CCD基本原理與應(yīng)用2

CCD基本原理與應(yīng)用演示文稿目前一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)CCD基本原理與應(yīng)用目前二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)實(shí)物圖像?圖像采集和處理的過程，最基本的是要把實(shí)物盡量真實(shí)地反映到虛擬的圖像上目前三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)如何準(zhǔn)確地描述一幅圖像？目前四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)感光芯片的設(shè)計(jì)思想：就是分割被描述區(qū)域，用相應(yīng)的灰度填充。目前五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷目前六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源顯示設(shè)備A/D轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備目前七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)實(shí)物圖像光子模擬量（電壓）電荷日光監(jiān)視器光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備模擬相機(jī)+監(jiān)視器目前八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源

PC存儲(chǔ)處理模擬采集卡光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備模擬相機(jī)+模擬采集卡目前九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源A/D轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備

PC數(shù)字采集卡數(shù)字相機(jī)+數(shù)字采集卡目前十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)由于光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和放大設(shè)備都是針對(duì)微觀的電荷進(jìn)行量化操作。就需要一個(gè)精密的器件來完成這兩個(gè)過程。我們常用的是

CCD

和CMOS目前十一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)光電轉(zhuǎn)換電路放大A/D光子電子電壓數(shù)字信號(hào)CMOS芯片可以在像素上同時(shí)完成這兩個(gè)步驟CCD與CMOS的光電轉(zhuǎn)換示意圖由上圖可看出：CMOS和CCD最大的區(qū)別是CMOS的電荷到電壓轉(zhuǎn)換過程是在每個(gè)像素上完成的CCD(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)目前十二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)CCD與CMOS比較從以上的對(duì)比可以看出：CCD在圖像的質(zhì)量上更有優(yōu)勢(shì)。而常見的高速相機(jī)則會(huì)采用CMOS芯片。CCDCMOS電路更改方便固定速度慢快噪聲好差靈敏度好差功耗毫安級(jí)微安級(jí)成本高低目前十三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)CCD圖像傳感器目前十四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)概述電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,簡(jiǎn)稱CCD)是貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的,由于它有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)、延時(shí)和將電信號(hào)按順序傳送等功能,且集成度高、功耗低,因此隨后得到飛速發(fā)展,是圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的關(guān)鍵器件,廣泛應(yīng)用于科學(xué)、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)、軍事和消費(fèi)領(lǐng)域。目前十五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)

CCD

圖像處理目前十六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)CCD結(jié)構(gòu)示意圖顯微鏡下的MOS元表面一、電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理1.基本結(jié)構(gòu)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)體硅片上制作成百上千（萬(wàn)）個(gè)光敏元，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。目前十七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)MOS電容

CCD是由規(guī)則排列的金屬—氧化物—半導(dǎo)體（MetalOxideSemiconductor,MOS）電容陣列組成。MetalOxideSemiconductor目前十八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)MOS電容器的形成方法：在P型或N型單晶硅襯底上用氧化辦法生成一層厚度約為100～150nm的SiO2絕緣層，再在SiO2表面按一定層次蒸鍍一金屬電極或多晶硅電極，在襯底和電極間加上一個(gè)偏置電壓（柵極電壓），即形成了一個(gè)MOS電容器。目前十九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)

2.電荷耦合器件的工作原理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目前二十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)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)電荷的轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷的檢測(cè)CCD的基本功能是存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷目前二十一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)光電導(dǎo)效應(yīng)(1)信號(hào)電荷的產(chǎn)生目前二十二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)信號(hào)電荷的產(chǎn)生（示意圖）金屬電極氧化物半導(dǎo)體e-e-e-e-e-e-e-光生電子入射光MOS電容器目前二十三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)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）。(2)信號(hào)電荷的存儲(chǔ)目前二十四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)電極上所加的電壓越高，勢(shì)阱越深，電荷留在阱內(nèi)量越多。只要電壓存在，電子就能儲(chǔ)存在勢(shì)阱里。由于絕緣氧化物層使得電子不能穿過而到達(dá)電極，因此存貯在勢(shì)阱里的電子形成了電荷包，其電荷量的多少與光照強(qiáng)度及照射時(shí)間成正比，于是所有電極下的電荷包就組成了與景物相對(duì)應(yīng)的電荷像。目前二十五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)信號(hào)電荷的存儲(chǔ)（示意圖）e-e-勢(shì)阱入射光MOS電容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-勢(shì)阱入射光MOS電容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUG<Uth

時(shí)UG>Uth

時(shí)目前二十六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)光滴小桶光敏元目前二十七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)CCD的工作過程1.有一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置把入射到每一個(gè)感光像素上的光子轉(zhuǎn)化為電荷。目前二十八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)CCD的工作過程2.這些電荷可以被儲(chǔ)存起來。目前二十九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)這一過程存在著以下問題：

當(dāng)一個(gè)像素聚集過多的電荷后，就會(huì)出現(xiàn)電荷溢出溢出的電荷會(huì)跑到相臨的像素勢(shì)阱里去。這樣電量就不能如實(shí)反映原物。要避免這種情況發(fā)生的方法：A把桶做大些B減少測(cè)量時(shí)間C把滿的水倒出一些D做個(gè)導(dǎo)流管，讓溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里目前三十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的方法：由此可見，增大像素尺寸是最簡(jiǎn)單有效的做法。水桶CCD芯片缺點(diǎn)把桶做大增大單位像素尺寸減少測(cè)量時(shí)間縮短曝光時(shí)間對(duì)于暗的部分曝光不足把滿的水桶到出一些間歇開關(guān)時(shí)鐘電壓降低速度做個(gè)導(dǎo)流管溢出溝道和溢出門制作復(fù)雜，且還有缺陷目前三十一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)當(dāng)一個(gè)CCD芯片感光完畢后，每個(gè)像素所轉(zhuǎn)換的電荷包就按照一行的方向轉(zhuǎn)移出CCD感光區(qū)域，以為下一次感光釋放空間。（3）信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）目前三十二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)換：

1、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。2、控制相鄰MOS電容柵極電壓高低調(diào)節(jié)勢(shì)阱深淺，使信號(hào)電荷由勢(shì)阱淺處流向勢(shì)阱深處。3、在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。

目前三十三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)CCD的工作過程3.電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域。目前三十四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)

每個(gè)光敏元（像素）對(duì)應(yīng)三個(gè)相鄰的轉(zhuǎn)移柵電極1、2、3,所有電極彼此間離得足夠近,以保證使硅表面的耗盡區(qū)和電荷的勢(shì)阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。所有的1電極相連并施加時(shí)鐘脈沖φ1,所有的2、3也是如此,并施加時(shí)鐘脈沖φ2、φ3。這三個(gè)時(shí)鐘脈沖在時(shí)序上相互交迭。

三個(gè)時(shí)鐘脈沖的時(shí)序目前三十五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)勢(shì)阱的深淺由電極上所加電壓的大小決定。電荷在勢(shì)阱內(nèi)可以流動(dòng)，它總是從相鄰淺阱里流進(jìn)深阱中，這種電荷流動(dòng)稱為電荷轉(zhuǎn)移。若有規(guī)律改變電極電壓，則勢(shì)阱的深度就會(huì)隨之變化，勢(shì)阱內(nèi)電荷就可以按人為確定的方向轉(zhuǎn)移，直到最終由輸出端輸出。目前三十六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)

如何實(shí)現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移呢？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。P1P1P2P2P3P3tP1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3Ф(b)電荷轉(zhuǎn)移過程t=t0t=t1t=t2t=t30目前三十七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)CCD芯片的構(gòu)造目前三十八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)

三相控制是在線陣列的每一個(gè)像素上有三個(gè)金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個(gè)相位不同的控制脈沖Φ1，Φ2，Φ3，見圖（b）。當(dāng)P1極施加高電壓時(shí)，在P1下方產(chǎn)生電荷包（t=t0）；當(dāng)P2極加上同樣的電壓時(shí)，由于兩電勢(shì)下面勢(shì)阱間的耦合，原來在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；當(dāng)P1回到低電位時(shí)，電荷包全部流入P2下的勢(shì)阱中（t=t2）。目前三十九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)

然后，p3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢(shì)阱（t=t3），以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。目前四十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)三相CCD的電荷轉(zhuǎn)移過程示意圖電荷包轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)脈沖

像元Pn轉(zhuǎn)移方向

像元Pn+1像元Pn+2目前四十一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)

CCD工作過程的第四步是電荷的檢測(cè)，就是將轉(zhuǎn)移到輸出極的電荷轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的過程。輸出類型，主要有以下三種：

1）電流輸出

2）浮置柵放大器輸出

3）浮置擴(kuò)散放大器輸出

（4）信號(hào)電荷的檢測(cè)目前四十二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)目前四十三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)CCD的工作過程4.信號(hào)電荷輸出，轉(zhuǎn)化成電流或電壓信號(hào)。目前四十四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)CCD的工作過程示意圖背照明光輸入1電荷生成2電荷存儲(chǔ)3電荷轉(zhuǎn)移復(fù)位輸出4電荷檢測(cè)半導(dǎo)體CCD傳感器目前四十五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)利用CCD的光電轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移的雙重功能，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在CCD上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)移成了電信號(hào)“圖像”。由于CCD能實(shí)現(xiàn)低噪聲的電荷轉(zhuǎn)移，并且所有光生電荷都通過一個(gè)輸出電路檢測(cè)，且具有良好的—致性，因此，對(duì)圖像的傳感具有優(yōu)越的性能。目前四十六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)二、CCD傳感器的結(jié)構(gòu)類型

按照像素排列方式的不同，可以將CCD分為線陣和面陣兩大類。目前四十七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)

一個(gè)完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD工作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)，光敏元對(duì)光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏元的電荷量。取樣結(jié)束后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位寄存器相應(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。輸出信號(hào)可接到示波器、圖象顯示器或其他信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備中，可對(duì)信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)處理。感光和電荷輸出過程是分開的，可避免相互影響。

（1）線陣CCD目前四十八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)電荷輸出控制波形目前四十九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)

轉(zhuǎn)移次數(shù)多、效率低。只適用于像素單元較少的成像器件。

轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率也提高為原來的兩倍。轉(zhuǎn)移柵像敏單元CCD移位寄存器像敏單元轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵

單溝道線陣CCD

雙溝道線陣CCD目前五十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)線陣CCD每次掃描一條線為了得到整個(gè)二維圖像的視頻信號(hào)，就必須用掃描的方法實(shí)現(xiàn)。目前五十一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)（2）面陣CCD

按照一定的方式將一維線陣CCD的光敏單元及移位寄作器排列成二維陣列。就可以構(gòu)成二維面陣CCD。目前五十二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)面陣CCD同時(shí)曝光整個(gè)圖像目前五十三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)Fullframetransfer（全幀轉(zhuǎn)移）芯片的每一個(gè)像素都感光。傳輸時(shí)，每一列向單行串行寄存器上相對(duì)應(yīng)的位置轉(zhuǎn)移。同時(shí)，串行寄存器向陣列的出口轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移方式目前五十四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)SerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayFullFrame目前五十五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)FullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray目前五十六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)FullFrameSerialRegisterOutputNodeActiveArray目前五十七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)FullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayADC目前五十八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)FullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray目前五十九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)FullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayADC目前六十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)FullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray目前六十一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)FullFrameADCSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray目前六十二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)FullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray目前六十三頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)FullFrameADCSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray目前六十四頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)FullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray目前六十五頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)彩色的形成利用BAYER濾光片，讓相臨四個(gè)像素分別只能接收一色光。每個(gè)像素輸出的信息只是相應(yīng)色光的灰度值，之后通過軟件合成為彩色。每四個(gè)像素形成一個(gè)單元，一個(gè)負(fù)責(zé)過濾紅色、一個(gè)過濾藍(lán)色，兩個(gè)過濾綠色（因?yàn)槿搜蹖?duì)綠色比較敏感）目前六十六頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)彩色CCD顯微照片（放大7000倍）目前六十七頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)目前六十八頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)三、CCD傳感器發(fā)展?fàn)顩r（一）概述

自1970年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制第一只電荷耦合器件（CCD）以來，依靠業(yè)已成熟的MOS集成電路工藝，CCD技術(shù)得以迅猛發(fā)展。

其應(yīng)用涉及到航空、航天、遙感、衛(wèi)星偵察、天文觀測(cè)、通訊、交通、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人視覺、新聞、廣播、金融、醫(yī)療、出版、印刷、紡織、醫(yī)學(xué)、食品、照相、文教、公安、保衛(wèi)、家電、旅游等各個(gè)領(lǐng)域。目前六十九頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)（二）CCD生產(chǎn)廠家目前有能力生產(chǎn)CCD的國(guó)外廠家有：國(guó)家廠家日本SONY，F(xiàn)UJIFILM（富士膠片），Panasonic，SANYO，Sharp美國(guó)Kodak（柯達(dá)），貝爾實(shí)驗(yàn)室荷蘭Philips法國(guó)湯姆遜無線電公司（CSF），EEV公司英國(guó)英國(guó)通用電氣公司（GEC）目前七十頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)我國(guó)的CCD研制工作起步較晚，目前整體落后于日歐美等國(guó)，但是發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

嫦娥二號(hào)攜帶的CCD立體攝像機(jī)目前七十一頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)

提高分辨率與單純?cè)黾酉袼財(cái)?shù)之間存在著一種矛盾。富士公司對(duì)人類視覺進(jìn)行了全面研究，研制出了超級(jí)CCD(SuperCCD)。（三）特殊CCD的發(fā)展1.超級(jí)CCD傳統(tǒng)CCD超級(jí)CCD目前七十二頁(yè)\總數(shù)七十八頁(yè)\編于十一點(diǎn)