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/共15頁CCD（Charged Coupled Device）簡介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。CCD的原型是由高純度的硅及集成在周圍的電路組成的。每個像素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳遞到下一個像素中，并由最底端輸出且保存為數(shù)字信號。第2頁/共15頁CCD發(fā)展史1969年美國貝爾實驗室（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，1999年富士公司研制出了第一代超級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、更高的信號噪聲比并有更廣泛的動態(tài)范圍。 我國的CCD技術(shù)起步較晚。落后先進國家10年以上。第3頁/共15頁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）個光敏元，一個光敏元又稱一個像素，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/共15頁 光敏單元對光信號進行取樣，將光的強弱轉(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)動時鐘的作用下,將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端.將輸出信號接到示波器、圖象顯示器或其它信號存儲、處理設(shè)備第5頁/共15頁 CCD圖像傳感器的原理CCD光信息電脈沖脈沖只反映一個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弱輸出脈沖的順序可以反映一個光敏元的位置完成圖像傳感第6頁/共15頁特點：以電荷作為信號基本功能：電荷的

4、存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作原理信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的存貯信號電荷的傳輸信號電荷的檢測第7頁/共15頁(1)信號電荷的產(chǎn)生 半導(dǎo)體物理學(xué)知識告訴我們，熱或光的激發(fā)可在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，故半導(dǎo)體載流子有帶負電荷的電子，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，電子-空穴對越多，這樣光的強弱就與電子-空穴對的數(shù)量對應(yīng)起來，信號電荷產(chǎn)生了，光信號就轉(zhuǎn)換為電信號。第8頁/共15頁v 當金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱”。有光線入射到硅片上時，光

5、子作用下產(chǎn)生電子空穴對，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢阱（俘獲），此時勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強度成正比。(2)信號電荷的存儲第9頁/共15頁(3)(3)信號電荷的傳輸 CCD的基本功能是具有存儲與轉(zhuǎn)移信息電荷的能力，故又稱它為動態(tài)移位寄存器。實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移條件：首先，為了實現(xiàn)信號電荷的轉(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)生的勢阱越深的原理，通過控制相鄰MOSMOS電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深

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/共15頁電壓輸出方式電壓輸出方式浮置擴散放大器浮置擴散放大器(4)信號電荷的檢測第11頁/共15頁CCD器件的物理性能可以用特性參數(shù)來描述內(nèi)部參數(shù)內(nèi)部參數(shù)描述的是CCD存儲和轉(zhuǎn)移信號電荷有關(guān)的特性,是器件理論設(shè)計的重要依據(jù)理論設(shè)計的重要依據(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、電荷存儲容量、靈敏度、分辨率。 特性第12頁/共15頁CCDCCD固態(tài)圖像傳感器作為攝像機或像敏器件，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、價廉、工作電壓低、功耗小，且不需要高壓; ;作為機器人視覺系統(tǒng)；M2AM2A攝影膠囊（Mouth anusMouth anus）, ,由發(fā)光二極管做光