1、2023年5月13日星期六第五章第五章 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，其是典型的固体图象传感器，其主要功能是将其表面接收到的光强信号转变为电信号。主要功能是将其表面接收到的光强信号转变为电信号。目前的数码相机、摄像机、扫描仪、广播电视、目前的数码相机、摄像机、扫描仪、广播电视、可视电话和无线电传真中大多采用可视电话和无线电传真中大多采用CCD作为图像采集作为图像采集器件，是这些电子产品的核心。器件，是这些电子产品的核心。CCD的成像基本单位被叫做像素，当它用于图像的成像基本单位被叫做像素，当它用于图像采
2、集时，通常与光学镜头配合使用，由光学镜头将图采集时，通常与光学镜头配合使用，由光学镜头将图像投影到像投影到CCD表面，再由表面，再由CCD将图像转化为数字信号；将图像转化为数字信号；当它应用在生产过程自动检测和控制等领域时，可当它应用在生产过程自动检测和控制等领域时，可以直接应用而不配套镜头。以直接应用而不配套镜头。它是它是1970年贝尔实验室的年贝尔实验室的WSBoyle和和GESmith发明的。发明的。电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)的发明者的发明者填空1930年出生于美國白原市（White Plains）美國國籍。1959年從芝加哥大學獲得物理學博士學位。因CCD获2009年度诺贝尔物
3、理学奖，70万美金的奖金。电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)的发明者的发明者填空填空我们先来了解我们先来了解CCD的的光敏元光敏元。它的基础是金属它的基础是金属氧化物氧化物硅硅MOS电容器电容器CCD的基本光敏元的基本光敏元(电荷存储电荷存储)CCD的单元结构的单元结构P型半导体多数型半导体多数载流子为空穴加载流子为空穴加正电压，电子做信正电压，电子做信号号P 型沟道型沟道CCDMetal Oxide Semiconductor把势阱想成一个桶把势阱想成一个桶接地接地返回填空CCD的基本光敏元的基本光敏元(电荷存储电荷存储)CCD的信号来源的信号来源(光注入光注入)想象为存贮在桶底上的流体想象
4、为存贮在桶底上的流体信号电信号电荷荷填空CCD的信号来源的信号来源(电注入电注入)CCD的势阱的势阱 光敏元之中的势阱深度与两方面的因素有关：栅极电压和反型层电荷量。栅极电压越大势阱越深。反型层电荷越多，势阱越浅。(可以认为是反型层电荷抵消了一部分栅极电压)CCD的单元结构的单元结构N型半导体多型半导体多数载流子为电子数载流子为电子加负电压加负电压N型沟道型沟道CCD 半导体也可采用半导体也可采用N型半导体，如下图所型半导体，如下图所示。示。很薄约很薄约1200A。接地接地CCD的信号转移 CCD图象传感器实际上是由由光敏元件阵列光敏元件阵列和电荷转电荷转移器件移器件集合而成，光敏元件也参与电
5、荷转移。一般来说每个光敏元有三个相邻的转移电极1、2、3，所有电极彼此离得足够近，以使硅表面的耗尽区和电荷的势阱交叠，能够耦合及电荷转移。CCD的MOS结构P型Si耗尽区电荷转移方向123输出栅输入栅输入二极管输出二极管 SiO2 CCD中电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，不会受到干扰。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。电荷转移过程t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7简答或论述 CCD中电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过
6、程。第一时刻，即初始状态时，第一电极外加高电平，其它电极外加低电平，此时只有第一电极下方具有深势阱，信号电荷存储于第一电极下方。第二时刻，第一电极和第二电极外加高电平，第三电极外加低电平，第二电极下产生深势阱并与第一电极下的势阱连通，信号电荷变为共有。第三时刻，保持第二电极高电压，第三电极低电压，将第一电极转变为低电压，第一电极下的势阱消失的过程中，信号电荷全部转移到第二电极下的势阱中，完成了一次完整的信号转移过程。将第一电极、第二电极更换为任意两个相邻电极重复上述三步，都可完成电荷转移。第三电极的存在确保了电荷的定向转移。CCD也存在二相的电荷转移方式，在这种方式中设计了不对称的电极结构，可
7、以保证电荷转移的定向性。CCD的信号输出(电荷的检测)目前CCD的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到末级电极（图中CR2电极）下的势阱中后，CR2电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电荷将进入输出栅（图中N+区）。由UD+、电阻R、衬底p和N+区构成的反向偏置二极管相当于无限深的势阱。1.电流输出进入到反向偏置的二极管中的电荷，将产生输出电流ID，且ID的大小与注入到二极管中的信号电荷量成正比。电阻R是制作在CCD内的电阻，阻值是常数。所以，输出电流ID与注入到二极管中的电荷量成线性关系，且RD是复位信号，用来快速抽空信号
8、电荷填空CCD的信号输出(电荷的检测)在电流输出中，输出端是一个反向偏置的二极管，而这次，输出端是一个三极管。在RG不导通的情况下，信号电荷与T2三极管的基极中的多数载流子复合，产生基极电流。T2将基极电流放大，从集电极发出，形成电流信号输出。电阻R是调整信号强弱的分流电阻。2.浮置扩散放大器输出当RG，也就是复位信号加上高电平以后，T1三极管基极和发射级正向偏置，这样残余的信号电荷被快速抽出，因此T1为复位三极管。CCD的信号输出(电荷的检测)浮置栅放大器输出中，T2栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接，而是与沟道上面的浮置栅相连。当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅上感应出镜像电
9、荷，以此来控制T2的栅极电位，达到信号检测与放大的目的。3.浮置栅放大器输出 CCD CCD图像传感器的改进图像传感器的改进 最初的CCD传感器中，感光单元和信号转移单元是混杂的，感光单元也参与信号的转移过程。这就造成一个问题，就是信号转移过程中，感光单元被占用了，这段时间就浪费了。要想连续拍两幅图像必须等第一幅图像输出以后才可以拍第二幅。后来人们把感光单元和信号转移单元分离开来。将信号转移单元称为移位寄存器。这样，只要将感光元件中的信号转入移位寄存器，就可以立刻再次感光，同时移位寄存器输出信号即可。使得相机的拍摄频率大大增加。CCD的常见时序图 SH为行周期脉冲，当SH高电平时，正值F1电极
10、下均形成深势阱，并通过SH势阱与MOS电容存储势阱沟通，MOS电容中的信号电荷转移到模拟移位寄存器的F1电极下的势阱中。当SH由高变低时，SH势阱下的势阱遍地将存储栅下势阱与F1电极下的势阱隔离开。存储栅进入光积分状态。模拟移位寄存器将在F1下的信号电荷经输出电路由U0电极输出。FR为复位脉冲。SP为像元采样脉冲。FC为有效像元起始信号。，第一层是微型镜头，第二层是分色滤色片以及第三层感光汇流层。第一层：微型镜头是由SONY領先发展出来的技术。为了有效提升CCD 的总像素，又要确保CCD芯片不会过大，以适应数码产品的微型化，只能缩小每个像素的尺寸。单一像素尺寸小了，受光面积就小，成像差。为改善
11、这个问题，SONY 率先在每一光敏元上装置微小镜片。这个设计就像是帮CCD挂上眼镜一样，感光面積大为提升。如此一來，可以同时兼顾像素数量的提高，又保证了图像质量。商用CCD芯片的基本结构填空 第二层：分色滤色片，这个部份的作用主要是帮助 CCD 具备色彩辨识的能力。回到源头，CCD 本身仅是光强感应器，对不同波长的光的感应是一样的，无法区分。分色滤色片，仅能够透过特定波长的光，借此，CCD 可以分开感应不同光线的成分，从而在最后影响处理器还原回原始色彩。CCD有曾有过兩种分色方式：一是 RGB 原色分色法，另一种是 CMYG补色分色法，2003年后由于影像处理引擎的技术和效率的进步，目前市场上
12、超过 80都是原色 CCD。商用CCD芯片的基本结构 第三层：感光汇流片，這层主要是负责将穿透滤色层的光转换成电子信号，并將信号传送到影像处理晶片，將影像还原。商用CCD芯片的基本结构 主要的 CCD 設計大致上分成几个区块:1.蓝色被称为像素 Pixel 的感光半导体结构，主要是应用于光线感应部分。2.棕色区块就是电荷存储区，用于收集蓝色区产生的电荷。3.在蓝色和棕色区之间被用作电子快门，叫做Gate 区，控制电荷的转移。4.黄色区块是电荷通路，用來传导电荷之用。CCD图像传感器的分类方式主要有两种。依据其像素排列方式的不同，可以分为线阵CCD和面阵CCD两种：线阵CCD中，像素排成一列，类
13、似于数学中的一维矩阵的形态，只能采集一个窄条上的图像，目前扫描仪中用的就是线阵CCD。面阵CCD中，像素排成一个二维方阵，类似于数学中m,n的形态，可以直接得到二维图像，是目前数码相机和数码摄像机中最常用的感光元件。依据其敏感光波长不同也可以分为可见光CCD、近红外CCD，热感CCD(远红外)等。CCD传感器的分类填空1 1线阵线阵CCDCCD图像传感器图像传感器 线阵CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体，在它们之间设有一个转移控制栅，这种结构叫做单沟道线阵CCD。目前，实用的线阵CCD图像传感器为双行结构，叫做双沟道线阵CCD。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转
14、移到上、下方的移位寄存器中，然后在输出端交替合并输出，得到最终的信号。1 1线型线型CCDCCD图像传感器图像传感器 3 3面阵面阵CCDCCD图像传感器图像传感器 面阵CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在几种典型结构形式，如图所示。CCD本身对颜色或者说对不同波长的光是没有区别的，都同样的感光，只是感光的效率不同。前面我们讲过CCD芯片上面可以加装分色滤光片，使得同样的CCD对不同颜色的光感光。可以利用三原色的原理，在同一像素位置放置三个像素单元，各自对不同的颜色感光，通过不同强度色彩的叠加实现彩色图像的收集。CCD的颜色与图像格式3CCD彩色数码相机的内部构造
15、有一种图像格式与CCD实现彩色图像收集非常匹配，因为它是随着彩色CCD而出现的。这种图像叫做BMP(Bitmap)图像。中文叫做位图。它采用位映射存储格式，每一个像素由三个色彩数据组成，一般采用红、绿、蓝作为三原色，每个色彩数据代表对应原色的强弱，最终合成出该像素的颜色。BMP文件的图像深度可选lbit、4bit、8bit及24bit，指的是每个原色的强度可以被几位二进制数据来表述。除了图像深度可选以外，不采用其他任何压缩，因此，BMP文件所占用的空间很大。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。文件组成：文件头数据结构调色板位图数据。CCD的颜色与图像格式填空 近年
16、来另一种图像感器近年来另一种图像感器互补金属氧化物场效应管互补金属氧化物场效应管CMOS光电传感器也已在电脑、笔记本电脑、掌上电脑、视光电传感器也已在电脑、笔记本电脑、掌上电脑、视频电话、扫描仪、数码相机、摄影机、监视器、车载电话、频电话、扫描仪、数码相机、摄影机、监视器、车载电话、指纹认证等图像输入领域得到广泛的应用。指纹认证等图像输入领域得到广泛的应用。CMOS型型CCD和和普通普通MOS型型CCD使用相同的感光元件，具有相同的灵敏度使用相同的感光元件，具有相同的灵敏度和光谱特性，但光电转换后的信息读取方式不同。和光谱特性，但光电转换后的信息读取方式不同。CMOS光光电传感器经光电转换后直
17、接产生电流或电压信号，信号读取电传感器经光电转换后直接产生电流或电压信号，信号读取十分简单。十分简单。因此常常被用在便携式设备中。因此常常被用在便携式设备中。Complement Metal Oxide Semiconductor互补金属氧化物半导体互补金属氧化物半导体勇于开始，才能找到成功的路CCD vs CMOS 高质量低噪声图像 对光的敏感度和准确度更好 耗电量大 专用配件和生产线 技术较先进，发展更成熟 易受噪声影响 感光度稍差 耗电量小(1%)易于生产 便宜2、CCD应用举例应用举例 CCD图像感器用于非电量测量，是以光为媒介的光电转图像感器用于非电量测量，是以光为媒介的光电转换，是
18、以非接触方式进行测量，因此可以实现危险地点或人、换，是以非接触方式进行测量，因此可以实现危险地点或人、机械不可到达场所的测量与控制。机械不可到达场所的测量与控制。v 组成测量仪器可测量物位、尺寸、工件损伤；组成测量仪器可测量物位、尺寸、工件损伤；v 作光学信息处理装置的输入环节，如用于传真技术、光作光学信息处理装置的输入环节，如用于传真技术、光学文字识别技术以及图像识别技术；学文字识别技术以及图像识别技术；v 自动流水线装置中的敏感器件，如可用于机床、自动搬自动流水线装置中的敏感器件，如可用于机床、自动搬运车以及自动监视装置等。运车以及自动监视装置等。返回 通常，快速自动检测工件尺寸的系统有一
19、个测量通常，快速自动检测工件尺寸的系统有一个测量台，在其上装有光学系统、图象传感器、和微处理机台，在其上装有光学系统、图象传感器、和微处理机等。通常采用线阵等。通常采用线阵CCD即可，也可以使用面阵即可，也可以使用面阵CCD。尺寸自动检测尺寸自动检测 这是最简单的尺寸测量方法，被工件遮挡的这是最简单的尺寸测量方法，被工件遮挡的CCD位置是不感光的。如果工件尺寸比较大的话，可位置是不感光的。如果工件尺寸比较大的话，可以在工件和以在工件和CCD之间加装成像镜头。之间加装成像镜头。信号的二值化处理信号的二值化处理 在尺寸测量中，在尺寸测量中，CCDCCD传感器光敏单元的输出可以传感器光敏单元的输出可
20、以看成看成“0”“0”、“1”“1”信号，通过对输出为信号，通过对输出为“0”“0”的信号的信号进行计数进行计数,即可测出物体的宽度。这就是信号的二值即可测出物体的宽度。这就是信号的二值化处理。化处理。实际应用时实际应用时,物像边缘交界处光强是连续变化的物像边缘交界处光强是连续变化的,而不是理想的阶跃跳变而不是理想的阶跃跳变,要解决这一问题可用两种方要解决这一问题可用两种方法法:比较整形法或者微分法。比较整形法或者微分法。比较整形法比较整形法计数脉冲CCD低通滤波比较器计数显示参考电平+比较器输出CCD输出滤波输出参考电平tt10n个脉冲在低电平期间对计数脉冲进行计数,从而得np 。微分法微分
21、法低通滤波微分绝对值微分过零触发二值化CCD信号滤波后CCD视频信号AA，微分绝对值微分过零触发二值化信号OOOOOOtttttt微分法波形图微小尺寸的检测微小尺寸的检测 He-Ne信号读出信号处理时钟发生控制器计数显示器透镜细丝线阵CCDL0123XkSdL 远场条件远场条件L Ld d2 2/d=K/Sin d=K/Sin S S的测量方法的测量方法 S=nspVn小尺寸的检测小尺寸的检测 超大尺寸检测（或高精度工件检超大尺寸检测（或高精度工件检测）测）缺陷自动检测缺陷自动检测 当光照物体时，使不透明物体的表面缺陷或透明物体当光照物体时，使不透明物体的表面缺陷或透明物体内缺陷（杂质）与其材
22、料背景相比有足够的反差，只要缺内缺陷（杂质）与其材料背景相比有足够的反差，只要缺陷面积大于两个光敏元时，陷面积大于两个光敏元时，CCD图像传感器就能够发现它图像传感器就能够发现它们。它种检测方法能适用于多情况：们。它种检测方法能适用于多情况：v 磁带上是否有小孔；磁带上是否有小孔；v 检查透射光；检查透射光；v 检查玻璃中的针孔、气泡及夹杂物。检查玻璃中的针孔、气泡及夹杂物。钞票检查系统原理图钞票检查系统原理图 静电复印机、图像扫描仪、传真机等大部分都采用静电复印机、图像扫描仪、传真机等大部分都采用线阵线阵CCD作为扫描成像部件。近年常用固体图像扫描组作为扫描成像部件。近年常用固体图像扫描组件
23、件CIS(Contact Image Sensor)来实现，由来实现，由CCD、光学系、光学系统和光源组成。统和光源组成。线阵线阵CCD在扫描复印技术中的应用在扫描复印技术中的应用 利用准直光源和具有成像物镜的线阵利用准直光源和具有成像物镜的线阵CCD摄像摄像头可以构成测量平板物体在垂直方向上的位置或者位头可以构成测量平板物体在垂直方向上的位置或者位移的测量装置。移的测量装置。平板位置检测平板位置检测 利用这种方法可以用来检测某些板材的表面平整利用这种方法可以用来检测某些板材的表面平整程度。板材表面平整那么程度。板材表面平整那么CCD上的光斑位置恒定，一上的光斑位置恒定，一旦表面不平整，旦表面不平整，CCD上的光斑位置会变化。上的光斑位置会变化。平板位置检测平板位置检测
