CCD基本原理解析ppt课件.ppt

在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 浙大光电系 王欣冉整理 QQ:39158405 光电器件及系统光电器件及系统在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确电电荷荷耦耦合合器器件件(ChargeCoupledDevices,(ChargeCoupledDevices,简简称称CCD)CCD)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、医学、商业、工业、军事和消费领域。育、医学、商业、工业、军事和消费领域。光学系统光学系统 CCD 图像处理图像处理在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确CCDCCD的最基本单元的最基本单元MOS电容器是构成CCD的最基本单元是，它是金属氧化物半导体（MOS）器件中结构最为简单的。金属电极氧化物半导体MOSMOS电容器电容器在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 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（也就是光生伏特效应）。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电容器电容器在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 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。2、信号电荷的存储、信号电荷的存储信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱势阱入射光MOSMOS电容电容器器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-势阱势阱入射光MOSMOS电容电容器器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUG Uth 时在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 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。3、信号电荷的传输（耦合）、信号电荷的传输（耦合）一个像素沟阻，定义了图像区的列平面图 图示为CCD成像区的一小部分（几个像素）。图像区中这个图案是重复的。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确电荷包转移驱动脉冲 像元Pn 转移方向 像元Pn+1像元Pn+2在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 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、信号电荷的检测ODOSRDRSW输出节点衬底输出FET复位FET相加阱20mm输出漏极(OD)输出源极(OS)输出管栅极输出节点电容R复位漏极(RD)相加阱(SW)串行寄存器最后的几个电极末级电极典型 CCD 片内放大器的显微照片和片内放大器的线路图.+5V0V-5V+10V0VRSWVoutODOSRDRSW复位FET相加阱串行寄存器的末端Vout 测量过程由复位开始，复位会把前一个电荷包的电荷清除掉。输出节点输出FET+5V 0V-5V+10V 0VRSWVout 电荷输送到相加阱。此时，Vout 是参考电平。在这个期间，外部电路测量参考电平。+5V 0V-5V+10V 0VRSWVout 相加阱将电荷输送到输出节点电容，Vout下降到信号电平。+5V 0V-5V+10V 0VRSWVout 外部电路对 Vout 进行采样，所采样的Vout电平与信号电荷包中的电荷浓度成正比。至此，完成了信号电荷包的测量。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输出4电荷检测电荷检测半导体半导体 CCD CCD传感器传感器在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确基本原理基本原理 CCD的的MOS结构结构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SiO2在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 CCD CCD图像传感器是按一定规律排列的图像传感器是按一定规律排列的MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）电容器组半导体）电容器组成的阵列成的阵列,其构造如图其构造如图3939所示。在所示。在P P型或型或N N型硅衬底上生长一层很薄（约型硅衬底上生长一层很薄（约120nm120nm）的）的二氧化硅二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次序沉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）积金属或掺杂多晶硅电极（栅极）,形成形成规则的规则的MOSMOS电容器阵列，再加上两端的输电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了入及输出二极管就构成了CCDCCD芯片。芯片。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确当当向向SiO2表表面面的的电电极极加加正正偏偏压压时时，P型型硅硅衬衬底底中中形形成成耗耗尽尽区区（势势阱阱），耗耗尽尽区区的的深深度度随随正正偏偏压压升升高高而而加加大大。其其中中的的少少数数载载流流子子（电电子子）被被吸吸收收到到最最高高正正偏偏压压电电极极下下的的区区域域内内（如如图图中中1极极下下），形形成成电电荷荷包包（势势阱阱）。对对于于N型型硅硅衬衬底底的的CCD器器件件，电电极极加加正正偏偏压压时时，少少数数载载流流子为空穴。子为空穴。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确CCDCCD芯片的构造芯片的构造 在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 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。图40 三个时钟脉冲的时序在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确如如何何实实现现电电荷荷定定向向转转移移呢呢？电电荷荷转转移移的的控控制制方方法法，非非常常类类似似于于步步进进电电极极的的步步进进控控制制方方式式。也也有有二二相相、三三相相等等控控制制方方式式之之分分。下下面面以以三三相相控控制制方方式式为为例例说说明明控控制制电电荷定向转移的过程。见图荷定向转移的过程。见图 P1 P1 P2 P2 P3 P3tP1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3(b)电荷转移过程电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t30在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确三三相相控控制制是是在在线线阵阵列列的的每每一一个个像像素素上上有有三三个个金金属属电电极极P1,P2,P3,依依次次在在其其上上施施加加三三个个相相位位不不同同的的控控制制脉脉冲冲1，2，3，见见图图（b）。CCD电电荷荷的的注注入入通通常常有有光光注注入入、电电注注入入和和热热注注入入等等方方式式。图图(b)采采用用电电注注入入方方式式。当当P1极极施施加加高高电电压压时时，在在P1下下方方产产生生电电荷荷包包（t=t0）；当当P2极极加加上上同同样样的的电电压压时时，由由于于两两电电势势下下面面势势阱阱间间的的耦耦合合，原原来来在在P1下下的的电电荷荷将将在在P1、P2两两电电极极下下分分布布（t=t1）；当当P1回回到到低低电电位位时时，电电荷荷包包全全部部流入流入P2下的势阱中（下的势阱中（t=t2）。）。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确然然后后，p3的的电电位位升升高高，P2回回到到低低电电位位，电电荷荷包包从从P2下下转转到到P3下下的的势势阱阱（t=t3），以以此此控控制制，使使P1下下的的电电荷荷转转移移到到P3下下。随随着着控控制制脉脉冲冲的的分分配配，少少数数载载流流子子便便从从CCD的的一一端端转转移移到到最最终终端端。终终端端的的输输出出二二极极管管搜搜集集了了少少数数载载流流子子，送送入入放放大大器器处处理理，便便实实现现电荷移动电荷移动。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确2 2线型线型CCDCCD图像传感器图像传感器线线型型CCD图图像像传传感感器器由由一一列列光光敏敏元元件件与与一一列列CCD并并行行且且对对应应的的构构成成一一个个主主体体,在在它它们们之之间间设设有有一一个个转转移移控控制制栅栅,如如图图8(a)所所示示。在在每每一一个个光光敏敏元元件件上上都都有有一一个个梳梳状状公公共共电电极极,由由一一个个P型型沟沟阻阻使使其其在在电电气气上上隔隔开开。当当入入射射光光照照射射在在光光敏敏元元件件阵阵列列上上,梳梳状状电电极极施施加加高高电电压压时时,光光敏敏元元件件聚聚集集光光电电荷荷,进进行行光光积积分分,光光电电荷荷与与光光照照强强度度和和光光积分时间成正比。积分时间成正比。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 在在光光积积分分时时间间结结束束时时,转转移移栅栅上上的的电电压压提提高高(平平时时低低电电压压),),与与CCDCCD对对应应的的电电极极也也同同时时处处于于高高电电压压状状态态。然然后后,降降低低梳梳状状电电极极电电压压，各各光光敏敏元元件件中中所所积积累累的的光光电电电电荷荷并并行行地地转转移移到到移移位位寄寄存存器器中中。当当转转移移完完毕毕,转转移移栅栅电电压压降降低低,梳梳妆妆电电极极电电压压回回复复原原来来的的高高电电压压状状态态,准准备备下下一一次次光光积积分分周周期期。同同时时,在在电电荷荷耦耦合合移移位位寄寄存存器器上上加加上上时时钟钟脉脉冲冲,将将存存储储的的电电荷荷从从CCDCCD中中转转移移,由由输输出出端端输输出出。这这个个过过程程重重复复地地进进行行就得到相继的行输出就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。从而读出电荷图形。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确目目前前，实实用用的的线线型型CCD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）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在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确3 3面型面型CCDCCD图像传感器图像传感器面面型型CCD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式，如图所示。形式，如图所示。图图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄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，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，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。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。这种结构易于引起图像模糊。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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)在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确图图（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CCD结结构构具具有有单单元元密密度度高高、电极简单等优点，但增加了存储器。电极简单等优点，但增加了存储器。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确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)在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确图图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图它将图(b)中感光元件与存储元件相隔排列。即一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。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，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。元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。目前，面型目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能图像传感器使用得越来越多，所能生产的产品的单元数也越来越多，最多已达生产的产品的单元数也越来越多，最多已达10241024像元。我国也能生产像元。我国也能生产512320像元的面型像元的面型CCD图像传感图像传感器。器。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（1）线阵）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 单沟道线单沟道线阵阵CCDCCD 双沟道线双沟道线阵阵CCD 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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（2 2）面阵）面阵CCDCCD 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。帧转移面阵CCD结构图水平读出寄存器（遮光）水平读出寄存器（遮光）优点：电极结构简单，感光区面积可以很小。缺点：需要面积较大大暂存区。帧转移面阵CCD工作过程隔列转移面阵CCD结构图光敏区光敏区优：转移效率大大提高。缺：结构较为复杂。隔列转移面阵CCD工作过程面阵CCD同时曝光整个图像在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确尺寸尺寸靶面尺寸靶面尺寸宽高对角线1英寸12.7mm9.6mm16mm2/3英寸8.8mm6.6mm11mm1/2英寸6.4mm4.8mm8mm1/3英寸4.8mm3.6mm6mm1/4英寸3.2mm2.4mm4mm在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（一）概述（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。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确目前有能力生产 CCD 的国外厂家有：国家国家厂家厂家日本SONY，FUJIFILM（富士胶片），Panasonic，SANYO，Sharp美国Kodak（柯达），贝尔实验室荷兰Philips法国汤姆逊无线电公司（CSF），EEV 公司英国英国通用电气公司（GEC）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立体摄像机在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 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（三）特殊CCD的发展的发展1.超级超级CCD 传统传统CCD CCD 超级超级CCD 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对角线上功率最低。根据富士公司发表的技术资料，超级CCD的这种排列方式，感光时可以达到传统CCD两倍的分辨力。45 排列结构排列结构 用八角形像素单元取代传统矩形单元，使像素空间效率显著提高、密度达到最大，从而可以使光吸收效率得到显著提高。正八角形的像素外形超级超级CCD的性能提升的性能提升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%。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%。截止2009年2月4日，日本富士公司已研发了8代超级 CCD。Super CCD EXR在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确传统三原色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，让绿色这个层次能够创造出更多的变化。