電荷耦合器件(CCD)介紹和工作原理

1、電荷耦合器件(CCD)介紹和工作原理Charge Coupled Device)名詞解釋電荷耦合器件(CCD) 電荷耦合器件(CCD)是典型的固體圖象傳感器，其主要功能是將其表面接收到的光強信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?目前的數(shù)碼相機、攝像機、掃描儀、廣播電視、可視 和無線電 中大多采用CCD作為圖像采集器件，是這些電子產(chǎn)品的核心。 CCD的成像基本單位被叫做像素，當它用于圖像采集時，通常與光學鏡頭配合使用，由光學鏡頭將圖像投影到CCD表面，再由CCD將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；當它應用在生產(chǎn)過程自動檢測和控制等領域時，可以直接應用而不配套鏡頭。 它是1970年貝爾實驗室的WSBoyle和GESmith發(fā)明的

2、。Willard Sterling Boyle Willard.S Boyle 威拉德博伊爾1924年8月19日出生簡介:1924年出生於加拿大Amherst擁有加拿大和美國國籍。1950年從加拿大麥吉爾大學獲得物理學博士學位 因CCD獲2009年度諾貝爾物理學獎，70萬美金的獎金。 電荷耦合器件(CCD)的發(fā)明者填空George Elwood SmithGeorge Elwood Smith喬治 史密斯 1930年5月10日簡介:1930年出生于美國白原市（White Plains）美國國籍。1959年從芝加哥大學獲得物理學博士學位。 因CCD獲2009年度諾貝爾物理學獎，70萬美金的獎金。

3、電荷耦合器件(CCD)的發(fā)明者填空CCD簡介 CCD 供應商Dalsae2v technologiesFairchild ImagingHamamatsu Photonics Characteristics and use of FFT-CCDKodakPanasonicSonyTexas InstrumentsToshibaCCD原理簡介電荷耦合元件（CCD，Charge-coupled Device）是一種集成電路，上有許多排列整齊的細小的半導體結(jié)構(gòu)，為了便于理解我們簡單將其比喻為電容，這些電容能感應光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電

4、容。這些小的半導體結(jié)構(gòu)用通俗的語言來說就是像素單元，用科學語言將叫做光敏元。CCD原理簡介電荷耦合器件的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)元件是以電流或者電壓為信號。所以CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。它存儲由光或電激勵產(chǎn)生的信號電荷，當對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸。 CCD工作過程的核心技術是信號電荷的產(chǎn)生，存儲，傳輸，和檢測。CCD 的基本結(jié)構(gòu)應包含轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號輸入結(jié)構(gòu)和信號檢測結(jié)構(gòu)。填空我們先來了解CCD的光敏元。它的基礎是金屬氧化物硅MOS電容器CCD的基本光敏元(電荷存儲)CCD的單元結(jié)構(gòu)P型半導體多數(shù)載流

5、子為空穴加正電壓，電子做信號P 型溝道CCDMetal Oxide Semiconductor把勢阱想成一個桶接地返回填空CCD的基本光敏元(電荷存儲)CCD的信號來源(光注入)當光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的半導體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。光注入方式又可分為正面照射式與背面照射式。由于正面有光柵電極，會對光有遮擋，因此絕大多數(shù)都采用背面照射。想象為存貯在桶底上的流體信號電荷填空CCD的信號來源(電注入)所謂電注入就是CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或者電流進行采樣，然后將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。電注入的方法很多，這里只介紹

6、兩種常用的電流注入法和電壓注入法。目前已經(jīng)不再采用這種方法了，這種功能現(xiàn)在有獨立的器件A/D轉(zhuǎn)換器，即模/數(shù)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。CCD的勢阱光敏元之中的勢阱深度與兩方面的因素有關：柵極電壓和反型層電荷量。柵極電壓越大勢阱越深。反型層電荷越多，勢阱越淺。(可以認為是反型層電荷抵消了一部分柵極電壓)CCD的單元結(jié)構(gòu)N型半導體多數(shù)載流子為電子加負電壓N型溝道CCD 半導體也可采用N型半導體，如下圖所示。很薄約1200A。接地CCD的信號轉(zhuǎn)移 CCD圖象傳感器實際上是由由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成，光敏元件也參與電荷轉(zhuǎn)移。一般來說每個光敏元有三個相鄰的轉(zhuǎn)移電極1、2、3，所有電極彼此離得足夠近，以使

7、硅表面的耗盡區(qū)和電荷的勢阱交疊，能夠耦合及電荷轉(zhuǎn)移。 CCD的MOS結(jié)構(gòu)P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向123輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管 SiO2 CCD中電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進電極的步進控制方式。CCD的重要特性之一是信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時鐘脈沖沒有任何電容耦合，不會受到干擾。下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。電荷轉(zhuǎn)移過程t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7簡答或論述 CCD中電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進電極的步進控制方式。下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。 第一時刻，即初始狀態(tài)時，第一電極外加高電平，其它電極外加低電平，此時只有第一電

8、極下方具有深勢阱，信號電荷存儲于第一電極下方。第二時刻，第一電極和第二電極外加高電平，第三電極外加低電平，第二電極下產(chǎn)生深勢阱并與第一電極下的勢阱連通，信號電荷變?yōu)楣灿小５谌龝r刻，保持第二電極高電壓，第三電極低電壓，將第一電極轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷海谝浑姌O下的勢阱消失的過程中，信號電荷全部轉(zhuǎn)移到第二電極下的勢阱中，完成了一次完整的信號轉(zhuǎn)移過程。將第一電極、第二電極更換為任意兩個相鄰電極重復上述三步，都可完成電荷轉(zhuǎn)移。第三電極的存在確保了電荷的定向轉(zhuǎn)移。 CCD也存在二相的電荷轉(zhuǎn)移方式，在這種方式中設計了不對稱的電極結(jié)構(gòu)，可以保證電荷轉(zhuǎn)移的定向性。CCD的信號輸出(電荷的檢測) 目前CCD的輸出方式主要

9、有電流輸出、浮置擴散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。 當信號電荷在轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動下向右轉(zhuǎn)移到末級電極（圖中CR2電極）下的勢阱中后，CR2電極上的電壓由高變低時，由于勢阱提高，信號電荷將進入輸出柵（圖中N+區(qū)）。由UD+、電阻R、襯底p和N+區(qū)構(gòu)成的反向偏置二極管相當于無限深的勢阱。1. 電流輸出進入到反向偏置的二極管中的電荷，將產(chǎn)生輸出電流ID，且ID的大小與注入到二極管中的信號電荷量成正比。電阻R是制作在CCD內(nèi)的電阻，阻值是常數(shù)。所以，輸出電流ID與注入到二極管中的電荷量成線性關系，且RD是復位信號，用來快速抽空信號電荷填空CCD的信號輸出(電荷的檢測) 在電流輸出中，輸出端是一個反向偏置

10、的二極管，而這次，輸出端是一個三極管。在RG不導通的情況下，信號電荷與T2三極管的基極中的多數(shù)載流子復合，產(chǎn)生基極電流。T2將基極電流放大，從集電極發(fā)出，形成電流信號輸出。電阻R是調(diào)整信號強弱的分流電阻。2.浮置擴散放大器輸出當RG，也就是復位信號加上高電平以后，T1三極管基極和發(fā)射級正向偏置，這樣殘余的信號電荷被快速抽出，因此T1為復位三極管。CCD的信號輸出(電荷的檢測) 浮置柵放大器輸出中，T2柵極不是直接與信號電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當信號電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道時，在浮置柵上感應出鏡像電荷，以此來控制T2的柵極電位，達到信號檢測與放大的目的。3.浮置柵放大

11、器輸出 CCD圖像傳感器的改進 最初的CCD傳感器中，感光單元和信號轉(zhuǎn)移單元是混雜的，感光單元也參與信號的轉(zhuǎn)移過程。 這就造成一個問題，就是信號轉(zhuǎn)移過程中，感光單元被占用了，這段時間就浪費了。要想連續(xù)拍兩幅圖像必須等第一幅圖像輸出以后才可以拍第二幅。 后來人們把感光單元和信號轉(zhuǎn)移單元分離開來。將信號轉(zhuǎn)移單元稱為移位寄存器。 這樣，只要將感光元件中的信號轉(zhuǎn)入移位寄存器，就可以立刻再次感光，同時移位寄存器輸出信號即可。使得相機的拍攝頻率大大增加。CCD的常見時序圖 SH為行周期脈沖，當SH高電平時，正值F1電極下均形成深勢阱，并通過SH勢阱與MOS電容存儲勢阱溝通，MOS電容中的信號電荷轉(zhuǎn)移到模擬

12、移位寄存器的F1電極下的勢阱中。當SH由高變低時，SH勢阱下的勢阱遍地將存儲柵下勢阱與F1電極下的勢阱隔離開。存儲柵進入光積分狀態(tài)。模擬移位寄存器將在F1下的信號電荷經(jīng)輸出電路由U0電極輸出。FR為復位脈沖。SP為像元采樣脈沖。FC為有效像元起始信號。通常而言商用CCD芯片的結(jié)構(gòu)就像三明治一樣 ，第一層是微型鏡頭，第二層是分色濾色片以及第三層感光匯流層。 第一層： 微型鏡頭是由SONY領先發(fā)展出來的技術。 為了有效提升CCD 的總像素，又要確保CCD芯片不會過大，以適應數(shù)碼產(chǎn)品的微型化，只能縮小每個像素的尺寸。單一像素尺寸小了，受光面積就小，成像差。 為改善這個問題， SONY 率先在每一光敏

13、元上裝置微小鏡片。這個設計就像是幫CCD掛上眼鏡一樣，感光面積大為提升。如此一來，可以同時兼顧像素數(shù)量的提高，又保證了圖像質(zhì)量。商用CCD芯片的基本結(jié)構(gòu)填空第二層：分色濾色片，這個部份的作用主要是幫助 CCD 具備色彩辨識的能力。 回到源頭，CCD 本身僅是光強感應器，對不同波長的光的感應是一樣的，無法區(qū)分。 分色濾色片，僅能夠透過特定波長的光，借此，CCD 可以分開感應不同光線的成分，從而在最后影響處理器還原回原始色彩。 CCD有曾有過兩種分色方式：一是 RGB 原色分色法，另一種是 CMYG補色分色法，2003年后由于影像處理引擎的技術和效率的進步，目前市場上超過 80都是原色 CCD 。

14、 商用CCD芯片的基本結(jié)構(gòu)第三層： 感光匯流片，這層主要是負責將穿透濾色層的光轉(zhuǎn)換成電子信號，并將信號傳送到影像處理晶片，將影像還原。 商用CCD芯片的基本結(jié)構(gòu) 主要的 CCD 設計大致上分成幾個區(qū)塊:1. 藍色被稱為像素 Pixel 的感光半導體結(jié)構(gòu)，主要是應用于光線感應部分。2. 棕色區(qū)塊就是電荷存儲區(qū)，用于收集藍色區(qū)產(chǎn)生的電荷。3. 在藍色和棕色區(qū)之間被用作電子快門，叫做Gate 區(qū)，控制電荷的轉(zhuǎn)移。4. 黃色區(qū)塊是電荷通路，用來傳導電荷之用。CCD圖像傳感器的分類方式主要有兩種。依據(jù)其像素排列方式的不同，可以分為線陣CCD和面陣CCD兩種： 線陣CCD中，像素排成一列，類似于數(shù)學中的一

15、維矩陣的形態(tài)，只能采集一個窄條上的圖像，目前掃描儀中用的就是線陣CCD。 面陣CCD中，像素排成一個二維方陣，類似于數(shù)學中m,n的形態(tài)，可以直接得到二維圖像，是目前數(shù)碼相機和數(shù)碼攝像機中最常用的感光元件。依據(jù)其敏感光波長不同也可以分為可見光CCD、近紅外CCD，熱感CCD(遠紅外)等。CCD傳感器的分類填空1線陣CCD圖像傳感器 線陣CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應的構(gòu)成一個主體，在它們之間設有一個轉(zhuǎn)移控制柵 ，這種結(jié)構(gòu)叫做單溝道線陣CCD。 目前，實用的線陣CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，叫做雙溝道線陣CCD。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，然后

16、在輸出端交替合并輸出，得到最終的信號。1線型CCD圖像傳感器 3面陣CCD圖像傳感器 面陣CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在幾種典型結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。CCD本身對顏色或者說對不同波長的光是沒有區(qū)別的，都同樣的感光，只是感光的效率不同。前面我們講過CCD芯片上面可以加裝分色濾光片，使得同樣的CCD對不同顏色的光感光?？梢岳萌脑恚谕幌袼匚恢梅胖萌齻€像素單元，各自對不同的顏色感光，通過不同強度色彩的疊加實現(xiàn)彩色圖像的收集。 CCD的顏色與圖像格式3CCD彩色數(shù)碼相機的內(nèi)部構(gòu)造有一種圖像格式與CCD實現(xiàn)彩色圖像收集非常匹配，因為它是隨著彩色CCD而出現(xiàn)的。

17、這種圖像叫做BMP(Bitmap)圖像。中文叫做位圖。它采用位映射存儲格式，每一個像素由三個色彩數(shù)據(jù)組成，一般采用紅、綠、藍作為三原色，每個色彩數(shù)據(jù)代表對應原色的強弱，最終合成出該像素的顏色。BMP文件的圖像深度可選lbit、4bit、8bit及24bit，指的是每個原色的強度可以被幾位二進制數(shù)據(jù)來表述。除了圖像深度可選以外，不采用其他任何壓縮，因此，BMP文件所占用的空間很大。 BMP文件存儲數(shù)據(jù)時，圖像的掃描方式是按從左到右、從下到上的順序。 文件組成：文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)色板位圖數(shù)據(jù)。CCD的顏色與圖像格式填空 近年來另一種圖像感器互補金屬氧化物場效應管CMOS光電傳感器也已在電腦、筆記本電

18、腦、掌上電腦、視頻 、掃描儀、數(shù)碼相機、攝影機、監(jiān)視器、車載 、指紋認證等圖像輸入領域得到廣泛的應用。CMOS型CCD和普通MOS型CCD使用相同的感光元件，具有相同的靈敏度和光譜特性，但光電轉(zhuǎn)換后的信息讀取方式不同。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流或電壓信號，信號讀取十分簡單。 因此常常被用在便攜式設備中。 Complement Metal Oxide Semiconductor互補金屬氧化物半導體CCD vs CMOS高質(zhì)量低噪聲圖像對光的敏感度和準確度更好耗電量大 專用配件和生產(chǎn)線技術較先進，發(fā)展更成熟易受噪聲影響 感光度稍差 耗電量小(1%) 易于生產(chǎn)便宜2、CCD應用舉例

19、CCD圖像感器用于非電量測量，是以光為媒介的光電轉(zhuǎn)換，是以非接觸方式進行測量，因此可以實現(xiàn)危險地點或人、機械不可到達場所的測量與控制。 組成測量儀器可測量物位、尺寸、工件損傷； 作光學信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，如用于 技術、光學文字識別技術以及圖像識別技術； 自動流水線裝置中的敏感器件，如可用于機床、自動搬運車以及自動監(jiān)視裝置等。返回 通常，快速自動檢測工件尺寸的系統(tǒng)有一個測量臺，在其上裝有光學系統(tǒng)、圖象傳感器、和微處理機等。通常采用線陣CCD即可，也可以使用面陣CCD。尺寸自動檢測 這是最簡單的尺寸測量方法，被工件遮擋的CCD位置是不感光的。如果工件尺寸比較大的話，可以在工件和CCD之間加裝成像鏡頭。信號的二值化處理 在尺寸測量中，CCD傳感器光敏單元的輸出可以看成“0”、“1”信號，通過對輸出為“0”的信號進行計數(shù),即可測出物體的寬度。這就是信號的二值化處理。 實際應用時,物像邊緣交界處光強是連續(xù)變化的,而不是理想的階躍跳變,要解決這一問題可用兩種方法: