第7章固体成像器件

第七章固体成像器件--CCD光电成像器件的分类自扫描固体摄像器件的显著优点体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，可靠，寿命长；扫描线性，畸变小，重复性好，适用于尺寸测量、定位和图像传感等方面；光谱响应范围较广，从近紫外到近红外；空间分辨率高，像元间距的几何位置精确，可以获得很高的定位与测量精度；与微机接口容易实现。“CCD是数码相机的电子眼,它革新了摄影术。现在光可以被电子化记录,取代了胶片。这一数字形式极大地方便了对图像的处理和发送。无论是我们大海中深邃之地,还是宇宙中的遥远之处,它都能给我们带来水晶般清晰的影像。1970年，Boyle(左)和Smith(右)在测试用最初状态的CCD元件组装的简易拍摄装置。1973年，仙童公司的产品，第一块商用CCD柯达的塞尚先生被尊为数码相机之父，而1975年，他的第一台电子相机使用的核心成像元件正是一块5万像素的仙童产CCD70年代末，RCA对天文拍摄用CCD的研究，使其得以因基特峰国家天文台的1米望远镜安装了其自产的320*512像元制冷CCD而名声大造天文摄影中，使用的大型CCD阵列，由多块不同尺寸，不同特性的CCD成像元件组成天文摄影用CCD成像设备拍摄的遥远的深空天体

1981，索尼Mavica电子相机，数码单反的先驱

电荷耦合器件CCD表面沟道CCD电荷存贮位置体内沟道CCD半导体与绝缘体之间的界面电荷传输位置距半导体表面一定深度体内界面半导体内CCD结构基本单元（一个像素）是MOS结构。金属氧化物半导体VGCCD工作原理四种平衡状态VG=0，多子均匀VG<0，多子堆积多子耗尽，形成势阱反型状态，N沟道电子迁移率高CCD的非稳态工作深耗尽：施加电压VG>Vth瞬间，空穴被排斥（10-12s），而电子尚未产生（源于热激发的产生-复合过程，弛豫时间T:0.1~10s）t>T，势阱被热激发电子填满而形成反型层，势阱消失要求存贮有用信号电荷的时间小于热激发电子的存贮时间。通过内部时钟脉冲控制电荷包的存储时间CCD的电荷耦合过程自扫描：通过时钟脉冲的驱动完成信号电荷的传输电荷包a1→b1→c1→a2从t1~t4电荷传输一个电极从t1~t6电荷传输一位

CCD电荷的注入CCD摄象器件的光敏单元为光注入方式。当光照射到CCD上时，在栅极附近的半导体体内产生电子－空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。电注入：CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。CCD电荷的输出CCD的工作原理电荷注入电荷存储电荷耦合电荷输出CCD的主要特性参数（1）电荷转移损失率电荷转移效率CCD的主要特性参数（2）驱动频率下限：上限对于三相CCD，转移一个栅极的时间为t=T/3，T为时钟脉冲周期，τi是少数载流子的平均寿命，须满足t≤τi。温度越低，寿命越长，低温环境有助于低频工作。为保证转移效率，电荷从一个电极转移到下一个电极的固有时间τgCCD的主要特性参数（3）分辨率：用像素总数表示的。设在水平方向上CCD感光有效长度是M毫米，在垂直方向上CCD感光有效长度是N毫米。如果像素（最小感光单元称之为像素）的尺寸是m*n，那么在水平方向上的象素总数=M/m，在垂直方向上的象素总数=N/n①按成象器件分类：线阵CCD、面阵CCD②按颜色分类：黑白、彩色④按输出信号分类：模拟式、数字式

黑白：信息量小，时间、空间少彩色：信息量大，时间、空间多线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低；面阵CCD:整幅图像；直观；价格高，体积大；③按扫描方式分类：逐行扫描、隔行扫描

逐行扫描：高速运动，避免边缘模糊数字摄像机----电子快门曝光时间:1/50s、1/125s、1/250s、1/500s、1/1000s、1/2000s、1/4000s、1/8000s、1/16000s、1/32000s…⑤按形状分类：长形、短形、方块形、半球形、单板形

CCD种类CCD的应用（1）CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片CCD的应用（2）线阵CCD用于字符识别CCD的应用（3）线阵CCD在扫描仪中的应用CCD应用１．用于测量CCD的应用（4）光电成像器件小结一类能够输出图像信息的功能器件。像管是直视型电真空光电成像器件，输出可供人眼直接观察。像管分为变像管和像增强器两种。变像管将不可见的光学图像变换为可见光图像；像增强器能够将亮度很低的光学图像增强到足够亮度。摄像型输出的是一维时序电信号，分电真空摄像管和固体摄像器件两种。电真空摄像管利用光电靶和电子束扫描