CCD图像传感器剖析学习教案

1、会计学1CCD图像图像(t xin)传感器剖析传感器剖析第一页，共40页。CCD图像(t xin)传感器简介第1页/共40页第二页，共40页。第2页/共40页第三页，共40页。第3页/共40页第四页，共40页。嫦娥二号携带嫦娥二号携带(xidi)(xidi)的的CCDCCD立体摄像机立体摄像机第4页/共40页第五页，共40页。第5页/共40页第六页，共40页。第6页/共40页第七页，共40页。第7页/共40页第八页，共40页。第8页/共40页第九页，共40页。1.1.信号电荷信号电荷(dinh)(dinh)的产生的产生2.2.信号电荷信号电荷(dinh)(dinh)的存贮的存贮3.3.信号电荷

2、的传输信号电荷的传输4.4.信号电荷的检测信号电荷的检测 工作原理工作原理第9页/共40页第十页，共40页。1.1.信号信号(xnho)(xnho)电电荷的产生荷的产生第10页/共40页第十一页，共40页。金属电极氧化物半导体e-e-e-e-e-e-e-光生(un shn)电子入射光MOSMOS电容器电容器第11页/共40页第十二页，共40页。2 2、信号电荷、信号电荷(dinh)(dinh)的存储的存储第12页/共40页第十三页，共40页。第13页/共40页第十四页，共40页。e-e-势阱势阱(sh jn)入射光入射光MOSMOS电容器电容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-势阱

3、势阱(sh jn)入射光入射光MOSMOS电容器电容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUG Uth 时第14页/共40页第十五页，共40页。第15页/共40页第十六页，共40页。 每个光敏元（像每个光敏元（像素）对应有三个相邻素）对应有三个相邻的转移栅电极的转移栅电极1 1、2 2、3,3,所有电极彼此间离所有电极彼此间离得足够近得足够近, ,以保证使硅以保证使硅表面的耗尽区和电荷表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转的势阱耦合及电荷转移。所有的移。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也是如此也是如此(rc),(rc),并施加时钟并施加

4、时钟脉冲脉冲22、33。这三。这三个时钟脉冲在时序上个时钟脉冲在时序上相互交迭。相互交迭。 三个时钟脉冲的时序(sh x)123t1t2t3t4t5第16页/共40页第十七页，共40页。3P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(jigu)(jigu)第17页/共40页第十八页，共40页。3 3、信号电荷、信号电荷(dinh)(dinh)的传输（耦合）的传输（耦合）第18页/共40页第十九页，共40页。(a)(a)初始状态；初始状态； (b) (b)电荷由电极向电极转移；电荷

5、由电极向电极转移； (c) (c)电荷在电极下均匀分布；电荷在电极下均匀分布；(d)(d)电荷继续由电极向电极转移；电荷继续由电极向电极转移；(e)(e)电荷完全电荷完全(wnqun)(wnqun)转移到电极；转移到电极； (f) (f)三相转移脉冲三相转移脉冲第19页/共40页第二十页，共40页。第20页/共40页第二十一页，共40页。 CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移(zhuny)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： 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、信号电荷(dinh)(dinh)的检测的检测第21

6、页/共40页第二十二页，共40页。背照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工作工作(gngzu)过程示意图过程示意图第22页/共40页第二十三页，共40页。CCD结构结构(jigu)类型类型第23页/共40页第二十四页，共40页。 目前，实用的线型目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图（图像传感器为双行结构，如图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下）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，在控制脉冲的作用下，自左向右

7、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，在输出端交替合并输出，这样移动，在输出端交替合并输出，这样(zhyng)就形成了原来就形成了原来光敏信号电荷的顺序。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第24页/共40页第二十五页，共40页。 面型面型CCDCCD图像传感器由感光区、信号存储区和图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前输出转移部分组成。目前(mqin)(mqin)存在三种典型结存在三种典型结构形式，如图所示。构形

8、式，如图所示。 图图(a)(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄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。行扫描电路将光存器、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，由垂直敏元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，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易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模糊。于引起图像模糊。第25页/共40页第二十六页，共40页。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

9、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)第26页/共40页第二十七页，共40页。 图（图（b）所示结构增加了具有公共水平方向）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，具有公共水平方向电极的感光区所积累的期内，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信息存储区。在垂直回扫结电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂

10、直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期束后，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动，每次总是内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是(zn sh)将存储区最底部一行的电荷信号移到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信号输出。当整帧视频信号自存储移移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。该出后，就开始下一帧信号的形成。该CCD结构结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器。储器。第2

11、7页/共40页第二十八页，共40页。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)第28页/共40页第二十九页，共40页。 图图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图它将图(b)中感光元件与存储元件相隔排列。即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。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打。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。随后，在每个水

12、平回开，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像一次一行地向扫周期内，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。接着这一行电荷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，信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作形成视频信号输出。这种结构的器件操作(cozu)简单，但单元设计复杂，感光单元面积简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。减小，图像清晰。 第29页/共40页第三十页，共40页。超级超级(choj)CCD (choj)CCD 传统传统CCD CCD 超级超

13、级CCD CCD 第30页/共40页第三十一页，共40页。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 信号处信号处理器，彩色还原能力提高理器，彩色还原能力提高50%50%。第31页/共40页第三十二页，共40页。第32页/共40页第三十三页，共40页。第33页/共40页第三十四页，共40页。）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第34页/共40页第三十五页，共40页。第35页/共40页第三十六页，共40页。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。成像物镜的放大成像物镜的放大(fngd)(fngd)倍率为倍率为，CCDCCD相元尺寸为相元尺寸为t t，上壁厚、下壁厚分别为上