《CCD图像传感器》PPT课件.ppt

CCD图像传感器 （ Charge Coupled Device ， 感光耦合 组件简称 ） 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图像传感器简介 CCD实物 常见的 基于 CCD光电耦器件的 设备 嫦娥二号携带的 CCD立体摄像机 CCD图像传感器 CCD图像传感器是按一定规律排列的 MOS（ 金属 氧化物 半导体 ） 电容器组成的阵列 。 在 P型或 N 型硅衬底上生长一层很薄 （ 约 120nm） 的二氧化硅 ,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶 硅电极 （ 栅极 ） ,形成规则的 MOS电容器阵列 ， 再 加上两端的输入及输出二极管就构成了 CCD芯片 。 CCD传感器的基本结构 CCD基本结构分两部分： 1.MOS（ 金属 氧化物 半导体 ） 光敏元阵列； 2.读出移位寄存器 。 电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个 光敏元 ， 一个光敏元又称一个像素 ， 在半导体硅 平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列 。 MOS光敏元结构 MOS（ Metal Oxide Semiconductor,MOS） 电容器 是构成 CCD的最基本单元 。 CCD分辨率 分辨率指的是中有多少像素 ， 也就是 上有多少感光组件 ， 分辨率是图像传感器的重 要特性 。 （ 像素 =分辨率长宽数值相乘 ， 如： 640X480=307200， 就是 30W像素 ） CCD分辨率主要取决于 CCD芯片的像素数 。 其次 ， 还受到传输效率的影响 。 高度集成的光敏 单元可以获得高分辨率 。 但光敏单元的尺寸的减 少将导致灵敏度的降低 。 CCD基本工作原理 1.信号电荷的产生 2.信号电荷的存贮 3.信号电荷的传输 4.信号电荷的检测 工作原理 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 （ 也就是光生伏打效应 ） 。 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 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 。 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 ） ， 此时势阱内吸的光子数 与光强度成正比 。 2、信号电荷的存储 一个 MOS结构元为 MOS光敏元或一个像素 ， 把一个 势阱所收集的光生电子称为一个电荷包； CCD器件 内是在硅片上制作成百上千的 MOS元 ， 每个金属电 极加电压 ， 就形成成百上千个势阱；如果照射在 这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象 ， 那么这些 光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图 象 。 这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原 理 。 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 在栅极 G电压为零时 ， P型半导体中的空穴 (多数载 流子 )的分布是均匀的 。 当施加正偏压 UG(此时 UG 小于 p型半导体的闽值电压 Uth)， 空穴被排斥 ， 产 生耗尽区 。 电压继续增加 ， 则耗尽区将进一步向 半导体内延伸 。 每个光敏元 （像素）对应有三 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 1 2 3 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 3 P型 Si 耗尽区 电荷转移方向 1 2 输出栅 输入栅 输入二极管 输出二极管 SiO2 CCD的 MOS结构 CCD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。 通过按一定的时序在电极上 施加高低电平，可以 实现光电荷在相邻势阱间的转移。 3、信号电荷的传输（耦合） (a)初始状态； (b)电荷由电极向电极转移； (c)电荷在电极下均匀分 布； (d)电荷继续由电极向电极转移； (e)电荷完全转移到电极； (f)三相 转移脉冲 图中 CCD的四个电极彼此靠的很近 。 假定一开始在 偏压为 10V的 (1)电极下面的深势阱中 ， 其他电极 加有大于阈值的较低的电压 (例如 2V)， 如图 (a)所 示 。 一定时刻后 ， (2)电极由 2V变为 10V， 其余电 极保持不变 ， 如图 (b)。 因为 (1)和 (2)电极靠的很 近 (间隔只有几微米 )， 它们各自的对应势阱将合 并在一起 ， 原来在 (1)下的电荷变为 (1)和 (2)两个 电极共有 ， 图 (C)示 。 此后 ， 改变 (1)电极上 10V电 压为 2 V， (2)电极上 10V不变 ， 如图 (d)示 ， 电荷 将转移到 (2)电极下的势阱中 。 由此实现了深势阱 及电荷包向右转移了一个位置 。 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 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工作过程示意图 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 。 CCD结构类型 目前 ， 实用的线型 CCD图像传感器为双行结构 ， 如 图 （ b） 所示 。 单 、 双数光敏元件中的信号电荷分别转 移到上 、 下方的移位寄存器中 ， 然后 ， 在控制脉冲的作 用下 ， 自左向右移动 ， 在输出端交替合并输出 ， 这样就 形成了原来光敏信号电荷的顺序 。 转移栅 光积分单元 不透光的电荷转移结构 光积分区 输出 转移栅 (a) (b) 线型 CCD图像传感器 输出 面型 CCD图像传感器由感光区 、 信号存储区和输出 转移部分组成 。 目前存在三种典型结构形式 ， 如图所 示 。 图 (a)所示结构由行扫描电路 、 垂直输出寄存 器 、 感光区和输出二极管组成 。 行扫描电路将光敏元 件内的信息转移到水平 （ 行 ） 方向上 ， 由垂直方向的 寄存器将信息转移到输出二极管 ， 输出信号由信号处 理电路转换为视频图像信号 。 这种结构易于引起图像 模糊 。 二相驱动 视频输出 行 扫 描 发 生 器 输 出 寄 存 器 检波二极管 二相驱动 感光区 沟阻 P1 P2 P3 P1 P2 P 3 P1 P2 P 3 感光区 存储区 析像单元 视频输出 输出栅 串行读出 面型 CCD图像传感器结构 (a) (b) 图 （ b） 所示结构增加了具有公共水平方向电极的 不透光的信息存储区 。 在正常垂直回扫周期内 ， 具有公 共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到 信息存储区 。 在垂直回扫结束后 ， 感光区回复到积光状 态 。 在水平消隐周期内 ， 存储区的整个电荷图像向下移 动 ， 每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平 读出器 ， 该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频 信号输出 。 当整帧视频信号自存储移出后 ， 就开始下一 帧信号的形成 。 该 CCD结构具有单元密度高 、 电极简单 等优点 ， 但增加了存储器 。 光栅报时钟 二相驱动 输出寄存器 检波二极管 视频输出 垂直转移 寄存器 感光区 二相驱动 (c) 图 (c)所示结构是用得最多的一种结构形式 。 它将 图 (b)中感光元件与存储元件相隔排列 。 即一列感光单 元 ， 一列不透光的存储单元交替排列 。 在感光区光敏元 件积分结束时 ， 转移控制栅打开 ， 电荷信号进入存储区 。 随后 ， 在每个水平回扫周期内 ， 存储区中整个电荷图 像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中 。 接着这 一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件 ， 形成视频信号输出 。 这种结构的器件操作简单 ， 但单 元设计复杂 ， 感光单元面积减小 ， 图像清晰 。 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) 。 超级 CCD 传统 CCD 超级 CCD 超级 CCD的性能提升 1.分辨力 独特的 45 蜂窝状像素排列 ， 其分辨力比传统 CCD 高 60%。 2.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% 。 3.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%。 CCD和传统底片相比 ， CCD 更接近于人眼对视觉的 工作方式 。 只不过 ， 人眼的视网膜是由负责光强 度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞 ， 分工合作 组成视觉感应 。 CCD经过长达 35年的发展 ， 大致 的形状和运作方式都已经定型 。 CCD 的组成主要 是由一个类似马赛克的网格 、 聚光镜片以及垫于 最底下的电子线路矩阵所组成 。 传统三原色 CCD Sony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。 CCD传感器应用 CCD应用技术是光 、 机 、 电和计算机相结合的高 新技术 ， 作为一种非常有效的非接触检测方法 ， CCD被广泛用于在线检测尺寸 、 位移 、 速度 、 定位 和自动调焦等方面 。 CCD传感器应用时是将不同光 源与透镜 、 镜头 、 光导纤维 、 滤光镜及反射镜等 各种光学元件结合 ， 主要用来装配轻型摄像机 、 摄像头 、 工业监视器 。 自动流水线装置 ， 机床 、 自动售货机 、 自动监视 装置 、 指纹机； 作为机器人视觉系统； 用于传真技术 ， 文字 、 图象 、 车牌识别 。 例如用 CCD识别集成电路焊点图案 ， 代替光点穿孔机的作 用； M2A摄影胶囊 （ Mouth anus） ,由发光二极管做光 源 ， CCD做摄像机 ， 每秒钟两次快门 ， 信号发射到 存储器 ， 存储器取下后接入计算机将图像进行下 载 。 线性 CCD图像传感器的应用实例 ）光积分单元（感光单元 不透光的电荷转移机构 输出 转移栅 L 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 尺寸检测 实例 测量拉丝过程中丝的线径 、 轧钢的直径 、 机械加 工的轴类或杆类的直径等等 ， 这里以玻璃管直径 与壁厚的测量为例 。 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间 亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的 壁厚像。 成像物镜的放大倍率为 ， CCD相元尺寸为 t， 上壁厚、下壁厚分别为 n1、 n2 ，外径尺寸的脉冲 数（即像元个数）为 N，测量结果有： 11 22 / / / d n t d n t D N t 分别为上壁厚、 下壁厚，外径尺寸。 1d 2 d D CCD与 CMOS比较 图像传感器可以分为两类： 1、 CCD：电荷耦合器件 。 CCD的优点是灵敏度 高 ， 噪音小 ， 信噪比大 。 但是生产工艺复杂 、 成 本高 、 功耗高 。 在网络摄像头产品上 ， 很少采用 CCD图像传感器 。 2、 CMOS： （ Complementary Metal-Oxide Semiconductor， 互补性氧化金属半导体 ） 。 CMOS 的优点是集成度高 ， 功耗较低 、 成本低 ， 对光源 要求高 。 CCD和 CMOS在制造上的主要区别是 CCD是集成在半 导体单晶材料上 ， 而 CMOS是集成在被称做金属氧 化物的半导体材料上 ， 工作原理没有本质的区别 。 在相同像素下 CCD的成像通透性 、 明锐度都很好 ， 色彩还原 、 曝光可以保证基本准确 。 而 CMOS的产 品往往通透性一般 ， 对实物的色彩还原能力偏弱 ， 曝光也都不太好 ， 由于自身物理特性的原因 ， CMOS的成像质量和 CCD还是有一定距离的 。 但由于 低廉的价格以及高度的整合性 ， 因此在摄像头领 域还是得到了广泛的应用 。 目前 ， 主流的手机用的都是 CMOS传感器 ， 如三星 Galaxy Note 2、 iPhone 5、 小米 2、 魅族 MX四核 版 、 诺基亚 Lumia 800等 。