CCD图像传感器

1、CCD图像传感器（Charge Coupled Device Charge Coupled Device ，感光耦合，感光耦合组 件 简 称 ） 是 贝 尔 实 验 室 的组 件 简 称 ） 是 贝 尔 实 验 室 的 W . S . B o y l eW . S . B o y l e 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、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信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能, ,且且集成度高、功耗低集成度高、功耗低, ,因此随后得到飞速发展因此随后得到飞速发展, ,是图是图像采集及数

2、字化处理必不可少的关键器件像采集及数字化处理必不可少的关键器件, ,广泛应广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。费领域。CCD图像传感器简介图像传感器简介CCD实物实物常见的常见的基于基于CCDCCD光电耦器件的光电耦器件的设备设备嫦娥二号携带的嫦娥二号携带的CCDCCD立体摄像机立体摄像机CCD图像传感器图像传感器CCDCCD图像传感器是按一定规律排列的图像传感器是按一定规律排列的MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）电容器组成的阵列。在半导体）电容器组成的阵列。在P P型或型或N N型硅衬底上生长一层很薄（约型硅衬底上生长一

3、层很薄（约120nm120nm）的二氧化硅）的二氧化硅, ,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极）硅电极（栅极）, ,形成规则的形成规则的MOSMOS电容器阵列，再电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了加上两端的输入及输出二极管就构成了CCDCCD芯片。芯片。CCD传感器的基本结构传感器的基本结构CCDCCD基本结构分两部分：基本结构分两部分：1.MOS1.MOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）光敏元阵列；半导体）光敏元阵列；2.2.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制作成百上千个电荷耦合器件是在半

4、导体硅片上制作成百上千个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅光敏元，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阵有规则地排列。平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。 MOS光敏元结构光敏元结构 MOSMOS（Metal Oxide Semiconductor,MOSMetal Oxide Semiconductor,MOS）电容器）电容器是构成是构成CCDCCD的最基本单元。的最基本单元。CCD分辨率分辨率分辨率指的是中有多少像素，也就是分辨率指的是中有多少像素，也就是上有多少感光组件，分辨率是图像传感器的重上有多少感光组件，分辨率是图像传感器的重要特性。要特性。 （像素（

5、像素= =分辨率长宽数值相乘，如：分辨率长宽数值相乘，如：640X480=307200640X480=307200，就是，就是30W30W像素）像素）CCDCCD分辨率主要取决于分辨率主要取决于CCDCCD芯片的像素数。芯片的像素数。其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减少将导致灵敏度的降低。少将导致灵敏度的降低。CCD基本工作原理基本工作原理1.1.信号电荷的产生信号电荷的产生2.2.信号电荷的存贮信号电荷的存贮3.3.信号电荷的传输信号电荷的传输4.4.信号电荷

6、的检测信号电荷的检测 工作原理工作原理 CCDCCD工作过程的第一步是电荷的产生。工作过程的第一步是电荷的产生。CCDCCD可以将可以将入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光电效应（也就是光生伏打效应）。电效应（也就是光生伏打效应）。1.1.信号电荷的产生信号电荷的产生信号电荷的产生（示意图）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 CCDCCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包入射光

7、子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。当金属电极上加正电压时，由于电场作的过程。当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下用，电极下P P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。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，称对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子。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），此时势阱内吸的光子数子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。与光强度成正比。2 2、信号电荷的存储、信号电

8、荷的存储一个一个MOSMOS结构元为结构元为MOSMOS光敏元或一个像素，把一个光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；CCDCCD器件器件内是在硅片上制作成百上千的内是在硅片上制作成百上千的MOSMOS元，每个金属电元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；如果照射在极加电压，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，那么这些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电荷图光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原象。这就是电荷耦合

9、器件的光电物理效应基本原理理。信号电荷的存储（示意图）信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱势阱入射光入射光MOSMOS电容电容器器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe- e-势阱势阱入射光入射光MOSMOS电容电容器器+UGe-e-e- e-e-e-+UthUG Uth 时在栅极在栅极G G电压为零时，电压为零时，P P型半导体中的空穴型半导体中的空穴( (多数载多数载流子流子) )的分布是均匀的。当施加正偏压的分布是均匀的。当施加正偏压UG( (此时此时UG小于小于p p型半导体的闽值电压型半导体的闽值电压Uth) )，空穴被排斥，产，空穴被排斥，产生耗尽区。电压继续增加，则耗尽区将进一

10、步向生耗尽区。电压继续增加，则耗尽区将进一步向半导体内延伸。半导体内延伸。 每个光敏元每个光敏元（像素）对应有三（像素）对应有三个相邻的转移栅电个相邻的转移栅电极极1 1、2 2、3,3,所有电所有电极彼此间离得足够极彼此间离得足够近近, ,以保证使硅表以保证使硅表面的耗尽区和电荷面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的转移。所有的1 1电电极相连并施加时钟极相连并施加时钟脉冲脉冲1,1,所有的所有的2 2、3 3也是如此也是如此, ,并施加并施加时钟脉冲时钟脉冲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123t1t2t

11、3t4t53P型型Si耗尽区耗尽区电荷转移方向电荷转移方向12输出栅输出栅输入栅输入栅输入二极管输入二极管输出二极管输出二极管 SiO2CCDCCD的的MOSMOS结构结构 CCDCCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。像元，直到全部电荷包输出完成的过程。 通过按一定的时序在电极上通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以施加高低电平，可以实现光电荷在相邻势阱间的转移。实现光电荷在相邻势阱间的转移。3 3、信号电荷的传输（耦合）、

12、信号电荷的传输（耦合）(a)(a)初始状态；初始状态； (b)(b)电荷由电荷由电极向电极电极向电极转移；转移； (c)(c)电荷在电荷在电极下均匀分电极下均匀分布；布；(d)(d)电荷继续由电荷继续由电极向电极向电极转移；电极转移；(e)(e)电荷完全转移到电荷完全转移到电极；电极； (f)(f)三相三相转移脉冲转移脉冲图中图中CCDCCD的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在偏压为偏压为10V10V的的(1)(1)电极下面的深势阱中，其他电极电极下面的深势阱中，其他电极加有大于阈值的较低的电压加有大于阈值的较低的电压( (例如例如2V)2V)，如图，如图(

13、a)(a)所所示。一定时刻后，示。一定时刻后，(2)(2)电极由电极由2V2V变为变为10V10V，其余电，其余电极保持不变，如图极保持不变，如图(b)(b)。因为。因为(1)(1)和和(2)(2)电极靠的很电极靠的很近近( (间隔只有几微米间隔只有几微米) )，它们各自的对应势阱将合，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在并在一起，原来在(1)(1)下的电荷变为下的电荷变为(1)(1)和和(2)(2)两个两个电极共有，图电极共有，图(C)(C)示。此后，改变示。此后，改变(1)(1)电极上电极上10V10V电电压为压为2 V2 V，(2)(2)电极上电极上10V10V不变，如图不变，如图(d

14、)(d)示，电荷示，电荷将转移到将转移到(2)(2)电极下的势阱中。由此实现了深势阱电极下的势阱中。由此实现了深势阱及电荷包向右转移了一个位置。及电荷包向右转移了一个位置。 CCDCCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。移到输出级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：输出类型，主要有以下三种： 1 1）电流输出电流输出 2 2）浮置栅放大器输出浮置栅放大器输出 3 3）浮置扩散放大器输出浮置扩散放大器输出 4 4、信号电荷的检测、信号电荷的检测背照明光输入背照明光输入1电荷生成电荷生成2电

15、荷存储电荷存储3电荷转移电荷转移复位复位输出输出4电荷检测电荷检测半导体半导体 CCDCCD传感器传感器CCD工作过程示意图工作过程示意图 按照像素排列方式的不同，可以将按照像素排列方式的不同，可以将CCDCCD分为线阵分为线阵和面阵两大类。和面阵两大类。CCD结构类型结构类型 目前，实用的线型目前，实用的线型CCDCCD图像传感器为双行结构，如图像传感器为双行结构，如图（图（b b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合

16、并输出，这样就用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。形成了原来光敏信号电荷的顺序。转移栅转移栅光积分单元光积分单元不透光的电荷转移结构不透光的电荷转移结构光积分区光积分区输出输出转移栅转移栅(a)(b)线型线型CCD图像传感器图像传感器输出输出 面型面型CCDCCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所转移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。示。 图图(a)(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电

17、路将光敏元器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。模糊。二相驱动二相驱动视频输出视频输出 行行扫扫描描发发生生器器输输出出寄寄存存器器检波二极管检波二极管二相驱动二相驱动感光区感光区沟阻沟阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光区感光区 存储区存储区析像单元析像单元 视频输出视频输出输出栅输出栅串行读

18、出串行读出面型面型CCD图像传感器结构图像传感器结构(a)(b) 图（图（b b）所示结构增加了具有公共水平方向电极的）所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平动，每次总是

19、将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。该帧信号的形成。该CCDCCD结构具有单元密度高、电极简单结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器。等优点，但增加了存储器。光栅报时钟光栅报时钟二相驱动二相驱动输出寄存器输出寄存器检波二极管检波二极管 视频输出视频输出垂直转移垂直转移寄存器寄存器感光区感光区二相驱动二相驱动(c) 图图(c)(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将所示结构是用

20、得最多的一种结构形式。它将图图(b)(b)中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输

21、出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。 提高分辨率与单纯增加像素数之间存在着一种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，研矛盾。富士公司对人类视觉进行了全面研究，研制出了超级制出了超级CCD ( Super CCD)CCD ( Super CCD) 。超级超级CCD 传统传统CCD CCD 超级超级CCD CCD 超级超级CCDCCD的性能提升的性能提升 1. 1.分辨力分辨力 独特的独特的4545蜂窝状像素排列

22、，其分辨力比传统蜂窝状像素排列，其分辨力比传统CCD CCD 高高60%60%。 2. 2.感光度、信噪比、动态范围感光度、信噪比、动态范围 像敏元光吸收效率的提高使这些指标明显改善像敏元光吸收效率的提高使这些指标明显改善，在，在300 300 万像素时提升达万像素时提升达130% 130% 。 3. 3.彩色还原彩色还原 由于信噪比提高，且采用专门由于信噪比提高，且采用专门LSI LSI 信号处理器信号处理器，彩色还原能力提高，彩色还原能力提高50%50%。CCDCCD和传统底片相比，和传统底片相比，CCD CCD 更接近于人眼对视觉的更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负

23、责光强工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。组成视觉感应。 CCDCCD经过长达经过长达3535年的发展，大致年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。的形状和运作方式都已经定型。CCD CCD 的组成主要的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。最底下的电子线路矩阵所组成。 传统三原色CCDSony发布的四色感应CCD-ICX456 新增的这个颜色加强了对自然风景的解色能力，新增的这个颜色加强了对自然风景的解色能

24、力，让绿色这个层次能够创造出更多的变化。让绿色这个层次能够创造出更多的变化。CCDCCD传感器应用传感器应用 CCDCCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高应用技术是光、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，新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCDCCD被广泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定位被广泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。和自动调焦等方面。CCDCCD传感器应用时是将不同光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，主要用来装配轻型摄像机、各种光学

25、元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。摄像头、工业监视器。自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机；装置、指纹机；作为机器人视觉系统；作为机器人视觉系统；用于传真技术，文字、图象、车牌识别。例如用用于传真技术，文字、图象、车牌识别。例如用CCDCCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；用；M2AM2A摄影胶囊（摄影胶囊（Mouth anusMouth anus）, ,由发光二极管做光由发光二极管做光源，源，CCDCCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到做摄像机，每秒钟两次快

26、门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。载。）光积分单元（感光单元不透光的电荷转移机构输出转移栅L12345678910实例实例测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加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，这里以玻璃管直径工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。与壁厚的测量为例。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/dntdn 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。 1d2dDCCD与与CMOS比较比较图像传感器可以分为两类：图像传感器可以分为两类： 1 1、CCDCCD：