电荷耦合器件

1、 电荷耦合器件，又称电荷耦合器件，又称CCDCCD图象传感器，是一种大图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件电荷耦合器件。具有光电转规模集成电路光电器件电荷耦合器件。具有光电转换，信息存储、延时、传输、处理等功能。换，信息存储、延时、传输、处理等功能。 特点：集成度高、尺寸小、电压低（特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC7DC712V12V）、）、功耗小。功耗小。 该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域。业、军用等各个领域。基于基于CCDCC

2、D光电耦器件的输入光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机机、平板扫描仪、指纹机图象传感器发展趋势 CCD CCD基本结构分两部分：基本结构分两部分： MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）半导体） 光敏元阵列；光敏元阵列； 读出移位寄存器。读出移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。阵有规则地排列。CCDCCD结构示意图结构示意图

3、显微镜下的MOS元表面v 电荷存储原理：电荷存储原理：当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称是一势能很低的区域，称“势阱势阱”。有光线入射到硅。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生片上时，光子作用下产生电子电子空穴对，空穴被电空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。光强度成正比。一个一个MOSMOS光敏元结

4、构光敏元结构 一个一个MOSMOS结构元为结构元为MOSMOS光敏元光敏元或或一个一个像素像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；电荷包； CCDCCD器件内是在硅片上制作成百上千的器件内是在硅片上制作成百上千的MOSMOS元，元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱； 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。这

5、就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。26526518018013313390906666454533332222分辨率不同的图象比较分辨率不同的图象比较在在MOS电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成导体衬底内的多数载流子，形成“势阱势阱”的运动，的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。 图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生；图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生；若所转移的电荷通过外界诸如方式得到，则其可以若所转移的电荷通过外界诸如方式得到，则其可以具备延时、信号处理、

6、数据存储以及逻辑运算等功具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。能。上一页下一页返 回光电耦合器演示的形成势阱4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理电荷耦合器件的结构和工作原理4.3.2 CCD图像传感器图像传感器4.3.3 图像传感器的应用图像传感器的应用上一页下一页返 回lCCD是一种半导体器件是一种半导体器件 图图4.3.1 MOS电容的结构电容的结构1金属电极金属电极 2绝缘层绝缘层SiO2上一页下一页返 回Ec导带底能量导带底能量Ei禁带中央能级禁带中央能级Ef费米能级费米能级Ev价带顶能量价带顶能量 平带条件：平带条件：当当MOS电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半

7、导体从电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从体内到表面处是电中性的，因而能带体内到表面处是电中性的，因而能带(代表电子的能量代表电子的能量)从表面到从表面到内部是平的。内部是平的。 上一页下一页返 回(a)栅压栅压UG较小时，较小时，MOS电容器处于耗尽状态。电容器处于耗尽状态。 (b)栅压栅压UG增大到开启电压增大到开启电压 Uth时时 ,半导体表面的费米能级半导体表面的费米能级 高于禁带中央能极高于禁带中央能极, 半导体表面上的电子层称为反型层。半导体表面上的电子层称为反型层。 上一页下一页返 回l当当MOS电容器栅压大于开启电压电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地，周围电

8、子迅速地聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。 势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。 上一页下一页返 回lCCD的基本功能是存储与转移信息电荷的基本功能是存储与转移信息电荷l为实现信号电荷的转换为实现信号电荷的转换： 1、必须使、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相电容阵列的排列足够紧密，以致相邻邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2、控制相邻、控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱

9、深电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。3、在、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。中电荷的转移必须按照确定的方向。 上一页下一页返 回l在在CCD的的MOS阵列上划分成以几个相邻阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。此共同电极称相线。一位一位CCD中含的电容个数即为中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极的相数。每

10、相电极连接的电容个数一般来说即为连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。的位数。通常通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。当这种时序脉冲加到当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。现信号电荷的定向转移。 上一页下一页返 回三相三相CCD信息电荷传输原理图信息电荷传输原理图 上一页下一页返 回 电荷转移原理（读出移位寄存器）电荷转移原理（读出移位寄存器） 光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，光敏元上的电荷需要经过电路进行

11、输出，CCDCCD电荷电荷 耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。 读出移位寄存器也是读出移位寄存器也是MOSMOS结构，由金属电极、氧化结构，由金属电极、氧化 物、半导体三部分组成。物、半导体三部分组成。 它与它与MOSMOS光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一 层遮光层，防止外来光线干扰。层遮光层，防止外来光线干扰。 由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元； 在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲 123123。 当当t = t1t = t1时

12、刻，时刻，11电极下出现势阱存入光电荷电极下出现势阱存入光电荷当当t = t2t = t2时刻，两个势阱形成大的势阱存入光电荷。时刻，两个势阱形成大的势阱存入光电荷。当当t = t3t = t3时刻，时刻，11中电荷全部转移至中电荷全部转移至22。当当t = t4t = t4时刻，时刻，22中电荷向中电荷向33势阱转移。势阱转移。当当t = t5t = t5时刻，时刻，33中电荷向下一个中电荷向下一个11势阱转移势阱转移。 读出移位寄存器三相时钟脉冲读出移位寄存器三相时钟脉冲 CCD在用作信号处在用作信号处理或存储器件时，理或存储器件时，电荷输入采用电注电荷输入采用电注入。入。 CCD通过输入

13、通过输入结构对信号电压或结构对信号电压或电流进行采样，将电流进行采样，将信号电压或电流转信号电压或电流转换为信号电荷。换为信号电荷。 l 上一页下一页返 回光信号注入光信号注入 CCD用作固态图像传感器时, 接收的是光信号, 即光信号注入法。当光信号照射到CCD硅片表面时, 在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对, 其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底, 而少数载流子（电子）则被收集在势阱中, 形成信号电荷, 并存储起来。存储电荷的多少正比于照射的光强背面光注人(a) 选通电荷积分输出电路选通电荷积分输出电路 (b) 驱动时钟波形和输出波形驱动时钟波形和输出波形CCD的信号输出结构的信号输出结构

14、 上一页下一页返 回l利用利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信上的光学图像转移成了电信号号“图像图像”。l由于由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的好的致性，因此，对图像的传感具有优越的致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。性能。lCCD图像传感器有图像传感器有线列和面阵线列和面阵上一页下一页返 回1

15、CCD转移寄存器转移寄存器 2转移控制栅转移控制栅 3积蓄控制电极积蓄控制电极 4PD阵列阵列 SH转移控制栅输入端转移控制栅输入端 RS复位控制复位控制 VOD漏极输出漏极输出 OS图像信号输出图像信号输出 OG输出控制栅输出控制栅线型图像传感器结构线型图像传感器结构上一页下一页返 回(a)x-y 选址选址 (b)行选址行选址 (c)帧场传输式帧场传输式 (d)行间传输式行间传输式上一页下一页返 回(a)x-y 选址选址 (b)行选址行选址 (c)帧场传输式帧场传输式 (d)行间传输式行间传输式光电耦合器演示 对不同型号的对不同型号的CCDCCD器件而言，其工作机理是相同器件而言，其工作机理

16、是相同的。的。 不同型号的不同型号的CCDCCD器件具有完全不同的外型结构和器件具有完全不同的外型结构和驱动时序，在实际使用时必须加以注意。驱动时序，在实际使用时必须加以注意。 我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索取相关资料，为取相关资料，为CCDCCD器件的应用提供技术支持。器件的应用提供技术支持。 CCDCCD产品产品以以TCD142DTCD142D型型CCDCCD为例做简单介绍，其它型号的器件为例做简单介绍，其它型号的器件大同小异。大同小异。TCD142DTCD142D是一种具有是一种具有20482048位像元的两相线阵位像元的两相线阵CCDC

17、CD器件，器件，TCD142DTCD142D有有2222个引脚，其中个引脚，其中1212个是空脚；个是空脚；1A1A、2A2A、1B1B、2B2B 均为时钟端，均为时钟端，SHSH为转移栅，为转移栅， RSRS为复位栅，为复位栅，OSOS为信号输为信号输 出端，出端，DOSDOS为补偿输出端，为补偿输出端， SSSS为地，为地，NCNC空闲。空闲。TCD142DTCD142D引脚引脚 TCD142D TCD142D的驱动电路可分为两部分：的驱动电路可分为两部分： 一部分是脉冲产生电路；一部分是脉冲产生电路； 另一部分是驱动电路。另一部分是驱动电路。脉冲电路产生脉冲电路产生HSHS、11、22、

18、RSRS四路脉冲四路脉冲 由非门及晶体振荡器构成的晶体振荡电路输出频由非门及晶体振荡器构成的晶体振荡电路输出频率为率为4MHz4MHz的方波；的方波；经经JKJK触发器分频，得到频率为触发器分频，得到频率为2MHz2MHz的方波，将的方波，将4MHz4MHz与与2MHz2MHz脉冲相与，形成脉冲相与，形成RSRS脉冲。脉冲。将将RSRS经经JKJK触发器分频，产生频率为触发器分频，产生频率为1MHz1MHz的的11脉冲，脉冲，11脉冲送入分频器；脉冲送入分频器；经译码电路产生转移脉冲经译码电路产生转移脉冲SHSH，并且使，并且使SHSH周周期期TSHTSH1061s1061s；将将SHSH和和

19、11相与产生相与产生2,1=22,1=2，至此，就，至此，就产生了四路脉冲。产生了四路脉冲。将这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加加速将这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加加速电路送至电路送至H0026H0026驱动器，放大至一定量以后驱动器，放大至一定量以后用以驱动用以驱动TCD142DTCD142D。 CCDCCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。CCDCCD应用技术是光、机、电

20、和计算机相结合的高新技应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCDCCD被广泛用于再线检测尺寸、位移、速度、定位和被广泛用于再线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。自动调焦等方面。利用利用CCDCCD测量几何量，测量几何量，CCDCCD诞生后，首先在工业检测诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在CCDCCD光敏元上造成影像，光敏元上造成影像，CCDCCD输出的脉冲表征测量输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷；工件的尺寸或缺陷；用于传真技术，文

21、字、图象识别。例如用用于传真技术，文字、图象识别。例如用CCDCCD识别集识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机；置、指纹机；CCDCCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描），取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描），与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压压低、功耗小，且不需要高压; ;作为机器人视觉系统；作为机

22、器人视觉系统；M2AM2A摄影胶囊（摄影胶囊（Mouth anusMouth anus）, ,由发光二极管做由发光二极管做光源，光源，CCDCCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。像进行下载。 测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。厚的测量为例。玻璃管玻璃管CCDCCD视频信号视频信号测量原理测量原理: : 在荧光灯的玻璃管生产

23、过程中，总是需要不断测在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生产过程进行调整，以便提高产品质量。产过程进行调整，以便提高产品质量。 玻璃管的平均外径玻璃管的平均外径12mm,12mm,壁厚壁厚1.2mm,1.2mm,要求测量要求测量精度为外径精度为外径0.1mm,0.1mm,壁厚壁厚0.05mm0.05mm。利用。利用CCDCCD配合配合适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测，适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测， 用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸

24、影像投影在在CCDCCD光敏像元阵列面上。光敏像元阵列面上。 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。壁厚像。 成像物镜的放大倍率为成像物镜的放大倍率为，CCDCCD相元尺寸为相元尺寸为t t，上壁厚、下壁厚分别为上壁厚、下壁厚分别为n1n1、n2 n2 ，外径尺寸的脉冲，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为数（即像元个数）为N N，测量结果有：，测量结果有： 1122/dnt

25、dn tDN t 分别为上壁厚、分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。下壁厚，外径尺寸。 1d2dD实例实例2 2： 实例实例3 3： 1尺寸测量尺寸测量2 用于光学文字识别装置用于光学文字识别装置上一页下一页返 回被测对象长度被测对象长度LpnfanpML) 1(1pnllL21l1 视场视场l2传感器的长度传感器的长度上一页下一页返 回光学文字识别装置光学文字识别装置(OCR)原理原理 上一页返 回电荷转移原理（读出移位寄存器）电荷转移原理（读出移位寄存器）读出移位寄存器结读出移位寄存器结构构 电荷转移原理电荷转移原理 这一传输过程依次下去，信号电荷按设计好的这一传输过程依次下去，信号电荷按设计

26、好的方向，在时钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到方向，在时钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到另一端。另一端。 这样一个传输过程，实际上是一个这样一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过电荷耦合过程程，所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器称移位寄存器。CCDCCD信号电荷的输出的方式主要有信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出电流输出、电压输出两种两种, ,以电压输出型为例：以电压输出型为例： 有浮置扩散放大器（有浮置扩散放大器（FDAFDA）、浮置栅放大器（）、浮置栅放大器（FGAFGA） 由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管VT2VT2的栅的栅极电位：极电位：/outFDUQ C式中，式中，FDC为浮置扩散节点上的总电容为浮置扩散节点上的总电容。 输出信号电压为输出信号电压为 ：1mLoutmLgRUUgR 式中，式中，mg为为MOSMOS管管VT1VT1栅极与栅极与源极之间的跨源极之间的跨导导。 复位管复位管VT1VT1导通，导通，VT2VT2的沟道抽走浮置扩散区的剩余电的沟道抽走浮置扩散区的剩余电荷，直到下一个时钟周期信号到来如此循环下去荷，直到下一个时钟周期信号到来如此循环下去。 单单沟道沟道CCDCCD驱驱动动