電荷耦合器件(CCD)介紹和工作原理

1、電荷耦合器件(CCD)介紹和工作原理Charge Coupled Device)名詞解釋電荷耦合器件(CCD) 電荷耦合器件(CCD)是典型的固體圖象傳感器，其主要功能是將其表面接收到的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。 目前的數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、掃描儀、廣播電視、可視 和無(wú)線電 中大多采用CCD作為圖像采集器件，是這些電子產(chǎn)品的核心。 CCD的成像基本單位被叫做像素，當(dāng)它用于圖像采集時(shí)，通常與光學(xué)鏡頭配合使用，由光學(xué)鏡頭將圖像投影到CCD表面，再由CCD將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；當(dāng)它應(yīng)用在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)和控制等領(lǐng)域時(shí)，可以直接應(yīng)用而不配套鏡頭。 它是1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室的WSBoyle和GESmith發(fā)明的

2、。Willard Sterling Boyle Willard.S Boyle 威拉德博伊爾1924年8月19日出生簡(jiǎn)介:1924年出生於加拿大Amherst擁有加拿大和美國(guó)國(guó)籍。1950年從加拿大麥吉爾大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位 因CCD獲2009年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，70萬(wàn)美金的獎(jiǎng)金。 電荷耦合器件(CCD)的發(fā)明者填空George Elwood SmithGeorge Elwood Smith喬治 史密斯 1930年5月10日簡(jiǎn)介:1930年出生于美國(guó)白原市（White Plains）美國(guó)國(guó)籍。1959年從芝加哥大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位。 因CCD獲2009年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，70萬(wàn)美金的獎(jiǎng)金。

3、電荷耦合器件(CCD)的發(fā)明者填空CCD簡(jiǎn)介 CCD 供應(yīng)商Dalsae2v technologiesFairchild ImagingHamamatsu Photonics Characteristics and use of FFT-CCDKodakPanasonicSonyTexas InstrumentsToshibaCCD原理簡(jiǎn)介電荷耦合元件（CCD，Charge-coupled Device）是一種集成電路，上有許多排列整齊的細(xì)小的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，為了便于理解我們簡(jiǎn)單將其比喻為電容，這些電容能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制，每個(gè)小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電

4、容。這些小的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)用通俗的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)就是像素單元，用科學(xué)語(yǔ)言將叫做光敏元。CCD原理簡(jiǎn)介電荷耦合器件的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其他大多數(shù)元件是以電流或者電壓為信號(hào)。所以CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。它存儲(chǔ)由光或電激勵(lì)產(chǎn)生的信號(hào)電荷，當(dāng)對(duì)它施加特定時(shí)序的脈沖時(shí)，其存儲(chǔ)的信號(hào)電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸。 CCD工作過(guò)程的核心技術(shù)是信號(hào)電荷的產(chǎn)生，存儲(chǔ)，傳輸，和檢測(cè)。CCD 的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)包含轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)和信號(hào)檢測(cè)結(jié)構(gòu)。填空我們先來(lái)了解CCD的光敏元。它的基礎(chǔ)是金屬氧化物硅MOS電容器CCD的基本光敏元(電荷存儲(chǔ))CCD的單元結(jié)構(gòu)P型半導(dǎo)體多數(shù)載流

5、子為空穴加正電壓，電子做信號(hào)P 型溝道CCDMetal Oxide Semiconductor把勢(shì)阱想成一個(gè)桶接地返回填空CCD的基本光敏元(電荷存儲(chǔ))CCD的信號(hào)來(lái)源(光注入)當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開(kāi)，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。光注入方式又可分為正面照射式與背面照射式。由于正面有光柵電極，會(huì)對(duì)光有遮擋，因此絕大多數(shù)都采用背面照射。想象為存貯在桶底上的流體信號(hào)電荷填空CCD的信號(hào)來(lái)源(電注入)所謂電注入就是CCD通過(guò)輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或者電流進(jìn)行采樣，然后將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。電注入的方法很多，這里只介紹

6、兩種常用的電流注入法和電壓注入法。目前已經(jīng)不再采用這種方法了，這種功能現(xiàn)在有獨(dú)立的器件A/D轉(zhuǎn)換器，即模/數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。CCD的勢(shì)阱光敏元之中的勢(shì)阱深度與兩方面的因素有關(guān)：柵極電壓和反型層電荷量。柵極電壓越大勢(shì)阱越深。反型層電荷越多，勢(shì)阱越淺。(可以認(rèn)為是反型層電荷抵消了一部分柵極電壓)CCD的單元結(jié)構(gòu)N型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為電子加負(fù)電壓N型溝道CCD 半導(dǎo)體也可采用N型半導(dǎo)體，如下圖所示。很薄約1200A。接地CCD的信號(hào)轉(zhuǎn)移 CCD圖象傳感器實(shí)際上是由由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成，光敏元件也參與電荷轉(zhuǎn)移。一般來(lái)說(shuō)每個(gè)光敏元有三個(gè)相鄰的轉(zhuǎn)移電極1、2、3，所有電極彼此離得足夠近，以使

7、硅表面的耗盡區(qū)和電荷的勢(shì)阱交疊，能夠耦合及電荷轉(zhuǎn)移。 CCD的MOS結(jié)構(gòu)P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向123輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管 SiO2 CCD中電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。CCD的重要特性之一是信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中與時(shí)鐘脈沖沒(méi)有任何電容耦合，不會(huì)受到干擾。下面以三相控制方式為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7簡(jiǎn)答或論述 CCD中電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。下面以三相控制方式為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。 第一時(shí)刻，即初始狀態(tài)時(shí)，第一電極外加高電平，其它電極外加低電平，此時(shí)只有第一電

8、極下方具有深勢(shì)阱，信號(hào)電荷存儲(chǔ)于第一電極下方。第二時(shí)刻，第一電極和第二電極外加高電平，第三電極外加低電平，第二電極下產(chǎn)生深勢(shì)阱并與第一電極下的勢(shì)阱連通，信號(hào)電荷變?yōu)楣灿小５谌龝r(shí)刻，保持第二電極高電壓，第三電極低電壓，將第一電極轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷海谝浑姌O下的勢(shì)阱消失的過(guò)程中，信號(hào)電荷全部轉(zhuǎn)移到第二電極下的勢(shì)阱中，完成了一次完整的信號(hào)轉(zhuǎn)移過(guò)程。將第一電極、第二電極更換為任意兩個(gè)相鄰電極重復(fù)上述三步，都可完成電荷轉(zhuǎn)移。第三電極的存在確保了電荷的定向轉(zhuǎn)移。 CCD也存在二相的電荷轉(zhuǎn)移方式，在這種方式中設(shè)計(jì)了不對(duì)稱的電極結(jié)構(gòu)，可以保證電荷轉(zhuǎn)移的定向性。CCD的信號(hào)輸出(電荷的檢測(cè)) 目前CCD的輸出方式主要

9、有電流輸出、浮置擴(kuò)散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。 當(dāng)信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動(dòng)下向右轉(zhuǎn)移到末級(jí)電極（圖中CR2電極）下的勢(shì)阱中后，CR2電極上的電壓由高變低時(shí)，由于勢(shì)阱提高，信號(hào)電荷將進(jìn)入輸出柵（圖中N+區(qū)）。由UD+、電阻R、襯底p和N+區(qū)構(gòu)成的反向偏置二極管相當(dāng)于無(wú)限深的勢(shì)阱。1. 電流輸出進(jìn)入到反向偏置的二極管中的電荷，將產(chǎn)生輸出電流ID，且ID的大小與注入到二極管中的信號(hào)電荷量成正比。電阻R是制作在CCD內(nèi)的電阻，阻值是常數(shù)。所以，輸出電流ID與注入到二極管中的電荷量成線性關(guān)系，且RD是復(fù)位信號(hào)，用來(lái)快速抽空信號(hào)電荷填空CCD的信號(hào)輸出(電荷的檢測(cè)) 在電流輸出中，輸出端是一個(gè)反向偏置

10、的二極管，而這次，輸出端是一個(gè)三極管。在RG不導(dǎo)通的情況下，信號(hào)電荷與T2三極管的基極中的多數(shù)載流子復(fù)合，產(chǎn)生基極電流。T2將基極電流放大，從集電極發(fā)出，形成電流信號(hào)輸出。電阻R是調(diào)整信號(hào)強(qiáng)弱的分流電阻。2.浮置擴(kuò)散放大器輸出當(dāng)RG，也就是復(fù)位信號(hào)加上高電平以后，T1三極管基極和發(fā)射級(jí)正向偏置，這樣殘余的信號(hào)電荷被快速抽出，因此T1為復(fù)位三極管。CCD的信號(hào)輸出(電荷的檢測(cè)) 浮置柵放大器輸出中，T2柵極不是直接與信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當(dāng)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道時(shí)，在浮置柵上感應(yīng)出鏡像電荷，以此來(lái)控制T2的柵極電位，達(dá)到信號(hào)檢測(cè)與放大的目的。3.浮置柵放大

11、器輸出 CCD圖像傳感器的改進(jìn) 最初的CCD傳感器中，感光單元和信號(hào)轉(zhuǎn)移單元是混雜的，感光單元也參與信號(hào)的轉(zhuǎn)移過(guò)程。 這就造成一個(gè)問(wèn)題，就是信號(hào)轉(zhuǎn)移過(guò)程中，感光單元被占用了，這段時(shí)間就浪費(fèi)了。要想連續(xù)拍兩幅圖像必須等第一幅圖像輸出以后才可以拍第二幅。 后來(lái)人們把感光單元和信號(hào)轉(zhuǎn)移單元分離開(kāi)來(lái)。將信號(hào)轉(zhuǎn)移單元稱為移位寄存器。 這樣，只要將感光元件中的信號(hào)轉(zhuǎn)入移位寄存器，就可以立刻再次感光，同時(shí)移位寄存器輸出信號(hào)即可。使得相機(jī)的拍攝頻率大大增加。CCD的常見(jiàn)時(shí)序圖 SH為行周期脈沖，當(dāng)SH高電平時(shí)，正值F1電極下均形成深勢(shì)阱，并通過(guò)SH勢(shì)阱與MOS電容存儲(chǔ)勢(shì)阱溝通，MOS電容中的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到模擬

12、移位寄存器的F1電極下的勢(shì)阱中。當(dāng)SH由高變低時(shí)，SH勢(shì)阱下的勢(shì)阱遍地將存儲(chǔ)柵下勢(shì)阱與F1電極下的勢(shì)阱隔離開(kāi)。存儲(chǔ)柵進(jìn)入光積分狀態(tài)。模擬移位寄存器將在F1下的信號(hào)電荷經(jīng)輸出電路由U0電極輸出。FR為復(fù)位脈沖。SP為像元采樣脈沖。FC為有效像元起始信號(hào)。通常而言商用CCD芯片的結(jié)構(gòu)就像三明治一樣 ，第一層是微型鏡頭，第二層是分色濾色片以及第三層感光匯流層。 第一層： 微型鏡頭是由SONY領(lǐng)先發(fā)展出來(lái)的技術(shù)。 為了有效提升CCD 的總像素，又要確保CCD芯片不會(huì)過(guò)大，以適應(yīng)數(shù)碼產(chǎn)品的微型化，只能縮小每個(gè)像素的尺寸。單一像素尺寸小了，受光面積就小，成像差。 為改善這個(gè)問(wèn)題， SONY 率先在每一光敏

13、元上裝置微小鏡片。這個(gè)設(shè)計(jì)就像是幫CCD掛上眼鏡一樣，感光面積大為提升。如此一來(lái)，可以同時(shí)兼顧像素?cái)?shù)量的提高，又保證了圖像質(zhì)量。商用CCD芯片的基本結(jié)構(gòu)填空第二層：分色濾色片，這個(gè)部份的作用主要是幫助 CCD 具備色彩辨識(shí)的能力。 回到源頭，CCD 本身僅是光強(qiáng)感應(yīng)器，對(duì)不同波長(zhǎng)的光的感應(yīng)是一樣的，無(wú)法區(qū)分。 分色濾色片，僅能夠透過(guò)特定波長(zhǎng)的光，借此，CCD 可以分開(kāi)感應(yīng)不同光線的成分，從而在最后影響處理器還原回原始色彩。 CCD有曾有過(guò)兩種分色方式：一是 RGB 原色分色法，另一種是 CMYG補(bǔ)色分色法，2003年后由于影像處理引擎的技術(shù)和效率的進(jìn)步，目前市場(chǎng)上超過(guò) 80都是原色 CCD 。

14、 商用CCD芯片的基本結(jié)構(gòu)第三層： 感光匯流片，這層主要是負(fù)責(zé)將穿透濾色層的光轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，并將信號(hào)傳送到影像處理晶片，將影像還原。 商用CCD芯片的基本結(jié)構(gòu) 主要的 CCD 設(shè)計(jì)大致上分成幾個(gè)區(qū)塊:1. 藍(lán)色被稱為像素 Pixel 的感光半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，主要是應(yīng)用于光線感應(yīng)部分。2. 棕色區(qū)塊就是電荷存儲(chǔ)區(qū)，用于收集藍(lán)色區(qū)產(chǎn)生的電荷。3. 在藍(lán)色和棕色區(qū)之間被用作電子快門(mén)，叫做Gate 區(qū)，控制電荷的轉(zhuǎn)移。4. 黃色區(qū)塊是電荷通路，用來(lái)傳導(dǎo)電荷之用。CCD圖像傳感器的分類方式主要有兩種。依據(jù)其像素排列方式的不同，可以分為線陣CCD和面陣CCD兩種： 線陣CCD中，像素排成一列，類似于數(shù)學(xué)中的一

15、維矩陣的形態(tài)，只能采集一個(gè)窄條上的圖像，目前掃描儀中用的就是線陣CCD。 面陣CCD中，像素排成一個(gè)二維方陣，類似于數(shù)學(xué)中m,n的形態(tài)，可以直接得到二維圖像，是目前數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)中最常用的感光元件。依據(jù)其敏感光波長(zhǎng)不同也可以分為可見(jiàn)光CCD、近紅外CCD，熱感CCD(遠(yuǎn)紅外)等。CCD傳感器的分類填空1線陣CCD圖像傳感器 線陣CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對(duì)應(yīng)的構(gòu)成一個(gè)主體，在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵 ，這種結(jié)構(gòu)叫做單溝道線陣CCD。 目前，實(shí)用的線陣CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，叫做雙溝道線陣CCD。單、雙數(shù)光敏元件中的信號(hào)電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，然后

16、在輸出端交替合并輸出，得到最終的信號(hào)。1線型CCD圖像傳感器 3面陣CCD圖像傳感器 面陣CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在幾種典型結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。CCD本身對(duì)顏色或者說(shuō)對(duì)不同波長(zhǎng)的光是沒(méi)有區(qū)別的，都同樣的感光，只是感光的效率不同。前面我們講過(guò)CCD芯片上面可以加裝分色濾光片，使得同樣的CCD對(duì)不同顏色的光感光?？梢岳萌脑?，在同一像素位置放置三個(gè)像素單元，各自對(duì)不同的顏色感光，通過(guò)不同強(qiáng)度色彩的疊加實(shí)現(xiàn)彩色圖像的收集。 CCD的顏色與圖像格式3CCD彩色數(shù)碼相機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造有一種圖像格式與CCD實(shí)現(xiàn)彩色圖像收集非常匹配，因?yàn)樗请S著彩色CCD而出現(xiàn)的。

17、這種圖像叫做BMP(Bitmap)圖像。中文叫做位圖。它采用位映射存儲(chǔ)格式，每一個(gè)像素由三個(gè)色彩數(shù)據(jù)組成，一般采用紅、綠、藍(lán)作為三原色，每個(gè)色彩數(shù)據(jù)代表對(duì)應(yīng)原色的強(qiáng)弱，最終合成出該像素的顏色。BMP文件的圖像深度可選lbit、4bit、8bit及24bit，指的是每個(gè)原色的強(qiáng)度可以被幾位二進(jìn)制數(shù)據(jù)來(lái)表述。除了圖像深度可選以外，不采用其他任何壓縮，因此，BMP文件所占用的空間很大。 BMP文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，圖像的掃描方式是按從左到右、從下到上的順序。 文件組成：文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)色板位圖數(shù)據(jù)。CCD的顏色與圖像格式填空 近年來(lái)另一種圖像感器互補(bǔ)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管CMOS光電傳感器也已在電腦、筆記本電

18、腦、掌上電腦、視頻 、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、攝影機(jī)、監(jiān)視器、車載 、指紋認(rèn)證等圖像輸入領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。CMOS型CCD和普通MOS型CCD使用相同的感光元件，具有相同的靈敏度和光譜特性，但光電轉(zhuǎn)換后的信息讀取方式不同。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流或電壓信號(hào)，信號(hào)讀取十分簡(jiǎn)單。 因此常常被用在便攜式設(shè)備中。 Complement Metal Oxide Semiconductor互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CCD vs CMOS高質(zhì)量低噪聲圖像對(duì)光的敏感度和準(zhǔn)確度更好耗電量大 專用配件和生產(chǎn)線技術(shù)較先進(jìn)，發(fā)展更成熟易受噪聲影響 感光度稍差 耗電量小(1%) 易于生產(chǎn)便宜2、CCD應(yīng)用舉例

19、CCD圖像感器用于非電量測(cè)量，是以光為媒介的光電轉(zhuǎn)換，是以非接觸方式進(jìn)行測(cè)量，因此可以實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)地點(diǎn)或人、機(jī)械不可到達(dá)場(chǎng)所的測(cè)量與控制。 組成測(cè)量?jī)x器可測(cè)量物位、尺寸、工件損傷； 作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，如用于 技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)以及圖像識(shí)別技術(shù)； 自動(dòng)流水線裝置中的敏感器件，如可用于機(jī)床、自動(dòng)搬運(yùn)車以及自動(dòng)監(jiān)視裝置等。返回 通常，快速自動(dòng)檢測(cè)工件尺寸的系統(tǒng)有一個(gè)測(cè)量臺(tái)，在其上裝有光學(xué)系統(tǒng)、圖象傳感器、和微處理機(jī)等。通常采用線陣CCD即可，也可以使用面陣CCD。尺寸自動(dòng)檢測(cè) 這是最簡(jiǎn)單的尺寸測(cè)量方法，被工件遮擋的CCD位置是不感光的。如果工件尺寸比較大的話，可以在工件和CCD之間加裝成像鏡頭。信號(hào)的二值化處理 在尺寸測(cè)量中，CCD傳感器光敏單元的輸出可以看成“0”、“1”信號(hào)，通過(guò)對(duì)輸出為“0”的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),即可測(cè)出物體的寬度。這就是信號(hào)的二值化處理。 實(shí)際應(yīng)用時(shí),物像邊緣交界處光強(qiáng)是連續(xù)變化的,而不是理想的階躍跳變,要解決這一問(wèn)題可用兩種方法: