CCD圖像傳感器剖析

會(huì)計(jì)學(xué)1CCD圖像傳感器剖析ＣＣＤ（ChargeCoupledDevice，感光耦合組件簡(jiǎn)稱）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(chǔ)、延時(shí)和將電信號(hào)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。CCD圖像傳感器簡(jiǎn)介第1頁(yè)/共40頁(yè)CCD實(shí)物第2頁(yè)/共40頁(yè)常見的基于CCD光電耦器件的設(shè)備第3頁(yè)/共40頁(yè)嫦娥二號(hào)攜帶的CCD立體攝像機(jī)第4頁(yè)/共40頁(yè)CCD圖像傳感器CCD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。在P型或N型硅襯底上生長(zhǎng)一層很薄（約120nm）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。第5頁(yè)/共40頁(yè)CCD傳感器的基本結(jié)構(gòu)CCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：1.MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）光敏元陣列；2.讀出移位寄存器。電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。第6頁(yè)/共40頁(yè)

MOS光敏元結(jié)構(gòu)

MOS（MetalOxideSemiconductor,MOS）電容器是構(gòu)成CCD的最基本單元。第7頁(yè)/共40頁(yè)CCD分辨率分辨率指的是ＣＣＤ中有多少像素，也就是ＣＣＤ上有多少感光組件，分辨率是圖像傳感器的重要特性。（像素=分辨率長(zhǎng)寬數(shù)值相乘，如：640X480=307200，就是30W像素）CCD分辨率主要取決于CCD芯片的像素?cái)?shù)。其次，還受到傳輸效率的影響。高度集成的光敏單元可以獲得高分辨率。但光敏單元的尺寸的減少將導(dǎo)致靈敏度的降低。第8頁(yè)/共40頁(yè)CCD基本工作原理1.信號(hào)電荷的產(chǎn)生2.信號(hào)電荷的存貯3.信號(hào)電荷的傳輸4.信號(hào)電荷的檢測(cè)

工作原理第9頁(yè)/共40頁(yè)

CCD工作過(guò)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)（也就是光生伏打效應(yīng)）。1.信號(hào)電荷的產(chǎn)生第10頁(yè)/共40頁(yè)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電容器第11頁(yè)/共40頁(yè)

CCD工作過(guò)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(lái)成為信號(hào)電荷包的過(guò)程。當(dāng)金屬電極上加正電壓時(shí)，由于電場(chǎng)作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對(duì)電子而言，是一勢(shì)能很低的區(qū)域，稱“勢(shì)阱”。有光線入射到硅片上時(shí)，光子作用下產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，空穴被電場(chǎng)作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢(shì)阱（俘獲），此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。

2、信號(hào)電荷的存儲(chǔ)第12頁(yè)/共40頁(yè)一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元或一個(gè)像素，把一個(gè)勢(shì)阱所收集的光生電子稱為一個(gè)電荷包；CCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的MOS元，每個(gè)金屬電極加電壓，就形成百上千個(gè)勢(shì)阱；如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的光生電荷圖象。這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。第13頁(yè)/共40頁(yè)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)UG>Uth

時(shí)第14頁(yè)/共40頁(yè)在柵極G電壓為零時(shí)，P型半導(dǎo)體中的空穴(多數(shù)載流子)的分布是均勻的。當(dāng)施加正偏壓UG(此時(shí)UG小于p型半導(dǎo)體的閩值電壓Uth)，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)。電壓繼續(xù)增加，則耗盡區(qū)將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸。第15頁(yè)/共40頁(yè)

每個(gè)光敏元（像素）對(duì)應(yīng)有三個(gè)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(shì)阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。所有的1電極相連并施加時(shí)鐘脈沖φ1,所有的2、3也是如此,并施加時(shí)鐘脈沖φ2、φ3。這三個(gè)時(shí)鐘脈沖在時(shí)序上相互交迭。

三個(gè)時(shí)鐘脈沖的時(shí)序第16頁(yè)/共40頁(yè)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的MOS結(jié)構(gòu)第17頁(yè)/共40頁(yè)

CCD工作過(guò)程的第三步是信號(hào)電荷包的轉(zhuǎn)移，就是將所收集起來(lái)的電荷包從一個(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(guò)程。通過(guò)按一定的時(shí)序在電極上施加高低電平，可以實(shí)現(xiàn)光電荷在相鄰勢(shì)阱間的轉(zhuǎn)移。3、信號(hào)電荷的傳輸（耦合）第18頁(yè)/共40頁(yè)(a)初始狀態(tài)；(b)電荷由①電極向電極②轉(zhuǎn)移；(c)電荷在①②電極下均勻分布；(d)電荷繼續(xù)由①電極向②電極轉(zhuǎn)移；(e)電荷完全轉(zhuǎn)移到②電極；(f)三相轉(zhuǎn)移脈沖第19頁(yè)/共40頁(yè)圖中CCD的四個(gè)電極彼此靠的很近。假定一開始在偏壓為10V的(1)電極下面的深勢(shì)阱中，其他電極加有大于閾值的較低的電壓(例如2V)，如圖(a)所示。一定時(shí)刻后，(2)電極由2V變?yōu)?0V，其余電極保持不變，如圖(b)。因?yàn)?1)和(2)電極靠的很近(間隔只有幾微米)，它們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起，原來(lái)在(1)下的電荷變?yōu)?1)和(2)兩個(gè)電極共有，圖(C)示。此后，改變(1)電極上10V電壓為2V，(2)電極上10V不變，如圖(d)示，電荷將轉(zhuǎn)移到(2)電極下的勢(shì)阱中。由此實(shí)現(xiàn)了深勢(shì)阱及電荷包向右轉(zhuǎn)移了一個(gè)位置。第20頁(yè)/共40頁(yè)

CCD工作過(guò)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(guò)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)第21頁(yè)/共40頁(yè)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CCD工作過(guò)程示意圖第22頁(yè)/共40頁(yè)

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。CCD結(jié)構(gòu)類型第23頁(yè)/共40頁(yè)

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(hào)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(dòng)，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來(lái)光敏信號(hào)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圖像傳感器輸出第24頁(yè)/共40頁(yè)

面型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(hào)由信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。第25頁(yè)/共40頁(yè)二相驅(qū)動(dòng)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(dòng)感光區(qū)溝阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3

感光區(qū)

存儲(chǔ)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)第26頁(yè)/共40頁(yè)

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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)區(qū)的整個(gè)電荷圖像向下移動(dòng)，每次總是將存儲(chǔ)區(qū)最底部一行的電荷信號(hào)移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動(dòng)以視頻信號(hào)輸出。當(dāng)整幀視頻信號(hào)自存儲(chǔ)移出后，就開始下一幀信號(hào)的形成。該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、電極簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但增加了存儲(chǔ)器。第27頁(yè)/共40頁(yè)光柵報(bào)時(shí)鐘二相驅(qū)動(dòng)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(dòng)(c)第28頁(yè)/共40頁(yè)

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(chǔ)元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲(chǔ)單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)。隨后，在每個(gè)水平回掃周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)中整個(gè)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(hào)在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號(hào)輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡(jiǎn)單，但單元設(shè)計(jì)復(fù)雜，感光單元面積減小，圖像清晰。

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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(SuperCCD)。超級(jí)CCD

傳統(tǒng)CCD超級(jí)CCD第30頁(yè)/共40頁(yè)超級(jí)CCD的性能提升1.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%。2.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(wàn)像素時(shí)提升達(dá)130%。3.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%。第31頁(yè)/共40頁(yè)CCD傳感器應(yīng)用

CCD應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的高新技術(shù)，作為一種非常有效的非接觸檢測(cè)方法，CCD被廣泛用于在線檢測(cè)尺寸、位移、速度、定位和自動(dòng)調(diào)焦等方面。CCD傳感器應(yīng)用時(shí)是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導(dǎo)纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學(xué)元件結(jié)合，主要用來(lái)裝配輕型攝像機(jī)、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。第32頁(yè)/共40頁(yè)自動(dòng)流水線裝置，機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)監(jiān)視裝置、指紋機(jī)；作為機(jī)器人視覺系統(tǒng)；用于傳真技術(shù)，文字、圖象、車牌識(shí)別。例如用CCD識(shí)別集成電路焊點(diǎn)圖案，代替光點(diǎn)穿孔機(jī)的作用；M2A攝影膠囊（Mouthanus）,由發(fā)光二極管做光源，CCD做攝像機(jī)，每秒鐘兩次快門，信號(hào)發(fā)射到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器取下后接入計(jì)算機(jī)將圖像進(jìn)行下載。第33頁(yè)/共40頁(yè)線性CCD圖像傳感器的應(yīng)用實(shí)例尺寸檢測(cè)第34頁(yè)/共40頁(yè)實(shí)例測(cè)量拉絲過(guò)程中絲的線徑、軋鋼的直徑、機(jī)械加工的軸類或桿類的直徑等等，這里以玻璃管直徑與壁厚的測(cè)量為例。第35頁(yè)/共40頁(yè)由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間亮帶反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的壁厚像。成像物鏡的放大倍率為β，CCD相元尺寸為t，上壁厚、下壁厚分別為n1、n2，外徑尺寸的脈沖數(shù)（即像元個(gè)數(shù)）為N，測(cè)量結(jié)果有：分別為上壁厚、下壁厚，外徑尺寸。

第36頁(yè)/共40頁(yè)CCD與CMOS比較圖像傳感器可以分為兩類：1、CCD：電荷耦合器件。CCD的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，噪音小，信噪比大。但是生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、功耗高。在網(wǎng)絡(luò)攝像頭產(chǎn)品上，很少采用CCD圖像傳感器。2、CMOS：（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體）。CMOS的優(yōu)點(diǎn)是集成度高，功耗較低、成本低，對(duì)光源要求高。CCD和CMOS在制造上的主要區(qū)別是CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上