CCD基本原理与应用

1、将美丽将美丽留驻？留驻？实物实物图像图像?图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上如何准确地描述一幅图像？感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换光电转换设备放大设备实物图像光子模拟量（电压）电荷日光监视器光电转换设备放大设备模拟相机 + 监视器实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源 PC存储处理模拟采集卡光电转换设备放大设备模拟相机 + 模拟采集卡实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源A/D转换光电转换设备放大设备 PC数字采集卡数字相机 + 数字采

2、集卡由于 光电转换设备 和 放大设备 都是针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。 我们常用的是 CCDCCD 和 CMOSCMOS光电转换电路放大A/D光子电子电压数字信号CMOS芯片可以在像素上同时完成这两个步骤芯片可以在像素上同时完成这两个步骤CCD与与CMOS的光电转换示意图的光电转换示意图由上图可看出由上图可看出：CMOS和CCD最大的区别是 CMOS的 电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的CCD( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor )CCD与与CMOS比较比较从以上的对比可以看出：CCD在图像的质量上更有优势

3、。而常见的高速相机则会采用CMOS芯片。CCDCMOS电路更改方便固定速度慢快噪声好差灵敏度好差功耗毫安级微安级成本高低概述概述电荷耦合器件电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,(ChargeCoupledDevices,简称简称CCD)CCD)是贝尔实验室的是贝尔实验室的W.S.BoyleW.S.Boyle和和G.E.SmithG.E.Smith于于19701970年发明的年发明的, ,由于它有光电转换、信息存储、延由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能时和将电信号按顺序传送等功能, ,且集成度高、功且集成度高、功耗低耗低, ,因此随后得到飞速发展因此随

4、后得到飞速发展, ,是图像采集及数字是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件化处理必不可少的关键器件, ,广泛应用于科学、教广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。育、医学、商业、工业、军事和消费领域。光学系统光学系统 CCD 图像处理图像处理CCD结构示意图 显微镜下的MOS元表面 一、电荷耦合器件的结构和工作原理1.基本结构MOS（金属氧化物半导体） 光敏元阵列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，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。MOS电容 CCD 是由规则排列的金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor,MOS）

5、电容阵列组成。 MetalOxideSemiconductorMOS电容器的形成方法电容器的形成方法：在：在P型或型或N型单晶硅衬底上型单晶硅衬底上用氧化办法生成一层厚度约为用氧化办法生成一层厚度约为100150nm的的SiO2绝绝缘层，再在缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个电压），即形成了一个MOS电容器。电容器。 2. 电荷耦合器件的工作原理CCD光信息电脉冲脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱输出脉

6、冲的顺序可以反映一个光敏元的位置完成图像传感特点：以电荷作为信号CCD基本工作原理信号电荷的信号电荷的产生产生信号电荷的信号电荷的存贮存贮信号电荷的信号电荷的转移转移信号电荷的信号电荷的检测检测CCD的基本功能是存储与转移信息电荷(1)信号电荷的产生信号电荷的产生（示意图）金属电极氧化物半导体e-e-e-e-e-e-e-光生电子入射光MOSMOS电容器电容器v 当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P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“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获）。(2)信号电

7、荷的存储 电极上所加的电压越高，势阱越深，电荷留在阱内量越多。只要电压存在，电子就能储存在势阱里。由于绝缘氧化物层使得电子不能穿过而到达电极，因此存贮在势阱里的电子形成了电荷包，其电荷量的多少与光照强度及照射时间成正比，于是所有电极下的电荷包就组成了与景物相对应的电荷像。 信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱势阱入射光MOSMOS电容电容器器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe- e-势阱势阱入射光MOSMOS电容电容器器+UGe-e-e- e-e-e-+UthUG Uth 时光滴光滴小桶小桶光敏元光敏元CCD 的工作过程的工作过程1. 有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转有

8、一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转化为电荷。化为电荷。CCD 的工作过程的工作过程2. 这些电荷可以被储存起来。这些电荷可以被储存起来。这一过程存在着以下问题： 当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出 溢出的电荷会跑到相临的像素势阱里去。这样电量 就不能如实反映原物。要避免这种情况发生的方法：A 把桶做大些 B 减少测量时间C 把满的水倒出一些D 做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他 桶里 对应的方法：由此可见，增大像素尺寸是最简单有效的做法。水桶水桶CCD芯片芯片缺点缺点把桶做大增大单位像素尺寸减少测量时间缩短曝光时间对于暗的部分曝光不足把满的水桶到出一些间歇开

9、关时钟电压降低速度做个导流管溢出沟道和溢出门制作复杂，且还有缺陷 当一个CCD芯片感光完毕后，每个像素所转换的电荷包就按照一行的方向转移出CCD感光区域，以为下一次感光释放空间。（3 3）信号电荷的转移（耦合）信号电荷的转移（耦合）为实现信号电荷的转换： 1、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2、控制相邻MOS电容栅极电压高低调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处。3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。 CCD 的工作过程的工作过程3. 电荷可以被有秩序地转移出感光区域。电荷可以被有秩序地转移出感光区域。 每个光敏元每个光敏元（像素

10、）对应三个（像素）对应三个相邻的转移栅电极相邻的转移栅电极1 1、2 2、3,3,所有电极所有电极彼此间离得足够近彼此间离得足够近, ,以保证使硅表面的以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。阱耦合及电荷转移。所有的所有的1 1电极相连电极相连并施加时钟脉冲并施加时钟脉冲1,1,所有的所有的2 2、3 3也也是如此是如此, ,并施加时并施加时钟脉冲钟脉冲22、33。这三个时钟脉冲在这三个时钟脉冲在时序上相互交迭。时序上相互交迭。 三个时钟脉冲的时序123t1t2t3t4t5势阱的深浅由电极上所加电压的大小决定。电势阱的深浅由电极上所加电压的大小决定。电荷在势阱内可以流

11、动，它总是从相邻浅阱里流进荷在势阱内可以流动，它总是从相邻浅阱里流进深阱中，这种电荷流动称为电荷转移。若有规律深阱中，这种电荷流动称为电荷转移。若有规律改变电极电压，则势阱的深度就会随之变化，势改变电极电压，则势阱的深度就会随之变化，势阱内电荷就可以按人为确定的方向转移，直到最阱内电荷就可以按人为确定的方向转移，直到最终由输出端输出。终由输出端输出。 如何实现电荷定向转移呢？如何实现电荷定向转移呢？下面以三相控制方式为下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。例说明控制电荷定向转移的过程。 P1 P1 P2 P2 P3 P3t P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2

12、 P3 P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3(b)电荷转移过程电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t3012313123123123N12N626364P型衬底输入Gi123Go2SiO2输出CCDCCD芯片的构造芯片的构造 三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲冲1，2，3，见图（，见图（b）。当）。当P1极施加高电压时，极施加高电压时，在在P1下方产生电荷包（下方产生电荷包（t=t0）；当）；当P2极加上同样的电极加上同样的电

13、压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的下的电荷将在电荷将在P1、P2两电极下分布（两电极下分布（t=t1）；当）；当P1回到低回到低电位时，电荷包全部流入电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中（下的势阱中（t=t2）。）。 然后，然后，p3的电位升高，的电位升高，P2回到低电位，回到低电位，电荷包从电荷包从P2下转到下转到P3下的势阱（下的势阱（t=t3），以），以此控制，使此控制，使P1下的电荷转移到下的电荷转移到P3下。随着下。随着控制脉冲的分配，少数载流子便从控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜一端转

14、移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实集了少数载流子，送入放大器处理，便实现现电荷移动电荷移动。三相三相CCDCCD的电荷转移过程示意图的电荷转移过程示意图电荷包转移驱动脉冲 像元Pn 转移方向 像元Pn+1像元Pn+2 CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出极的电荷转化为电流或者电压的过程。 输出类型，主要有以下三种： 1）电流输出 2）浮置栅放大器输出 3）浮置扩散放大器输出 （4 4）信号电荷的检测）信号电荷的检测 CCD 的工作过程的工作过程4. 信号电荷输出，转化成电流或电压信号。信号电荷输出，转化成电流或电压信号。CCD的工作过程示意图背照

15、明光输入背照明光输入1电荷生成电荷生成2电荷存储电荷存储3电荷转移电荷转移复位输出4电荷检测电荷检测半导体半导体 CCD CCD传感器传感器利用CCD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，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。由于CCD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，且具有良好的致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。二、二、CCDCCD传感器的结构类型传感器的结构类型 按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵和面阵两大类。 一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。 C

16、CD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。感光和电荷输出过程是分开的，可避免相互影响。 （1）线阵）线阵CCD 电荷输出控制波形电荷输出控制波形 转移次数多、效率低。只适用于像素单元较少的成像器件。 转移次数减少一半，它的总转移效率也提高为原来的两倍。转移栅像敏单元CCD移位寄存器像敏单元转移栅转移栅 单沟道线阵单沟道

17、线阵CCDCCD 双沟道线阵双沟道线阵CCD CCD 线阵CCD每次扫描一条线为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。（2 2）面阵）面阵CCDCCD 按照一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄作器排列成二维阵列。就可以构成二维面阵CCD。面阵CCD同时曝光整个图像Full frame transfer（全帧转移）芯片的每一个像素都感光。传输时，每一列向单行串行寄存器上相对应的位置转移。同时，串行寄存器向阵列的出口转移。转移方式转移方式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滤光片，让相临四个像素分别只能接收一色光。每个像素输出的信息只是相应色光的灰度值，之后通过软件合成为彩色。每四个像素形成一个单元，一个负责每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色（因为人眼对绿色比较敏感）绿色（因为人眼对绿色比较敏感） 彩色彩色CCDCCD显微照片（放大显微照片（放大70007000倍）倍）三、三、CCDCCD传感器发展状况传感器发展状况（一）概述（一）概述 自1970年美国贝尔实验室成功研制第一只电荷耦合器件（CCD）以来，依靠业已成熟的MOS集成电路工艺， CCD技术得以迅猛发展。 其应用涉及到航

21、空、航天、遥感、卫星侦察、天文观测、通讯、交通、机械、电子、计算机、机器人视觉、新闻、广播、金融、医疗、出版、印刷、纺织、医学、食品、照相、文教、公安、保卫、家电、旅游等各个领域。（二）（二）CCDCCD生产厂家生产厂家 目前有能力生产 CCD 的国外厂家有：国家国家厂家厂家日本SONY，FUJIFILM（富士胶片），Panasonic，SANYO，Sharp美国Kodak（柯达），贝尔实验室荷兰Philips法国汤姆逊无线电公司（CSF），EEV 公司英国英国通用电气公司（GEC）我国的CCD研制工作起步较晚，目前整体落后于日欧美等国，但是发展潜力很大。 嫦娥二号携带的CCD立体摄像机 提高分辨率与单纯增加像素数之间存在着一种矛盾。富士公司对人类视觉进行了全面研究，研制出了超级CCD ( Super CCD) 。（三）特殊（三）特殊CCD的发展的发展1.超级超级CCD 传统传统CCD CCD 超级超级CCD CCD 由于地球引力等因素影响，图像信息空间频率的功率主要聚集于水平轴和垂直轴，而45对角线上功率最低。 根据富士公司发表的技术资