CCD基本原理与应用.ppt

1、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

2、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,(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),CCD与CMOS比较,从以上的对比可以看出：CCD在

3、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）

4、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（Metal Oxide Semiconductor,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

5、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

6、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,UG Uth 时,UG Uth 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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、，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

12、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

13、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,Full frame transfer（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,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Full Frame,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Full Frame,Serial Regi

14、ster,Output Node,Active Array,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,ADC,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,ADC,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Fu

15、ll Frame,ADC,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Full Frame,ADC,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,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。

16、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(Super CCD)。,（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