CCD基础知识

电荷耦合器件是70年代初由美国贝尔实验研制成功的一种新型半导体器件，缩写或简写为CCD。这种器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或电压为信号。CCD有线阵和面阵两种形式，是一种半导体集成器件。它由MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。它可以把光信息转换成电脉冲信号，而且每个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映了该光敏元受光照的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这样就起到了图像传感的作用。它的基本功能是电荷的存储与电荷的转移。因此它工作过程的主要问题就是信号电荷的产生、存储、传输和检测。电荷耦合器件指纹机风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描CCD图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。单片一亿像素的CCD一．MOS光敏元的工作原理所谓MOS结构一般都以硅作为半导体衬底，在其上热生长一层二氧化硅(SiO2)，并在二氧化硅上面淀积具有一定形状的金属层。因为它是由金属(M)—氧化物(O)—半导体(S)三层所组成，故称MOS结构。“耗尽区”“势阱”光敏单元或一个像素电荷包构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态CCD光敏元显微照片CCD图像传感器的分类1.线阵CCD外形2.面阵CCD面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生产的产品的单元数也越来越多，已达1024×1024像元。我国也能生产512×320像元的面型CCD图像传感器。CCD数码相机的外形CCD相机的两个重要参数对光的敏感度1.芯片材质2.单位像素尺寸帧速度1.曝光时间2.芯片的传输速度——芯片的传输方式决定的有效像素多，拍摄的图像精度更高帧频高，速度快，拍摄的运动过程更细致CCD的芯片的图像质量要优于CMOS，但速度比CMOS慢。像素尺寸大，能够更多地接收光子，不容易饱和对于高精密测量，应尽量使用整个像素面积都感光的芯片使用多通道传输的芯片，能提高传输速度CCD数码照相机的结构三基色分离原理CCDCCD数码相机的结构解剖（索尼F828）CCD数码摄像机带红外LED照明的CMOS视频摄像头CMOS视频摄像头CCD单元与线阵列结构的示意图移位寄存器由金属电极、氧化物介质及半导体三部分组成，也是MOS结构，但不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。二．移位寄存器(即信号电荷的传输)1、移位寄存器的工作原理如图四个彼此紧密排列的MOS结构：2V2V2V10V123t=t1=02V2V10V10V123t=t22V2V2V10V123t=t3分析可知，从t1到t3时间里，深势阱从1电极下转移到2电极下，势阱中的信号电荷也向右传输了一位，如果不断地改变电极上的电压，就能使信号电荷可控地一位位的按顺序传输。CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。将线阵列各极板分为三组，然后分别加以相位不同的时钟脉冲驱动，这即是所谓的三相CCD。这时，由于同一时刻三相脉冲的电平不同，各极板下面所造成的势阱深度也就不同。从而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地方流动。对于多电极，如图在二氧化硅表面排列多个金属电极a1、b1、c1；﹍an、bn、cn等，每三个电极如a1、b1、c1组成一个传输单元，在三个电极上分别加上三相脉冲电压Ua、Ub、Uc，它们的波形如图。金属电极上所加正电压越大．金属电极下的电场越强，多数载流子空穴被排斥的耗尽层越厚，对少数载流子电子则势阱越深三相CCD的时钟波形刚好互相错开T/3周期，因此时钟电压波形每变化T/3周期，电荷包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过三个极板。输出装置：在靠近最右电极的一侧扩散一个N区作为收集区，它与衬底之间形成一个PN结。电源E通过R加在该结的两端，使它处于反偏状态。该收集区收集最后一个电极cn下的电子，在电阻R上就有电流流过，并转换成电压的变化，输出一个脉冲。注意输出是串行的。信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度To；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲；对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。CCD输出信号的特点：如图，光敏区中产生的电荷，由转移门Z控制转移至a1、a2、----an极下的势阱。三．光敏单元中的电荷向移位寄存器转移现在来说明光敏单元中的电荷是怎样转移(读出)至移位寄存器的。问题：但如何解决光敏区中的光敏单元数与移位寄存器的传输单元数相等，而转移电极Z只有一个矛盾呢?现以A-A截面的电极为例进行分析。很显然，它相似于移位寄存器中的一个传输单元。如果在电极a1’、Z、a1上分别加上电压Ua’、Uz、Ua，它们的波形如图。则对应于t0、t1、t2时刻的势阱波形同样可以得到。如图。实用固体摄象器件都是在一块硅片上同时制作出光电二极管阵列和CCD移位寄存器两部分。光电二极管阵列专门用来完成光电变换和光积分，CCD移位寄存器专门用来完成光生电荷转移。因为这种转移不是借助于外来的扫描，而是依靠驱动脉冲来完成的，故也称为自扫描。根据光敏象素的排列方式，CCD摄象器件分为线阵列和面阵列两大类。线阵列CCD摄象器件单侧传输的特点:结构简单，但电荷包转移所经过的极板数多，传输效率低。双侧传输的特点:结构复杂一些，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧传输的一半，所以损耗小，传输效率高。一般光敏元位数少的片子，多采用单侧传输结构，而位数多的片子，则多采用双侧传输结构。对于线阵列CCD摄象器件来说，不论是三相的还是二相的，都有单侧传输和双侧传输两种结构形式。单沟道线型CCD双沟道线阵CCD转移次数多、效率低,只适用于像素单元较少的成像器件。转移次数少一半，它的总转移效率大大提高。CCD以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就成为其最重要的性能之一。把一次转移之后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率（CTE）好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般可达0.999995[3]，所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。转移效率电荷包从一个势阱转移到下一个势阱时，有部分的电荷转移过去，余下部分没有被转移，称转移损失率1一个电荷量为Qo的电荷包，经过n次转移后的输出电荷量应为：nonQQ总效率为：nonQQ/好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般可达0.999995[3]，所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。面阵列CCD摄象器件然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而暂存区则利用这个时间，将电荷包一次一行地转移给CCD移位寄存器，变为串行信号输出。当CCD移位寄存器将其中的电荷包输出完了以后，暂存区里的电荷包再向下移动一行给CCD移位寄存器。当暂存区中的电荷包全部转移完毕后，再进行第二帧转移。二维固体摄象器件中，电荷包转移情况与线阵列器件类似，只是它的形式较多。有的结构简单，但摄象质量不好，有的摄象质量好些，但驱动电路复杂，目前比较常用的形式是帧转移结构。光敏区是由光敏CCD阵列构成的，其作用是光电变换和在自扫描正程时间内进行光积分，暂存区是由遮光的CCD构成的，它的位数和光敏区一一对应，其作用是在自扫描逆程时间内，迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移到它里面暂存起来。CCD动态测量细丝直径的原理如图所示。设所用的CCD有N0个光敏元，每个光敏元的大小为13μ，计数器计数为N，则细丝直径D为：D＝13（N0-N）(μ)CCD的应用如测量大物体，可用二块CCD，距离固定为L（如图3.2.2-9所示），假定CCD1的计数值为N1，CCD2的计数值为N2，则D＝L－13N1+13(N0-N2)(μ)测量玻璃管直径与壁厚玻璃管CCD视频信号由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。成像物镜的放大倍率为β，CCD相元尺寸为t，上壁厚、下壁厚分别为n1、n2，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为N，测量结果有：1122///dntdntDNt分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。1d2dD线阵CCD进行工件尺寸测量CCD作为一种基础器件，因能实现信息获取、转换和视觉功能的扩展，给出直观、真实、层次多、内容丰富的可视图象信息，而得到了越来越广泛的应用，如汽车应用、监控系统、机器人视觉、视频会议、指纹识别系统、冲突避免系统、增强型自适应巡航控制、带相机的移动电话和医学图象识别等等。CCD的硅处理专用制作工艺与现今微电子器件的主流制作工艺不同；无法低成本地把控制处理电路集成在同一图象芯片上，这也就造成了基于CCD的图象系统体积庞大和功耗大（CCD可携式照相机功耗近10W）。CCD在市场上能保持优势的原因是：它的出色的分辨率、较高的动态范围、一致性好；低噪声和象素面积小。现在CMOS技术在两个前沿获得突破：用于计算机和手提电话的低档产品和超高速、大规格的高档产品。从根本上说，考虑到视频速率下的读出噪声和灵敏度问题，CMOS图象传感器比CCD更有优势，有着更低的瞬态噪声，而且这个优势随着象素数目的增大而更加明显。CMOS图象传感器的部分性能仍有不及CCD之处，人们解决了众多的技术难题以求提高CMOS图象传感器的性能，以合理的成本减少CMOS和CCD成象性能的差距，使之在许多应用领域替代CCD。CCD与CMOS比较从以上的对比可以看出：CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速相机则会采用CMOS芯片。CCDCMOS电路更改方便固定速度慢快噪声好差灵敏度好差功耗毫安级微安级成本高低A有效像素多，拍摄的图像精度更高B帧频高，速度快，拍摄的运动过程更细致CCCD的芯片的图像质量要优于CMOS，但速度比CMOS慢。D像素尺寸大，能够更多地接收光子，不容易饱和E对于高精密测量，应尽量使用整个像素面积都感光的芯片F使用多通道传输的芯片，能提高传输速度G使用3-CCD技术的彩色相机，色彩更真实CCDCMOS设计单一感光器感光器连接放大器灵敏度同样面积下高感光开口小，灵敏度低成本线路品质影响程度高，成本高CMOS整合集成，成本低解析度连接复杂度低，解析度高低，新技术高噪点比单一放大，噪点低百万放大，噪点高功耗比需外加电压，功耗高直接放大，功耗低CCD与CMOS比较90年代初CMOS传感器开始被部分市场所采纳，一个重要原因就是它可以在同一个芯片上集成各种信号和图象处理模块，如运放器、ADCS、彩色处理和数据压缩电路、标准TV和计算机I/O接口，形成一个单片集成数字成象系统。