CCD图像传感器wpsPPT课件

1、 CCD图像传感图像传感器器河北科技大学信息科学与工程学院电子科学与技术专业第1页/共15页CCD（Charged Coupled Device）简介CCD全称电荷耦合器件。它可以将“光”的信息转换成“电”的信息，就是将光学影像转换成数字信号。CCD的原型是由高纯度的硅及集成在周围的电路组成的。每个像素的电荷数据都会依次传递到下一个像素中，并由最底端输出且保存为数字信号。第2页/共15页CCD发展史1969年美国贝尔实验室（BellLabs）的维拉波义耳（WillardBoyle）和乔治史密斯（George ESmith）发明了CCD维拉波义耳（WillardBoyle）和乔治史密斯（Geor

2、ge ESmith）1973年仙童公司制造出第一只商用CCD成像器件，索尼CCD技术起步也较早于1980年制造出了第一部CCD彩色摄像机，1999年富士公司研制出了第一代超级CCD（Super CCD），采用八角形的光电二极管和蜂窝状的像素排列，使得在单位像素面积不减小的基础上增大了CCD的总面积,它有更高的灵敏度、更高的信号噪声比并有更广泛的动态范围。 我国的CCD技术起步较晚。落后先进国家10年以上。第3页/共15页CCD结构示意图 显微镜下的MOS元表面 一、CCD的结构1.基本结构CCD基本结构分两部分：（1）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

3、上千（万）个光敏元，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。（2）读出移位寄存器。第4页/共15页 光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少.，取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中.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.将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备第5页/共15页 CCD图像传感器的原理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冲的顺序可以反映一个光敏元的位置完成图像传感第6页/共15页特点：以电荷作为信号基本功能：电荷的

4、存贮和转移CCD基本工作原理信号电荷的产生信号电荷的存贮信号电荷的传输信号电荷的检测第7页/共15页(1)信号电荷的产生 半导体物理学知识告诉我们，热或光的激发可在半导体内产生电子-空穴对，故半导体载流子有带负电荷的电子，也有带正电荷的空穴。P型半导体里空穴浓度高，为多数载流子，电子浓度少，为少数载流子，N型半导体则相反。，光越强，电子-空穴对越多，这样光的强弱就与电子-空穴对的数量对应起来，信号电荷产生了，光信号就转换为电信号。第8页/共15页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

5、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），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。(2)信号电荷的存储第9页/共15页(3)(3)信号电荷的传输 CCD的基本功能是具有存储与转移信息电荷的能力，故又称它为动态移位寄存器。实现电荷转移条件：首先，为了实现信号电荷的转换，首先必须使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。通常相邻MOS电容电极间隙必须小于3m，甚至小至0.2 m以下。其次，根据加在MOS电容上的电压越高，产生的势阱越深的原理，通过控制相邻MOSMOS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

6、处。第三，在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。第10页/共15页电压输出方式电压输出方式浮置扩散放大器浮置扩散放大器(4)信号电荷的检测第11页/共15页CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述内部参数内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据理论设计的重要依据；外部参数外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。 特性第12页/共15页CCDCCD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），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; ;作为机器人视觉系统；M2AM2A摄影胶囊（Mouth anusMouth anus）, ,由发光二极管做光