固态成像器件原理及应用第四讲-CCD原理

2008.10.24CCD的工作原理内容什么是CCD？CCD是一种图像传感器CCD是ChargeCoupledDevice(电荷耦合器件)的简称。CCD的作用通过光学镜头把景物投影到CCD上并将光信号转换为与之成比例的电荷包，在CCD像面上形成电荷图像，将电荷图像输出成为电压视频图像。以后再经过数字化处理可以把图像作为一个文件存储起来。一电荷的生成电荷的生成电荷的生成电荷的生成电荷的生成•复合寿命由光子激发的电子在重新跃迁回价带(与空穴复合)之前可以在硅晶格内活动的时间是有限的.这个过程的时间常数称为复合寿命,其大小取决于硅的质量和掺杂的浓度.越长,信号电子被收集的可能性就越大,量子效率就越高.二电荷的收集CCD工作过程的第二步是电荷的收集，是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。为了收集电荷，必须制造一个收集区。不仅要把生成的电荷尽量收集起来，而且保证所收集的电荷不被复合。收集区：势阱。电荷的收集光子入射到CCD中产生电子空穴对，电子向器件中电势最高的地区聚集，并在那里形成电荷包。每个电荷包对应一个像元。电荷的收集•CCD曝光时，每个像元有一个电极处于高电位。硅片中这个电极下的电势将增大，成为光电子收集的地方，称为势阱。其附近的电极处于低电位，形成了势垒，并确定了这个像元的边界。像元水平方向上的边界由沟阻确定。三电荷的转移CCD工作过程的第三步是电荷包的转移，是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。线阵列CCD成像器件•单通道线型CCD双通道线阵CCD面阵列CCD成像器件全帧转移(FullFrame)CCD：无图像存储区。帧转移(FrameTransfer)CCD：分离独立图像存储区。行间转移(InterlineTransfer)CCD：成像与存储区列交错。全帧转移CCD光电转换后，将光电荷一行行转移至水平移位寄存器内读出。填充因子(fillfactor)：光敏面积占整个像元面积的比例结构简单，像元数大，填充因子大。需要外接机械快门，以克服图像模糊现象帧转移CCD光电转换后，将光电荷快速由成像区转移到存储区；再由存储区一行行转移至水平移位寄存器内读出。填充因子大，不需要机械快门，速度比较快。行间转移CCD光电转换后，将光电荷快速由一列成像单元转移到相邻的一列存储单元；再由存储区一行行转移至水平移位寄存器内读出。不需要机械快门，速度最快；填充因子小，灵敏度低。CCD的转移过程类比说明下面通过类比说明CCD收集、转移和测量电荷的过程。CCD的转移过程类比说明CCD的转移过程类比说明CCD的转移过程类比说明CCD的转移过程类比说明CCD的转移过程类比说明电荷的转移电荷的转移电荷的转移电荷的转移电荷的转移电荷的转移电荷的转移电荷的转移电荷的转移四电荷的测量电荷的测量电荷的测量电荷的测量•电荷耦合器件（CCD）是二十世纪七十年代初期（1969～1970年）由Dr.WilllardS.Boyle和Dr.GeorgeE.Smith在BellLaboratories发明的。CCD的发明Dr.WilllardS.BoyleDr.GeorgeE.SmithCCD的发明1970年BellLabs的研究人员就用CCD制成了世界上第一台固态视频相机。1975年他们用这台CCD相机所作的演示证明其图像质量已经达到了广播电视的清晰度要求。CCD的现状CCD的成像质量已经趋于完美，分辩率和色彩还原已经和35mm甚至67mm胶片不相上下，覆盖面积还有差距。线阵列CCD的像元数已经做到20000左右。AtmelTH7834C像元数12000KodakKLI-14403像元数14404×3FairchildCCD21241像元数24000×64CCD的现状面阵列CCD的像元数已经做到9k×9k左右。DalsaFTF5066M像元数4992x6668KodakKAF-39000像元数7216x5412FairchildCCD595像元数9216×9216CCD的应用数码相机中的CCD紫金山天文台1米近地天体望远镜+4k×4kCCD1米近地天体探测望远镜，目的是为了观测发现对地球构成潜在危险的近地天体。望远镜采用施密特型光学系统，改正镜口径1.04米，球面反射主镜1.2米，焦距1.8米，具有大口径、大视场（2°×2°）的特点。CCD系统选用了高量子效率、低噪音的4096×4096CCD芯片，采用冷却技术(工作温度－103.4℃)，并具有漂移扫描功能，为目前国内灵敏度最高的大面阵探测系统。航天遥感IKONOS－2