光电世界CCD应用

CCD原理与应用,-固态成像器件,按分辨率大小，将下列设备进行排序,Nobel Prizes awarded for work Bell Lab1937,Clinton J. Davisson, discovery of electron diffraction.1956,John Bardeen, Walter H. Brattain, and William Shockley , the first transistors.1977,Philip W. Anderson, antiferromagnetism and high-temperature superconductivity1978,Arno A. Penzias,Robert W. Wilson, cosmic microwave background radiation, 1997,Steven Chu, methods to cool and trap atoms with laser light1998,Horst Stormer, Robert Laughlin, and Daniel Tsui, fractional quantum Hall effect.2009,Willard S. Boyle, George E. Smith,invention of CCD sensor,More than thatlaser,Arthur Schawlow 1981 and Charles Hard Townes 1964MOSFETCO2 laserOrthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), 1966Molecular beam epitaxy(MBE)UnixC language wireless local area network (WLAN)quantum cascade laser.,固态图像传感器的基本概念与真空器件相对基于半导体技术,固态图像传感器的基本结构CCD（电荷耦合器件）CMOS图像传感器其他类型的固态器件,哪些地方，有固态图像传感器的身影？,Nokia 1020(41MP),Iphone6 Plus(8MP),Hubble Space Telescope WFPC - WFPC2 - WFC3 1990 1993 2009 800*800*4 800*800*4 2048*4096*2,WFC3,天文望远镜中,ARGUS sensor(1800MP),怎样才是一个好的图像传感器？像素高？（分辨率）图像层次好（动态范围大）色彩复现准确（色彩模板、解mosaic）读出准确,采集到图像，仅仅是开始.获取图像（基本功能）；图像识别（交通管理，停车管理，OCR）；人脸识别（安全，服务）；体感；自动驾驶.确保正确的采集图像，很重要,固态图像传感器的两种主要类型：CCD （charge coupled device）CMOS (Complementary metaloxidesemiconductor ),CMOS图像传感器结构示意图,固态图像传感器的历史图像传感器于何时开始？1929年发明光电摄像管（iconoscope），是真空电子学器件。在真空管中放置的云母板上面涂抹具有光电效应的Cs，通过镜头的光线在云母板上成像。产生的电荷，经电子束进行扫描，取出信号电流。,由于晶体管的发明，从收音机到电视机，晶体管取代了真空管的地位。摄像管实有无法接上电源立刻使用，工作电压高，功耗大，因电子束轰击导致寿命降低等缺点。图像传感器（固态图像元件）在晶体管发明约十年后，一直等到集成电路出现后才诞生。而图像传感器的开发，从20世纪60年代的后半期开始。,用于晶体管或IC的Si（硅）等半导体，具有将接受的光转换成电的光电变换性质。然而如何将此处产生的电信号，正确且有效地取出，可以说是图像传感器固态化的最重要问题。简单地说，在成为单片IC基片的Si基板作为摄影面有规则地排列光电二极管（photodiode），然后依次将光电二极管的光电流以某种方法读出，即具有图像传感器的功能。最关键的是如何实现。（各种办法）,最早的可以产生图像、像素平面排列的固态图像传感器，是1966的光敏晶体管平面排列的图像传感器。1967年发表了将光电二极管以平面矩阵排列，利用扫描脉冲与MOS晶体管，以XY地址方式取出信号的方法。这种方法后来虽然实现了，但与CCD图像传感器的开发竞争中失败，成为现在CMOS图像传感器的原型。1969年，CCD（Charge Coupled Device）由Bell lab的W.S. Boyle和G.E. Smith发明。由于CCD具有存储信号电荷后传输的功能，可广泛应用于内存、显示器、延迟元件等。现在广泛使用的frame transfer方式的构造，也于1971年由Bell lab发明。,固态图像传感器的历史关键技术FD（Floating Diffusion）电荷检测结构，是决定图像传感器感光度的电荷检测技术之一。相关双采样（CDS：Correlated Double Sampling）电路，抑制CCD图像传感器信号内噪声的信号处理电路。掩埋型光电二极管，可大大减少图像噪声垂直溢出沟道光电二极管，有助于实现像素尺寸小型化和电子快门。片上微镜头，可以弥补像素尺寸变小时带来的感光度下降，促进了摄影机的小型化且其普及做出了贡献。,固态图像传感器的历史尽管出现了各种各样的图像传感器，然而开始实用化且真正用于照相机是一直到CCD发明10年之后，且其中真正实用化的也只有MOS型图像传感器和CCD图像传感器二种。1981年使用MOS图像传感器的摄影机实现实用化，1982年，使用CCD图像传感器的产品也随之登场。虽然MOS图像传感器出现较早，并具有信号动态范围大的特点，但也有噪声大、感光度低的缺点。随着图像传感器小型化与高性能化的趋势，加上摄影机的普及，面对感光度高、画质优良的CCD图像传感器，MOS型图像传感器只好撤离市场。,而后CCD图像传感器的时代到来。在其正式实用化之后，又开发出来很多基本技术，包括：电子快门技术，用于CCD图像传感器的曝光控制。如果少了它，就基本无法控制摄影机的快门速度。电子式的振动校正技术，也是在1990年开发出来。利用此项技术，即使是轻巧晃动的摄影机，也可以拍摄出专业级的稳定图像。20世纪80年代后半期开始，日本NHK的高清晰电视节目开播，推动了CCD图像传感器的高分辨率化。数字相机在1995年出现，开始了用于静止图像用的CCD开发，2000年富士推出了所谓蜂窝式CCD（SuperCCD），可提高静止图像的分辨率，也是最适合连续扫描的像素构造 。,旧式MOS型图像传感器，其像素不具有信号电荷放大功能，归类为PPS（Passive Pixel Sensor），如像素具有信号电荷放大功能，则称为APS（Active Pixel Sensor）。1966年，在CCD发明之前，就有bipolar phototransistor被发明。此后，出现了各种构造的APS，但由于制造工艺与CMOS LSI的整合度不好，直到2002年，VMIS结构APS的出现，具备了工艺兼容性和像素小型化。而事实上，使用CMOS LSI工艺制造的CMOS图像传感器是1990年就出现了，但此种器件为PPS结构。对于CMOS图像传感器的实用化而言，不得不解决的问题是：提高成像质量，尽可能接近CCD。CMOS图像传感器由其原理，其由于像素放大功能导致的固定图案噪声（FPN： Fixed Pattern Noise）较大。,CCD or CMOS?,区别在哪里？,What about DV?,CCD or CMOS？- return of the CMOS,一般来说：因为历史的原因，CCD技术在日本非常成熟，95%的CCD都出自日本。CMOS影像传感器却不同。任何具有技术能力的半导体公司都能够制造CMOS影像传感器，所以低廉的成本使它很快就在PC摄像头和手机摄像头中普遍被采用。CMOS影像传感器在高质量的图像应用方面(例如DSC数码相机)赶上CCD应该只是时间问题。,高质量成像中的CMOS尼康2008年发布D3X 2009发布D3s,高质量成像中的CMOS,尼康D3搭载了被称为FX Format的CMOS传感器，这种传感器的尺寸为36x23.9mm，拥有1210万的有效像素，而这种传感器尺寸同普通35mm胶片底片的36x24mm相当接近，因此可以算为完全的全幅幅面。使用全幅的一个巨大好处就是让数码单反使用起来同普通的银盐单反相机并没有太大的差异。同时由于幅面更大，像素间的间距也会比较大，自然像素点之间的干扰也会小得多，自然也会更加容易获得纯净的图像。,尼康的D3传感器的像素点尺寸为8.45m，佳能的1Ds MarkIII的尺寸为6.4m，而前一代的1Ds Mark II为7.2m，而更大的像素点可以获得更好的降噪效果，尼康D3支持最高ISO 6400的感光度，如果在扩展模式下甚至还提供了高达ISO 25600的感光度。D3拥有非常高的连拍速度，在正常模式下可以提供9fps。而且如果在DX模式下拍摄，最高支持11fps的连拍速度。值得特别注意一点，尼康称，未来尼康都会采用CMOS传感器来替代CCD传感器，因为CMOS传感器的成本更低廉，降噪效果更加明显。,速度，CMOS的优势：CCD在工作时，上百万个像素感光后会生成上百万个电荷，所有的电荷全部经过一个“放大器”进行电压转变，形成电子信号，因此，这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”，所有电荷由单一通道输出，就像千军万马从一座桥上通过，当数据量大的时候就发生信号“拥堵”，而HDV格式却恰恰需要在短时间内处理大量数据，因此，在民用级产品中使用单CCD无法满足高速读取高清数据的需要。CMOS则不同，每个像素点都有一个单独的放大器转换输出，因此CMOS没有CCD的“瓶颈”问题，能够在短时间内处理大量数据，输出高清影像。另外，CMOS工作所需要的电压比CCD低很多，功耗大约只有CCD的1/3。因此,电池尺寸可以做得更小，使得摄像机的体积也就做得更小。而且，每个CMOS都有单独的数据处理能力，这也大大减少的集成电路的体积，这也让数码摄像得以实现小型化。,固态图像传感器的应用领域消费电子产品，手机，DC，DV；传真通讯系统 用10242048像元的线阵CCD作传真机，可在不到一秒钟内完成A4开稿件的扫描。可用于各种标本分析（如血细胞分析仪），眼球运动检测，X射线摄像，胃镜、肠镜摄像,工业检测与自动控制,这是IS应用量很大的一个领域，统称机器视觉应用。 在钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域作零件尺寸的动态检测，产品质量、包装、形状识别、表面缺陷或粗糙度检测。 在自动控制方面，主要作计算机获取被控信息的手段。 还可作机器人视觉传感器。,天文观测天文摄像观测从卫星遥感地面如：美国用5个2048位CCD拼接成10240位长取代125mm宽侦察胶卷，作地球卫星传感器。航空遥感、卫星侦察 如：1985年欧洲空间局首次在SPOT卫星上使用大型线阵CCD扫描，地面分辨率提高到10m。此外，在军事上应用：微光夜视、导弹制导、目标跟踪、军用图象通信等。,固态图像传感器应用举例,光电鼠标1999年微软&安捷伦公司合作推出Intellimouse Explorer鼠标，揭开了光学成像鼠标的时代的序幕。 2000年罗技公司也推出了同类的光电鼠标产品缺点：刷新率和分辨率较低；对采样表面的适应性差；,光电鼠标,光电鼠标,号称比普通光学鼠标提高20倍的追迹能力,扫描仪,扫描仪 CCD,线阵CCD（几千像元）；镜头缩小成像； 色彩分离（3CCD、单CCD、滤光片分离）；解析增强技术；,CCD是如何工作的电荷的产生电荷的存储电荷的转移电荷的输出,电荷的产生光照产生光生电子,光子的吸收当光子流0入射到半导体材料的表面上时，如果光子能量大于Eg，则光子会被吸收，光子流则按指数形式衰减， 为吸收系统: , 为吸收系统假设量子效率为1(每个被吸收的光子产生一个电子空穴对)，则在深度为x处，光生电子的产生速率为：,光子的吸收需重点提到，光生电子的产生速率是强烈地依赖于：入射光的波长 、入射光子流密度0 、半导体材料种类(通过吸收系数来体现) 穿透深度 x*,定义为: ,因此我们有(穿透深度, 在此处，入射光子流只有原来的37%),光子的吸收Si材料的吸收系数和穿透深度与波长之间的关系：,波长500nm:, =104/cm x*=1m波长1000nm: =102/cm, x*=100m,电荷的存储,Analogy with bucket is very helpful.(MOS电容的电荷容纳可用水桶做比拟)Explanation of the left diagram, potential well influenced by parameter:Doping level: bucket is deeper for lower doping levels;(掺杂越低，桶越深)Gate voltage: higher gate voltage, deeper potential well;(栅电压越高，桶越深)Thickness of gate dielectric: thicker oxides make the buckets shallower;(绝缘层越薄，桶越深)Charge content of the well: remaining bucket depth is determined by the filling level; (已容纳电子越少，桶越深),电荷转移时钟，移位寄存器，线阵 & 面阵,电荷转移原理图示首先，栅极2上加10 V的偏压，其他的栅极加0 V的偏压，则电子集聚在栅极2下方 ;然后，栅极3加10 V的偏压，其他栅极电压不变，则电子在栅极2和3共同形成的势阱中进行重新分配; 第三步，栅极2上的电压从10 V降到0 V ，其他栅极电压不变，则电荷从栅极2下方完全转移到栅极3下方;,电荷转移系统四相时钟转移系统；(广泛用于器件的二维部分)三相时钟转移系统；二相时钟转移系统；(常用在输出水平移位寄存器，需高速驱动的部分)一相半时钟转移系统；一相时钟转移系统；,四相时钟系统时钟占空比为5/8；如各相时钟未完全对准，最坏情况下电荷容量为整个像元容量的1/2；,四相时钟系统时钟占空比为50%的四相方法；时钟产生简化了：1和3为反相关系、2和4亦然；如时钟未对准，最坏情况下电荷容纳能力为像元的25%；改进方法：各时钟下降沿延后一点；,三相时钟系统一相进行电荷存储,一相用来做势阱间的隔离,另一相用来驱动电荷运动；50%占空比，120。相移；最坏情况下，电荷容纳能力为1/3；像元尺寸可更小，比四相；,二相时钟系统通过对绝缘层厚度的设计，实现电荷的单方向转移；两相时钟间不能重叠；电荷容量为25%；在实际中，厚绝缘层部分的宽度实际比薄绝缘层部分要小很多；,二相时钟系统电荷转移方向的控制通过附加的n掺杂区实现;(掺n,势阱变深)两相时钟互为反相;(时间重叠要求不严格)与四、三相比:CCD结构更复杂,电荷容纳能力也小；但驱动更简单；电荷只能单向转移；,a, 单输出通道线阵,b, 双输出通道线阵,c, 四输出通道线阵,单输出通道线阵CCD,光照，产生光生电子并被收集在MOS电容中光积分；,转移栅把电荷并行地转移到移位寄存器中；,移位寄存器开始向右转移电荷，同时MOS电容又开始进行光积分；,移位寄存器继续向右转移电荷，同时MOS电容继续进行光积分；,移位寄存器继续向右转移电荷，同时MOS电容继续进行光积分；,移位寄存器还继续向右转移电荷，同时MOS电容还继续进行光积分；(下一次从MOS转移到移位寄存器前，移位寄存器中的电荷一定要传完),双输出通道线阵CCD,光积分过程；,光积分结束；光电荷通过转移栅转移到移位寄存器；,光电荷在移位寄存器中转移；新一轮光积分开始；,光电荷继续转移；光积分持续；,光电荷继续转移；光积分持续；,光电荷继续转移,即将结束；光积分持续，即将结束；,帧转移型&列间转移型面阵CCD工作过程描述,全帧型面阵CCD工作过程描述,TDI 时间延迟积分电子图像同步移动 + 多重