CCD基本原理与应用.ppt

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将美丽留驻？

实物,图像,?

图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上,如何准确地描述一幅图像？

感光芯片的设计思想：

就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。

实物,图像,数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,实物,图像,数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,光源,显示设备,A/D转换,光电转换设备,放大设备,实物,图像,光子,模拟量（电压）,电荷,日光,监视器,光电转换设备,放大设备,模拟相机+监视器,实物,图像,数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,光源,PC存储处理,模拟采集卡,光电转换设备,放大设备,模拟相机+模拟采集卡,实物,图像,数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,光源,A/D转换,光电转换设备,放大设备,PC,数字采集卡,数字相机+数字采集卡,由于光电转换设备和放大设备都是针对微观的电荷进行量化操作。

就需要一个精密的器件来完成这两个过程。

我们常用的是CCD和CMOS,光电转换,电路放大,A/D,光子,电子,电压,数字信号,CMOS芯片可以在像素上同时完成这两个步骤,CCD与CMOS的光电转换示意图,由上图可看出：

CMOS和CCD最大的区别是CMOS的电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的,CCD,（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）,CCD与CMOS比较,从以上的对比可以看出：

CCD在图像的质量上更有优势。

而常见的高速相机则会采用CMOS芯片。

CCD图像传感器,概述,电荷耦合器件（ChargeCoupledDevices,简称CCD）是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。

CCD结构示意图,显微镜下的MOS元表面,一、电荷耦合器件的结构和工作原理,1.基本结构,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上千（万）个光敏元，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。

MOS电容,CCD是由规则排列的金属氧化物半导体（MetalOxideSemiconductor,MOS）电容阵列组成。

Metal,Oxide,Semiconductor,MOS电容器的形成方法：

在P型或N型单晶硅衬底上用氧化办法生成一层厚度约为100150nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS电容器。

2.电荷耦合器件的工作原理,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,特点：

以电荷作为信号,CCD基本工作原理,信号电荷的产生,信号电荷的存贮,信号电荷的转移,信号电荷的检测,CCD的基本功能是存储与转移信息电荷,光电导效应,

（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,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）。

（2）信号电荷的存储,电极上所加的电压越高，势阱越深，电荷留在阱内量越多。

只要电压存在，电子就能储存在势阱里。

由于绝缘氧化物层使得电子不能穿过而到达电极，因此存贮在势阱里的电子形成了电荷包，其电荷量的多少与光照强度及照射时间成正比，于是所有电极下的电荷包就组成了与景物相对应的电荷像。

信号电荷的存储（示意图）,e-,e-,势阱,入射光,MOS电容器,+UG,e-,e-,e-,e-,e-,e-,+Uth,e-,e-,势阱,入射光,MOS电容器,+UG,e-,e-,e-,e-,e-,e-,+Uth,UGUth时,UGUth时,光滴,小桶,光敏元,CCD的工作过程,1.有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转化为电荷。

CCD的工作过程,2.这些电荷可以被储存起来。

这一过程存在着以下问题：

当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出溢出的电荷会跑到相临的像素势阱里去。

这样电量就不能如实反映原物。

要避免这种情况发生的方法：

A把桶做大些B减少测量时间C把满的水倒出一些D做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里,对应的方法：

由此可见，增大像素尺寸是最简单有效的做法。

当一个CCD芯片感光完毕后，每个像素所转换的电荷包就按照一行的方向转移出CCD感光区域，以为下一次感光释放空间。

（3）信号电荷的转移（耦合）,为实现信号电荷的转换：

1、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。

2、控制相邻MOS电容栅极电压高低调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处。

3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。

CCD的工作过程,3.电荷可以被有秩序地转移出感光区域。

每个光敏元（像素）对应三个相邻的转移栅电极1、2、3,所有电极彼此间离得足够近,以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。

所有的1电极相连并施加时钟脉冲1,所有的2、3也是如此,并施加时钟脉冲2、3。

这三个时钟脉冲在时序上相互交迭。

三个时钟脉冲的时序,势阱的深浅由电极上所加电压的大小决定。

电荷在势阱内可以流动，它总是从相邻浅阱里流进深阱中，这种电荷流动称为电荷转移。

若有规律改变电极电压，则势阱的深度就会随之变化，势阱内电荷就可以按人为确定的方向转移，直到最终由输出端输出。

如何实现电荷定向转移呢？

下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。

P1,P1,P2,P2,P3,P3,t,CCD芯片的构造,三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲1，2，3，见图（b）。

当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）；当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）；当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中（t=t2）。

然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势阱（t=t3），以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。

随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。

终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。

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,CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出极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的工作过程,4.信号电荷输出，转化成电流或电压信号。

CCD的工作过程示意图,半导体,CCD传感器,利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。

由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。

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。

一个完整的CCD器件由光敏元、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，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。

取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。

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。

输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。

感光和电荷输出过程是分开的，可避免相互影响。

（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,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。

（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。

面阵CCD同时曝光整个图像,Fullframetransfer（全帧转移）,芯片的每一个像素都感光。

传输时，每一列向单行串行寄存器上相对应的位置转移。

同时，串行寄存器向阵列的出口转移。

转移方式,SerialRegister,Preamplifier,OutputNode,ActiveArray,FullFrame,FullFrame,SerialRegister,Preamplifier,OutputNode,ActiveArray,FullFrame,SerialRegister,OutputNode,ActiveArray,FullFrame,SerialRegister,Preamplifier,OutputNode,ActiveArray,ADC,FullFrame,SerialRegister,Preamplifier,OutputNode,ActiveArray,FullFrame,SerialRegister,Preamplifier,OutputNode,ActiveArray,ADC,FullFrame,SerialRegister,Preamplifier,OutputNode,ActiveArray,FullFrame,ADC,SerialRegister,Preamplifier,OutputNode,ActiveArray,FullFrame,SerialRegister,Preamplifier,OutputNode,ActiveArray,FullFrame,ADC,SerialRegister,Preamplifier,OutputNode,ActiveArray,FullFrame,SerialRegister,Preamplifier,OutputNode,ActiveArray,彩色的形成,利用BAYER滤光片，让相临四个像素分别只能接收一色光。

每个像素输出的信息只是相应色光的灰度值，之后通过软件合成为彩色。

每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色（因为人眼对绿色比较敏感）,彩色CCD显微照片（放大7000倍）,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。

（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,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,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