ccd基本原理与发展状况课件

CCD传感器及其发展状况

学生姓名：高志帆指导教师：雷俊峰教授

2010年11月22日光电器件及系统CCD传感器及其发展状况学概述

CCD（ChargeCoupledDevices:电荷耦合器件）图像传感器是20世纪70年代初发展起来的一种新型半导体集成光电器件。

它的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。概述CCD（ChargeCoupledDevices光学系统

CCD

图像处理光学系统CCD图像处理内容提纲CCD传感器的基本原理CCD传感器的结构类型CCD传感器的发展状况

内容提纲CCD的最基本单元MOS电容器是构成CCD的最基本单元是，它是金属—氧化物—半导体（MOS）器件中结构最为简单的。

金属电极氧化物半导体MOS电容器一、CCD传感器的基本原理CCD的最基本单元金属电极氧化物半导体MOS电容器一、CCD1、信号电荷的产生CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD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电效应（也就是光生伏特效应）。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MOS电容器信号电荷的产生（示意图）金属电极氧化物半导体e-e-e-e-

CCD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的过程。

2、信号电荷的存储CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUG<Uth

时UG>Uth

时信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱入射光MOS电容器+UGCCD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像元，直到全部电荷包输出完成的过程。3、信号电荷的传输（耦合）3、信号电荷的传输（耦合）

一个像素沟阻，定义了图像区的列平面图图示为CCD成像区的一小部分（几个像素）。图像区中这个图案是重复的。①②③一个像素沟阻，定义了图像区的列平面图图示为CCDccd基本原理与发展状况课件三相CCD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+2三相CCD的电荷转移过程示意图电荷包转移驱动脉冲

CCD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。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、信号电荷的检测 CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出ODOSRDRSW输出节点衬底输出FET复位FET相加阱20mm输出漏极(OD)输出源极(OS)输出管栅极输出节点电容R复位漏极(RD)相加阱(SW)串行寄存器最后的几个电极末级电极典型CCD片内放大器的显微照片和片内放大器的线路图.ODOSRDRSW输出节点衬底输出复位相加阱20mm输出漏极+5V0V-5V+10V0VRSWVoutODOSRDRSW复位FET相加阱串行寄存器的末端Vout

测量过程由复位开始，复位会把前一个电荷包的电荷清除掉。输出节点输出FET+5V+10VRSWVoutODOSRDRSW复位相加阱串行+5V0V-5V+10V0VRSWVout

电荷输送到相加阱。此时，Vout是参考电平。在这个期间，外部电路测量参考电平。+5V+10VRSWVout电荷输送到相加阱。此+5V0V-5V+10V0VRSWVout

相加阱将电荷输送到输出节点电容，Vout下降到信号电平。+5V+10VRSWVout相加阱将电荷输送到输出节+5V0V-5V+10V0VRSWVout

外部电路对Vout进行采样，所采样的Vout电平与信号电荷包中的电荷浓度成正比。

至此，完成了信号电荷包的测量。+5V+10VRSWVout外部电路对VoutCCD的工作过程示意图背照明光输入1电荷生成2电荷存储3电荷转移复位输出4电荷检测半导体CCD传感器CCD的工作过程示意图背照明光输入1电荷生成2电荷存储3电荷二、CCD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。二、CCD传感器的结构类型（1）线阵CCD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CCD双沟道线阵CCD

（1）线阵CCD转移次数多、效率低。只适用线阵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。线阵CCD每次扫描一条线为了得到整个二维（2）面阵CCD

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。（2）面阵CCD帧转移面阵CCD结构图水平读出寄存器（遮光）帧转移面阵CCD结构图水平读出寄存器（遮光）优点：电极结构简单，感光区面积可以很小。缺点：需要面积较大大暂存区。帧转移面阵CCD工作过程优点：电极结构简单，感光区面积可以很小。帧转移面阵CCD工作隔列转移面阵CCD结构图光敏区隔列转移面阵CCD结构图光敏区优：转移效率大大提高。缺：结构较为复杂。隔列转移面阵CCD工作过程优：转移效率大大提高。隔列转移面阵CCD工作过程面阵CCD同时曝光整个图像面阵CCD同时曝光整个图像常用面阵CCD尺寸系列尺寸靶面尺寸宽高对角线1英寸12.7mm9.6mm16mm2/3英寸8.8mm6.6mm11mm1/2英寸6.4mm4.8mm8mm·1/3英寸4.8mm3.6mm6mm1/4英寸3.2mm2.4mm4mm常用面阵CCD尺寸系列靶面尺寸宽高对角线1英寸12.7mm9三、CCD传感器发展状况（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。三、CCD传感器发展状况（一）概述（二）CCD生产厂家目前有能力生产CCD的国外厂家有：国家厂家日本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）（二）CCD生产厂家目前有能力生产CCD的国外厂家有：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

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(SuperCCD)。（三）特殊CCD的发展1.超级CCD传统CCD超级CCD提高分辨率与单纯增加像素数之间存在着一种矛

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料，超级CCD的这种排列方式，感光时可以达到传统CCD两倍的分辨力。45°排列结构由于地球引力等因素影响，图像信息空间频率的用八角形像素单元取代传统矩形单元，使像素空间效率显著提高、密度达到最大，从而可以使光吸收效率得到显著提高。正八角形的像素外形用八角形像素单元取代传统矩形单元，使像素空超级CCD的性能提升分辨力

独特的45°蜂窝状像素排列，其分辨力比传统CCD

高60%。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，在300

万像素时提升达130%。彩色还原由于信噪比提高，且采用专门LSI

信号处理器，彩色还原能力提高50%。超级CCD的性能提升截止2009年2月4日，日本富士公司已研发了8代超级

CCD。SuperCCDEXR截止2009年2月4日，日本富士公司已研发2.四色感应CCD

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，让绿色这个层次能够创造出更多的变化。2.四色感应CCD传统三原色CCDSony发布的四色感应（四）CCD的发展趋势

高分辨率

目前CCD像元数已从100万像元提高到2000万像元以上，大面阵、小像元的CCD摄像机层出不穷。美国EG&G·Retion研制出8192×8192像元高分辨率CCD图像传感器。（四）CCD的发展趋势高速度对于某些高速瞬态成像场合（如高速飞行弹头的飞行姿态），要求CCD具有高的工作速度和灵敏度。

高速度对于某些高速瞬态成像场合（如高速飞可见光近红外得以应用X射线紫外中远红外正在研究多光谱范围可见光近红外得以应用X射线紫外中远红外正在研究多光谱范围谢谢大家！谢谢大家！演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！CCD传感器及其发展状况

学生姓名：高志帆指导教师：雷俊峰教授

2010年11月22日光电器件及系统CCD传感器及其发展状况学概述

CCD（ChargeCoupledDevices:电荷耦合器件）图像传感器是20世纪70年代初发展起来的一种新型半导体集成光电器件。

它的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。概述CCD（ChargeCoupledDevices光学系统

CCD

图像处理光学系统CCD图像处理内容提纲CCD传感器的基本原理CCD传感器的结构类型CCD传感器的发展状况

内容提纲CCD的最基本单元MOS电容器是构成CCD的最基本单元是，它是金属—氧化物—半导体（MOS）器件中结构最为简单的。

金属电极氧化物半导体MOS电容器一、CCD传感器的基本原理CCD的最基本单元金属电极氧化物半导体MOS电容器一、CCD1、信号电荷的产生CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD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电效应（也就是光生伏特效应）。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MOS电容器信号电荷的产生（示意图）金属电极氧化物半导体e-e-e-e-

CCD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的过程。

2、信号电荷的存储CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUG<Uth

时UG>Uth

时信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱入射光MOS电容器+UGCCD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像元，直到全部电荷包输出完成的过程。3、信号电荷的传输（耦合）3、信号电荷的传输（耦合）

一个像素沟阻，定义了图像区的列平面图图示为CCD成像区的一小部分（几个像素）。图像区中这个图案是重复的。①②③一个像素沟阻，定义了图像区的列平面图图示为CCDccd基本原理与发展状况课件三相CCD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+2三相CCD的电荷转移过程示意图电荷包转移驱动脉冲

CCD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。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、信号电荷的检测 CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出ODOSRDRSW输出节点衬底输出FET复位FET相加阱20mm输出漏极(OD)输出源极(OS)输出管栅极输出节点电容R复位漏极(RD)相加阱(SW)串行寄存器最后的几个电极末级电极典型CCD片内放大器的显微照片和片内放大器的线路图.ODOSRDRSW输出节点衬底输出复位相加阱20mm输出漏极+5V0V-5V+10V0VRSWVoutODOSRDRSW复位FET相加阱串行寄存器的末端Vout

测量过程由复位开始，复位会把前一个电荷包的电荷清除掉。输出节点输出FET+5V+10VRSWVoutODOSRDRSW复位相加阱串行+5V0V-5V+10V0VRSWVout

电荷输送到相加阱。此时，Vout是参考电平。在这个期间，外部电路测量参考电平。+5V+10VRSWVout电荷输送到相加阱。此+5V0V-5V+10V0VRSWVout

相加阱将电荷输送到输出节点电容，Vout下降到信号电平。+5V+10VRSWVout相加阱将电荷输送到输出节+5V0V-5V+10V0VRSWVout

外部电路对Vout进行采样，所采样的Vout电平与信号电荷包中的电荷浓度成正比。

至此，完成了信号电荷包的测量。+5V+10VRSWVout外部电路对VoutCCD的工作过程示意图背照明光输入1电荷生成2电荷存储3电荷转移复位输出4电荷检测半导体CCD传感器CCD的工作过程示意图背照明光输入1电荷生成2电荷存储3电荷二、CCD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。二、CCD传感器的结构类型（1）线阵CCD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CCD双沟道线阵CCD

（1）线阵CCD转移次数多、效率低。只适用线阵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。线阵CCD每次扫描一条线为了得到整个二维（2）面阵CCD

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。（2）面阵CCD帧转移面阵CCD结构图水平读出寄存器（遮光）帧转移面阵CCD结构图水平读出寄存器（遮光）优点：电极结构简单，感光区面积可以很小。缺点：需要面积较大大暂存区。帧转移面阵CCD工作过程优点：电极结构简单，感光区面积可以很小。帧转移面阵CCD工作隔列转移面阵CCD结构图光敏区隔列转移面阵CCD结构图光敏区优：转移效率大大提高。缺：结构较为复杂。隔列转移面阵CCD工作过程优：转移效率大大提高。隔列转移面阵CCD工作过程面阵CCD同时曝光整个图像面阵CCD同时曝光整个图像常用面阵CCD尺寸系列尺寸靶面尺寸宽高对角线1英寸12.7mm9.6mm16mm2/3英寸8.8mm6.6mm11mm1/2英寸6.4mm4.8mm8mm·1/3英寸4.8mm3.6mm6mm1/4英寸3.2mm2.4mm4mm常用面阵CCD尺寸系列靶面尺寸宽高对角线1英寸12.7mm9三、CCD传感器发展状况（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。三、CCD传感器发展状况（一）概述（二）CCD生产厂家目前有能力生产CCD的国外厂家有：国家厂家日本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）（二）CCD生产厂家目前有能力生产CCD的国外厂家有：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

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(SuperCCD)。（三）特殊CCD的发展1.超级CCD传统CCD超级CCD提高分辨率与单纯增加像素数之间存在着一种矛

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料，超级CCD的这种排列方式，感光时可以达到传