形成非对称势阱。
优点，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、内容丰富的可视图像信息 ▪ 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。 ▪ CCD是目前最为成熟，应用最为广泛的图像传感器，它的 典型产品有数码相机、摄像机等。
3
CCD图像传感器
❖CCD有两种基本类型：
不能复出，故又称为电子势阱。
8
CCD的MOS结构及存储电荷原理
当器件受到光照时，光子的能量被半导体吸收，产 生电子-空穴对，光生电子被吸引存储在势阱中，实 现了光和电的转换，光越强，势阱中收集的电子越 多，势阱中存储的电子不会因光照停止而消失，实 现了电荷的存储。
9
CCD的MOS结构及存储电荷原理
12
二相CCD的结构及工作原理
采用不对称的电极结构也可以引进不对称势阱，从而变成 二相驱动的CCD。目前实用CCD中多采用二相结构。实现 二相驱动的方法有：
CCD图像传感器基本特征参数
1. 光电转换特性
CCD的光电转换特性具有良好的线性。特性曲线的
拐点G所对应的曝光量叫饱和曝光量SE，当曝光量
10
CCD的MOS结构及存储电荷原理
1.电荷的传输
为了保证信号电荷按确定路线转移，通常MOS电容阵 列栅极上所加脉冲电压为严格满足相位要求的二相、 三相或四相系统的时钟脉冲电压。
(a) 三相CCD的结构及工作原理 (b) 二相CCD的结构及工作原理
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三相CCD的结构及工作原理
(1) 每一个像元，有两个相邻电极，每隔两个电极 的所有电极都接在一起，由3个相位相差120°的时 钟脉冲驱动，故称三相CCD。 (2) 电荷定向转移靠势阱的非对称性实现。靠时钟 脉冲电压的时序控制，来形成非对称势阱。
优点，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、内容丰富的可视图像信息 ▪ 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。 ▪ CCD是目前最为成熟，应用最为广泛的图像传感器，它的 典型产品有数码相机、摄像机等。
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CCD图像传感器
❖CCD有两种基本类型：
不能复出，故又称为电子势阱。
8
CCD的MOS结构及存储电荷原理
当器件受到光照时，光子的能量被半导体吸收，产 生电子-空穴对，光生电子被吸引存储在势阱中，实 现了光和电的转换，光越强，势阱中收集的电子越 多，势阱中存储的电子不会因光照停止而消失，实 现了电荷的存储。
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CCD的MOS结构及存储电荷原理
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二相CCD的结构及工作原理
采用不对称的电极结构也可以引进不对称势阱，从而变成 二相驱动的CCD。目前实用CCD中多采用二相结构。实现 二相驱动的方法有：
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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
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。
10
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
11
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）。
12
信号电荷的产生（示意图）
入射光
e-
22
4、信号电荷的检测
CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转 移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。
输出类型，主要有以下三种： 1）电流输出 2）浮置栅放大器输出 3）浮置扩散放大器输出
23
CCD工作过程示意图
3电荷转移
复位
2电荷存储 1电荷生成
半导体
背照明光输入
输出 4电荷检测
CCD传感器
CCD图像传感器
1
CCD图像传感器简介
ＣＣＤ（Charge Coupled Device ，感光耦合 组件简称）是贝尔实验室的W.S.Boyle和 G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、 信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且 集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图 像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应 用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消 费领域。
14
• 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。
17
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。
1
2
3 t1 t2 t3 t4 t5
7
CCD传感器的基本结构
• CCD基本结构分两部分： 1.MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列； 2.读出移位寄存器。 • 电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个
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。
8
MOS光敏元结构
MOS（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容器 是构成CCD的最基本单元。
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
ee-
MOS电容ห้องสมุดไป่ตู้器
入射光
e- e- e- e-
e-
e-
+Uth
e-
势阱
e-
MOS电容
器
16
• 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 半导体内延伸。
2
CCD实物
3
常见的基于CCD光电耦器件的设备
4
5
嫦娥二号携带的CCD立体摄像机
6
CCD图像传感器
• CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属— 氧化物—半导体）电容器组成的阵列。在P型或N 型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅 ,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶 硅电极（栅极）,形成规则的MOS电容器阵列，再 加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。
三个时钟脉冲的时序
18
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
19
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。 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。
e-
e-
e- e-
e- e光生电子
金属电极 氧化物
半导体
MOS电容器
13
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。
9
CCD分辨率
• 分辨率指的是ＣＣＤ中有多少像素，也就是ＣＣ Ｄ上有多少感光组件 ， 分辨率是图像传感器的重 要特性。 （像素=分辨率长宽数值相乘，如： 640X480=307200，就是30W像素）
• CCD分辨率主要取决于CCD芯片的像素数。 • 其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏
单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减 少将导致灵敏度的降低。
24
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。
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。
(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
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。
10
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
11
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）。
12
信号电荷的产生（示意图）
入射光
e-
22
4、信号电荷的检测
CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转 移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。
输出类型，主要有以下三种： 1）电流输出 2）浮置栅放大器输出 3）浮置扩散放大器输出
23
CCD工作过程示意图
3电荷转移
复位
2电荷存储 1电荷生成
半导体
背照明光输入
输出 4电荷检测
CCD传感器
CCD图像传感器
1
CCD图像传感器简介
ＣＣＤ（Charge Coupled Device ，感光耦合 组件简称）是贝尔实验室的W.S.Boyle和 G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、 信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且 集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图 像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应 用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消 费领域。
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• 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。
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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。
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2
3 t1 t2 t3 t4 t5
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CCD传感器的基本结构
• CCD基本结构分两部分： 1.MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列； 2.读出移位寄存器。 • 电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个
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。
8
MOS光敏元结构
MOS（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容器 是构成CCD的最基本单元。
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
ee-
MOS电容ห้องสมุดไป่ตู้器
入射光
e- e- e- e-
e-
e-
+Uth
e-
势阱
e-
MOS电容
器
16
• 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 半导体内延伸。
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CCD实物
3
常见的基于CCD光电耦器件的设备
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5
嫦娥二号携带的CCD立体摄像机
6
CCD图像传感器
• CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属— 氧化物—半导体）电容器组成的阵列。在P型或N 型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅 ,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶 硅电极（栅极）,形成规则的MOS电容器阵列，再 加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。
三个时钟脉冲的时序
18
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
19
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。 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。
e-
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e- e-
e- e光生电子
金属电极 氧化物
半导体
MOS电容器
13
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。
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CCD分辨率
• 分辨率指的是ＣＣＤ中有多少像素，也就是ＣＣ Ｄ上有多少感光组件 ， 分辨率是图像传感器的重 要特性。 （像素=分辨率长宽数值相乘，如： 640X480=307200，就是30W像素）
• CCD分辨率主要取决于CCD芯片的像素数。 • 其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏
单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减 少将导致灵敏度的降低。
24
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。
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。