固态图像传感器..
无人机传感器与检测技术 项目三 图像传感器认知
任务实施
1)实验室准备如图3-8所示的OV7670CMOS 图像传感器模块。 2)熟悉OV7670图像传感器模块，查阅资料， 汇报OV7670图像传感器的特性及各引脚含 义。 3)查阅资料，收集CMOS图像传感器模块的 种类、性能参数等资料，并填写表3-2。
图像清晰 不会烧伤感光面
CCD电容器阵列
移位寄存器
光敏元器件与移位寄存器分离式结构
单读式
光敏单元 转移栅
输出
移位寄存器
双读式
移位寄存器1 转移栅
移位寄存器2
输出 光敏单元
2048位MOS电容器线阵CCD内部框图
线阵CCD图像传感器的应用
扫描仪
字符识别
面阵CCD图像传感器的应用
数码摄像机
知识拓展
测量玻璃管的 直径与壁厚
2）作为光学信息处理装置的输入环节，可用于传真技术、 光学文字识别技术以及图像识别技术、传真、摄像等方面。
字符识别
车牌识别
3）作为自动流水线装置中的敏感器件，可用于机床、自 动售货机、自动搬运车以及自动监视装置等方面。
4）可作为机器人的视觉。
CCD图像传感器应用实例 医疗
项目三 图像传感器认知
图3-1 南半球上方火星影像
图3-2 北半球上方火星影像
项目描述
云台相机是航拍无人机不可或缺的设备之一，而图像 传感器则是云台相机的核心部件。图像传感器又称感光元 件，是利用传感器的光-电转换功能，将其感光面上的光信 号图像转换成与之成比例的电信号图像的一种功能器件。
固态图像传感器是由在单晶硅衬底上布设若干光敏单 元和移位寄存器集成制成功能化光电转移器件，光敏单元 也称为像素。一般可分为两种，一种是CCD，一种是CMOS。 无人机上搭载的云台相机一般为CMOS图像传感器，如DJI Inspire 2、DJI Phantom 4A/4P、Xiro Xplorer 4K上的云台相机 都搭载CMOS图像传感器。
固态图像传感器的作用及实际应用
文 字 识 别 技 术 等 方 面 。面 型 固 态 图 像 传 感 器 的 发 展 方
向 主 要 用 作 磁 带 录 像 的 小 型 照 相 机 。本 节 主 要 介 绍 线 型 ＣＣＤ 传 感 器 。
１ 概 述
掉 半 导体 衬 底 内 的 多 数 载 流 子 ， 成 “ 阱 ” 运 动 ， 形 势 的
进 而达 到 信 号 电 荷 （ 数 载 流 子 ） 转 移 。如 果 所 转 移 少 的 的 信 号 电荷 是 由 光 像 照 射 产 生 的 ， 则 ＣＣＤ 具 备 图 像 传 感 器 的 功 能 。若 所 转 移 的 电荷 通 过 外 界 注 入 方 式 得
将光强的空间分布转换 为与光强成 比例 的， 大小不等的电荷包空间分 布。然后利用移位寄存器的功能将这些 电荷包 在时钟脉冲控制下实现读取与输出 ， 形成一 系列幅值不等的时序脉冲序列 。 关键词 ：图像传感器；转换；图像；光敏 ； 空间
中 图分 类 号 ： Ｐ２ ２ Ｔ １ ． ９ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编号 ：０４ ｌ６ （０ １０ — ０ ２ ０ １０ 一 １８ ２ １ ）３０ ７— ３
间 分 布 转 换 为 与 光 强 成 比 例 的 、 小 不 等 的 电 荷 包 空 大
ＣＣＤ， ＯＳ线 型传 感器 以及 ＣＣＤ， Ｍ ＭＯＳ面型 传感 器 等。
线 型 固 态 图像 传 感 器 主 要 用 于 测 试 、 真 和 光 学 传
间 分 布 。然 后 利 用 移 位 寄 存 器 的 功 能 将 这 些 电荷 包 在
Ｃ ＣＤ） 是 固 态 图 像 传 感 器 的 敏 感 器 件 ， 与 普 通 的 ， ＭＯＳ、 Ｔ Ｔ Ｌ等 电路 一 样 ， 于 一 种 集 成 电 路 ， ＣＣＤ 属 但 具 有 光 电转 换 、 号 储 存 、 移 （ 输 ） 输 出 、 理 以 信 转 传 、 处 及 电子 快 门等 多 种 独 特 功 能 。 电 荷 耦 合 器 件 ＣＣＤ 的 基 本 原 理 是 在 一 系 列
固体图像传感器
微型镜头
• 由于开口率的限制，有效 感光面积受限，在每一像 素装置微小镜片。使感光 面积不再因为传感器的开 口面积而决定，而改由微 型镜片的表面积来决定。 如此一来，可以同时兼顾 单一像素的大小，又可在 规格上提高开口率，使感 光度大幅提升
0
0
d 2d
1 2d 分辨率（线对/ 毫米）
CCD分辨率
• CCD的分辨率： CCD的分辩率是用象素总数表示的。 设在水平方向上CCD感光有效长度是M毫米，在垂直方向 上CCD 感光有效长度是N毫米。 如果象素（最小感光单元称之为象素）的尺寸是m2 * n2， 那么在水平方向上的象素总数=M/m2，在垂直方向上的象 素总数=N/n2
电荷耦合
电荷包 a1→b1→c1→a2 从t1~t4电荷传输一个电极 从t1~t6电荷传输一位 自扫描：通过时钟脉冲的驱动完成信号电荷的传输
“电荷包”的转移：靠改变不同时刻，各电极上的电压来实现。 时钟脉冲：三相，二相，四相（与CCD结构对应）
电荷耦合
• 耗尽层的耦合：当两个金属栅极彼此足够靠近时， 其间隙下表面势将由两栅极上电位决定，从而形 成两个MOS电容器下耗尽层的耦合 • --使一个MOS电容器中存储的信号电荷能转移到下 一个MOS电容器中，通常电极间隙取0.1~0.2μ m
1 f 3 i
载流子的迁移率/电极长度，衬底 杂质的浓度、温度有关
1 f 3 g
CCD的特性参数
CMOS图像传感器的基础与应用
1.图像传感器的历史——从真空摄像管到CCD/CMOS图像传感器1.1 图像传感器的诞生在图像传感器出现前，胶片是唯一记录保存图像的工具，而胶片所保存的图像在远距离传输以及后期处理方面存在着难以逾越的障碍。
而图像传感器的目的是将拍摄的图像转化为电信号进行远距离传输、保存以及数字化保存和后期处理。
那么图像传感器又是何时出现在人们生活中的呢？最早登场的是1923年由V.K.兹沃雷金发明的光电摄像管，它是利用在真空中可自由操作电子运动的性质制作的。
如图1.1所示，在真空管中放置的云母板上面涂抹具有光电效应的铯（Cs），光线通过镜头在云母板上成像，此处产生的电荷，经等死放出的电子书进行扫描，取出信号电流。
此后，一个又一个的改良感光度的摄像管被发明，如超正析摄像管（1946年），光导摄像管，硒砷碲摄像管，雪崩倍增靶（HARP）摄像管等，逐渐担任产生电视图像的角色。
从原理可知，摄像管无法做到接通电源后立即工作，且工作电压高，功耗大，因燃烧寿命短等缺点。
在以后的日子里，摄像管会被固态图像传感器取代。
1.2 固态图像传感器（Solid-State Image Sensor）用于晶体管或者IC得Si（硅）等半导体材料，具有将接受的光转换成电的光电变换性质。
如果把单片IC基台的硅基板作为摄影面，并有规则的排列光电二极管（photodiode），然后依次将光电二极管的光电流以某种方式取出，则此基板具有了图像传感器的功能。
最早可以产生图像，以像素平面排列的固态图像传感器，其构造与目前的CCD不同。
例如发表于1966年的光敏晶体管平面排列的图像传感器；1967年发表了将光电二极管以平面矩阵排列，利用扫描脉冲与MOS晶体管，以XY地址方式取出信号的方法。
这种方法虽然实现了实用化，但在与CCD的竞争中失败，成为后来的CMOS传感器的原型。
1.3 CCD图像传感器1969年，CCD（Charge Coupled Device,电荷耦合器件）由美国贝尔实验室的维拉·博伊尔（Willard. S. Boyle）与乔治·史密斯（George. E. Smith）所发明，两位发明者也因此获得了2009年诺贝尔新物理学奖。
固态图像传感器、制造方法和电子设备[发明专利]
![固态图像传感器、制造方法和电子设备[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/bca92dfbcc7931b764ce15bf.png)
专利名称：固态图像传感器、制造方法和电子设备专利类型：发明专利
发明人：大理洋征龙
申请号：CN201480007805.7
申请日：20140228
公开号：CN104969353A
公开日：
20151007
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及固态图像传感器、制造方法和电子设备，所述固态图像传感器被构造成能够高精度地控制用于将电荷从光电转换器件向电荷保持区域传输的传输路径在传输方向上的杂质浓度。
光电二极管生成与入射光的光量对应的电荷且将这些电荷累积在内部。
存储部保持由所述光电二极管累积的所述电荷。
P型层将由所述光电二极管累积的所述电荷向所述存储部传输。
所述光电二极管、所述P型层和所述存储部沿垂直于硅基板的方向而被布置着。
本发明能够被应用于例如CMOS图像传感器。
申请人：索尼公司
地址：日本东京
国籍：JP
代理机构：北京信慧永光知识产权代理有限责任公司
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固态图像传感器及其应用研究
图像 传感 器 是 利 用 光 电器 件 的 光一 电转 换 功 能 ， 将 其感光 面上 的光 像转换 为 与光像 成相 应 比例关 系 的 电信 号“ 图像 ” 的一 种 功能 器 件 ． 固态 图像 传 感 器 是 指 在 同一半 导体衬 底上 布设 的若 干光敏 单元 与移 位 寄存
输 ）输 出 、 理 以及 电子 快 门等多 种独 特功 能 ． 、 处
謇 Ｉ ｌ
Ｉ － 信电 ＼ｆ… ＇ ｉ １ 号荷 …
＼
势 阱 ｆ） 阱 图 ｂ势
图 １ ＭＯ Ｓ电容 器 及 其 表 面 势 阱 概 念
电荷耦 合 器 件 的基 本 原 理 ， 在 一 系列 ＭｏＳ电 是 容器 金属 电极 上加 以适 当 的脉 冲 电 压 ， 斥掉 半 导 体 排 衬底 内 的多数 载流子 ， 形成 “ 阱 ” 势 的运动 ， 而达到 信 进 号电 荷 （ 少数 载 流子 ） 的转 移 ． 果 所 转 移 的信 号 电 荷 如
立 的． 固态 图像传 感器 利用 光敏单 元 的光 电转换 功能 ，
将投 射 到 光 敏 单 元 上 的 光 学 图 像 转 换 成 电信 号 “ 图
像 ” 即将 光强 的空 间分 布转 换 为 与 光 强成 比例 的 、 ， 大 小不 等 的电荷包 空 间分 布 ， 后 利 用 移 位 寄存 器 的功 然
Ｖｏ ． Ｉ３ ＮＯ． ３
Ｊ１ ２ ０ ｕ． ０ ７
固态 图像传 感器 及 其应 用 研 究
陈 东雷 ， 清元 张天顺 ，王 一 ，
（ 、 州大 学 能源 与动力 工程 学 院， 苏 扬 州 ２ ５ ０ ； ． 南农 业大 学 工程技 术 学院 ， １扬 江 ２ ０９ ２ 云 昆明 ６ ０ ０ ） ５ ２ １
固态传感器的工作原理
固态传感器的工作原理
固态传感器是一种用于检测物理量并将其转换为电信号的设备。
它们在许多应用中被广泛使用，例如汽车行业中的压力传感器和温度传感器，医疗行业中的血糖传感器，以及工业自动化中的位移传感器等。
固态传感器相对于传统的机械传感器更加稳定和可靠，因为它们没有运动部件，所以寿命更长且更容易维护。
基本上可以分为两种类型：电容型和电阻型。
1. 电容型传感器
电容型传感器通过监测物体与传感器之间的电容变化来检测物理量。
当物体接近传感器时，物体会改变传感器的电场分布，从而改变传感器的电容。
传感器将这种变化转换为电信号，进而可以测量物体与传感器之间的距离或其他物理量。
电容型传感器的一个常见应用是接近传感器。
当目标物体接近传感器时，电容会发生较大的变化，传感器可以检测到这种变化并输出信号。
这种原理也被用于触摸屏，当手指接近屏幕时会改变屏幕的电容，从而实现触摸的功能。
2. 电阻型传感器
电阻型传感器通过监测物体与传感器之间的电阻变化来检测物理量。
当物体接近传感器时，电阻会发生变化，传感器可以测量并转换这种变化为电信号。
电阻型传感器的一个常见应用是压力传感器。
当压力施加在传感器上时，传感器的电阻会发生变化，从而可以测量压力的大小。
另一个常见应用是温度传感器，当温度变化时，传感器的电阻也会发生变化，从而可以测量温度。
总的来说，固态传感器的工作原理是通过测量物体与传感器之间的电容或电阻变
化来检测物理量。
这种原理使得固态传感器具有稳定性高、寿命长、精度高等优点，因此在各行各业都得到了广泛的应用。
图像传感器
CMOS图像传感器属于新兴产品市场，其市场占有率变化不如成熟产业那般恒常不变，例如在1999年时，CMOS 市场中，按照出货比例排名依序为Agilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市场占有率分别为24%、22%、14% 和14%，其中STM是欧洲厂商，Hyundai是韩国厂商；但只经过一年后的市场竞争，Agilent和OmniVision出货排 名顺序仍然分居一、二，且市场占有率分别提升到37.7%和30.8%，而STM落居第四，市场占有率大幅滑落至4.8%， 至于Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市场占有率，值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成长，全球市场占 有率快速成长至13.7%，排名全球第三。这三家厂商出货量就占全球出货量的82.2%。从中可以分析，这个产业的 厂商集中度相当密集，所以观察上述三家厂商的动态和发展，可看出许产业和技术未来发展方向。
2014年初，美国Foveon公司公开展示了其最新发展的Foveon X3技术，立即引起业界的高度。Foveon X3是 全球第一款可以在一个像素上捕捉全部色彩的图像传感器阵列。传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感 应色彩信息，需要通过滤色镜来感应色彩信息，我们称之为Bayer滤镜。而Foveon X3在一个像素上通过不同的深 度来感应色彩，最表面一层感应蓝色、第二层可以感应绿色，第三层感应红色。它是根据硅对不同波长光线的吸 收效应来达到一个像素感应全部色彩信息，已经有了使用这种技术的CMOS图像传感器，其应用产品是“Sigma SD9”数码相机。
解析图像传感器的功能
解析图像传感器的功能固态图像传感器（Solid-state image sensor）也称之为成像器（Imager)，是一种将通过成像透镜形成的光学图像转换为电子信号的半导体器件。
通过调整它的结构与材料，图像传感器的感光范围很广，可从X射线到红外波长区域。
而人眼可见的光谱范围只有380nm-780nm，对应的是可见光传感器。
1. 光电转换若一定通量的光子以高于半导体带隙能量Eg的能量进入半导体，即在厚度为dx的区域中所吸收的光子数量与光子通量Φ(x)的数值成正比，这里x表示距离半导体表面的距离。
可见光图像传感器的材料多是硅，硅的带隙能量为1.1eV，所以波长短于1100nm的光会被吸收，并且发生光子到信号电荷的转换，而硅对波长超过1100nm的光本质上是透明的。
光子通量吸收的连续性方程如下：这里α是吸收系数，与波长相关。
边界条件为代入得可以看出，光子通量随着与表面距离的增大呈现指数衰减。
吸收的光子在半导体中产生电子-空穴对，其密度分布服从上式。
图1显示了硅的吸收系数与波长的关系。
图1：硅的吸收系数与波长的关系图2显示了光通量的吸收过程。
横坐标为穿透深度，即1/α，代表光通量衰减到1/e时的深度。
如图2所示，蓝光（450nm）的穿透深度仅为0.42um，而红光（600nm）的穿透深度已经增大为2.44um 了。
图2：光通量的吸收过程2.电荷收集与积累图3为一个反向偏置的光电二极管用作电荷收集器件的原理。
图3：反向偏置光电二极管图3中，p型区域接地，而n+区域首先被复位到一个正电压V R。
之后二极管保持反偏条件并进入浮空状态。
由于内建电场的作用，被光子激发出的电子倾向于在n+区域聚集，从而此区域的电势减小；同时，空穴流入地端。
在这种情况下，电子就是信号电荷。
数码相机领域的所有的CCD和CMOS图像传感器都工作在这种电荷积分模式下，这种模式由G.Weckler在1967年首次提出。
图4为一个反向偏置的MOS二极管用作电荷收集器件的原理。
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。
电子课件-《传感器及应用(第二版)》-B02-1472 模块七 图像检测
模块七 图像检测
３． 固态图像传感器的比较 CCD 传感器一般被认为具有以下优点。 （１） 高分辨率：像素大小为 μm 级，可感测及识别精 细物体，提高影像品质。 （２） 高灵敏度：CCD 具有很低的读出噪声和暗电流噪 声，信噪比高，从而具有高灵敏度。 （３） 动态范围广：可同时感知及分辨强光和弱光，提 高系统环境的使用范围。
模块七 图像检测
２． 图像检测系统的组成 图像检测系统是采用图像传感器摄取图像，利用转换 电路将其转化为数字信号，再用计算机软硬件对信号进行 处理得到需要的最终图像或通过识别、计算后获取进一步 信息的检测系统，其组成如图所示。
图像传感器在图像检测系统的组成
模块七 图像检测
３． 图像传感器 图像传感器是利用光敏元器件的光电转换功能，将元 器件感光面上感受到的光线图像转换为成一定比例关系的 电信号并做相应处理后输出的功能器件，它能够实现图像 信息的获取、转换和视觉功能的扩展。
模块七 图像检测
二、固态图像传感器
固态图像传感器如图所示，是数码相机、数码摄像机的 关键零件，因常用于摄像领域，又被称为摄像管。
固态图像传感器要求具有两个基本功能：一是具有把光 信号转换为电信号的作用；二是具有将平面图像上的像素进 行点阵取样，并将其按时间取出的扫描作用。
固态图像传感器
模块七 图像检测
模块七 图像检测
知识引入
光纤传感器（Fiber Optical Sensor，FOS）是 20 世 纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传 感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，与以 电为基础的传感器有着本质区别。
模块七 图像检测
知识讲解 一、光纤传递的基本知识
１． 光纤结构 光纤的结构如图所示，光纤呈圆柱形，它 由玻璃纤维芯 （纤芯） 和玻璃包皮 （包层） 两个同心圆柱的双层结构组成。纤芯位于光 纤的中心部位，光主要在此传输。 ２． 光纤导光原理 对于多模光纤，可以用几何光学的方法分 析光的传播现象。此时，光在两层结构之间 的界面上靠全反射进行传播.
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。
第13章固态图像传感器
第13章 固态图像传感器
13.1 电荷耦合器件（CCD）
D基本结构
显微镜下的MOS元表面
CCD基本结构分两部分：
➢ 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。
➢ 读出移位寄存器。
第13章 固态图像传感器
第13章 固态图像传感器
第13章 固态图像传感器
固态图像传感器由光敏元件阵列和电荷转 移器件集合而成。
敏感元件主要有三大类：
✓ 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即 CCD） ✓ 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） ✓ 电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即CID）
一个MOS光敏元结构
第13章 固态图像传感器
D工作原理
(2)电荷存储原理：
➢ 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 电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基 本原理。
CCD结构示意图
电 荷 耦 合 器 件 （ CCD ） 特 点 —— 以电荷作为信号。
CCD 的 基 本 功 能 —— 电 荷 存 储 和 电荷转移。
CCD工作过程——信号电荷的 产生、存储、传输和检测的过程。
5
D工作原理
(1)MOS的结构 一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底
高速摄像机的图像传感器的现状及发展趋势
图像传感器作为一种基础器件，因能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，并能给出直观、真实、层次多、内容丰富的可视图像信息，在现代社会中得到了越来越广泛地应用。
20世纪60年代以前，摄像是用各种电子束摄像管来实现，60年代后期，各种固态图像传感器得到了迅速的发展。
固态图像传感器主要分为两类：一类是电荷耦合式图像传感器（CCDS），它从70年代开始就一直在图像传感领域占据支配地位，如今在市场上依然保持着优势；另一类是CMOS图像传感器，虽在60年代就出现，但因其性能差，像素面积相对较大而没有被当时的市场所接受。
从90年代初开始，亚微米CMOS工艺的实用性、CMOS制造工艺的成熟和低噪声有源像素传感新概念的出现，都促成了现今高性能CMOS图像传感器的迅速发展。
在未来的电子消费市场里，人们需要的是一种高分辨率、高速、低功耗、低成本、小型化和高集成数字式的图像系统，而CCDS存在一些自身技术无法克服的缺点，因此，尚未成熟但更有发展空间的CMOS图像传感器设计日益得到人们的重视。
固态图像传感器是指将布设在半导体衬底上许多能实现光－电信号转换的小单元，用所控制的时钟脉冲实现读取的一类功能器件。
感光小单元简称为“像元”或“像点”。
它们本身在空间和电气上是彼此独立的。
固态图像传感器具有体积小、重量轻、解析度高、功耗低和可低电压驱动等优点，目前已广泛应用于电视、图像处理、测量、自动控制和机器人等领域。
图2.1是光导摄像管与固态图像传感器的基本原理的比较。
如图2.1（a）所示，当入射光信号照射到摄像管中间电极表面时，其上将产生与各点照射光量成比例的电位分布。
若用电子束扫描中间电极，负载R 上便会产生变化的放电电流。
由于光量不同而使负载电流发生变化，这就是所需的输出电信号。
而图2.1（ｂ）所示的固态图像传感器的输出信号的产生，不需外加扫描电子束，它可以直接由自扫描半导体衬底上诸像素而获得。
输出电信号与像素的位置对应，因而，再生图像失真度极小。
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
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
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固态图像传感器
图2-3 3个时钟脉冲的时序
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t2 时刻， Φ1 的高电平有所下降， Φ2 变为高电平， 而Φ3仍是低电平。这样在电极2下面势阱最深，且和电 极l下面势阱交迭，因此储存在电极1下面势阱中的电荷 逐渐扩散漂移到电极2下的势阱区。由于电极3上的高电 平无变化，因此扔高筑势垒，势阱里的电荷不能往电极 3下扩散或漂移。 t3 时刻 Φ1 变为低电平， Φ2 为高电平，这样电极 1 下 面的势阱完全被撤除而成为阱壁，电荷转移到电极 2 下 的势阱内。由于电极 3 下仍是阱壁，因此不能继续前进， 这样便完成了电荷由电极 1下转移到电极2下的一次转移， 如图2-4所示。
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经过多次试验，贝尔实验室的波意耳 （W.S.Boyle)和史密斯（G.E.Smith)于1970年终于解 决了上述难题。他们采用一种高感光度的半导体材料， 将光线照射导致的电信号变化转换成数字信号，使得 其高效存储﹑编辑﹑传输都成为可能。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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内容提要
第一节 概述 第二节 固态图像传感器的分类及其原理 第三节 固态图像传感器的应用
学习目标
掌握固态图像传感器的基本特点和 CCD 传感器的工作原理；熟悉固态图像传感器的 应用。
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一.概述
定义： 固态图像传感器是指在同一块半导体衬底 上，生成若干个光敏单元与移位寄存器构成一体的集成 光电器件，按空间分布的光强信息转换成按时序串行输 出的电信号。是一种集成化、功能化的光电器件。 光敏单元又称为“像素”或“像点”， 不同的光 敏单元在空间上、电气上彼此独立。每个光敏单元将自 身感受到的光强信息转换为电信号，众多的光敏单元一 起工作，即把入射到传感器整个光敏面上按空间分布的 光学图像转换为按时序输出的电信号“图像”，这些电 信号经适当的处理，能再现入射的光辐射图像。
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图2-4 完成一次转移的过程
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(3) 输入输出
CCD 的输入实际上是对光信号或电信号进行电荷 取样，并把取样的电荷存储于 CCD 的势阱中，然后在 时钟脉冲的作用下，把这些电荷转移到 CCD 的输出端。 信号的输入有光注入和电注入两种方式。 CCD 作摄像 光敏器件时，其信号电荷由光注入产生。器件受光照射 时，光被半导体吸收，产生电子 - 空穴对，这时少数载 流子被收集到较深的势阱中。光照越强，产生的电子 空穴对越多，势阱中收集的电子也越多；反之亦然。就 是说，势阱中收集的电子电多荷的少反映了光的强弱， 从而可以反映图像的明暗程度，这样就实现了光信号与 电信号之间的转换。
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一个 MOS 光敏单元称为一个像素，通常的 CCD 器 件是在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立排列规 则的 MOS 光敏元，即光敏元阵列，然后在光线照射下 产生光生载流子的信号电荷，这一过程称为光电转换， 再使其具备转移信号电荷的自扫描功能，即构成 CCD 固态图像传感器。
如图2-5(a)所示为MOS光敏单元示意图，如2-5(b)所 示为CCD的单元阵列示意图。
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图2-6 单通道线型图像传感器的结构
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为了减少信号电荷在转移过程中的损失，转移的次 数应尽量少，因此，通常采用双通道式固态图像传感器。 双通道式固态图像传感器如图 2-7 所示，有两个移位寄 存器平行地配置在感光区两测。当光生信号电荷积累后， 时钟脉冲接通转移栅。信号电荷就转移到移位寄存器。 奇数光敏单元中的电荷转移到 A寄存器，偶数单元转移 到B寄存器。这样每个电荷包的传输次数减少了一半， 降低了器件的传输损失，也缩短了器件尺寸。
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图2-7 双通道线型图像传感器的结构
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(2) 面阵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，即可以构成面型CCD图像传感器。 按传输方式的不同，面阵CCD图像传感器常用的两种 传输结构为行间传输结构和场传输结构。 如图2-8所示为行间传输面阵CCD结构图。它是由 光敏单元阵列构成的光敏面、垂直移位寄存器、转移 栅和水平移位寄存器组成。光敏单元与垂直寄存单元 相隔排列，即一列感光元件，一列不透光的存储元件， 一一对应，两者之间由转移栅控制，下部是一个水平 读出移位寄存器。
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“CCD是数码相机的电 子眼,它革新了摄影术。 现在光可以被电子化记 录,取代了胶片。这一数 字形式极大地方便了对 图像的处理和发送。无 论是我们大海中深邃之 地,还是宇宙中的遥远之 处,它都能给我们带来水 晶般清晰的影像”。
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1970年，Boyle(左)和Smith(右)在测试用最初状 态的CCD元件组装的简易拍摄装置。
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CCD图像传感器
D的基本介绍
CCD(Charge Coupled Devices)即电荷耦合器件， 它的发明是应用爱因斯坦有关光电效应理论的结果， 即光照射到某些物质上，能够引起物质的电性质发生 变化。但是从理论到实践，道路却并不平坦。科学家 遇到的最大挑战在于如何在很短的时间内，将每一个 点上因为光照二产生改变的大量电信号采集并且辨别 出来。
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图2-2 MOS电容器原理结构图
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表面势V是一个非常重要的物理量。在如图2-3所 示的情况下，若所加U不超过某限定值时，则表面势为
qN A Vi Xd 2 s 0
式中 q——电子电荷； N ——单位面积受阻浓度； X ——耗尽层厚度； s ——Si的介电常数； 0 ——真空介电常数。 如果衬底是N型硅，则在电极上加负电压，可达 到同样目的。
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图2-1 CCD芯片的构造
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D的基本原理 (1)MOS的基本结构与原理
CCD的基本原理是在一系列MOS电容器金属电极上， 加以适当的脉冲电压，排斥掉半导体村底内的多数载流 子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷(少数载流 子 ) 的转移。由此可知， CCD 的基本原理与 MOS 电容器 的物理机理密切相关。因此，首先分析MOS电容器的原 理。
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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是 一种新型的MOS型半导体器件，是在N型或P型硅衬 底上生长一薄层二氧化硅，然后在二氧化硅薄层上 依一定次序沉积金属电极，形成规则排列的金属氧 化物（MOS）电容器阵列,再根据不同要求加上输 入输出端，就构成了CCD。如图2-1所示为64位 CCD结构，每个光敏元（像素）对应3个相邻的转 移栅电极1、2、3，所有电极彼此间离得足够近， 以保证硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转 移。
A
d
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(2) 转移栅实行转移的工作原理 下面以三相CCD为例，介绍转移栅实行转移的工作 原理。 如图 2-3 所示为 3 个时钟脉冲的时序图，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 Φ 2 、 Φ 3 。这 3 个时钟脉冲在时序上相互交 叠。。 t1 时刻 Φ 1 是高电平，于是在电极 1 下形成势阱，并 将少数载流子 ( 电子 ) 吸引至聚集在 Si — Si02 界面处，而 电极2、3却因为加的是低电平，形象地称为垒起阱壁。 如图 2-1 所示，第 62 、 64 位光敏元受光，而第 1 、 2 、 63 位等单元未受光照。
组成：
物镜 固体图像传感器 固体图像敏感器件 驱动电路 信息处理电路
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工作原理如图1-1所示。 成像 物镜 敏感器件 扫描、移动 驱动电路 脉 冲 信 号 信息处理电路
放大和处理
需要的信号
图1-1 固体图像传感器工作原理图
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二.固态图像传感器的分类及其原理
分类：
从使用观点，可将固态图像分为线型和面型固 、 态两类。线型固态图像传感器主要用于测试、传真 和光学文字识别技术等方面，面型固态图像传感器 的发展方向主要用作磁带录像的小型照相机。根据 所用的敏感器件不同，又可分为 CCD传感器 、CID 传感器、 SSPD 传感器、 CCPD 传感器等。其中， CCD是应用最广泛的一种。
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如图2-2所示为热氧化P型Si衬底上沉积金属而构成 的MOS电容器的单元结构图，若在某一时刻给它的金属 电极加上正向电压U，P-Si中的多数载流子(此时是空穴) 便会受到排斥，于是在Si表面处就会形成一个耗尽区。 这个耗尽区与普通的 PN 结一样．同样也是电离受阻构 成的空间电荷区。并且在一定条件下，U越大，耗尽层 就越深。这时，Si 表面吸收少数载流子( 此时是电子) 的 势(即表面势V)也就越大。显而易见，这时的MOS电容 器所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。据此，恰好 可以利用“表面势阱”(简称势阱)这一形象比喻来说明 MOS电容器在V作用下存储(信号)电荷的能力。
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图2-5 CCD构成图 （a）MOS光敏单元 （b）CCD单元列阵
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D的分类
CCD图像传感器按其像素的空间排列可分为两大类： 一是线阵 CCD，主要用于一维尺寸的自动检测，如测量 精确的位移量、空间尺寸等，也可以由线阵 CCD通过附 加的机械扫描，得到二维图像，用以实现字符、图像的 识别。二是面阵CCD，主要用于实时摄像，如生产线上 工件的装配控制、可视电话以及空间遥感遥测、航空摄 影等。
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光敏单元在光积分结束时，在转移栅控制下，电 荷包并行转移至垂直寄存器中暂存，然后每行信号依 次从水平移位寄存器输出。这种器件操作简单，图像 清晰，因此，单片式彩色摄像机大多采用这种器件。
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图2-8 水平移位寄存器