ccd基本原理与发展状况.pptx

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1、CCDCCD传感器及其发展状况传感器及其发展状况 学生姓名：高志帆 指导教师：雷俊峰 教授 2010年 11月 22日光电器件及系统光电器件及系统概述概述 CCD（Charge Coupled Devices:电荷耦合器件）图像传感器是20世纪70年代初发展起来的一种新型半导体集成光电器件。它的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。光学系统光学系统 CCD 图像处理图像处理内容提纲内容提纲oCCD传感器的基本原理oCCD传感器的结构类型oCCD传感器的发展状况 CCD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）

2、器件中结构最为简单的。金属电极氧化物半导体MOSMOS电容器电容器一、一、CCD传感器的基本原理传感器的基本原理1、信号电荷的产生、信号电荷的产生 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 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电容器电容器+UGe-e-e

3、-e-e-e-+Uthe-e-势阱势阱入射光MOSMOS电容器电容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUG Uth 时 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。三相三相CCDCCD的电荷转移过程示意图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，就是将转移到输出级的电荷转化为电流

4、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

5、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。CCD的工作过程示意图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传感器传感器二、二、CCD传感器的结构类型传感器的结构类型 按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵和面阵两

6、大类。（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CCD 双沟道线双沟道线阵阵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）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。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

7、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同时曝光整个图像常用面阵CCD尺寸系列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三、三、CCD传感器发展状况传感器发展状况（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

8、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）（二）CCD生产厂家生产厂家 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 提高分辨率与单纯增加像素数之间存在着一种矛盾

9、。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

10、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%。o彩色还原 由于信噪比提高，且采用专门LSI 信号处理器，1.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 EXR2.四色感应四色感应 CCD 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。（四）（四）CCD的发展趋势的发展趋势 1.高分辨率 目前CCD像元数已从100万像元提高到2000万像元以上，大面阵、小像元的CCD摄像机层出不穷。美国EG&GRetion研制出81928192像元高分辨率CCD图像传感器。2.高速度 对于某些高速瞬态成像场合（如高速飞行弹头的飞行姿态），要求CCD具有高的工作速度和灵敏度。可见光可见光近红外近红外得以应用得以应用X射线射线紫外紫外中远红外中远红外正在研究正在研究3.多光谱范围