ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r

1、CCD傳感器及其發(fā)展?fàn)顩r 學(xué)生姓名：高志帆 指導(dǎo)教師：雷俊峰 教授 2010年 11月 22日光電器件及系統(tǒng)概述 CCD（Charge Coupled Devices:電荷耦合器件）圖像傳感器是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體集成光電器件。 它的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。光學(xué)系統(tǒng) CCD 圖像處理內(nèi)容提綱CCD傳感器的基本原理CCD傳感器的結(jié)構(gòu)類型CCD傳感器的發(fā)展?fàn)顩r CCD的最基本單元MOS電容器是構(gòu)成CCD的最基本單元是，它是金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）器件中結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的。 金屬電極氧化物半導(dǎo)體MOS電容器一、CCD傳感器的基本原理

2、1、信號(hào)電荷的產(chǎn)生 CCD工作過程的第一步是電荷的產(chǎn)生。CCD可以將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷輸出，依據(jù)的是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)（也就是光生伏特效應(yīng)）。信號(hào)電荷的產(chǎn)生（示意圖）金屬電極氧化物半導(dǎo)體e-e-e-e-e-e-e-光生電子入射光MOS電容器 CCD工作過程的第二步是信號(hào)電荷的收集，就是將入射光子激勵(lì)出的電荷收集起來成為信號(hào)電荷包的過程。2、信號(hào)電荷的存儲(chǔ)信號(hào)電荷的存儲(chǔ)（示意圖）e-e-勢(shì)阱入射光MOS電容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-勢(shì)阱入射光MOS電容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUG Uth 時(shí) CCD工作過程的第三步是信號(hào)電荷包的轉(zhuǎn)移，就是將所收集起來的電荷

3、包從一個(gè)像元轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。3、信號(hào)電荷的傳輸（耦合） 一個(gè)像素溝阻，定義了圖像區(qū)的列平面圖 圖示為CCD成像區(qū)的一小部分（幾個(gè)像素）。圖像區(qū)中這個(gè)圖案是重復(fù)的。三相CCD的電荷轉(zhuǎn)移過程示意圖電荷包轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)脈沖 像元Pn 轉(zhuǎn)移方向 像元Pn+1像元Pn+2 CCD工作過程的第四步是電荷的檢測(cè)，就是將轉(zhuǎn)移到輸出級(jí)的電荷轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的過程。 輸出類型，主要有以下三種： 1）電流輸出 2）浮置柵放大器輸出 3）浮置擴(kuò)散放大器輸出 4、信號(hào)電荷的檢測(cè)ODOSRDRSW輸出節(jié)點(diǎn)襯底輸出FET復(fù)位FET相加阱20mm輸出漏極 (OD)輸出源極 (OS)輸出管柵極輸出節(jié)

4、點(diǎn)電容R復(fù)位漏極 (RD)相加阱 (SW)串行寄存器最后的幾個(gè)電極末級(jí)電極典型 CCD 片內(nèi)放大器的顯微照片和片內(nèi)放大器的線路圖.+5V0V-5V+10V0VRSWVoutODOSRDRSW復(fù)位FET相加阱串行寄存器的末端Vout 測(cè)量過程由復(fù)位開始，復(fù)位會(huì)把前一個(gè)電荷包的電荷清除掉 。輸出節(jié)點(diǎn)輸出FET+5V 0V-5V+10V 0VRSWVout 電荷輸送到相加阱。 此時(shí)，Vout 是參考電平。在這個(gè)期間，外部電路測(cè)量參考電平。+5V 0V-5V+10V 0VRSWVout 相加阱將電荷輸送到輸出節(jié)點(diǎn)電容， Vout下降到信號(hào)電平。+5V 0V-5V+10V 0VRSWVout 外部電路對(duì)

5、 Vout 進(jìn)行采樣，所采樣的Vout電平與信號(hào)電荷包中的電荷濃度成正比。 至此，完成了信號(hào)電荷包的測(cè)量。CCD的工作過程示意圖背照明光輸入1電荷生成2電荷存儲(chǔ)3電荷轉(zhuǎn)移復(fù)位輸出4電荷檢測(cè)半導(dǎo)體 CCD傳感器二、CCD傳感器的結(jié)構(gòu)類型 按照像素排列方式的不同，可以將CCD分為線陣和面陣兩大類。（1）線陣CCD 轉(zhuǎn)移次數(shù)多、效率低。只適用于像素單元較少的成像器件。 轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率也提高為原來的兩倍。轉(zhuǎn)移柵像敏單元CCD移位寄存器像敏單元轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵 單溝道線陣CCD 雙溝道線陣CCD 線陣CCD每次掃描一條線為了得到整個(gè)二維圖像的視頻信號(hào)，就必須用掃描的方法實(shí)現(xiàn)。（2）面陣CC

6、D 按照一定的方式將一維線陣CCD的光敏單元及移位寄作器排列成二維陣列。就可以構(gòu)成二維面陣CCD。幀轉(zhuǎn)移面陣CCD結(jié)構(gòu)圖水平讀出寄存器（遮光）優(yōu)點(diǎn)：電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，感光區(qū)面積可以很小。缺點(diǎn)：需要面積較大大暫存區(qū)。幀轉(zhuǎn)移面陣CCD工作過程隔列轉(zhuǎn)移面陣CCD結(jié)構(gòu)圖光敏區(qū)優(yōu)：轉(zhuǎn)移效率大大提高。缺：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。隔列轉(zhuǎn)移面陣CCD工作過程面陣CCD同時(shí)曝光整個(gè)圖像常用面陣CCD尺寸系列尺寸靶面尺寸寬高對(duì)角線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、CCD傳感器發(fā)

7、展?fàn)顩r（一）概述 自1970年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制第一只電荷耦合器件（CCD）以來，依靠業(yè)已成熟的MOS集成電路工藝， CCD技術(shù)得以迅猛發(fā)展。 其應(yīng)用涉及到航空、航天、遙感、衛(wèi)星偵察、天文觀測(cè)、通訊、交通、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人視覺、新聞、廣播、金融、醫(yī)療、出版、印刷、紡織、醫(yī)學(xué)、食品、照相、文教、公安、保衛(wèi)、家電、旅游等各個(gè)領(lǐng)域。（二）CCD生產(chǎn)廠家 目前有能力生產(chǎn) CCD 的國外廠家有：國家廠家日本SONY，F(xiàn)UJIFILM（富士膠片），Panasonic，SANYO，Sharp美國Kodak（柯達(dá)），貝爾實(shí)驗(yàn)室荷蘭Philips法國湯姆遜無線電公司（CSF），EEV 公司英國英國

8、通用電氣公司（GEC）我國的CCD研制工作起步較晚，目前整體落后于日歐美等國，但是發(fā)展?jié)摿艽蟆?嫦娥二號(hào)攜帶的CCD立體攝像機(jī) 提高分辨率與單純?cè)黾酉袼財(cái)?shù)之間存在著一種矛盾。富士公司對(duì)人類視覺進(jìn)行了全面研究，研制出了超級(jí)CCD ( Super CCD) 。（三）特殊CCD的發(fā)展1.超級(jí)CCD 傳統(tǒng)CCD 超級(jí)CCD 由于地球引力等因素影響，圖像信息空間頻率的功率主要聚集于水平軸和垂直軸，而45對(duì)角線上功率最低。 根據(jù)富士公司發(fā)表的技術(shù)資料，超級(jí)CCD的這種排列方式，感光時(shí)可以達(dá)到傳統(tǒng)CCD兩倍的分辨力。45 排列結(jié)構(gòu) 用八角形像素單元取代傳統(tǒng)矩形單元，使像素空間效率顯著提高、密度達(dá)到最大，從

9、而可以使光吸收效率得到顯著提高。正八角形的像素外形超級(jí)CCD的性能提升分辨力 獨(dú)特的45蜂窩狀像素排列，其分辨力比傳統(tǒng)CCD 高60%。感光度、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍 像敏元光吸收效率的提高使這些指標(biāo)明顯改善，在300 萬像素時(shí)提升達(dá)130% 。彩色還原 由于信噪比提高，且采用專門LSI 信號(hào)處理器， 彩色還原能力提高50%。 截止2009年2月4日，日本富士公司已研發(fā)了8代超級(jí) CCD。Super CCD EXR2.四色感應(yīng) CCD 傳統(tǒng)三原色CCDSony發(fā)布的四色感應(yīng)CCD-ICX456 新增的這個(gè)顏色加強(qiáng)了對(duì)自然風(fēng)景的解色能力，讓綠色這個(gè)層次能夠創(chuàng)造出更多的變化。（四）CCD的發(fā)展趨勢(shì) 高分

10、辨率 目前CCD像元數(shù)已從100萬像元提高到2000萬像元以上，大面陣、小像元的CCD攝像機(jī)層出不窮。 美國EG&GRetion研制出81928192像元高分辨率CCD圖像傳感器。高速度 對(duì)于某些高速瞬態(tài)成像場(chǎng)合（如高速飛行彈頭的飛行姿態(tài)），要求CCD具有高的工作速度和靈敏度。 可見光近紅外得以應(yīng)用X射線紫外中遠(yuǎn)紅外正在研究多光譜范圍謝謝大家！演講完畢，謝謝觀看！內(nèi)容總結(jié)CCD傳感器及其發(fā)展?fàn)顩r。2010年 11月 22日。CCD（Charge Coupled Devices:電荷耦合器件）圖像傳感器是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體集成光電器件。它的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。的最基本單元是，它是。CCD工作過程的第一步是電荷的產(chǎn)生。CCD可以將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷輸出，依據(jù)的是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)（也就是光生伏特效應(yīng)）。CCD工作過程的第二步是信號(hào)電荷的收集，就是將入射光子激勵(lì)出的電荷