ccd图像传感器基础知识
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
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
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。
典型线阵CCD图像传感器
三、具有积分时间调整功能(电子快门)的线阵CCD-如何实现？
在光照度较低/较强时的情况下，可以通过增长/缩短光积 分时间的方式使输出信号达到所希望的幅度；
积分时间的调整功能对于CCD的应用是非常重要的。 TCD1205D为具有积分时间调整功能的线阵CCD器件。
广泛应用在条码扫描识别等光电输入设备。
2、TCD1205D的基本工作原理 ——方案一
在一个转移脉冲SH周期中，只有在光积分电极ICG为高电平期间光积分栅 才能建立起深势阱，也才能进行光积分。
2、TCD1205D的基本工作原理 ——改变积分时间方案二
一个行周期中两次转移
一个行读出周期中设置两个转移脉冲SH： 第1个转移脉冲的高电平对应于移位寄存器驱动脉冲CR1的
3、TCD1205D的特性参数
动态范围 DR 偏 低 ， 一般只适用 于光电数字 扫描输入， 不适用于分 辨率要求较 高的图像扫 描输入。
四、并行输出的线阵CCD
并行输出的线阵CCD在相同频率驱动脉冲的作用下可以获得 更高的信号输出速率，这在用线阵CCD检测高速运动物体图像 的应用中具有非常重要的作用。
光电二极管的数量为：2160+(74-12)=2222。 存储栅：存储光生电荷的MOS电容存储阵列。
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2、 TCD1206SUP的工作原理
四路驱动脉冲：SH、CR1、CR2、RS； 驱动电路的产生可仿照TCD1209D实现；
TCD1206SUP与1209D的不同点：
OS端总共输出2236个信号，由于两列并行传输。所以一个 SH周期至少要有2236/2=1118个 驱动脉冲CR1的周期
低电平，使移位寄存器CR1电极不形成深势阱，光积分电极下 积累的信号电荷无法倒入CR1电极，即无法将信号电荷转移到 移位寄存器中，从而之前积累的信号电荷白白地倒掉。
《CCD基础知识》PPT课件
然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而暂存区则利用这个时间，将电荷包一 次一行地转移给CCD移位寄存器，变为串行信号输出。当CCD移位寄存器将其 中的电荷包输出完了以后，暂存区里的电荷包再向下移动一行给CCD移位寄存器。 当暂存区中的电荷包全部转移完毕后，再进行第二帧转移。
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CCD的应用
三相CCD的时钟波形刚好互相错开T/3周期，因此时钟电压波形每变化T/3周期，电荷
包就要转移过一个极板，每变化一个周期整理，p即pt 转移过三个极板。
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输出装置：在靠近最右电极的一侧扩散一个N区作为收集区，它与衬底
之间形成一个PN结。电源E通过R加在该结的两端，使它处于反偏状态。
该收集区收集最后一个电极cn下的电子，在电阻R上就有电流流过，并 转换成电压的变化，输出一个脉冲。注意输出是串行的。
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CCD以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就成为 其最重要的性能之一。把一次转移之后，到达下一个势阱中 的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率（CTE）
好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般可达0.999995[3]，所 以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。
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从而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地 方流动。
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对于多电极，如图在二氧化硅表面排
列多个金属电极a1、b1、c1；﹍an、 bn、cn等，每三个电极如a1、b1、c1 组成一个传输单元，在三个电极上分
别加上三相脉冲电压Ua、Ub、Uc， 它们的波形如图。
金属电极上所加正电压越大．金属 电极下的电场越强，多数载流子空 穴被排斥的耗尽层越厚，对少数载 流子电子则势阱越深
CCD图像传感器课件
CCD实物
•CCD图像传感器课件
常见的基于CCD光电耦器件的设备
•CCD图像传感器课件
•CCD图像传感器课件
嫦娥二号携带的CCD立体摄像机
•CCD图像传感器课件
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图像传感器课件
• 自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视 装置、指纹机；
• 作为机器人视觉系统；
• 用于传真技术，文字、图象 、 车 牌 识别。例如用 CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作 用；
• 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。
3 t1 t2 t3 t4 t5
三个时钟脉冲的时序
•CCD图像传感器课件
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
•CCD图像传感器课件
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。
•CCD图像传感器课件
(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
CCD图像传感器详解(精品文档)_共11页
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SiO2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SiO2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SiO2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。
当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。
CCD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,就是70年代发展起来的新型半导体器件。
它就是在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、信息存贮与传输等功能,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、信息存贮与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、转换与视觉功能的扩展,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与自动控制系统。
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的基本单元就是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SiO2上淀积一层金属为栅极,P 型硅里的多数载流子就是带正电荷的空穴,少数载流子就是带负电荷的电子,当金属电极上施加正电压时,其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。
于就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SiO2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。
当器件受到光照时(光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入,或经衬底的薄P型硅射入),光子的能量被半导体吸收,产生电子-空穴对,这时出现的电子被吸引存贮在势阱中,这些电子就是可以传导的。
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
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。
一文了解CCD图像传感器-设计应用
一文了解CCD图像传感器-设计应用CCD(Charge Coupled Device)图像传感器由CCD电荷耦合器件制成，是固态图像传感器的一种，是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1969年发明的新型半导体传感器。
它是在MOS集成电路的基础上发展起来的，能进行图像信息的光电转换、存储、延时和按顺序传送。
它的集成度高、功耗小、结构简单、耐冲击、寿命长、性能稳定，因面应用广泛。
D电荷耦合器件CCD电荷耦合器件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，其构造如图7—14所示。
在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约1200A）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电极，称为栅极。
该栅极和P型（或N型）硅衬底形成了规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管构成了CCD电荷耦合器件芯片。
每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件，如图7—15所示。
当光照射到MOS电容器的P型硅衬底上时，会产生电子空穴对（光生电荷），电子被栅极吸引并存储在势阱中。
入射光越强，产生的光生电子—空穴对越多，势阱中收集到的电子就在CCD芯片上同时集成了扫描电路，它们能在外加时钟脉冲的控制下，产生三相时序脉冲信号，由左到右，由上到下，将存储在整个面阵的光电元件下面的电荷逐位、逐行、快速地以串行模拟脉冲信号输出。
输出的模拟脉冲信号可以转换为数字信号存储，也可以输入视频显示器显示出原始图像。
2.应用范围CCD图像传感器单位面积光电元件的位数很多，一个光电元件形成一个像素，成像分辨率高、信噪比大、动态范围大，可以在微光下工作。
彩色图像传感器采用三个光电二极管组成一个像素的方法。
被测景物图像的每一个光点由彩色矩阵滤光片分解为红、绿、蓝三个光点，分别照射到每一个像素的三个光电二极管上，各自产生的光生电荷分别代表该像素的红、绿、蓝三个光点的亮度。
经输出和传输后，可在显示器上重新组合，显示出每一个像素的原始色彩，这就构成了彩色图像传感器。
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。
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。
8.5 CCD图像传感器
7
第8章 光电传感器 这时,硅表面吸收少数载流子（电子）的势也就越大,耗 尽区越深。对于带负电的电子来说,耗尽区是个势能很低的 区域,称为电子“势阱”,如图8.18所示。势阱具有存储电子 （电荷）的功能,每一个加正电压的电极下就是一个势阱。 通常将表面势阱中的自由电荷称为电荷包。势阱的深度取决
16
第8章 光电传感器
图8.22 电荷电流输出
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压作用下,CCD器件上位于 1 下若干互相独立的MOS
元就会形成众多相互独立的势阱。若照射在这些光敏 元上是一幅明暗不同的图像,那么这些光敏元就会感生
出一幅光照强度相应的光生电荷图像,一幅光图像就转
变成了电图像。
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第8章 光电传感器 为了读出存放在CCD中的电图像,在顺序排列的电 极上施加交替变化的三相时钟脉冲驱动电压。在t=t2时,
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第8章 光电传感器 3. 电荷耦合
CCD器件有二相、三相、
四相等几种时钟脉冲驱动的 结构形式。其中，最方便的
是由三相时钟脉冲驱动的
CCD 器 件 , 如 图 8.20 所 示 。 在 三 相 结 构 CCD 中 , 三个电极组成一个单元 ,形 成一个像素。三个不同的脉 冲驱动电压按图8.20(b)所示 的时序提供,以保证形成空 间电荷区的相对时序。 图8.20 三相时钟脉冲驱动的电荷转移
MOS光敏元阵列；
读出移位寄存器。 电荷耦合器件是在半导体硅片上
显微镜下的MOS元表面
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。 CCD结构示意图
3
第8章 光电传感器 电荷存储原理： 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
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
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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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由于CCD有数字输出每个像素的特点， 因此在像素边缘产生的渐进输出所造成的错 误会影响精确度的进一步提高。KEYENCE 开发了一种Li-CCD 作为对策，这种CCD能 够以一个像素输出反射光的位置，在精确性 方面极为出色，是传统型号的两倍。此外， 传感器还使用了专门的设计，速度和灵敏度 分别是传统型号的25倍和10倍 * Li-CCD= 直线性CCD
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。
IL-P1-4096 原理及组成
◇原理 根据传感器光敏单元（像素）上的感光 变化，将对象图像的感光变化转化为电荷包。 电荷包中电子的个数是由感光强度和CCD器 件的光积分时间决定的。电荷包被收集到独 立的存储井中，然后用像素复位时钟来控制 CCD器件的积分和曝光时间。
◇组成
IL-PI系列传感器内部由三大主要功能块组成： 光电二极管、 CCD读出移位寄存器和输出放大器。 其中光电二极管用来生成信号电荷包，输出放大器 用来将电荷转化为电压脉冲。 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%。。
5.
大面积感光（Large Field of View）：利 用半导体技术已可制造大面积的ＣＣＤD晶 片，目前与传统底片尺寸相当的35mm的Ｃ ＣＤ已经开始应用在数码相机中，成为取代 专业有利光学相机的关键元件；光谱响应广 （Broad Spectral Response）：能检测很宽 波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系 统应用领域；
测量原理
高精度测量的Li-CCD
的原理 使用了三角形测量法。反射光在Li-CCD 上的位置随着目标物位置的改变而改变，通 过检测该变化就可以测量物体的位移量。 如图所示
超精度
- LK-G10/G15 系列 超精度传感器，解析度高达0.01µm 如图所示
高精度
- LK-G30/G35 系列 可准确测量透明物体，塑料和金属制品。 如图所示
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。
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
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；
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。
10.
CCD传感器的应用
★高速线阵CCD IL-P1-4096
主要特点 高速线阵CCD IL-P1-4096是加拿DALSA 公司生产的IL-P1系列图像传感器中的一种。 该器件的像素尺寸是10μm×μm、像素线阵 长度为41mm、相邻像素间距也是10μm。线 阵列的像素共有4096个，分两路输出。
IL-P1-4096的主要性能参数如下：
· 双相输出，每相输出数据频率为25MHz； · 线扫描速率为87kHz； · 可使用低压时序信号，时序信号电压小于5V； · 像素尺寸为10μm×10μm； · 每行4096个像素点； · 动态响应范围大于3200：1； · 灵敏度高，响应可达到12V（uJ/cm2）; · 采用15V电压供电； · 每行孤立像素为14个； · 每行屏蔽像素为32个。
6.
低影像失真（Low Image Distortion）： 使用CCD感测器，其影像处理不会有失真的 情形，使原物体资讯忠实地反应出
体积小、重量轻：CCD具备体积小且重 量轻的特性，因此，可容易地装置在人造卫 星及各式导航系统上；
7.
8.
9.
低秏电力，不受强电磁场影响；
电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪 比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将 变较模糊； 可大批量生产，品质稳定，坚固，不易 老化，使用方便及保养容易。
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：
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 。
★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 的两倍之多
超长距离
- LK-G500/G505 系列 高精度、高速、超大范围。传统型号之 1.5倍大范围量测：最远达1000mm 如图所示
50 kHz的超高采样速度
[所有类型: LKG10/15/30/35/80/85/150/155/400/405/500/505]
如图所示是IL-P1-4096的具体应用电路。 从CPLD发送过来的基本时时钟信号可通过简 单电路进行相位校正并提供驱动电流，然后 再送入CCD芯片。在Osn的输出端。电路可 通过几个三极管组成的恒流源来提供CCD所 需要的8mA驱动电流。 CPLD和IL-P1-4096要尽可能靠近，直流 电源的纹波最好不要超过10mV。选用比较低 的频率来控制IL-P1-4096的工作，然后渐升 高工作频率。
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；
高稳定性
- LK-G80/G85系列 （多种用途 ） 新技术在需要长距离测量的情况下为高 精度的应用提供了更好的稳定性 如图所示
长距离
- LK-G150/G155 系列 集高精度、长距离和最快的采样速度于 一身测量范围∶150 ±40 mm 如图所示
高速、长距离
- LK-G400/G405 系列 集高精度、长距离和最快的采样速度于 一身测量范围∶400 ±100 mm 如图所示