CCD圖像傳感器wpsPPT課件

1、 CCD圖像傳感圖像傳感器器河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)第1頁(yè)/共15頁(yè)CCD（Charged Coupled Device）簡(jiǎn)介CCD全稱電荷耦合器件。它可以將“光”的信息轉(zhuǎn)換成“電”的信息，就是將光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD的原型是由高純度的硅及集成在周圍的電路組成的。每個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳遞到下一個(gè)像素中，并由最底端輸出且保存為數(shù)字信號(hào)。第2頁(yè)/共15頁(yè)CCD發(fā)展史1969年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLabs）的維拉波義耳（WillardBoyle）和喬治史密斯（George ESmith）發(fā)明了CCD維拉波義耳（WillardBoyle）和喬治史密斯（Geor

2、ge ESmith）1973年仙童公司制造出第一只商用CCD成像器件，索尼CCD技術(shù)起步也較早于1980年制造出了第一部CCD彩色攝像機(jī)，1999年富士公司研制出了第一代超級(jí)CCD（Super CCD），采用八角形的光電二極管和蜂窩狀的像素排列，使得在單位像素面積不減小的基礎(chǔ)上增大了CCD的總面積,它有更高的靈敏度、更高的信號(hào)噪聲比并有更廣泛的動(dòng)態(tài)范圍。 我國(guó)的CCD技術(shù)起步較晚。落后先進(jìn)國(guó)家10年以上。第3頁(yè)/共15頁(yè)CCD結(jié)構(gòu)示意圖 顯微鏡下的MOS元表面 一、CCD的結(jié)構(gòu)1.基本結(jié)構(gòu)CCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：（1）MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體） 光敏元陣列；電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百

3、上千（萬(wàn)）個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。（2）讀出移位寄存器。第4頁(yè)/共15頁(yè) 光敏單元對(duì)光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少.，取樣結(jié)束后各光敏元電荷由轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器的相應(yīng)單元中.移位寄存器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的作用下,將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端.將輸出信號(hào)接到示波器、圖象顯示器或其它信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備第5頁(yè)/共15頁(yè) CCD圖像傳感器的原理CCD光信息電脈沖脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱輸出脈沖的順序可以反映一個(gè)光敏元的位置完成圖像傳感第6頁(yè)/共15頁(yè)特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)基本功能：電荷的

4、存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作原理信號(hào)電荷的產(chǎn)生信號(hào)電荷的存貯信號(hào)電荷的傳輸信號(hào)電荷的檢測(cè)第7頁(yè)/共15頁(yè)(1)信號(hào)電荷的產(chǎn)生 半導(dǎo)體物理學(xué)知識(shí)告訴我們，熱或光的激發(fā)可在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，故半導(dǎo)體載流子有帶負(fù)電荷的電子，也有帶正電荷的空穴。P型半導(dǎo)體里空穴濃度高，為多數(shù)載流子，電子濃度少，為少數(shù)載流子，N型半導(dǎo)體則相反。，光越強(qiáng)，電子-空穴對(duì)越多，這樣光的強(qiáng)弱就與電子-空穴對(duì)的數(shù)量對(duì)應(yīng)起來(lái)，信號(hào)電荷產(chǎn)生了，光信號(hào)就轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。第8頁(yè)/共15頁(yè)v 當(dāng)金屬電極上加正電壓時(shí)，由于電場(chǎng)作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對(duì)電子而言，是一勢(shì)能很低的區(qū)域，稱“勢(shì)阱”。有光線入射到硅片上時(shí)，光

5、子作用下產(chǎn)生電子空穴對(duì)，空穴被電場(chǎng)作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢(shì)阱（俘獲），此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。(2)信號(hào)電荷的存儲(chǔ)第9頁(yè)/共15頁(yè)(3)(3)信號(hào)電荷的傳輸 CCD的基本功能是具有存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷的能力，故又稱它為動(dòng)態(tài)移位寄存器。實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移條件：首先，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)換，首先必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢(shì)阱相互溝通，即相互耦合。通常相鄰MOS電容電極間隙必須小于3m，甚至小至0.2 m以下。其次，根據(jù)加在MOS電容上的電壓越高，產(chǎn)生的勢(shì)阱越深的原理，通過(guò)控制相鄰MOSMOS電容柵極電壓高低來(lái)調(diào)節(jié)勢(shì)阱深淺，使信號(hào)電荷由勢(shì)阱淺的地方流向勢(shì)阱深

6、處。第三，在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。第10頁(yè)/共15頁(yè)電壓輸出方式電壓輸出方式浮置擴(kuò)散放大器浮置擴(kuò)散放大器(4)信號(hào)電荷的檢測(cè)第11頁(yè)/共15頁(yè)CCD器件的物理性能可以用特性參數(shù)來(lái)描述內(nèi)部參數(shù)內(nèi)部參數(shù)描述的是CCD存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷有關(guān)的特性,是器件理論設(shè)計(jì)的重要依據(jù)理論設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；外部參數(shù)外部參數(shù)描述的是與CCD應(yīng)用有關(guān)的性能指標(biāo)主要包括以下內(nèi)容：電荷轉(zhuǎn)移效率、轉(zhuǎn)移損失率、工作頻率、電荷存儲(chǔ)容量、靈敏度、分辨率。 特性第12頁(yè)/共15頁(yè)CCDCCD固態(tài)圖像傳感器作為攝像機(jī)或像敏器件，取代攝像裝置的光學(xué)掃描系統(tǒng)（電子束掃描），與其它攝像器件相比，尺寸小、價(jià)廉、工作電壓低、功耗小，且不需要高壓; ;作為機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)；M2AM2A攝影膠囊（Mouth anusMouth anus）, ,由發(fā)光二極管做光