CCD基礎知識課件

電荷耦合器件是70年代初由美國貝爾實驗研制成功的一種新型半導體器件，縮寫或簡寫為CCD。這種器件的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號。CCD有線陣和面陣兩種形式，是一種半導體集成器件。它由MOS光敏元、移位寄存器、電荷轉移柵等部分組成。它可以把光信息轉換成電脈沖信號，而且每個脈沖只反映一個光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映了該光敏元受光照的強弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這樣就起到了圖像傳感的作用。它的基本功能是電荷的存儲與電荷的轉移。因此它工作過程的主要問題就是信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測。電荷耦合器件CCD的各種應用指紋機風云一號衛(wèi)星可以對地球上空的云層分布進行逐行掃描CCD圖像傳感器能實現(xiàn)信息的獲取、轉換和視覺功能的擴展，能給出直觀、真實、多層次的內容豐富的可視圖像信息，被廣泛應用于軍事、天文、醫(yī)療、廣播、電視、傳真通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。一．MOS光敏元的工作原理所謂MOS結構一般都以硅作為半導體襯底，在其上熱生長一層二氧化硅(SiO2)，并在二氧化硅上面淀積具有一定形狀的金屬層。因為它是由金屬(M)—氧化物(O)—半導體(S)三層所組成，故稱MOS結構。“耗盡區(qū)”“勢阱”光敏單元或一個像素電荷包構成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導體)電容器電荷耦合器件工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)

CCD光敏元顯微照片

CCD圖像傳感器的分類1.線陣CCD外形

目前，面型CCD圖像傳感器使用得越來越多，所能生產的產品的單元數(shù)也越來越多，已達1024×1024像元。我國也能生產512×320像元的面型CCD圖像傳感器。CCD數(shù)碼相機的外形CCD相機的兩個重要參數(shù)對光的敏感度1.芯片材質2.單位像素尺寸幀速度1.曝光時間2.芯片的傳輸速度——芯片的傳輸方式決定的CCD數(shù)碼照相機的結構三基色分離原理CCDCCD數(shù)碼相機的結構解剖

（索尼F828）

CCD數(shù)碼攝像機CCD單元與線陣列結構的示意圖移位寄存器由金屬電極、氧化物介質及半導體三部分組成，也是MOS結構，但不能使它受光照射，應防止外來光線的干擾。二．移位寄存器(即信號電荷的傳輸)1、移位寄存器的工作原理

如圖四個彼此緊密排列的MOS結構：2V2V2V10V123t=t1=02V2V10V10V123t=t22V2V2V10V123t=t3分析可知，從t1到t3時間里，深勢阱從1電極下轉移到2電極下，勢阱中的信號電荷也向右傳輸了一位，如果不斷地改變電極上的電壓，就能使信號電荷可控地一位位的按順序傳輸。CCD中電荷包的轉移是由各極板下面的勢阱不對稱和勢阱耦合引起的。將線陣列各極板分為三組，然后分別加以相位不同的時鐘脈沖驅動，這即是所謂的三相CCD。這時，由于同一時刻三相脈沖的電平不同，各極板下面所造成的勢阱深度也就不同。從而電荷包就要沿著表面從電勢能高的地方向電勢能低的地方流動。

對于多電極，如圖在二氧化硅表面排列多個金屬電極a1、b1、c1；﹍an、bn、cn等，每三個電極如a1、b1、c1組成一個傳輸單元，在三個電極上分別加上三相脈沖電壓Ua、Ub、Uc，它們的波形如圖。金屬電極上所加正電壓越大．金屬電極下的電場越強，多數(shù)載流子空穴被排斥的耗盡層越厚，對少數(shù)載流子電子則勢阱越深

三相CCD的時鐘波形剛好互相錯開T/3周期，因此時鐘電壓波形每變化T/3周期，電荷包就要轉移過一個極板，每變化一個周期，即轉移過三個極板。輸出裝置：在靠近最右電極的一側擴散一個N區(qū)作為收集區(qū)，它與襯底之間形成一個PN結。電源E通過R加在該結的兩端，使它處于反偏狀態(tài)。該收集區(qū)收集最后一個電極cn下的電子，在電阻R上就有電流流過，并轉換成電壓的變化，輸出一個脈沖。注意輸出是串行的。如圖，光敏區(qū)中產生的電荷，由轉移門Z控制轉移至a1、a2、----an極下的勢阱。三．光敏單元中的電荷向移位寄存器轉移

現(xiàn)在來說明光敏單元中的電荷是怎樣轉移(讀出)至移位寄存器的。問題：但如何解決光敏區(qū)中的光敏單元數(shù)與移位寄存器的傳輸單元數(shù)相等，而轉移電極Z只有一個矛盾呢?現(xiàn)以A-A截面的電極為例進行分析。很顯然，它相似于移位寄存器中的一個傳輸單元。如果在電極a1’、Z、a1上分別加上電壓Ua’、Uz、Ua，它們的波形如圖。則對應于t0、t1、t2時刻的勢阱波形同樣可以得到。如圖。實用固體攝象器件都是在一塊硅片上同時制作出光電二極管陣列和CCD移位寄存器兩部分。光電二極管陣列專門用來完成光電變換和光積分，

CCD移位寄存器專門用來完成光生電荷轉移。因為這種轉移不是借助于外來的掃描，而是依靠驅動脈沖來完成的，故也稱為自掃描。根據(jù)光敏象素的排列方式，CCD攝象器件分為線陣列和面陣列兩大類。

單溝道線型CCD

雙溝道線陣CCD

轉移次數(shù)多、效率低,只適用于像素單元較少的成像器件。轉移次數(shù)少一半，它的總轉移效率大大提高。

CCD以電荷作為信號，所以電荷信號的轉移效率就成為其最重要的性能之一。把一次轉移之后，到達下一個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷之比稱為電荷轉移效率（CTE）好的CCD具有極高的電荷轉移效率，一般可達0.999995[3]，所以電荷在多次轉移過程中的損失可以忽略不計。轉移效率

電荷包從一個勢阱轉移到下一個勢阱時，有部分的電荷轉移過去，余下部分沒有被轉移，稱轉移損失率一個電荷量為Qo的電荷包，經過n次轉移后的輸出電荷量應為：總效率為：好的CCD具有極高的電荷轉移效率，一般可達0.999995[3]，所以電荷在多次轉移過程中的損失可以忽略不計。面陣列CCD攝象器件

然后，光敏區(qū)開始進行第二幀的光積分，而暫存區(qū)則利用這個時間，將電荷包一次一行地轉移給CCD移位寄存器，變?yōu)榇行盘栞敵?。當CCD移位寄存器將其中的電荷包輸出完了以后，暫存區(qū)里的電荷包再向下移動一行給CCD移位寄存器。當暫存區(qū)中的電荷包全部轉移完畢后，再進行第二幀轉移。二維固體攝象器件中，電荷包轉移情況與線陣列器件類似，只是它的形式較多。有的結構簡單，但攝象質量不好，有的攝象質量好些，但驅動電路復雜，目前比較常用的形式是幀轉移結構。光敏區(qū)是由光敏CCD陣列構成的，其作用是光電變換和在自掃描正程時間內進行光積分，暫存區(qū)是由遮光的CCD構成的，它的位數(shù)和光敏區(qū)一一對應，其作用是在自掃描逆程時間內，迅速地將光敏區(qū)里整幀的電荷包轉移到它里面暫存起來。

CCD動態(tài)測量細絲直徑的原理如圖所示。設所用的CCD有N0個光敏元，每個光敏元的大小為13μ，計數(shù)器計數(shù)為N，則細絲直徑D為：

D＝13（N0-N）(μ)CCD的應用如測量大物體，可用二塊CCD，距離固定為L（如圖3.2.2-9所示），假定CCD1的計數(shù)值為N1，CCD2的計數(shù)值為N2，則

D＝L－13N1+13(N0-N2)(μ)測量玻璃管直徑與壁厚玻璃管CCD視頻信號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，中間亮帶反映了玻璃管內徑大小，而暗帶則是玻璃管的壁厚像。成像物鏡的放大倍率為β，CCD相元尺寸為t，上壁厚、下壁厚分別為n1、n2，外徑尺寸的脈沖數(shù)（即像元個數(shù)）為N，測量結果有：

分別為上壁厚、下壁厚，外徑尺寸。

線陣CCD進行工件尺寸測量

CCD作為一種基礎器件，因能實現(xiàn)信息獲取、轉換和視覺功能的擴展，給出直觀、真實、層次多、內容豐富的可視圖象信息，而得到了越來越廣泛的應用，如汽車應用、監(jiān)控系統(tǒng)、機器人視覺、視頻會議、指紋識別系統(tǒng)、沖突避免系統(tǒng)、增強型自適應巡航控制、帶相機的移動電話和醫(yī)學圖象識別等等。CCD的硅處理專用制作工藝與現(xiàn)今微電子器件的主流制作工藝不同；無法低成本地把控制處理電路集成在同一圖象芯片上，這也就造成了基于CCD的圖象系統(tǒng)體積龐大和功耗大（CCD可攜式照相機功耗近10W）。CCD在市場上能保持優(yōu)勢的原因是：它的出色的分辨率、較高的動態(tài)范圍、一致性好；低噪聲和象素面積小。現(xiàn)在CMOS技術在兩個前沿獲得突破：用于計算機和手提電話的低檔產品和超高速、大規(guī)格的高檔產品。從根本上說，考慮到視頻速率下的讀出噪聲和靈敏度問題，CMOS圖象傳感器比CCD更有優(yōu)勢，有著更低的瞬態(tài)噪聲，而且這個優(yōu)勢隨著象素數(shù)目的增大而更加明顯。CMOS圖象傳感器的部分性能仍有不及CCD之處，人們解決了眾多的技術難題以求提高CMOS圖象傳感器的性能，以合理的成本減少CMOS和CCD成象性能的差距，使之在許多應用領域替代CCD。

CCD與CMOS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。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A有效像素多，拍攝的圖像精度更高B幀頻高，速度快，拍攝的運動過程更細致CCCD的芯片的圖像質量要優(yōu)于CMOS，但速度比CMOS慢。D像素尺寸大，能夠更多地接收光子，不容易飽和E對于高精密測量，應盡量使用整個像素面積都感光的芯片F(xiàn)使用多通道傳輸?shù)男酒?，能提高傳輸速度G使用3-CCD技術的彩色相機，色彩更真實

CCD

CMOS

設計

單一感光器

感光器連接放大器

靈敏度

同樣面積下高

感光開口小，靈敏度低

成本線路品質影響程度高，成本高

CMOS整合集成