CCD基本原理課件

CCD原理

浙大光電系

王欣冉整理QQ:39158405光電器件及系統(tǒng)概述電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,簡稱CCD)是貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的,由于它有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能,且集成度高、功耗低,因此隨后得到飛速發(fā)展,是圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的關(guān)鍵器件,廣泛應(yīng)用于科學(xué)、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)、軍事和消費(fèi)領(lǐng)域。光學(xué)系統(tǒng)

CCD

圖像處理1、信號電荷的產(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電荷的收集，就是將入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程。

2、信號電荷的存儲信號電荷的存儲（示意圖）e-e-勢阱入射光MOS電容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-勢阱入射光MOS電容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUG<Uth

時UG>Uth

時

一個像素溝阻，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（幾個像素）。圖像區(qū)中這個圖案是重復(fù)的。①②③三相CCD的電荷轉(zhuǎn)移過程示意圖電荷包轉(zhuǎn)移驅(qū)動脈沖

像元Pn轉(zhuǎn)移方向

像元Pn+1像元Pn+2ODOSRDRSW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)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電極末級電極典型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

測量過程由復(fù)位開始，復(fù)位會把前一個電荷包的電荷清除掉。輸出節(jié)點(diǎn)輸出FET+5V0V-5V+10V0VRSWVout

電荷輸送到相加阱。此時，Vout是參考電平。在這個期間，外部電路測量參考電平。+5V0V-5V+10V0VRSWVout

相加阱將電荷輸送到輸出節(jié)點(diǎn)電容，Vout下降到信號電平。+5V0V-5V+10V0VRSWVout

外部電路對Vout進(jìn)行采樣，所采樣的Vout電平與信號電荷包中的電荷濃度成正比。

至此，完成了信號電荷包的測量?；驹?/p>

CCD的MOS結(jié)構(gòu)Ф3P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向Ф1Ф2輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管SiO2CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容器組成的陣列,其構(gòu)造如圖39所示。在P型或N型硅襯底上生長一層很?。s120nm）的二氧化硅,再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極）,形成規(guī)則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片。CCD芯片的構(gòu)造

每個光敏元（像素）對應(yīng)有三個相鄰的轉(zhuǎn)移柵電極1、2、3,所有電極彼此間離得足夠近,以保證使硅表面的耗盡區(qū)和電荷的勢阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。所有的1電極相連并施加時鐘脈沖φ1,所有的2、3也是如此,并施加時鐘脈沖φ2、φ3。這三個時鐘脈沖在時序上相互交迭。圖40三個時鐘脈沖的時序

三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個相位不同的控制脈沖Φ1，Φ2，Φ3，見圖（b）。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖(b)采用電注入方式。當(dāng)P1極施加高電壓時，在P1下方產(chǎn)生電荷包（t=t0）；當(dāng)P2極加上同樣的電壓時，由于兩電勢下面勢阱間的耦合，原來在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；當(dāng)P1回到低電位時，電荷包全部流入P2下的勢阱中（t=t2）。

然后，p3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢阱（t=t3），以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實(shí)現(xiàn)電荷移動。2．線型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應(yīng)的構(gòu)成一個主體,在它們之間設(shè)有一個轉(zhuǎn)移控制柵,如圖8(a)所示。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極,由一個P型溝阻使其在電氣上隔開。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時,光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時間成正比。

目前，實(shí)用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如圖（b）所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來光敏信號電荷的順序。轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵(a)(b)線型CCD圖像傳感器輸出3．面型CCD圖像傳感器面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在三種典型結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。圖(a)所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。二相驅(qū)動視頻輸出

行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅(qū)動感光區(qū)溝阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3

感光區(qū)

存儲區(qū)析像單元

視頻輸出輸出柵串行讀出面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)(a)(b)

圖（b）所示結(jié)構(gòu)增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲區(qū)。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲區(qū)。在垂直回掃結(jié)束后，感光區(qū)回復(fù)到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內(nèi)，存儲區(qū)的整個電荷圖像向下移動，每次總是將存儲區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動以視頻信號輸出。當(dāng)整幀視頻信號自存儲移出后，就開始下一幀信號的形成。該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、電極簡單等優(yōu)點(diǎn)，但增加了存儲器。光柵報時鐘二相驅(qū)動輸出寄存器檢波二極管

視頻輸出垂直轉(zhuǎn)移寄存器感光區(qū)二相驅(qū)動(c)

圖(c)所示結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將圖(b)中感光元件與存儲元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號進(jìn)入存儲區(qū)。隨后，在每個水平回掃周期內(nèi)，存儲區(qū)中整個電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡單，但單元設(shè)計(jì)復(fù)雜，感光單元面積減小，圖像清晰。

目前，面型CCD圖像傳感器使用得越來越多，所能生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來越多，最多已達(dá)1024×1024像元。我國也能生產(chǎn)512×320像元的面型CCD圖像傳感器。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二維圖像的視頻信號，就必須用掃描的方法實(shí)現(xiàn)。（2）面陣CCD

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同時曝光整個圖像常用面陣CCD尺寸系列尺寸靶面尺寸寬高對角線1英寸12.7mm9.6mm16mm2/3英寸8.8mm6.6mm11mm1/2英寸6.4mm4.8mm8mm·1/3英寸4.8mm3.6mm6mm1/4英寸3.2mm2.4mm4mm三、CCD傳感器發(fā)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、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?/p>

嫦娥二號攜帶的CCD立體攝像機(jī)

提高分辨率與單純增加像素數(shù)之間存在著一種矛盾。富士公司對人類視覺進(jìn)行了全面研究，研制出了超級CCD(SuperCCD)。（三）特殊CCD的發(fā)展1.超級CCD傳統(tǒng)CCD超級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CCD的這種排列方式，感光時可以達(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、動態(tài)范圍像敏