CCD电荷耦合元件

CCD图像传感器/电荷耦合元件

【摘要】分析一种多功能图像传感器——电荷耦合元件（CCD）的基本结构和工作原理，较为详细的介绍了CCD的彩色成像原理。

【关键词】CCD 阵元原理拜尔滤镜3CCD

【正文】

1.引言电荷耦合器件(Charge Coupled Device)是70年代初期最先由Bell实验室发明的。

CCD器件以极高的灵敏度、极大的动态范围和宽广的光谱响应范围等特别引人注目。30年来有关CCD的研究取得惊人的进展,特别是在图像传感器的应用方面。本文着重介绍CCD器件的工作原理、性能指标和彩色图像成像原理。

讲到CCD的诞生，要提到一位大名鼎鼎的科学家，也就是20世纪最伟大的科学家爱因斯坦。他成功的解释了光电效应并获得了1921年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦提出了光量子假说，即光是由一个个光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一定数值，才能从金属表面打出电子来。这解释了光电效应，同时给CCD 提供了理论上的铺垫。爱因斯坦构建了光与电的桥梁，而后来CCD的发明，正是应用了光电效应理论的结果。

https://www.360docs.net/doc/067243232.html,D的简介 CCD,英文全称:Charge-coupled Device，中文全称:电荷耦合元件。可以

称为CCD图像传感器,也叫图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号

3.半导体的相关知识

半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。在热力学温度零度和没有外界能量激发时，价电子受共价键的束缚，晶体中不存在自由运动的电子，半导体是不能导电的。但是，当半导体的温度升高（例如室温300K）或受到光照等外界因素的影响，某些共价键中的价电子获得了足够的能量，足以挣脱共价键的束缚，跃迁到导带，成为自由电子，同时在共价键中留下相同数量的空穴。空穴是半导体中特有的一种粒子。

https://www.360docs.net/doc/067243232.html,D光敏元的结构

CCD是由几十至几百万个光敏像元按一定规律排列组成的，每个像元就是一个MOS 电容器(大多为光敏二极管)。MOS单元是CCD结构的基本单元。它由金属(M)电极、氧化物(O)层和半导体(S)层组成，如图10-9所示。通常是以单品硅(P型或n型)作基底，其上生长一层薄的二氧化硅，再蒸涂一定形状的金属电极。

https://www.360docs.net/doc/067243232.html,D的工作原理

假定衬底是p型硅。在金属电极上施加电压U时，p型区内的多数载流子—空穴将在电场力作用下趋向离开电极，于是形成图中虚线所示的“耗尽区”。而对少数载流子—电子，电场将把它们引入至“耗尽区”。因此“耗尽区”成为电子的“陷阱”，称为势阱。若有光线射入并产生电子--空穴对，则光生空穴将被推斥出“耗尽区”，而光生电子将被吸入势阱。光能越强.则势阱收集的电子越多。这个MOS就成为一个光敏元，简称为像素。

人们在半导体硅片上制成大量相互独立的MOS单元，并由各自电极施加相应的电压，就形成大量的势阱。若有一幅实际的光学图像呈现于器件表面，则各MOS单元势阱中电荷的多少就反映了该像素接收的光能强弱，于是光学图像就变成了电荷分布图样。这种由大量MOS单元构成的器件就是CCD。

在工作时，被检测对象的光信息通过光学成像系统成像于CCD的光敏面上，CCD 的光敏像元将其上的光强度转换成电荷量。电荷的多少与光的强弱和照射时间成正比。接下来CCD在一定频率的时钟脉冲驭动下，将各行数据转移到一个单独、垂直电荷传输的缓存器中，各行的电荷数据被连续读取，并由电荷一电压转换和放大器进行传感.。CCD作为图像传感器使用时，为了保证图像的细节，必须确定分辨率。根据采样定理的要求.采样频率应高于所采图像最高空间分辨率的2倍，此外还要保证图像的亮度优处于CCD光电转换特性允许的动态范围之内，以保证转换后的图像信息不失真。

https://www.360docs.net/doc/067243232.html,D的特点、基本类型及功能

CCD发展于20世纪70-80年代，与其他器件相比，它最突出的特点是以电荷为信号的载体.不同于大多数以电流或电压为信号载体的器件。CCD的基本功能是电荷存储和电荷转移，因此，CCD工作过程就是信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。

CCD有两种基本类型:一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面转移，这类器件称为表面沟道CCD(简称为SCCD ):另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向转移，这类器件称为体沟道或埋沟道器件(简称为BCCD). CCD还可以分为线阵和面阵两种，线阵是把CCD像素排成一直线的器件。面阵是把CCD像素排成一个平面的器件。

CCD图像传感器具有如下三项功能：

1.光电变换功能，CCD中的光电二极管受光照会产生电荷，在内部响应于外部光的

照射使半导体硅原子中释放出电子。

2.电荷存储功能，CCD感光部分的各单元上设有电极。在电极上加有电压，在它的

下面就会形成电位井。电位井可以用来存储电荷。

3.电荷的转移(传输功能)，CCD是由许多单元并排在一起的，每个单元上都设有电

极，当相邻电极的外加电压较高时，电荷就会向高电压下的电位井移动。

https://www.360docs.net/doc/067243232.html,D的各类参数

1CCD的幅度和分辨率

2量子效率和光谱响应

3噪声-暗电荷及读出噪声

4动态范围

5 扫描制式

由于CCD是以电荷作为信号载体的器件，暗电荷在一定程度上将影响CCD的成像质量，因此重点关注暗电流这一参数。

“暗电荷”或“暗电流”是由热效应产生的电荷。在讨论暗电荷这一指标时应说明其环境温度。一般是用在某一温度下,每秒(甚至是每小时)每个阵元所产生的电子数衡量暗电荷的多少。CCD 暗电流由耗尽区的耗尽区暗电流、场自由区的扩散电流和Si －Si O2 界面的表面暗电流组成，其中的表面暗电流占主导地位

消除方法

1.冷却法：消减暗电荷的方法是冷却探测器,冷却温度越低,其暗电流也越少.

2.MPP (Multipinned-phase多相钉扎)技术可更为有效地抑制暗电荷,它是在硅层中掺杂一定量的硼,而对各个栅极的时钟相位(Clock Phases)加以适当的偏压,把势阱中的暗电荷驱赶出去.

下图是采用MPP技术与不用MPP的结果对比

8.彩色成像原理

从上述原理过程中，我们看到CCD可以感测光信号的强度和位置。开始萌芽阶段的CCD的性能并不出色，它只能感应亮度信息，而不感应色彩信息。接下来，我们将探究一下CCD的彩色成像原理：

1.基于拜尔滤镜的单CCD彩色成像原理

基于 Bayer滤波的彩色面阵 CCD，像元表面按照 Bayer规律增加红（R）、绿色（G）或蓝色（B）滤光片（图１），每个像元能够敏感一种基色灰度。对于基于 RGB的彩色图像，每个像素均需具有R、G 及B 灰度值。各像素其他两种基色灰度

值是据与之相邻像元所敏感的基色灰度值，通过插值计算得到的。目前，采用单片面阵CCD获取彩色图像的方式广泛应用于民用数码相机及遥感成像设备。

2.3CCD技术

光线如果通过一种特殊的棱镜后，会被分为红，绿，蓝三种颜色，而这三种颜色就是我们电视使用的三基色，通过这三基色，就可以产生包括亮度信号在内的所有电视信号。如果分别用一片CCD接受每一种颜色并转换为电信号，然后经过电路处理后产生图像信号，这样，就构成了一个3CCD系统。

和单CCD相比，由于3CCD分别用3个CCD转换红，绿，蓝信号，拍摄出来的图像从彩色还原上要比单CCD来的自然，亮度以及清晰度也比单CCD好。但由于使用了三片CCD，3CCD摄像机的价格要比单CCD贵很多。

9.关于CCD与CMOS技术的异同

CCD是一个泛称，即电荷耦合元件。我们通常所说的CCD是指的使用TTL加工工艺的CCD，而CMOS是使用CMOS加工工艺的CCD。在光电转换获取图像的原理上并无不同。不过在拾取信号的时CCD同时读取所有信息，CMOS是按行滚动读取的，ROLLING EFFECT就是由这种滚动读取的特点所造成的。TTL是低阻器件，抗干扰特性好，电流控制，所以电流大，耗电多，发热也严重。而CMOS是高阻器件，电压控制，易被干扰，不过电流小，很省电。TTL类似二极管，而CMOS类似场效应管。TTL的运行速度比CMOS 快，因为比CMOS发明的更早，技术积累上CCD要更深一些，在CMOS技术不完备的情况下，以前的CCD在画质上比CMOS好很多，所以舆论普遍认为CCD。有更好的影

像质量。不过在佳能等公司的努力下，现在的CMOS在大幅面上已经可以和CCD相抗衡了。但是CCD干扰小的特性在小幅面上还是有得天独厚的优势，所以我们所看到的大多数数码相机还是用的CCD。

10.未来的发展

如果说到未来，也许在不久的将来CCD终究会完成它的历史使命，退出这个市场，让位给更廉价，效果不逊色的CMOS传感器，但是我们不能否认在数码影像替代传统模拟影像的道路上，CCD扮演了重要的角色，这种对于影像质量不妥协的态度，也注定了它作为经典而流传。

【参考文献】

1.面阵CCD 电荷耦合器件的特点及原理分析，

2.单锦安，尚世铉.电荷耦合器件(CCD)，物理实验，第20卷第1期.

https://www.360docs.net/doc/067243232.html,D发明者荣获诺贝尔奖，影像视觉,2009.

4.从诺贝尔奖看CCD的前世今生

5.程书博等. 科学级光学CCD暗电流及机械快门时间响应特性测试,光学学报，

第32卷第2期，2012.2.

6.雷仁方. MPP CCD 暗电流温度特性研究, Electronic Sci. ＆Tech. / Feb. 15,2012.

7.杨永明.基于Bayer滤波的彩色面阵CCD的调制传递函数.

8.李定川.3CCD彩色摄像机原理及主要技术分析.