CCD技术及其应用

CCD技术及其应用 姓名： 哈纳 学号： 摘 要电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Devices)是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件,它是美国贝尔电话实验室的W.S.Byole和G.E.Smiht于1970年首先提出的。近30年来,依靠己经成熟的MOS集成电路工艺,CCD器件及其应用技术得以迅速发展。目前CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术,在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术领域中成果累累1。CCD器件按其感光单元的排列方式分为线阵CCD和面阵CCD两类,但无论是线阵CCD还是面阵CCD,由于其固有的物理特性、工作机理等原因以及芯片结构、制作工艺等的限制,CCD像素精度不能做得很高。为了保证CCD像元具有足够的感光面积和防止相邻像元之间的互相串扰,所有CCD器件的像元面积以及像元间距都不能做得太小,目前一般在微米级别,这就限制了CCD在高精度测量领域中的应用。关键词： CCD结构 光敏元 图像处理ABSTRACTCharge Coupled Devices (CCD) is the new type semiconductor integrated photoelectric device developed at the beginning of the seventies of the 20th century. It was put forward at the first of 1970 by W. S. Boyle and G. E. Smithfrom the American Bell telephone laboratory. In the past thirties years, CCD device and its application technology have been developed rapidly with the develop MOS integrated circuit craft. CCD technology has become the current application of optics, electronics, precision machinery and computer technology as an integrated technology, modern photonics, optical detection techniques and modern technology in the field of the results of numerous tests.CCD device falls into linear CCD and MATRIX CCD according to its sensitization unit permutation way. No matter linear CCD or matrix CCD, the precision of CCD image cell cannot be made very high for the reasons such as its inherent physical characteristic and working mechanism, etc., or the restrictions as the structure of the chip and manufacture technology, etc. In order to ensure CCD image cell area and the space of all the CCD device cannot be so small, in one micron of ranks generally at present. So CCD is restricted to the application of high accuracy measure field.Keywords: CCD structure Photosensitive element Image processing1. 绪 论 1.1 CCD的由来及发展历史 CCD是于1969年由美国贝尔实验室的W.S.Byole（威拉德博伊尔）和G.E.Smiht（乔治史密斯）所发明的。当时贝尔实验室正在发展图像电话和半导体气泡式存储器。将这两种新技术结起来后，博伊尔和史密斯得出一种设备，他们命名为“电荷气泡组件”（Charge Bubble Devices）。这种设备的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来作为记忆设备，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种组件表面产生电荷，而组成数字图像。1971年，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性设备捕捉图像，CCD就此诞生。有几家公司接续此发明，着手进行进一步的研究，包括飞兆半导体、美国无线电公司和德州仪器。其中飞兆半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性设备和100x100像素的平面设备。2006年元月，博伊尔和史密斯获颁电机电子工程师学会颁发的Charles Stark Draper奖章，以表彰他们对CCD发展的贡献。2009年10月两人荣获诺贝尔物理奖。CCD图像传感器在需要316 M甚至更高像素分辨率、低噪声高灵敏度的高画质应用,如摄像机、侦察卫星、光谱仪、生物医学摄影、微光成像等领域具有高性价比。图1-1所示为美国Kodak公司2,全球著名的CCD和CMOS图像传感器生产商提供的图像传感器发展趋势。根据Kodak公司的预测,未来10年CCD仍将占据高性能图像传感器市场。 图1-11.2 发展用途及特征 CCD的基本功能是电荷的存储和转移,当对它施加特定时序的脉冲时,其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。CCD的突出特点是以电荷为信号,而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD能把一幅空间域分布的图像变为一列按时间域离散分布的电信号,大大方便了其后续信号采集与处理电路的设计和制作,其使用范围和优越性是现有其它测量方法无法比拟的,因而一直受到人们的高度重视3。作为一种非常有效的快速、非接触测量手段,光学图像测量技术已被广泛应用于各种测量应用中,近年来,CCD在光学图像测量系统中的运用相当普遍。CCD器件之所以得到广泛的应用,这与CCD本身所具有的电子自扫描、高灵敏、低噪声、动态范围大、稳定性好、尺寸小、工作电压低、寿命长、坚固耐冲击和可靠性高等优点有着密切的关系。CCD的像元尺寸小、几何精度高,配置适当的光学系统,可获得很高的空间分辨率,特别适合于各种精密图像传感和无接触工件尺寸的在线检测。由于CCD是以时间积分方式工作的,光积分时间可在很宽的范围内调节,因此使用方便灵活,适应性很强。CCD输出信号易于数字化处理,容易与计算机连接组成实时自动化测量控制系统,便于扩大应用功能和使用范围,这些优点使得CDC为光电转换器件的图像测量系统具有广阔的应用前景。2. CCD基础技术2.1 CCD的工作原理CCD是一种光电转换器件,用集成电路工艺制成。它以电荷包的形式储存和传送信息,主要由光敏单元、输入结构和输出结构等部分组成,具有光电转换、信息存贮和延时等功能。CCD有而阵和线阵之分,光敏元排列为一行的称为线阵CCD,光敏元排列为一平面的称为面阵CCD器件,它包含若干行和列的结合,目前达到实用阶段的像元数由25万至百万个不等(绝大多数在30万一50万间),按照芯片的尺寸不同有8mm芯片,13/英寸、12/英寸、2/3英寸以至1英寸之分:按使用场合的不同有彩色和黑白CCD芯片之别。无论线阵CCD,还是面阵CCD,基木工作原理相同,主要由光电转换、电荷转移和电荷输出三部分组成。2.1.1 光电转换与储存CCD器件是由许多个光敏像元组成按一定规律排列组成的。每个像元就是一个MOS电容器(现今大多为光敏二极管)。 图2-1 CCD的单元结构如图2-1所示,它是在P型51衬底的表面上用氧化的方法生成一层厚度约1000A1500A的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一层金属层(多晶硅),在衬底和金属电极间加上一个偏置电压,于是就构成了一个MOS电容器。当由一束光线投射到MOS电容器上时,光子穿过透明电极及氧化层,进入P型Si衬底,衬底中处于阶带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子一空穴对,电子一空穴对在外加电场的作用下,分别向电极的两端移动,这就是信号电荷。这些信号电荷存储在由电极形成的“势阱”中。如图2-2所示。 图2-2 CCD的单元结构2.1.2 电荷转移 以MOS电容器这一基本单元为例讨论一下由电位方程引出的相关结论。MOS电容器的电荷存储容量可由下式求得: Qs=CiVGA 式2-1 式2-1中：Qs是电荷储存量；Ci是单位面积氧化层的电容；VG是外加偏置电压；A是MOS电容栅的面积。可得光敏元面积越大,其光电灵敏度越高。图2-3示出1个3相驱动工作的CCD中电荷转移的过程。假设电荷最初存储在电极(加有10V电压)下面的势阱中，如图2-3(a)所示,加在CCD所有电极上的电压，通常都要保持高于某一临界值电压Vth上，Vth称为CCD阀值电压，设Vth=2V。所以每个电极下面都有一定深度的势阱。显然，电极下面的势阱最深,如果逐渐将电极的电压自2V增加到10V，因这两个电极靠的很近(间隔只有几微米)，这时、两个电极下面的势阱具有同样的深度,合并在一起,原先存储在电极下面的电荷,就要在两个电极下面均匀分布,如图2-3(b)和(c)所示,然后,再逐渐将电极的电压降到2V,使其势阱深度降低,如图2-3(d)和(e)所示,这是电荷全部转移到电极下面的势阱中,此过程就是电荷从电极到电极的转移过程。如果电极有许多个,可将其电极按照1、4、72、5、8、和3、6、9、的顺序分别连接在一起,加上一定时序的驱动脉冲,如图2-3(f)所示,即可完成电荷从左到右转移的过程,用三相时钟驱动的CCD称为二相CCD。（a）初始状态；（b）电荷由电极向电极转移；（c）电荷在、电极下均匀分布；（d）电荷继续由电极向电极转移；（e）电荷完全转移到电级；（f）三相交叠脉冲； 图2-3 三相CCD中电荷转移的过程2.1.3 电荷输出 通常CCD信号电荷的读出是采用选通电荷积分器结构,以三相CCD为例,其电荷读出原理是信号电荷在外加驱动脉冲的作用下,在CCD移位寄存器中按顺序传送到输出级。当电荷包进入最后一个势阱(3下面)中时,复位脉冲R为正,场效应管T1导通,输出二极管D处于很强的反向偏置之下,结电容Cs被充电到一个固定的直流电平VC。上,于是源极跟随器T2的输出电平Vos被复位到一个固定的且略低于Vcc的正电平上,此电平称为复位电平,当中R正脉冲结束后,T1截至,由于T1存在一定的漏电流,漏电流在T1上产生了一个小的电压降,使输出电压有一个下跳,其下跳值称为馈通电压,当中R为正时, 3也处于高电位,信号电荷被转移到3势阱中,由于输出栅压OC是一个比3更低的正电压,因此信号电荷仍被保存在3的势阱中。但随着正脉冲R的结束,并变得低于电平时,这时信号电荷进入C3后,立即使输出电位下降,其下降幅度与信号电荷成正比,即信号电荷越多,输出电平VOS下降越大,其下降幅度才是真正的信号电压4。2.2 CCD器件的分类CCD器件按其感光单元的排列方式分为线阵CCD和面阵CCD两类,下面就对这两类CCD的基本工作原理和发展状况作一些简单介绍。2.2.1 线阵CCD线阵CCD由一系列光敏元组成。用于检测一维变量,如光栅间隔和金属丝拉伸时的粗细变化。因为线阵CCD只需一列分辨单元,芯片面积小,读出结构也简单,容易获得沿器件光敏元排列方向上很高的空间分辨率。线阵CCD由一列光敏元和一列CCD读出移位寄存器并行组成,在两者之间有一个转移控制器,其平面结构如图2-4所示 图2-4 线阵CCD结构示意图现在普遍使用的是双相结构的线阵CCD,如图2-5所示,与单向结构线阵CCD区别是读出移位寄存器有两个,相当于两个单向结构的合成。在同样工作总长度上排列2n个光敏元,分辨率提高一倍。假如奇数光敏元的信息电荷转移到下面一列读出移位寄存器中,偶数光敏元的信息电荷转移到上面一列读出移位寄存器中,信息电荷分别在两个寄存器中右移,在输出端交替合并,按原来顺序输出。 图2-5 双向结构线阵CCD线阵CCD结构简单,成本较低,多用于直线轮廓的检测,由于其单排感光单元的数目可以做得很多,在同等测量精度的前提下,其测量范围可以做得很大。但由于线阵CCD无法直接显示被测物体的平面图像。要想显示平面图像,只有通过辅助的机械移动实现线阵CCD对被测物体的逐行扫描,才能得到一副平面图像的信号,这样其成像精度和检测精度必将受到机械移动精度的制约,不适合于作高精度的平面曲线轮廓的检测5。2.2.2 面阵CCD面阵CCD是由一系列排列成面阵的小光敏元件组成的探测器阵列,其工作原理见图2-6所示。它是一种场转移面型摄像器件,上面是光敏元面阵,中间是存储器面阵,下面是读出移位寄存器。假设光敏元面阵为4x4面阵,在光积分时间,4x4个光敏元面阵为4x4个光敏元曝光,吸收光生电荷。曝光结束时,实行场转移,即在同一瞬时将4x4个光敏元获取的信息电荷转移到存储器面阵中对应的位置上,此时,光敏元第二次光积分。在高速驱动脉冲作用下,把存储器面阵中的信息电荷一行一行地转移到读出移位寄存器,每转移一次,又要按串行向右移位输出后,再把第二行转移到读出移位寄存器中,直到最后一行。 图2-6 面阵CCD 摄像器件上述这种场转移面型器件的电极结构简单,但有一个独立的存储器面阵。另一种面型器件是把光敏元与存储器集中在同一区,分成光积分和遮光暂存两个部分。在光敏元光积分结束时,打开转移控制栅,信息电荷进入遮光暂存区。然后,一次一行地下移到水平位置的读出移位寄存器中,向右移输出。这种结构操作比较简单,但转移信号必须遮光,感光面积减少了。面阵CCD结构比线阵CCD复杂,成本较高,广泛地用于平面曲线轮廓的检测,检测的直观性好,由于在图像采集过程中不需要辅助的逐行扫描机械移动,因此其平面曲线轮廓的成像精度和检测精度较高。但是在同等检测精度和检测范围的情况下,面阵CCD感光单元的数目比线阵CCD多得多,因此其检测范围和检测精度之比不会很大,这受到面阵CCD器件制造成本的制约6。3. CCD的应用3.1 线阵CCD用一排像素扫描过图片，做三次曝光分别对应于红、绿、蓝 三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。广泛应用于扫描仪及复印机之类的处理静态图像的场合3.2 面阵CCD允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。面阵CCD可以在一次曝光中以任意的快门速度来捕捉动态对象，创建二维的影像，其主要应用在高阶数码相机、保安监视器和摄录机等方面。3.3 三线传感器CCD在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜，当捕捉彩色图片时，完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱色阶。3.4 交织传输CCD这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化，允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。3.5 全幅面CCD此种CCD具有更多电量处理能力，更好动态范围，低噪音和传输光学分辨率，全幅面CCD允许即时拍摄全彩图片。全幅面CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面CCD曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像，并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投射到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行，直到所有的信息传输完毕。接着，系统进行精确的图像重组。4. 总 结作为一种非常有效的快速、非接触测量手段,光学图像测量技术被广泛地应用于工业生产中,而光电耦合器件CCD(Charge Coupled Devices)作为一种新型的光电转换器件,因为CCD本身所具有的电子自扫描、高灵敏、低噪声、动态范围大、稳定性好、尺寸小、工作电压低、寿命长、坚固耐冲击、可靠和输出信息易于处理,便于与计算机接口等优点，在光学图像测量系统中的运用相当普遍。5. 展 望 目前,CCD器件虽然在研究论文发表方面数量在逐渐减少,但在生产量上却不断增加。回顾CCD的前期发展历史,除了着意提高像素外,在技术开发层面上并没有太大突破。但是,进入2000年后,CCD技术的发展一下子加快起来,新型结构的CCD不断进入市场, CCD的缺点也在改善,例如,低耗电、多功能化、低价格化和多层感色等。CCD器件并没有退出市场,在数码相机和摄像机市场中,仍为主要的成像器件。5.1像面尺寸向集成化、轻量化方向发展由于光刻机的进步,在仍保持具有很高灵敏度的特性下,CCD传感器的尺寸向1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向发展。5.2 向高像素数、多制式发展各种CCD传感器的像面尺寸在减少,但其像素数在增加,甚至出现超过百万像素的CCD传感器。为提高水平和垂直方向的分辨能力,已从通常的隔行扫描向逐行扫描格式发展。5.3 降低CCD传感器的工作电压、减少功耗初期研