CCD圖像傳感器PPT學習教案

1、會計學1CCD圖像傳感器圖像傳感器CCD圖像傳感器簡介圖像傳感器簡介第1頁/共43頁第2頁/共43頁第3頁/共43頁第4頁/共43頁嫦娥二號攜帶的嫦娥二號攜帶的CCDCCD立體攝像機立體攝像機第5頁/共43頁第6頁/共43頁第7頁/共43頁第8頁/共43頁第9頁/共43頁1.1.信號電荷的產信號電荷的產生生2.2.信號電荷的存貯信號電荷的存貯3.3.信號電荷的傳信號電荷的傳輸輸4.4.信號電荷的檢測信號電荷的檢測 工作原理工作原理第10頁/共43頁1.1.信號電荷的產生信號電荷的產生第11頁/共43頁金屬電極氧化物半導體e-e-e-e-e-e-e-光生電子入射光MOSMOS電容器電容器第12頁

2、/共43頁2 2、信號電荷的存儲、信號電荷的存儲第13頁/共43頁第14頁/共43頁e-e-勢阱勢阱入射光入射光MOSMOS電容電容器器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-勢阱勢阱入射光入射光MOSMOS電容電容器器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUG Uth 時第15頁/共43頁第16頁/共43頁 每個光敏元（每個光敏元（像素）對應有三個像素）對應有三個相鄰的轉移柵電極相鄰的轉移柵電極1 1、2 2、3,3,所有電極所有電極彼此間離得足夠近彼此間離得足夠近, ,以保證使硅表面以保證使硅表面的耗盡區(qū)和電荷的的耗盡區(qū)和電荷的勢阱耦合及電荷轉勢阱耦合及電荷轉移。所有的移。所有的1

3、1電極電極相連并施加時鐘脈相連并施加時鐘脈沖沖1,1,所有的所有的2 2、3 3也是如此也是如此, ,并施加并施加時鐘脈沖時鐘脈沖22、33。這三個時鐘脈沖。這三個時鐘脈沖在時序上相互交迭在時序上相互交迭。 三個時鐘脈沖的時序123t1t2t3t4t5第17頁/共43頁3P型型Si耗盡區(qū)耗盡區(qū)電荷轉移方向電荷轉移方向12輸出柵輸出柵輸入柵輸入柵輸入二極管輸入二極管輸出二極管輸出二極管 SiO2CCDCCD的的MOSMOS結構結構第18頁/共43頁3 3、信號電荷的傳輸（耦合）、信號電荷的傳輸（耦合）第19頁/共43頁(a)(a)初始狀態(tài)；初始狀態(tài)； (b)(b)電荷由電極向電極轉移；電荷由電極

4、向電極轉移； (c)(c)電荷在電極下均勻分布；電荷在電極下均勻分布；(d)(d)電荷繼續(xù)由電極向電極轉移；電荷繼續(xù)由電極向電極轉移；(e)(e)電荷完全轉移到電極；電荷完全轉移到電極； (f)(f)三相轉移脈沖三相轉移脈沖第20頁/共43頁第21頁/共43頁 CCDCCD工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉移到輸出級的電荷轉化為電流或者電壓的過程。轉移到輸出級的電荷轉化為電流或者電壓的過程。 輸出類型，主要有以下三種：輸出類型，主要有以下三種： 1 1）電流輸出電流輸出 2 2）浮置柵放大器輸出浮置柵放大器輸出 3 3）浮置擴散放大器輸出浮置擴散放大器輸

5、出 4 4、信號電荷的檢測、信號電荷的檢測第22頁/共43頁背照明光輸入背照明光輸入1電荷生成電荷生成2電荷存儲電荷存儲3電荷轉移電荷轉移復位復位輸出輸出4電荷檢測電荷檢測半導體半導體 CCDCCD傳感器傳感器CCD工作過程示意圖工作過程示意圖第23頁/共43頁CCD結構類型結構類型第24頁/共43頁 目前，實用的線型目前，實用的線型CCDCCD圖像傳感器為雙行結構，如圖像傳感器為雙行結構，如圖（圖（b b）所示。單、雙數光敏元件中的信號電荷分別轉）所示。單、雙數光敏元件中的信號電荷分別轉移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左

6、向右移動，在輸出端交替合并輸出，這樣就用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來光敏信號電荷的順序。形成了原來光敏信號電荷的順序。轉移柵轉移柵光積分單元光積分單元不透光的電荷轉移結構不透光的電荷轉移結構光積分區(qū)光積分區(qū)輸出輸出轉移柵轉移柵(a)(b)線型線型CCD圖像傳感器圖像傳感器輸出輸出第25頁/共43頁 面型面型CCDCCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉移部分組成。目前存在三種典型結構形式，如圖所轉移部分組成。目前存在三種典型結構形式，如圖所示。示。 圖圖(a)(a)所示結構由行掃描電路、垂直輸出寄存所示結構由行掃描電路、垂直輸

7、出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內的信息轉移到水平（行）方向上，由垂直方向的件內的信息轉移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉移到輸出二極管，輸出信號由信號處寄存器將信息轉移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉換為視頻圖像信號。這種結構易于引起圖像理電路轉換為視頻圖像信號。這種結構易于引起圖像模糊。模糊。第26頁/共43頁二相驅動二相驅動視頻輸出視頻輸出 行行掃掃描描發(fā)發(fā)生生器器輸輸出出寄寄存存器器檢波二極管檢波二極管二相驅動二相驅動感光區(qū)感光區(qū)溝阻溝阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光區(qū)感光區(qū) 存儲

8、區(qū)存儲區(qū)析像單元析像單元 視頻輸出視頻輸出輸出柵輸出柵串行讀出串行讀出面型面型CCD圖像傳感器結構圖像傳感器結構(a)(b)第27頁/共43頁 圖（圖（b b）所示結構增加了具有公共水平方向電極的）所示結構增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲區(qū)。在正常垂直回掃周期內，具有公不透光的信息存儲區(qū)。在正常垂直回掃周期內，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲區(qū)。在垂直回掃結束后，感光區(qū)回復到積光狀信息存儲區(qū)。在垂直回掃結束后，感光區(qū)回復到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內，存儲區(qū)的整個電荷圖像向下移態(tài)。在水平消隱周期內，存儲區(qū)的

9、整個電荷圖像向下移動，每次總是將存儲區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平動，每次總是將存儲區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動以視頻讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動以視頻信號輸出。當整幀視頻信號自存儲移出后，就開始下一信號輸出。當整幀視頻信號自存儲移出后，就開始下一幀信號的形成。該幀信號的形成。該CCDCCD結構具有單元密度高、電極簡單結構具有單元密度高、電極簡單等優(yōu)點，但增加了存儲器。等優(yōu)點，但增加了存儲器。第28頁/共43頁光柵報時鐘光柵報時鐘二相驅動二相驅動輸出寄存器輸出寄存器檢波二極管檢波二極管 視頻輸出視頻輸出垂直轉移垂直轉移寄存器寄存器感光區(qū)

10、感光區(qū)二相驅動二相驅動(c)第29頁/共43頁 圖圖(c)(c)所示結構是用得最多的一種結構形式。它將所示結構是用得最多的一種結構形式。它將圖圖(b)(b)中感光元件與存儲元件相隔排列。即一列感光單中感光元件與存儲元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲單元交替排列。在感光區(qū)光敏元元，一列不透光的存儲單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結束時，轉移控制柵打開，電荷信號進入存儲區(qū)件積分結束時，轉移控制柵打開，電荷信號進入存儲區(qū)。隨后，在每個水平回掃周期內，存儲區(qū)中整個電荷圖。隨后，在每個水平回掃周期內，存儲區(qū)中整個電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這像一次一行地向上移到水平

11、讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。這種結構的器件操作簡單，但單，形成視頻信號輸出。這種結構的器件操作簡單，但單元設計復雜，感光單元面積減小，圖像清晰。元設計復雜，感光單元面積減小，圖像清晰。 第30頁/共43頁超級超級CCD 傳統(tǒng)傳統(tǒng)CCD CCD 超級超級CCD CCD 第31頁/共43頁第32頁/共43頁第33頁/共43頁傳統(tǒng)三原色CCDSony發(fā)布的四色感應CCD-ICX456 新增的這個顏色加強了對自然風景的解色能力，新增的這個顏色加強了對自然風景的解色能力，讓綠色這個層次能夠創(chuàng)造出更多的變化。讓綠色這個層次能夠創(chuàng)造出更多的變化。第34頁/共43頁第35頁/共43頁第36頁/共43頁）光積分單元（感光單元不透光的電荷轉移機構輸出轉移柵L12345678910第37頁/共43頁第38頁/共43頁由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間亮帶反映了玻璃管內徑大小，而暗帶則是玻璃管的亮帶反映了玻璃管內徑大小，而暗帶則是玻璃管的壁厚像。壁厚像。成像物鏡的放大倍率為成像物鏡的放大倍率為，CCDCCD相