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1、CCD圖像傳感器 （ Charge Coupled Device ， 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 CCD實(shí)物 常見(jiàn)的 基于 CCD光電耦器件的 設(shè)備 嫦娥二號(hào)攜帶的 CCD立體攝像機(jī) CCD圖像傳感器 CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排

2、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 。 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 。 MOS光敏

3、元結(jié)構(gòu) MOS（ Metal Oxide Semiconductor,MOS） 電容器 是構(gòu)成 CCD的最基本單元 。 CCD分辨率 分辨率指的是中有多少像素 ， 也就是 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 。 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)

4、電荷的傳輸 4.信號(hào)電荷的檢測(cè) 工作原理 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 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(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

5、， 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) 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)

6、基本原 理 。 信號(hào)電荷的存儲(chǔ) （ 示意圖 ） e- e- 勢(shì)阱 入射光 MOS電容 器 +UG e- e- e- e- e- e- +Uth e- e- 勢(shì)阱 入射光 MOS電容 器 +UG e- e- e- e- e- e- +Uth UG Uth 時(shí) 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 。 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

7、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 1, 所有的 2、 3也是如此 ,并施加 時(shí)鐘脈沖 2 、 3 。 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 1 2 3 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 3 P型 Si 耗盡區(qū) 電荷轉(zhuǎn)移方向 1 2 輸出柵 輸入柵 輸入二極管 輸出二極管 SiO2 CCD的 MOS結(jié)構(gòu) 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

8、 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） (a)初始狀態(tài)； (b)電荷由電極向電極轉(zhuǎn)移； (c)電荷在電極下均勻分 布； (d)電荷繼續(xù)由電極向電極轉(zhuǎn)移； (e)電荷完全轉(zhuǎn)移到電極； (f)三相 轉(zhuǎn)移脈沖 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)?10V， 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)

9、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 2 V， (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 。 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) 背照明光輸入 1電荷生成 2電荷存儲(chǔ)

10、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 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 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

11、感器 輸出 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 。 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 P2 P3 P1

12、 P2 P 3 P1 P2 P 3 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) 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)

13、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 。 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) 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

14、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 。 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(jué)進(jìn)行了全面研究 ， 研 制出了超級(jí) CCD ( Super CCD) 。 超級(jí) CCD 傳統(tǒng) CCD 超級(jí) CCD 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

15、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%。 CCD和傳統(tǒng)底片相比 ， CCD 更接近于人眼對(duì)視覺(jué)的 工作方式 。 只不過(guò) ， 人眼的視網(wǎng)膜是由負(fù)責(zé)光強(qiáng) 度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的錐細(xì)胞 ， 分工合作 組成視覺(jué)感應(yīng) 。 CCD經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá) 35年的發(fā)展 ， 大致 的形狀和運(yùn)作方式都已經(jīng)定型 。 CCD 的組成主要 是由一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格 、 聚光鏡片以及墊于 最底下的電子線路矩陣所組成 。 傳統(tǒng)三原色 CCD Sony發(fā)布的四色感應(yīng) CCD-ICX456 新增的

16、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。 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 。 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(jué)系統(tǒng)； 用于傳真技術(shù) ， 文字 、 圖象 、 車牌

17、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 （ Mouth anus） ,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 。 線性 CCD圖像傳感器的應(yīng)用實(shí)例 ）光積分單元（感光單元 不透光的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu) 輸出 轉(zhuǎn)移柵 L 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 尺寸檢測(cè) 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 。 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的兩條

18、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 ， 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： 11 22 / / / d n t d n t D N t 分別為上壁厚、 下壁厚，外徑尺寸。 1d 2 d D 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

19、產(chǎn)品上 ， 很少采用 CCD圖像傳感器 。 2、 CMOS： （ Complementary Metal-Oxide Semiconductor， 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 ， 工作原理沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別 。 在相同像素下 CCD的成像通透性 、 明銳度都很好 ， 色彩還原 、 曝光可以保證基本準(zhǔn)確 。 而 CMOS的產(chǎn) 品往往通透性一般 ， 對(duì)實(shí)物的色彩還原能力偏弱 ， 曝光也都不太好 ， 由于自身物理特性的原因 ， CMOS的成像質(zhì)量和 CCD還是有一定距離的 。 但由于 低廉的價(jià)格以及高度的整合性 ， 因此在攝像頭領(lǐng) 域還是得到了廣泛的應(yīng)用 。 目前 ， 主流的手機(jī)用的都是 CMOS傳感器 ， 如三星 Galaxy Note 2、 iPhone 5、 小米 2、 魅族 MX四核 版 、 諾基亞 Lumia 800等 。