CCD图像传感器详解.docx

CCD图像传感器详解.docx

《CCD图像传感器详解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CCD图像传感器详解.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

CCD图像传感器详解

CCD图像传感器详解

　　CCD图像传感器

　　CCD全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。

它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。

它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。

CCD图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。

实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器，都用了CCD作图象探测元件。

　　一个完整的CCD器件光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。

CCD工作时，在设定的积分时间内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、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。

于CCD光敏元可做得很小，所以它的图象分辨率很高。

一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理

　　CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图1所示。

以P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在SiO2上淀积一层金属为栅极，P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。

于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层，电子一旦进入于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。

　　当器件受到光照时，光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。

光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。

　　金属氧化物

　　电子

　　少数载流子耗尽区PSi

　　静电位能

　　表面势

　　势阱信号电荷

　　图1CCD结构和工作原理图

　　（a）用作少数载流子贮存单元的MOS电容器剖面图　　（b）有信号电荷的势阱，图上用阱底的液体代表

　　总之，上述结构实质上是个微小的MOS电容，用它构成象素，既可“感光”又可留下“潜影”，感光作用是靠光强产生的电子电荷积累，潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图象的传递。

二．电荷的转移与传输

　　CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器，它的表面不透光的铝层覆盖，以实现光屏蔽。

上面讨论可知，MOS电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外加电压一定，势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小。

利用这一特性，通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。

制造时将MOS电容紧密排列，使相邻的MOS电容势阱相互“沟通”。

认为相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小，在信号电荷自感生电场的库仑力推动下，就可使信号电荷浅处流向深处，实现信号电荷转移。

　　为了保证信号电荷按确定路线转移，通常MOS电容阵列栅极上所加电压脉冲为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲。

下面我们分别介绍三相和二相CCD结构及工作原理。

1.三相CCD传输原理

　　简单的三相CCD结构如图2所示。

每一级也叫一个像元，有三个相邻电极，每隔两个电极的所有电极都接在一起，3个相

　　0

　　位相差120的时钟脉冲φ1、φ2、φ3来驱动，故称三相CCD，图2为断面图；图为俯视图；图给出了三相时钟之间的变化。

在时刻t1,第一相时钟φ1处于高电压，φ2、φ3处于低压。

这时第一组电极1、4、7下面形成深势阱，在这些势阱中可以贮存信号电荷形成“电荷包”，如图所示。

在t2时刻φ1电压线性减少，φ2为高电压，在第一组电极下的势阱变浅，而第二组电极下形成深势阱，信息电荷从第一组电极下面向第二组转移，直到t3时刻，φ2为高压，φ1、φ3为低压，信息电荷全部转移到第二组电极下面。

重复上述类似过程，信息电荷可从φ2转移到φ3，然后从φ3转移到φ1电极下的势阱中，当三相时钟电压循环一个时钟周期时，电荷包向右转移一级，依次类推，信号电荷一直电极1、2、3N向右移，直到输出。

　　（a）

　　t1t2t3

　　（c）

　　t1t2t3t4

　　图2三相CCD传输原理图

　　（b）

　　（d）

　　2．二相CCD传输原理

　　CCD中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的.在三相CCD中是靠时钟脉冲的时序控制,来形成非对称势阱.但采用不对称的电极结构也可以引进不对称势势阱,从而变成二相驱动的CCD.目前实用CCD中多采用二相结构.实现二相驱动的方案有:

　　阶梯氧化层电极

　　阶梯氧化层电极结构参见图3。

图可见,此结构中将一个电极分成二部分,其左边部分电极下的氧化层比右边的厚,则在同一电压下,左边电极下的位阱浅,自动起到了阻挡信号倒流的作用.

　　设置势垒注入区（图4）

　　对于给定的栅压,位阱深度是掺杂浓度的函数.掺杂浓度高,则位阱浅.采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处，则该处位阱就较浅,任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动。

　　结构示意；（b）驱动脉冲

　　图3采用阶梯氧化层电极形成的二相结构　　图4采用势垒注入区形成二相结构三．电荷读出方法

　　CCD的信号电荷读出方法有两种:

输出二极管电流法和浮置栅MOS放大器电压法.

　　图5（a）是在线列阵未端衬底上扩散形成输出二极管,当二极管加反向偏置时,在PN结区产生耗尽层。

当信号电荷通过输出栅OG转移到二极管耗尽区时,将作为二极管的少数载流子而形成反向电流输出。

输出电流的大小与信息电荷大小成正比,并通过负载电阻RL变为信号电压U0输出.

　　φ2φSiO23φ1φ2φ3OG　　I0U0RLPSiUβ（a）φ3　　OG　　φRRDSiO2浮置扩散结P　　SiURRDODφRAOGOSlokRLUOOSMOS输出管OD图5电荷读出方法输出二极管电流法（b）浮置栅MOS放大器电压法（c）输出级原理电路

　　图5（b）是一种浮置栅MOS放大器读取信息电荷的方法.MOS放大器实际是一个源极跟随器,其栅极浮置扩散结收集到的信号电荷控制,所以源极输出随信号电荷变化.为了接收下一个“电荷包”的到来,必须将浮置栅的电压恢复到初始状态,故在MOS输出管栅极上加一个MOS复位管。

在复位管栅极上加复位脉冲φR,使复位管开启,将信号电荷抽走,使浮置扩散结复位.

　　图5（c）为输出级原理电路,于采用硅栅工艺制作浮置栅输出管,可使栅极等效电容C很小。

如果电荷包的电荷为Q,A点等效电容为C,输出电压为U0，A点的电位变化△U=－Q,因而可以得到比较大的输出信号,起到放大器的作用,称为浮置栅MOS放大器电压法。

C实验仪器简介:

　　一、CCD多功能实验仪

　　CCD多功能实验仪外形如图6所示。

它的核心是一块TCD1206UDCCD芯片，配以外围电路，以产生使CCD正常工作所需的各路驱动脉冲。

仪器内部已连接好，仪器面板的右部是各路脉冲的外接线柱，方便学生对这些脉冲进行测试。

面板上的积分时间设置有1—16档，显示窗显示数字大于16的设置无效。

频率设置为0—3档。

为减少因误操作而引起的CCD器件损坏，仪器左前方有一个CCD上电接钮，打开实验仪开关时CCD上电按钮是不亮的，此时CCD没有接通电源，可以通过CCD实验仪上面的接线柱测量CCD的各路驱动脉冲。

按动CCD上电按钮使之变亮，则CCD电源接通，可观测CCD的输出信号。

实验仪后部有一个DB9数据接口，可将CCD的输出信号与同步脉冲与其它数据处理设备连接。

　　图6CCD多功能实验仪外形图

　　图7为TCD1206UD的结构示意图，它为一双通道二相驱动的线阵CCD器件，共有2160个光敏元。

奇数光敏元与其中一列移位寄存器相连，偶数光敏元与另一列移位寄存器相连。

移位寄存器的像元数量与光敏光相同，相邻像元中的一个与光敏元相连，并接1脉冲，另一个不直接与光敏元连接，接2脉冲，如图4所示。

　　图8为各路脉冲的波形图。

　　SH信号加在转移栅上。

当SH为高电平时，正值φ1为高电平。

移位寄存器中的所有φ1电极下均形成深势阱，同时SH的高电平使光敏元MOS电容存储势阱与φ1电极下的深势阱沟通，光敏MOS电容中的信号电荷包迅速向上下两列移位寄存器中与φ1连接的MOS电容转移。

SH为低电平时，光敏元与移位寄存器的连接中断，此时光敏元在外界光照作用下产生与光照对应的电荷，而移位寄存器中的信号电荷在φ1φ2时钟脉冲作用下右向左转移，在输出端将上下两列信号按原光敏元采集的顺序合为一列后，输出端输出。

　　电源

　　光敏元

　　图7TCD1206UD结构示意

　　于结构上的安排，输出电路首先输出13个虚设单元的暗信号，再输出51个暗信号，接着输出2160个有效信号，之后再输出10个暗电流信号，接下去输出两个奇偶检测信号，然后可输出多余的暗电流信号。

于该器件为双列并行传输的器件，所以在一个

　　SH周期中至少要有1117个φ1脉冲，即TSH＞1117T1。

　　φ2脉冲与φ1脉冲互为反相，即φ1高电平时φ2为低电平，φ1为低电平时φ2为高电平。

　　φR为复位信号，对于双通道器件而言，它的周期是φ1φ2的一半，即在一个φ1φ2脉冲周期内有两个φR脉冲，且φR的下降沿稍超前φ1φ2的变化前沿。

　　SP为像元同步脉冲，φC为行同步脉冲，用作CCD与其它信号存储、处理设备连接时作同步信号。

U0为输出信号。

　　积分时间SH12RSPCUO2160个信号输出单元64个哑元1行读出周期

　　图8各路脉冲波形图

　　二、TDS210数字示波器的使用

　　1.数字示波器的面板图如图92.数字示波器TDS210的特点操作简单

　　对于一般周期性的波形，通过按“自动设置”便可以看到波形。

“自动设置”的作用在于合理地设置触发电平、电压衰减系数和时基信号。

　　可以测量波形的多种参数

　　可以测量周期、频率、电压平均值、电压峰-峰值、电压均方根值、波形上升时间、波形下降时间、正频宽和负频宽。

具有自动计算功能

　　作为数字式的仪表，它具有计算的功能，能够将结果显示出来，对待测量不需要作进一步的计算，比如测量频率，只需要设置为测量频率，然后从数字示波器的屏幕上读出频率的数字即可。

具有存储功能

　　数字示波器通过将模拟信号数字化，然后存储在示波器的存储单元中。

数字示波器不断地采集外部输入的模拟信号，然后不断地更新存储器中的数据，按“运行/停止”键可以“重新/暂停”数据的采集。

　　通过单次触发，可以采集外部的脉冲信号，比如开关的闭合所引起的电路脉冲。

利用

　　存储在示波器中的数据，显示的静止图象，有利于测量不太稳定的信号。

　　SAVE/RECALL自动设置MEASUREACQUIRE存储/调出测量采集菜单硬拷贝运行/停止CURSORUTILITYDISPLAY辅助功能光标显示垂直水平触发测量内位置位置位置释抑电平容选择测量内MATH容1光标1光标2菜单TRIGGERHORIZONTALCH1CH2菜单菜单菜单菜单测量内容2设为50%测量内设伏格伏格秒格容///3强制触发测量内设容4TRIGGERVIEW触发源观察探头补偿5V2