CCD基本原理與應用

1、將美麗將美麗留駐？留駐？實物實物圖像圖像?圖像采集和處理的過程，最基本的是要把實物盡量真實地反映到虛擬的圖像上如何準確地描述一幅圖像？感光芯片的設計思想：就是分割被描述區(qū)域，用相應的灰度填充。實物圖像數字量光子模擬量（電壓）電荷實物圖像數字量光子模擬量（電壓）電荷光源顯示設備A/D轉換光電轉換設備放大設備實物圖像光子模擬量（電壓）電荷日光監(jiān)視器光電轉換設備放大設備模擬相機 + 監(jiān)視器實物圖像數字量光子模擬量（電壓）電荷光源 PC存儲處理模擬采集卡光電轉換設備放大設備模擬相機 + 模擬采集卡實物圖像數字量光子模擬量（電壓）電荷光源A/D轉換光電轉換設備放大設備 PC數字采集卡數字相機 + 數字采

2、集卡由于 光電轉換設備 和 放大設備 都是針對微觀的電荷進行量化操作。就需要一個精密的器件來完成這兩個過程。 我們常用的是 CCDCCD 和 CMOSCMOS光電轉換電路放大A/D光子電子電壓數字信號CMOS芯片可以在像素上同時完成這兩個步驟芯片可以在像素上同時完成這兩個步驟CCD與與CMOS的光電轉換示意圖的光電轉換示意圖由上圖可看出由上圖可看出：CMOS和CCD最大的區(qū)別是 CMOS的 電荷到電壓轉換過程是在每個像素上完成的CCD( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor )CCD與與CMOS比較比較從以上的對比可以看出：CCD在圖像的質量上更有優(yōu)勢

3、。而常見的高速相機則會采用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微安級成本高低概述概述電荷耦合器件電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,(ChargeCoupledDevices,簡稱簡稱CCD)CCD)是貝爾實驗室的是貝爾實驗室的W.S.BoyleW.S.Boyle和和G.E.SmithG.E.Smith于于19701970年發(fā)明的年發(fā)明的, ,由于它有光電轉換、信息存儲、延由于它有光電轉換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能時和將電信號按順序傳送等功能, ,且集成度高、功且集成度高、功耗低耗低, ,因此隨后得到飛速發(fā)展因此隨

4、后得到飛速發(fā)展, ,是圖像采集及數字是圖像采集及數字化處理必不可少的關鍵器件化處理必不可少的關鍵器件, ,廣泛應用于科學、教廣泛應用于科學、教育、醫(yī)學、商業(yè)、工業(yè)、軍事和消費領域。育、醫(yī)學、商業(yè)、工業(yè)、軍事和消費領域。光學系統(tǒng)光學系統(tǒng) CCD 圖像處理圖像處理CCD結構示意圖 顯微鏡下的MOS元表面 一、電荷耦合器件的結構和工作原理1.基本結構MOS（金屬氧化物半導體） 光敏元陣列電荷耦合器件是在半導體硅片上制作成百上千（萬）個光敏元，在半導體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。MOS電容 CCD 是由規(guī)則排列的金屬氧化物半導體（Metal Oxide Semiconductor,MOS）

5、電容陣列組成。 MetalOxideSemiconductorMOS電容器的形成方法電容器的形成方法：在：在P型或型或N型單晶硅襯底上型單晶硅襯底上用氧化辦法生成一層厚度約為用氧化辦法生成一層厚度約為100150nm的的SiO2絕絕緣層，再在緣層，再在SiO2表面按一定層次蒸鍍一金屬電極或多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偏置電壓（柵極晶硅電極，在襯底和電極間加上一個偏置電壓（柵極電壓），即形成了一個電壓），即形成了一個MOS電容器。電容器。 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

6、沖的順序可以反映一個光敏元的位置完成圖像傳感特點：以電荷作為信號CCD基本工作原理信號電荷的信號電荷的產生產生信號電荷的信號電荷的存貯存貯信號電荷的信號電荷的轉移轉移信號電荷的信號電荷的檢測檢測CCD的基本功能是存儲與轉移信息電荷(1)信號電荷的產生信號電荷的產生（示意圖）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，光子作用下產生電子空穴對，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢阱（俘獲）。(2)信號電

7、荷的存儲 電極上所加的電壓越高，勢阱越深，電荷留在阱內量越多。只要電壓存在，電子就能儲存在勢阱里。由于絕緣氧化物層使得電子不能穿過而到達電極，因此存貯在勢阱里的電子形成了電荷包，其電荷量的多少與光照強度及照射時間成正比，于是所有電極下的電荷包就組成了與景物相對應的電荷像。 信號電荷的存儲（示意圖）e-e-勢阱勢阱入射光MOSMOS電容電容器器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe- e-勢阱勢阱入射光MOSMOS電容電容器器+UGe-e-e- e-e-e-+UthUG Uth 時光滴光滴小桶小桶光敏元光敏元CCD 的工作過程的工作過程1. 有一個光電轉換裝置把入射到每一個感光像素上的光子轉有

8、一個光電轉換裝置把入射到每一個感光像素上的光子轉化為電荷。化為電荷。CCD 的工作過程的工作過程2. 這些電荷可以被儲存起來。這些電荷可以被儲存起來。這一過程存在著以下問題： 當一個像素聚集過多的電荷后，就會出現電荷溢出 溢出的電荷會跑到相臨的像素勢阱里去。這樣電量 就不能如實反映原物。要避免這種情況發(fā)生的方法：A 把桶做大些 B 減少測量時間C 把滿的水倒出一些D 做個導流管，讓溢出的水流到地上去，不要流到其他 桶里 對應的方法：由此可見，增大像素尺寸是最簡單有效的做法。水桶水桶CCD芯片芯片缺點缺點把桶做大增大單位像素尺寸減少測量時間縮短曝光時間對于暗的部分曝光不足把滿的水桶到出一些間歇開

9、關時鐘電壓降低速度做個導流管溢出溝道和溢出門制作復雜，且還有缺陷 當一個CCD芯片感光完畢后，每個像素所轉換的電荷包就按照一行的方向轉移出CCD感光區(qū)域，以為下一次感光釋放空間。（3 3）信號電荷的轉移（耦合）信號電荷的轉移（耦合）為實現信號電荷的轉換： 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節(jié)勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺處流向勢阱深處。3、在CCD中電荷的轉移必須按照確定的方向。 CCD 的工作過程的工作過程3. 電荷可以被有秩序地轉移出感光區(qū)域。電荷可以被有秩序地轉移出感光區(qū)域。 每個光敏元每個光敏元（像素

10、）對應三個（像素）對應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, ,以保證使硅表面的以保證使硅表面的耗盡區(qū)和電荷的勢耗盡區(qū)和電荷的勢阱耦合及電荷轉移。阱耦合及電荷轉移。所有的所有的1 1電極相連電極相連并施加時鐘脈沖并施加時鐘脈沖1,1,所有的所有的2 2、3 3也也是如此是如此, ,并施加時并施加時鐘脈沖鐘脈沖22、33。這三個時鐘脈沖在這三個時鐘脈沖在時序上相互交迭。時序上相互交迭。 三個時鐘脈沖的時序123t1t2t3t4t5勢阱的深淺由電極上所加電壓的大小決定。電勢阱的深淺由電極上所加電壓的大小決定。電荷在勢阱內可以流

11、動，它總是從相鄰淺阱里流進荷在勢阱內可以流動，它總是從相鄰淺阱里流進深阱中，這種電荷流動稱為電荷轉移。若有規(guī)律深阱中，這種電荷流動稱為電荷轉移。若有規(guī)律改變電極電壓，則勢阱的深度就會隨之變化，勢改變電極電壓，則勢阱的深度就會隨之變化，勢阱內電荷就可以按人為確定的方向轉移，直到最阱內電荷就可以按人為確定的方向轉移，直到最終由輸出端輸出。終由輸出端輸出。 如何實現電荷定向轉移呢？如何實現電荷定向轉移呢？下面以三相控制方式為下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉移的過程。例說明控制電荷定向轉移的過程。 P1 P1 P2 P2 P3 P3t P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2

12、 P3 P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3(b)電荷轉移過程電荷轉移過程t=t0t=t1t=t2t=t3012313123123123N12N626364P型襯底輸入Gi123Go2SiO2輸出CCDCCD芯片的構造芯片的構造 三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬電極電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個相位不同的控制脈依次在其上施加三個相位不同的控制脈沖沖1，2，3，見圖（，見圖（b）。當）。當P1極施加高電壓時，極施加高電壓時，在在P1下方產生電荷包（下方產生電荷包（t=t0）；當）；當P2極加上同樣的電極加上同樣的電

13、壓時，由于兩電勢下面勢阱間的耦合，原來在壓時，由于兩電勢下面勢阱間的耦合，原來在P1下的下的電荷將在電荷將在P1、P2兩電極下分布（兩電極下分布（t=t1）；當）；當P1回到低回到低電位時，電荷包全部流入電位時，電荷包全部流入P2下的勢阱中（下的勢阱中（t=t2）。）。 然后，然后，p3的電位升高，的電位升高，P2回到低電位，回到低電位，電荷包從電荷包從P2下轉到下轉到P3下的勢阱（下的勢阱（t=t3），以），以此控制，使此控制，使P1下的電荷轉移到下的電荷轉移到P3下。隨著下。隨著控制脈沖的分配，少數載流子便從控制脈沖的分配，少數載流子便從CCD的的一端轉移到最終端。終端的輸出二極管搜一端轉

14、移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數載流子，送入放大器處理，便實集了少數載流子，送入放大器處理，便實現現電荷移動電荷移動。三相三相CCDCCD的電荷轉移過程示意圖的電荷轉移過程示意圖電荷包轉移驅動脈沖 像元Pn 轉移方向 像元Pn+1像元Pn+2 CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉移到輸出極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： 1）電流輸出 2）浮置柵放大器輸出 3）浮置擴散放大器輸出 （4 4）信號電荷的檢測）信號電荷的檢測 CCD 的工作過程的工作過程4. 信號電荷輸出，轉化成電流或電壓信號。信號電荷輸出，轉化成電流或電壓信號。CCD的工作過程示意圖背照

15、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輸出4電荷檢測電荷檢測半導體半導體 CCD CCD傳感器傳感器利用CCD的光電轉移和電荷轉移的雙重功能，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上的光學圖像轉移成了電信號“圖像”。由于CCD能實現低噪聲的電荷轉移，并且所有光生電荷都通過一個輸出電路檢測，且具有良好的致性，因此，對圖像的傳感具有優(yōu)越的性能。二、二、CCDCCD傳感器的結構類型傳感器的結構類型 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。 一個完整的CCD器件由光敏元、轉移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。 C

16、CD工作時，在設定的積分時間內，光敏元對光信號進行取樣，將光的強弱轉換為各光敏元的電荷量。取樣結束后，各光敏元的電荷在轉移柵信號驅動下，轉移到CCD內部的移位寄存器相應單元中。移位寄存器在驅動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉移到輸出端。輸出信號可接到示波器、圖象顯示器或其他信號存儲、處理設備中，可對信號再現或進行存儲處理。感光和電荷輸出過程是分開的，可避免相互影響。 （1）線陣）線陣CCD 電荷輸出控制波形電荷輸出控制波形 轉移次數多、效率低。只適用于像素單元較少的成像器件。 轉移次數減少一半，它的總轉移效率也提高為原來的兩倍。轉移柵像敏單元CCD移位寄存器像敏單元轉移柵轉移柵 單溝道線陣單溝道

17、線陣CCDCCD 雙溝道線陣雙溝道線陣CCD CCD 線陣CCD每次掃描一條線為了得到整個二維圖像的視頻信號，就必須用掃描的方法實現。（2 2）面陣）面陣CCDCCD 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。就可以構成二維面陣CCD。面陣CCD同時曝光整個圖像Full frame transfer（全幀轉移）芯片的每一個像素都感光。傳輸時，每一列向單行串行寄存器上相對應的位置轉移。同時，串行寄存器向陣列的出口轉移。轉移方式轉移方式Serial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameFull Fram

18、eSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameSerial RegisterOutput NodeActive ArrayFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayADCFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayADCFull FrameSeria

19、l RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameADCSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameADCSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array彩色的形成彩色的形

20、成 利用BAYER濾光片，讓相臨四個像素分別只能接收一色光。每個像素輸出的信息只是相應色光的灰度值，之后通過軟件合成為彩色。每四個像素形成一個單元，一個負責每四個像素形成一個單元，一個負責過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾綠色（因為人眼對綠色比較敏感）綠色（因為人眼對綠色比較敏感） 彩色彩色CCDCCD顯微照片（放大顯微照片（放大70007000倍）倍）三、三、CCDCCD傳感器發(fā)展狀況傳感器發(fā)展狀況（一）概述（一）概述 自1970年美國貝爾實驗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技術得以迅猛發(fā)展。 其應用涉及到航

21、空、航天、遙感、衛(wèi)星偵察、天文觀測、通訊、交通、機械、電子、計算機、機器人視覺、新聞、廣播、金融、醫(yī)療、出版、印刷、紡織、醫(yī)學、食品、照相、文教、公安、保衛(wèi)、家電、旅游等各個領域。（二）（二）CCDCCD生產廠家生產廠家 目前有能力生產 CCD 的國外廠家有：國家國家廠家廠家日本SONY，FUJIFILM（富士膠片），Panasonic，SANYO，Sharp美國Kodak（柯達），貝爾實驗室荷蘭Philips法國湯姆遜無線電公司（CSF），EEV 公司英國英國通用電氣公司（GEC）我國的CCD研制工作起步較晚，目前整體落后于日歐美等國，但是發(fā)展?jié)摿艽蟆?嫦娥二號攜帶的CCD立體攝像機 提高分辨率與單純增加像素數之間存在著一種矛盾。富士公司對人類視覺進行了全面研究，研制出了超級CCD ( Super CCD) 。（三）特殊（三）特殊CCD的發(fā)展的發(fā)展1.超級超級CCD 傳統(tǒng)傳統(tǒng)CCD CCD 超級超級CCD CCD 由于地球引力等因素影響，圖像信息空間頻率的功率主要聚集于水平軸和垂直軸，而45對角線上功率最低。 根據富士公司發(fā)表的技術資