光電世界-CCD應(yīng)用

CCD原理與應(yīng)用--固態(tài)成像器件按分辨率大小，將下列設(shè)備進(jìn)行排序NobelPrizesawardedforwork@BellLab1937,ClintonJ.Davisson,discoveryofelectrondiffraction.1956,JohnBardeen,WalterH.Brattain,andWilliamShockley,thefirsttransistors.1977,PhilipW.Anderson,antiferromagnetismandhigh-temperaturesuperconductivity1978,ArnoA.Penzias,RobertW.Wilson,cosmicmicrowavebackgroundradiation,1997,StevenChu,methodstocoolandtrapatomswithlaserlight1998,HorstStormer,RobertLaughlin,andDanielTsui,fractionalquantumHalleffect.2009,WillardS.Boyle,GeorgeE.Smith,inventionofCCDsensorMorethanthatlaser,ArthurSchawlow@1981andCharlesHardTownes@1964MOSFETCO2laserOrthogonalfrequency-divisionmultiplexing(OFDM),1966Molecularbeamepitaxy(MBE)UnixClanguage

wirelesslocalareanetwork(WLAN)quantumcascadelaser….固態(tài)圖像傳感器的基本概念與真空器件相對(duì)基于半導(dǎo)體技術(shù)固態(tài)圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)CCD（電荷耦合器件）CMOS圖像傳感器其他類型的固態(tài)器件哪些地方，有固態(tài)圖像傳感器的身影？Nokia1020

(41MP)Iphone6Plus

(8MP)HubbleSpaceTelescopeWFPC->WFPC2->WFC3

199019932009

800*800*4800*800*42048*4096*2WFC3天文望遠(yuǎn)鏡中ARGUSsensor

(1800MP)怎樣才是一個(gè)好的圖像傳感器？像素高？（分辨率）圖像層次好（動(dòng)態(tài)范圍大）色彩復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確（色彩模板、解mosaic…）讀出準(zhǔn)確…采集到圖像，僅僅是開始...獲取圖像（基本功能）；圖像識(shí)別（交通管理，停車管理，OCR）；人臉識(shí)別（安全，服務(wù)）；體感；自動(dòng)駕駛...確保正確的采集圖像，很重要固態(tài)圖像傳感器的兩種主要類型：

CCD

（chargecoupleddevice）

CMOS

(Complementarymetal–oxide–semiconductor)CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖固態(tài)圖像傳感器的歷史圖像傳感器于何時(shí)開始？

1929年發(fā)明光電攝像管（iconoscope），是真空電子學(xué)器件。

在真空管中放置的云母板上面涂抹具有光電效應(yīng)的Cs，通過鏡頭的光線在云母板上成像。產(chǎn)生的電荷，經(jīng)電子束進(jìn)行掃描，取出信號(hào)電流。由于晶體管的發(fā)明，從收音機(jī)到電視機(jī)，晶體管取代了真空管的地位。攝像管實(shí)有無法接上電源立刻使用，工作電壓高，功耗大，因電子束轟擊導(dǎo)致壽命降低等缺點(diǎn)。圖像傳感器（固態(tài)圖像元件）在晶體管發(fā)明約十年后，一直等到集成電路出現(xiàn)后才誕生。而圖像傳感器的開發(fā)，從20世紀(jì)60年代的后半期開始。用于晶體管或IC的Si（硅）等半導(dǎo)體，具有將接受的光轉(zhuǎn)換成電的光電變換性質(zhì)。然而如何將此處產(chǎn)生的電信號(hào)，正確且有效地取出，可以說是圖像傳感器固態(tài)化的最重要問題。簡單地說，在成為單片IC基片的Si基板作為攝影面有規(guī)則地排列光電二極管（photodiode），然后依次將光電二極管的光電流以某種方法讀出，即具有圖像傳感器的功能。最關(guān)鍵的是如何實(shí)現(xiàn)。（各種辦法）最早的可以產(chǎn)生圖像、像素平面排列的固態(tài)圖像傳感器，是1966的光敏晶體管平面排列的圖像傳感器。1967年發(fā)表了將光電二極管以平面矩陣排列，利用掃描脈沖與MOS晶體管，以XY地址方式取出信號(hào)的方法。這種方法后來雖然實(shí)現(xiàn)了，但與CCD圖像傳感器的開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)中失敗，成為現(xiàn)在CMOS圖像傳感器的原型。1969年，CCD（ChargeCoupledDevice）由Belllab的W.S.Boyle和G.E.Smith發(fā)明。由于CCD具有存儲(chǔ)信號(hào)電荷后傳輸?shù)墓δ?，可廣泛應(yīng)用于內(nèi)存、顯示器、延遲元件等?，F(xiàn)在廣泛使用的frametransfer方式的構(gòu)造，也于1971年由Belllab發(fā)明。固態(tài)圖像傳感器的歷史—關(guān)鍵技術(shù)FD（FloatingDiffusion）電荷檢測(cè)結(jié)構(gòu)，是決定圖像傳感器感光度的電荷檢測(cè)技術(shù)之一。

相關(guān)雙采樣（CDS：CorrelatedDoubleSampling）電路，抑制CCD圖像傳感器信號(hào)內(nèi)噪聲的信號(hào)處理電路。掩埋型光電二極管，可大大減少圖像噪聲

垂直溢出溝道光電二極管，有助于實(shí)現(xiàn)像素尺寸小型化和電子快門。

片上微鏡頭，可以彌補(bǔ)像素尺寸變小時(shí)帶來的感光度下降，促進(jìn)了攝影機(jī)的小型化且其普及做出了貢獻(xiàn)。

固態(tài)圖像傳感器的歷史盡管出現(xiàn)了各種各樣的圖像傳感器，然而開始實(shí)用化且真正用于照相機(jī)是一直到CCD發(fā)明10年之后，且其中真正實(shí)用化的也只有MOS型圖像傳感器和CCD圖像傳感器二種。1981年使用MOS圖像傳感器的攝影機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，1982年，使用CCD圖像傳感器的產(chǎn)品也隨之登場(chǎng)。雖然MOS圖像傳感器出現(xiàn)較早，并具有信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，但也有噪聲大、感光度低的缺點(diǎn)。隨著圖像傳感器小型化與高性能化的趨勢(shì)，加上攝影機(jī)的普及，面對(duì)感光度高、畫質(zhì)優(yōu)良的CCD圖像傳感器，MOS型圖像傳感器只好撤離市場(chǎng)。而后CCD圖像傳感器的時(shí)代到來。在其正式實(shí)用化之后，又開發(fā)出來很多基本技術(shù)，包括：

電子快門技術(shù)，用于CCD圖像傳感器的曝光控制。如果少了它，就基本無法控制攝影機(jī)的快門速度。

電子式的振動(dòng)校正技術(shù)，也是在1990年開發(fā)出來。利用此項(xiàng)技術(shù)，即使是輕巧晃動(dòng)的攝影機(jī)，也可以拍攝出專業(yè)級(jí)的穩(wěn)定圖像。20世紀(jì)80年代后半期開始，日本NHK的高清晰電視節(jié)目開播，推動(dòng)了CCD圖像傳感器的高分辨率化。數(shù)字相機(jī)在1995年出現(xiàn)，開始了用于靜止圖像用的CCD開發(fā)，2000年富士推出了所謂蜂窩式CCD（SuperCCD），可提高靜止圖像的分辨率，也是最適合連續(xù)掃描的像素構(gòu)造。舊式MOS型圖像傳感器，其像素不具有信號(hào)電荷放大功能，歸類為PPS（PassivePixelSensor），如像素具有信號(hào)電荷放大功能，則稱為APS（ActivePixelSensor）。1966年，在CCD發(fā)明之前，就有bipolarphototransistor被發(fā)明。此后，出現(xiàn)了各種構(gòu)造的APS，但由于制造工藝與CMOSLSI的整合度不好，直到2002年，VMIS結(jié)構(gòu)APS的出現(xiàn)，具備了工藝兼容性和像素小型化。而事實(shí)上，使用CMOSLSI工藝制造的CMOS圖像傳感器是1990年就出現(xiàn)了，但此種器件為PPS結(jié)構(gòu)。對(duì)于CMOS圖像傳感器的實(shí)用化而言，不得不解決的問題是：提高成像質(zhì)量，盡可能接近CCD。CMOS圖像傳感器由其原理，其由于像素放大功能導(dǎo)致的固定圖案噪聲（FPN：FixedPatternNoise）較大。CCDorCMOS?區(qū)別在哪里？WhataboutDV?CCDorCMOS？--returnoftheCMOS一般來說：因?yàn)闅v史的原因，CCD技術(shù)在日本非常成熟，95%的CCD都出自日本。CMOS影像傳感器卻不同。任何具有技術(shù)能力的半導(dǎo)體公司都能夠制造CMOS影像傳感器，所以低廉的成本使它很快就在PC攝像頭和手機(jī)攝像頭中普遍被采用。CMOS影像傳感器在高質(zhì)量的圖像應(yīng)用方面(例如DSC數(shù)碼相機(jī))趕上CCD應(yīng)該只是時(shí)間問題。高質(zhì)量成像中的CMOS尼康2008年發(fā)布D3X2009發(fā)布D3s高質(zhì)量成像中的CMOS尼康D3搭載了被稱為FXFormat的CMOS傳感器，這種傳感器的尺寸為36x23.9mm，擁有1210萬的有效像素，而這種傳感器尺寸同普通35mm膠片底片的36x24mm相當(dāng)接近，因此可以算為完全的全幅幅面。使用全幅的一個(gè)巨大好處就是讓數(shù)碼單反使用起來同普通的銀鹽單反相機(jī)并沒有太大的差異。同時(shí)由于幅面更大，像素間的間距也會(huì)比較大，自然像素點(diǎn)之間的干擾也會(huì)小得多，自然也會(huì)更加容易獲得純凈的圖像。尼康的D3傳感器的像素點(diǎn)尺寸為8.45μm，佳能的1DsMarkIII的尺寸為6.4μm，而前一代的1DsMarkII為7.2μm，而更大的像素點(diǎn)可以獲得更好的降噪效果，尼康D3支持最高ISO6400的感光度，如果在擴(kuò)展模式下甚至還提供了高達(dá)ISO25600的感光度。D3擁有非常高的連拍速度，在正常模式下可以提供9fps。而且如果在DX模式下拍攝，最高支持11fps的連拍速度。值得特別注意一點(diǎn)，尼康稱，未來尼康都會(huì)采用CMOS傳感器來替代CCD傳感器，因?yàn)镃MOS傳感器的成本更低廉，降噪效果更加明顯。速度，CMOS的優(yōu)勢(shì)：CCD在工作時(shí)，上百萬個(gè)像素感光后會(huì)生成上百萬個(gè)電荷，所有的電荷全部經(jīng)過一個(gè)“放大器”進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)變，形成電子信號(hào)，因此，這個(gè)“放大器”就成為了一個(gè)制約圖像處理速度的“瓶頸”，所有電荷由單一通道輸出，就像千軍萬馬從一座橋上通過，當(dāng)數(shù)據(jù)量大的時(shí)候就發(fā)生信號(hào)“擁堵”，而HDV格式卻恰恰需要在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，因此，在民用級(jí)產(chǎn)品中使用單CCD無法滿足高速讀取高清數(shù)據(jù)的需要。CMOS則不同，每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)單獨(dú)的放大器轉(zhuǎn)換輸出，因此CMOS沒有CCD的“瓶頸”問題，能夠在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，輸出高清影像。另外，CMOS工作所需要的電壓比CCD低很多，功耗大約只有CCD的1/3。因此,電池尺寸可以做得更小，使得攝像機(jī)的體積也就做得更小。而且，每個(gè)CMOS都有單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理能力，這也大大減少的集成電路的體積，這也讓數(shù)碼攝像得以實(shí)現(xiàn)小型化。固態(tài)圖像傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域消費(fèi)電子產(chǎn)品，手機(jī)，DC，DV…；傳真通訊系統(tǒng)

用1024～2048像元的線陣CCD作傳真機(jī)，可在不到一秒鐘內(nèi)完成A4開稿件的掃描?？捎糜诟鞣N標(biāo)本分析（如血細(xì)胞分析儀），眼球運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，X射線攝像，胃鏡、腸鏡攝像…工業(yè)檢測(cè)與自動(dòng)控制,這是IS應(yīng)用量很大的一個(gè)領(lǐng)域，統(tǒng)稱機(jī)器視覺應(yīng)用。①．在鋼鐵、木材、紡織、糧食、醫(yī)藥、機(jī)械等領(lǐng)域作零件尺寸的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，產(chǎn)品質(zhì)量、包裝、形狀識(shí)別、表面缺陷或粗糙度檢測(cè)。②．在自動(dòng)控制方面，主要作計(jì)算機(jī)獲取被控信息的手段。③．還可作機(jī)器人視覺傳感器。天文觀測(cè)①．天文攝像觀測(cè)②．從衛(wèi)星遙感地面如：美國用5個(gè)2048位CCD拼接成10240位長取代125mm寬偵察膠卷，作地球衛(wèi)星傳感器。③．航空遙感、衛(wèi)星偵察

如：1985年歐洲空間局首次在SPOT衛(wèi)星上使用大型線陣CCD掃描，地面分辨率提高到10m。此外，在軍事上應(yīng)用：微光夜視、導(dǎo)彈制導(dǎo)、目標(biāo)跟蹤、軍用圖象通信等。固態(tài)圖像傳感器應(yīng)用舉例光電鼠標(biāo)1999年微軟&安捷倫公司合作推出IntellimouseExplorer鼠標(biāo)，揭開了光學(xué)成像鼠標(biāo)的時(shí)代的序幕。

2000年羅技公司也推出了同類的光電鼠標(biāo)產(chǎn)品缺點(diǎn)：刷新率和分辨率較低；對(duì)采樣表面的適應(yīng)性差；

光電鼠標(biāo)光電鼠標(biāo)號(hào)稱比普通光學(xué)鼠標(biāo)提高20倍的追跡能力掃描儀掃描儀－－CCD線陣CCD（幾千像元）；鏡頭縮小成像；

色彩分離（3CCD、單CCD、濾光片分離）；解析增強(qiáng)技術(shù)；CCD是如何工作的電荷的產(chǎn)生電荷的存儲(chǔ)電荷的轉(zhuǎn)移電荷的輸出電荷的產(chǎn)生—光照產(chǎn)生光生電子光子的吸收當(dāng)光子流Φ0入射到半導(dǎo)體材料的表面上時(shí)，如果光子能量大于Eg，則光子會(huì)被吸收，光子流則按指數(shù)形式衰減，α為吸收系統(tǒng):

,α為吸收系統(tǒng)

假設(shè)量子效率為1(每個(gè)被吸收的光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì))，則在深度為x處，光生電子的產(chǎn)生速率為：

光子的吸收需重點(diǎn)提到，光生電子的產(chǎn)生速率是強(qiáng)烈地依賴于：

入射光的波長λ、

入射光子流密度Φ0

、

半導(dǎo)體材料種類(通過吸收系數(shù)α來體現(xiàn))

穿透深度x*,定義為:

,因此我們有

(穿透深度,在此處，入射光子流只有原來的37%)

光子的吸收Si材料的吸收系數(shù)和穿透深度與波長之間的關(guān)系：波長500nm:,

α=104/cmx*=1μm波長1000nm:

α=102/cm,x*=100μm電荷的存儲(chǔ)Analogywithbucketisveryhelpful.

(MOS電容的電荷容納可用水桶做比擬)Explanationoftheleftdiagram,potentialwellinfluencedbyparameter:Dopinglevel:

bucketisdeeperforlowerdopinglevels;

(摻雜越低，桶越深)Gatevoltage:highergatevoltage,deeperpotentialwell;

(柵電壓越高，桶越深)Thicknessofgatedielectric:thickeroxidesmakethebucketsshallower;

(絕緣層越薄，桶越深)Chargecontentofthewell:remainingbucketdepthisdeterminedbythefillinglevel;

(已容納電子越少，桶越深)電荷轉(zhuǎn)移—時(shí)鐘，移位寄存器，線陣&面陣電荷轉(zhuǎn)移原理圖示首先，柵極2上加10V的偏壓，其他的柵極加0V的偏壓，則電子集聚在柵極2下方

;然后，柵極3加10V的偏壓，其他柵極電壓不變，則電子在柵極2和3共同形成的勢(shì)阱中進(jìn)行重新分配;第三步，柵極2上的電壓從10V降到0V

，其他柵極電壓不變，則電荷從柵極2下方完全轉(zhuǎn)移到柵極3下方;電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)四相時(shí)鐘轉(zhuǎn)移系統(tǒng)；(廣泛用于器件的二維部分)

三相時(shí)鐘轉(zhuǎn)移系統(tǒng)；

二相時(shí)鐘轉(zhuǎn)移系統(tǒng)；(常用在輸出水平移位寄存器，需高速驅(qū)動(dòng)的部分)

一相半時(shí)鐘轉(zhuǎn)移系統(tǒng)；

一相時(shí)鐘轉(zhuǎn)移系統(tǒng)；四相時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘占空比為5/8；如各相時(shí)鐘未完全對(duì)準(zhǔn)，最壞情況下電荷容量為整個(gè)像元容量的1/2；四相時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘占空比為50%的四相方法；時(shí)鐘產(chǎn)生簡化了：1和3為反相關(guān)系、2和4亦然；如時(shí)鐘未對(duì)準(zhǔn)，最壞情況下電荷容納能力為像元的25%；

改進(jìn)方法：各時(shí)鐘下降沿延后一點(diǎn)；三相時(shí)鐘系統(tǒng)一相進(jìn)行電荷存儲(chǔ),一相用來做勢(shì)阱間的隔離,另一相用來驅(qū)動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)；50%占空比，120。相移；最壞情況下，電荷容納能力為1/3；像元尺寸可更小，比四相；二相時(shí)鐘系統(tǒng)通過對(duì)絕緣層厚度的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電荷的單方向轉(zhuǎn)移；兩相時(shí)鐘間不能重疊；電荷容量為25%；

在實(shí)際中，厚絕緣層部分的寬度實(shí)際比薄絕緣層部分要小很多；二相時(shí)鐘系統(tǒng)電荷轉(zhuǎn)移方向的控制通過附加的n摻雜區(qū)實(shí)現(xiàn);(摻n,勢(shì)阱變深)兩相時(shí)鐘互為反相;(時(shí)間重疊要求不嚴(yán)格)與四、三相比:

CCD結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,電荷容納能力也??；但驅(qū)動(dòng)更簡單；

電荷只能單向轉(zhuǎn)移；a,單輸出通道線陣b,雙輸出通道線陣c,四輸出通道線陣單輸出通道線陣CCD光照，產(chǎn)生光生電子并被收集在MOS電容中—光積分；轉(zhuǎn)移柵把電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中；移位寄存器開始向右轉(zhuǎn)移電荷，

同時(shí)MOS電容又開始進(jìn)行光積分；移位寄存器繼續(xù)向右轉(zhuǎn)移電荷，

同時(shí)MOS電容繼續(xù)進(jìn)行光積分；移位寄存器繼續(xù)向右轉(zhuǎn)移電荷，

同時(shí)MOS電容繼續(xù)進(jìn)行光積分；移位寄存器還繼續(xù)向右轉(zhuǎn)移電荷，

同時(shí)MOS電容還繼續(xù)進(jìn)行光積分；

(下一次從MOS轉(zhuǎn)移到移位寄存器前，移位寄存器中的電荷一定要傳完)雙輸出通道線陣CCD光積分過程；光積分結(jié)束；光電荷通過轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器；光電荷在移位寄存器中轉(zhuǎn)移；新一輪光積分開始；光電荷繼續(xù)轉(zhuǎn)移；光積分持續(xù)；光電荷繼續(xù)轉(zhuǎn)移；光積分持續(xù)；光電荷繼續(xù)轉(zhuǎn)移,即將結(jié)束；光積分持續(xù)，即將結(jié)束；

幀轉(zhuǎn)移型&列間轉(zhuǎn)移型面陣CCD工作過程描述全幀型面陣CCD工作過程描述TDI時(shí)間延遲積分電子圖像同步移動(dòng)+多重曝光