CCD图像传感器教学文稿

CCD图像传感器（Charge Charge Coupled Coupled Device Device，感感光光耦耦合合组组 件件 简简 称称）是是 贝贝 尔尔 实实 验验 室室 的的 W.S.BoyleW.S.Boyle和和G.E.SmithG.E.Smith于于19701970年年发发明明的的,由由于于它它有有光光电电转转换换、信信息息存存储储、延延时时和和将将电电信信号号按按顺顺序序传传送送等等功功能能,且且集集成成度度高高、功功耗耗低低,因因此此随随后后得得到到飞飞速速发发展展,是是图图像像采采集集及及数数字字化化处处理理必必不不可可少少的的关关键键器器件件,广广泛泛应应用用于于科科学学、教教育育、医医学学、商商业业、工工业业、军军事事和和消消费领域。费领域。CCD图像传感器简介图像传感器简介嫦娥二号携带的嫦娥二号携带的CCDCCD立体摄像机立体摄像机CCD图像传感器图像传感器CCDCCD图图像像传传感感器器是是按按一一定定规规律律排排列列的的MOSMOS（金金属属氧氧化化物物半半导导体体）电电容容器器组组成成的的阵阵列列。在在P P型型或或N N型型硅硅衬衬底底上上生生长长一一层层很很薄薄（约约120nm120nm）的的二二氧氧化化硅硅,再再在在二二氧氧化化硅硅薄薄层层上上依依次次序序沉沉积积金金属属或或掺掺杂杂多多晶晶硅硅电电极极（栅栅极极）,形形成成规规则则的的MOSMOS电电容容器器阵阵列列，再再加上两端的输入及输出二极管就构成了加上两端的输入及输出二极管就构成了CCDCCD芯片。芯片。CCD传感器的基本结构传感器的基本结构CCDCCD基本结构分两部分：基本结构分两部分：1 1.MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）光敏元阵列；半导体）光敏元阵列；2 2.读出移位寄存器。读出移位寄存器。电电荷荷耦耦合合器器件件是是在在半半导导体体硅硅片片上上制制作作成成百百上上千千个个光光敏敏元元，一一个个光光敏敏元元又又称称一一个个像像素素，在在半半导导体体硅硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。MOS光敏元光敏元结构结构 MOSMOS（Metal Metal Oxide Oxide Semiconductor,MOSSemiconductor,MOS）电电容容器器是构成是构成CCDCCD的最基本单元的最基本单元。CCD分辨率分辨率分分辨辨率率指指的的是是中中有有多多少少像像素素，也也就就是是上上有有多多少少感感光光组组件件，分分辨辨率率是是图图像像传传感感器器的的重重要要特特性性。（像像素素=分分辨辨率率长长宽宽数数值值相相乘乘，如如：640X480=307200640X480=307200，就是，就是30W30W像素）像素）CCDCCD分辨率主要取决于分辨率主要取决于CCDCCD芯片的像素数。芯片的像素数。其其次次，还还受受到到传传输输效效率率的的影影响响。高高度度集集成成的的光光敏敏单单元元可可以以获获得得高高分分辨辨率率。但但光光敏敏单单元元的的尺尺寸寸的的减减少将导致灵敏度的降低。少将导致灵敏度的降低。CCD基本工作原理基本工作原理1.1.信号电荷的产生信号电荷的产生2.2.信号电荷的存贮信号电荷的存贮3.3.信号电荷的传输信号电荷的传输4.4.信号电荷的检测信号电荷的检测 工作原理工作原理 CCDCCD工工作作过过程程的的第第一一步步是是电电荷荷的的产产生生。CCDCCD可可以以将将入入射射光光信信号号转转换换为为电电荷荷输输出出，依依据据的的是是半半导导体体的的内内光光电效应（也就是光生伏电效应（也就是光生伏打打效应）。效应）。1.1.信号电荷的产生信号电荷的产生信号电荷的产生（示意图）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MOSMOS电容器电容器 CCDCCD工工作作过过程程的的第第二二步步是是信信号号电电荷荷的的收收集集，就就是是将将入入射射光光子子激激励励出出的的电电荷荷收收集集起起来来成成为为信信号号电电荷荷包包的的过过程程。当当金金属属电电极极上上加加正正电电压压时时，由由于于电电场场作作用用，电电极极下下P P型型硅硅区区里里空空穴穴被被排排斥斥入入地地成成耗耗尽尽区区。对对电电子子而而言言，是是一一势势能能很很低低的的区区域域，称称“势势阱阱”。有有光光线线入入射射到到硅硅片片上上时时，光光子子作作用用下下产产生生电电子子空空穴穴对对，空空穴穴被被电电场场作作用用排排斥斥出出耗耗尽尽区区，而而电电子子被被附附近近势势阱阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。2 2、信号电荷的存储、信号电荷的存储一一个个MOSMOS结结构构元元为为MOSMOS光光敏敏元元或或一一个个像像素素，把把一一个个势势阱阱所所收收集集的的光光生生电电子子称称为为一一个个电电荷荷包包；CCDCCD器器件件内内是是在在硅硅片片上上制制作作成成百百上上千千的的MOSMOS元元，每每个个金金属属电电极极加加电电压压，就就形形成成成成百百上上千千个个势势阱阱；如如果果照照射射在在这这些些光光敏敏元元上上是是一一幅幅明明暗暗起起伏伏的的图图象象，那那么么这这些些光光敏敏元元就就感感生生出出一一幅幅与与光光照照度度响响应应的的光光生生电电荷荷图图象象。这这就就是是电电荷荷耦耦合合器器件件的的光光电电物物理理效效应应基基本本原原理理。信号电荷的存储（示意图）信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱势阱入射光入射光MOSMOS电容电容器器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-势阱势阱入射光入射光MOSMOS电容电容器器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUG Uth 时在在栅栅极极G G电电压压为为零零时时，P P型型半半导导体体中中的的空空穴穴(多多数数载载流流子子)的的分分布布是是均均匀匀的的。当当施施加加正正偏偏压压UG(此此时时UG小小于于p p型型半半导导体体的的闽闽值值电电压压Uth)，空空穴穴被被排排斥斥，产产生生耗耗尽尽区区。电电压压继继续续增增加加，则则耗耗尽尽区区将将进进一一步步向向半导体内延伸。半导体内延伸。每个光敏元每个光敏元（像素）对应有三（像素）对应有三个相邻的转移栅电个相邻的转移栅电极极1 1、2 2、3,3,所有电所有电极彼此间离得足够极彼此间离得足够近近,以保证使硅表以保证使硅表面的耗尽区和电荷面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的转移。所有的1 1电电极相连并施加时钟极相连并施加时钟脉冲脉冲1,1,所有的所有的2 2、3 3也是如此也是如此,并施加并施加时钟脉冲时钟脉冲22、33。这三个时钟脉冲在这三个时钟脉冲在时序上相互交迭。时序上相互交迭。三个时钟脉冲的时序3P型型Si耗尽区耗尽区电荷转移方向电荷转移方向12输出栅输出栅输入栅输入栅输入二极管输入二极管输出二极管输出二极管SiO2CCDCCD的的MOSMOS结构结构 CCDCCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是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。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通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以施加高低电平，可以实现光电荷在相邻势阱间的转移。实现光电荷在相邻势阱间的转移。3、信号电荷的传输（耦合）、信号电荷的传输（耦合）(a)(a)初始状态；初始状态；(b)(b)电荷由电荷由电极向电极电极向电极转移；转移；(c)(c)电荷在电荷在电极下均匀分电极下均匀分布；布；(d)(d)电荷继续由电荷继续由电极向电极向电极转移；电极转移；(e)(e)电荷完全转移到电荷完全转移到电极；电极；(f)(f)三相三相转移脉冲转移脉冲图图中中CCDCCD的的四四个个电电极极彼彼此此靠靠的的很很近近。假假定定一一开开始始在在偏偏压压为为10V10V的的(1)(1)电电极极下下面面的的深深势势阱阱中中，其其他他电电极极加加有有大大于于阈阈值值的的较较低低的的电电压压(例例如如2V)2V)，如如图图(a)(a)所所示示。一一定定时时刻刻后后，(2)(2)电电极极由由2V2V变变为为10V10V，其其余余电电极极保保持持不不变变，如如图图(b)(b)。因因为为(1)(1)和和(2)(2)电电极极靠靠的的很很近近(间间隔隔只只有有几几微微米米)，它它们们各各自自的的对对应应势势阱阱将将合合并并在在一一起起，原原来来在在(1)(1)下下的的电电荷荷变变为为(1)(1)和和(2)(2)两两个个电电极极共共有有，图图(C)(C)示示。此此后后，改改变变(1)(1)电电极极上上10V10V电电压压为为2 2 V V，(2)(2)电电极极上上10V10V不不变变，如如图图(d)(d)示示，电电荷荷将将转转移移到到(2)(2)电电极极下下的的势势阱阱中中。由由此此实实现现了了深深势势阱阱及电荷包向右转移了一个位置。及电荷包向右转移了一个位置。CCDCCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转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。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：输出类型，主要有以下三种：1 1）电流输出电流输出 2 2）浮置栅放大器输出浮置栅放大器输出 3 3）浮置扩散放大器输出浮置扩散放大器输出 4 4、信号电荷的检测、信号电荷的检测背照明光输入背照明光输入1电荷生成电荷生成2电荷存储电荷存储3电荷转移电荷转移复位复位输出输出4电荷检测电荷检测半导体半导体 CCD传感器传感器CCD工作过程示意图工作过程示意图 按按照照像像素素排排列列方方式式的的不不同同，可可以以将将CCDCCD分分为为线线阵阵和面阵两大类。和面阵两大类。CCD结构类型结构类型 目目前前，实实用用的的线线型型CCDCCD图图像像传传感感器器为为双双行行结结构构，如如图图（b b）所所示示。单单、双双数数光光敏敏元元件件中中的的信信号号电电荷荷分分别别转转移移到到上上、下下方方的的移移位位寄寄存存器器中中，然然后后，在在控控制制脉脉冲冲的的作作用用下下，自自左左向向右右移移动动，在在输输出出端端交交替替合合并并输输出出，这这样样就就形形成了原来光敏信号电荷的顺序。成了原来光敏信号电荷的顺序。转移栅转移栅光积分单元光积分单元不透光的电荷转移结构不透光的电荷转移结构光积分区光积分区输出输出转移栅转移栅(a)(b)线型线型CCD图像传感器图像传感器输出输出面面型型CCDCCD图图像像传传感感器器由由感感光光区区、信信号号存存储储区区和和输输出出转转移移部部分分组组成成。目目前前存存在在三三种种典典型型结结构构形形式式，如如图图所所示。示。图图(a)(a)所所示示结结构构由由行行扫扫描描电电路路、垂垂直直输输出出寄寄存存器器、感感光光区区和和输输出出二二极极管管组组成成。行行扫扫描描电电路路将将光光敏敏元元件件内内的的信信息息转转移移到到水水平平（行行）方方向向上上，由由垂垂直直方方向向的的寄寄存存器器将将信信息息转转移移到到输输出出二二极极管管，输输出出信信号号由由信信号号处处理理电电路路转转换换为为视视频频图图像像信信号号。这这种种结结构构易易于于引引起起图图像像模糊。模糊。二相驱动二相驱动视频输出视频输出行行扫扫描描发发生生器器输输出出寄寄存存器器检波二极管检波二极管二相驱动二相驱动感光区感光区沟阻沟阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3感光区感光区存储区存储区析像单元析像单元视频输出视频输出输出栅输出栅串行读出串行读出面型面型CCD图像传感器结构图像传感器结构(a)(b)图图（b b）所所示示结结构构增增加加了了具具有有公公共共水水平平方方向向电电极极的的不不透透光光的的信信息息存存储储区区。在在正正常常垂垂直直回回扫扫周周期期内内，具具有有公公共共水水平平方方向向电电极极的的感感光光区区所所积积累累的的电电荷荷同同样样迅迅速速下下移移到到信信息息存存储储区区。在在垂垂直直回回扫扫结结束束后后，感感光光区区回回复复到到积积光光状状态态。在在水水平平消消隐隐周周期期内内，存存储储区区的的整整个个电电荷荷图图像像向向下下移移动动，每每次次总总是是将将存存储储区区最最底底部部一一行行的的电电荷荷信信号号移移到到水水平平读读出出器器，该该行行电电荷荷在在读读出出移移位位寄寄存存器器中中向向右右移移动动以以视视频频信信号号输输出出。当当整整帧帧视视频频信信号号自自存存储储移移出出后后，就就开开始始下下一一帧帧信信号号的的形形成成。该该CCDCCD结结构构具具有有单单元元密密度度高高、电电极极简简单单等优点，但增加了存储器。等优点，但增加了存储器。光栅报时钟光栅报时钟二相驱动二相驱动输出寄存器输出寄存器检波二极管检波二极管视频输出视频输出垂直转移垂直转移寄存器寄存器感光区感光区二相驱动二相驱动(c)图图(c)(c)所所示示结结构构是是用用得得最最多多的的一一种种结结构构形形式式。它它将将图图(b)(b)中中感感光光元元件件与与存存储储元元件件相相隔隔排排列列。即即一一列列感感光光单单元元，一一列列不不透透光光的的存存储储单单元元交交替替排排列列。在在感感光光区区光光敏敏元元件件积积分分结结束束时时，转转移移控控制制栅栅打打开开，电电荷荷信信号号进进入入存存储储区区。随随后后，在在每每个个水水平平回回扫扫周周期期内内，存存储储区区中中整整个个电电荷荷图图像像一一次次一一行行地地向向上上移移到到水水平平读读出出移移位位寄寄存存器器中中。接接着着这这一一行行电电荷荷信信号号在在读读出出移移位位寄寄存存器器中中向向右右移移位位到到输输出出器器件件，形形成成视视频频信信号号输输出出。这这种种结结构构的的器器件件操操作作简简单单，但但单单元元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。提提高高分分辨辨率率与与单单纯纯增增加加像像素素数数之之间间存存在在着着一一种种矛矛盾盾。富富士士公公司司对对人人类类视视觉觉进进行行了了全全面面研研究究，研研制制出了超级出了超级CCD(Super CCD)CCD(Super CCD)。超级超级CCD 传统传统CCD CCD 超级超级CCD CCD 超级超级CCDCCD的性能提升的性能提升 1.1.分辨力分辨力 独独特特的的4545蜂蜂窝窝状状像像素素排排列列，其其分分辨辨力力比比传传统统CCD CCD 高高60%60%。2.2.感光度、信噪比、动态范围感光度、信噪比、动态范围 像像敏敏元元光光吸吸收收效效率率的的提提高高使使这这些些指指标标明明显显改改善善，在在300 300 万像素时提升达万像素时提升达130%130%。3.3.彩色还原彩色还原 由由于于信信噪噪比比提提高高，且且采采用用专专门门LSI LSI 信信号号处处理理器器，彩色还原能力提高彩色还原能力提高50%50%。CCDCCD和和传传统统底底片片相相比比，CCD CCD 更更接接近近于于人人眼眼对对视视觉觉的的工工作作方方式式。只只不不过过，人人眼眼的的视视网网膜膜是是由由负负责责光光强强度度感感应应的的杆杆细细胞胞和和色色彩彩感感应应的的锥锥细细胞胞，分分工工合合作作组组成成视视觉觉感感应应。CCDCCD经经过过长长达达3535年年的的发发展展，大大致致的的形形状状和和运运作作方方式式都都已已经经定定型型。CCD CCD 的的组组成成主主要要是是由由一一个个类类似似马马赛赛克克的的网网格格、聚聚光光镜镜片片以以及及垫垫于于最底下的电子线路矩阵所组成。最底下的电子线路矩阵所组成。传统三原色CCDSony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，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。让绿色这个层次能够创造出更多的变化。CCDCCD传感器应用传感器应用 CCDCCD应应用用技技术术是是光光、机机、电电和和计计算算机机相相结结合合的的高高新新技技术术，作作为为一一种种非非常常有有效效的的非非接接触触检检测测方方法法，CCDCCD被被广广泛泛用用于于在在线线检检测测尺尺寸寸、位位移移、速速度度、定定位位和和自自动动调调焦焦等等方方面面。CCDCCD传传感感器器应应用用时时是是将将不不同同光光源源与与透透镜镜、镜镜头头、光光导导纤纤维维、滤滤光光镜镜及及反反射射镜镜等等各各种种光光学学元元件件结结合合，主主要要用用来来装装配配轻轻型型摄摄像像机机、摄像头、工业监视器。摄像头、工业监视器。自自动动流流水水线线装装置置，机机床床、自自动动售售货货机机、自自动动监监视视装置、指纹机；装置、指纹机；作为机器人视觉系统；作为机器人视觉系统；用用于于传传真真技技术术，文文字字、图图象象、车车牌牌识识别别。例例如如用用CCDCCD识识别别集集成成电电路路焊焊点点图图案案，代代替替光光点点穿穿孔孔机机的的作作用；用；M2AM2A摄摄影影胶胶囊囊（Mouth Mouth anusanus）,由由发发光光二二极极管管做做光光源源，CCDCCD做做摄摄像像机机，每每秒秒钟钟两两次次快快门门，信信号号发发射射到到存存储储器器，存存储储器器取取下下后后接接入入计计算算机机将将图图像像进进行行下下载。载。线性CCD图像传感器的应用实例尺寸检测尺寸检测尺寸检测尺寸检测实例实例测测量量拉拉丝丝过过程程中中丝丝的的线线径径、轧轧钢钢的的直直径径、机机械械加加工工的的轴轴类类或或杆杆类类的的直直径径等等等等，这这里里以以玻玻璃璃管管直直径径与壁厚的测量为例。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亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。壁厚像。成像物镜的放大倍率为成像物镜的放大倍率为，CCDCCD相元尺寸为相元尺寸为t t，上壁厚、下壁厚分别为上壁厚、下壁厚分别为n1n1、n2 n2，外径尺寸的脉冲，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为数（即像元个数）为N N，测量结果有：，测量结果有：分别为上壁厚、分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。下壁厚，外径尺寸。CCD与与CMOS比较比较图像传感器可以分为两类：图像传感器可以分为两类：1 1、CCDCCD：电电荷荷耦耦合合器器件件。CCDCCD的的优优点点是是灵灵敏敏度度高高，噪噪音音小小，信信噪噪比比大大。但但是是生生产产工工艺艺复复杂杂、成成本本高高、功功耗耗高高。在在网网络络摄摄像像头头产产品品上上，很很少少采采用用CCDCCD图像传感器。图像传感器。2 2、CMOSCMOS：（Complementary Complementary Metal-Oxide Metal-Oxide SemiconductorSemiconductor，互互补补性性氧氧化化金金属属半半导导体体）。CMOSCMOS的的优优点点是是集集成成度度高高，功功耗耗较较低低、成成本本低低，对对光光源源要求高。要求高。CCDCCD和和CMOSCMOS在在制制造造上上的的主主要要区区别别是是CCDCCD是是集集成成在在半半导导体体单单晶晶材材料料上上，而而CMOSCMOS是是集集成成在在被被称称做做金金属属氧氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别。化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别。在在相相同同像像素素下下CCDCCD的的成成像像通通透透性性、明明锐锐度度都都很很好好，色色彩彩还还原原、曝曝光光可可以以保保证证基基本本准准确确。而而CMOSCMOS的的产产品品往往往往通通透透性性一一般般，对对实实物物的的色色彩彩还还原原能能力力偏偏弱弱，曝曝光光也也都都不不太太好好，由由于于自自身身物物理理特特性性的的原原因因，CMOSCMOS的的成成像像质质量量和和CCDCCD还还是是有有一一定定距距离离的的。但但由由于于低低廉廉的的价价格格以以及及高高度度的的整整合合性性，因因此此在在摄摄像像头头领领域还是得到了广泛的应用。域还是得到了广泛的应用。目目前前，主主流流的的手手机机用用的的都都是是CMOSCMOS传传感感器器，如如三三星星Galaxy Galaxy Note Note 2 2、iPhone iPhone 5 5、小小米米2 2、魅魅族族MXMX四四核核版、诺基亚版、诺基亚Lumia 800Lumia 800等。等。