ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r

ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r2024/3/29ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r概述

CCD（ChargeCoupledDevices: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，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r光學(xué)系統(tǒng)

CCD圖像處理ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r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基本原理與發(fā)展?fàn)顩rCCD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ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r1、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)）。ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r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基本原理與發(fā)展?fàn)顩r

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(lì)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ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r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(shí)UG>Uth時(shí)ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩rCCD工作過程的第三步是信號電荷包的轉(zhuǎn)移，就是將所收集起來的電荷包從一個(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程。3、信號電荷的傳輸（耦合）ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r

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。①②③ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩rccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r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+2ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r

CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉(zhuǎn)移到輸出級的電荷轉(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、信號電荷的檢測ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩rODOSRDRSW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(gè)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.ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r+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(gè)電荷包的電荷清除掉。輸出節(jié)點(diǎn)輸出FETccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r+5V0V-5V+10V0VRSWVout

電荷輸送到相加阱。此時(shí)，Vout是參考電平。在這個(gè)期間，外部電路測量參考電平。ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r+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。ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r+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。ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩rCCD的工作過程示意圖背照明光輸入1電荷生成2電荷存儲3電荷轉(zhuǎn)移復(fù)位輸出4電荷檢測半導(dǎo)體CCD傳感器ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r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。ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r（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

ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r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，就必須用掃描的方法實(shí)現(xiàn)。ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r（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。ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r幀轉(zhuǎn)移面陣CCD結(jié)構(gòu)圖水平讀出寄存器（遮光）ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r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ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r隔列轉(zhuǎn)移面陣CCD結(jié)構(gòu)圖光敏區(qū)ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r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ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r面陣CCD同時(shí)曝光整個(gè)圖像ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r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3.2mm2.4mm4mmccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r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(gè)領(lǐng)域。ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r（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）ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r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)ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r

提高分辨率與單純增加像素?cái)?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CCDccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r

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(shí)可以達(dá)到傳統(tǒng)CCD兩倍的分辨力。45°排列結(jié)構(gòu)ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r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ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r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信號處理器，彩色還原能力提高50%。ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r截止2009年2月4日，日本富士公司已研發(fā)了8代超級CCD。SuperCCDEXRccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r2.四色感應(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。ccd基本原理與發(fā)展?fàn)顩r（四）CCD的發(fā)展趨勢高分辨率

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&G·Retion研制出8192×8192像元高分辨率CCD