CCD图像传感器PPT课件
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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。
2
CCD实物
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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。
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。
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
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。
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。
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-
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。
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 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。
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
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。
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。
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。
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CCD实物
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
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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。
CCD图像传感器
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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。
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。
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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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3 t1 t2 t3 t4 t5
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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。
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。
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-
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。
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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-
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
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• 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。
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
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
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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。
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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。
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MOS光敏元结构
MOS（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容器 是构成CCD的最基本单元。