光电传感技术中CCD图像传感器的研究
CCD图像传感器原理及应用.

• [5] 王庆友 , 于桂珍 . 利用线阵 CCD 非接触测量材料变形量的方法 . 光电工 程,2002
谢
谢!
二、CCD传感器应用领域
1.小型化黑白、彩色TV摄像机 2.传真通讯系统 3.光学字符识别 4.工业检测与自动控制 5.医学标本分析与检测(如血细胞分析仪), 6. 天文观测 7. 军事上应用
三、图像传感器应用技术
----尺寸测量
信号的二值化处理
CCD传感器光敏单元的输出可以看成“0”、“1” 信号,通过对输出为“0”的信号进行计数,即可测出物 体的宽度。这就是信号的二值化处理。实际应用时, 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,要解决这一问题可用两种方法:比较整形法; 或者 微分法。
L S
L L d L 2 S S S S
小尺寸的检测
信号处理
计 数 显 示
L
n· p
控制器
•
a L==( +1)· np ' f
例子:钢珠直径,小轴承内外径,小轴径、孔径,小玻 璃管直径,微小位移测量,机械振动测量。
大尺寸检测(或高精度工件检测)
CCD1 CCD2
PMT
PMT从五十年代发展到现在,技术已经非常 成熟。它的形状就像一个圆柱体的小灯泡,直 径约一寸,长度约二寸;内置多个电极,将进 入的光信号转化为电信号,最高动态范围可达 4.2,而且它非常耐用,可以运作十万小时以 上。但是由于它的造价相当高,目前只是应用 于专业的印刷、出版业的扫描仪及工程分析。
CCD
CCD是美国贝尔实验室于1969年发明的,与 电脑晶片CMOS技术相似,也可作电脑记忆体及 逻辑运作晶片。CCD是一种特殊的半导体材料, 它是由大量独立的感光单元按照矩阵形式排列 组成的。CCD的感光能力比PMT低,但近年来 CCD技术有了长足的进步。由于CCD的体积小、 造价低,所以广泛应用于扫描仪、数码相机及 数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的图 像传感器都是CCD。
ccd和cmos原理

ccd和cmos原理
CCD和CMOS是两种常见的图像传感器技术,它们在数码相机、摄像机等设备中被广泛采用。
CCD(Charge-Coupled Device)即电荷耦合器件,它是由大量光敏元件和信号传输电路组成的集成电路。
CCD的工作原理是基于光电效应,当光线照射到CCD上时,光子被光敏元件吸收并转化为电荷。
这些电荷按照特定的方式传输到读出电路中,最终转化为数字信号。
CCD传感器具有高灵敏度、低噪声等特点,适用于要求较高图像质量的应用领域。
CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)即互补金属氧化物半导体,它是另一种图像传感器技术。
CMOS传感器由像素阵列、控制逻辑和信号处理电路等组成。
CMOS
传感器的工作原理是通过控制每个像素的 MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)来实现图像捕捉和信号处理。
CMOS传感器具有功耗低、集成度高等优势,适用于功耗敏感的便携设备。
CCD和CMOS的主要区别在于信号读取方式和电路结构。
CCD传感器采用串行读取方式,需要较多的控制电路和电荷传输电路,相对复杂。
而CMOS传感器采用平行读取方式,每个像素都有自己的读出电路,使得整个图像采集过程更加简化。
总之,CCD和CMOS是两种不同的图像传感器技术,它们在
光电转换、信号处理和功耗等方面有所差异,适用于不同的应用场景。
ccd图像传感器的工作原理

ccd图像传感器的工作原理
CCD(Charged Coupled Device)图像传感器是一种将光信号
转换为电信号的电子器件。
它具有由一系列电荷耦合转移器件组成的阵列。
其工作原理如下:
1. 光感受:图像传感器的表面涂有光敏材料,例如硅或硒化铟。
当光照射到传感器上时,光子会激发光敏材料中的电子。
2. 电荷耦合:在CCD传感器中,光激发的电子通过电场力被
引导至特定位置。
在传感器的一侧,存在着电荷耦合器件(CCD)的阵列。
这些器件由一系列电容构成,能将移动的
电子推入下一个电容。
3. 移位寄存:一旦电子被推入下一个电容,电荷耦合器件会以逐行或逐列的方式将电子移动到存储区域。
这些存储区域称为移位寄存器,在这里,电荷可以被暂时存储和传输。
4. 电荷读出:当所有行或列的电荷都被移动到相应的移位寄存器时,电子的集合就可以被读出。
通过将电荷转换为电压信号,其可以被进一步处理和转换为数字信号。
总结:CCD图像传感器的工作原理可以分为光感受、电荷耦合、移位寄存和电荷读出四个步骤。
通过光激发、电荷移动和存储,最终将光信号转换为电信号,并进一步处理为数字信号。
ccd 工作原理

ccd 工作原理
ccd(电荷耦合器件)是一种图像传感器,它是基于光电转换
和电荷传输原理工作的。
ccd的工作主要分为光电转换和电荷
传输两个过程。
在光电转换过程中,ccd的表面覆盖着一层由硅制成的感光薄膜。
当外界光线照射到感光薄膜上时,光子会被感光薄膜吸收,并激发出电子 - 空穴对。
这些电子 - 空穴对会被感光薄膜内的电场和电位差作用下分离,电子被聚集在感光薄膜下方的势阱内,而空穴则被吸引到势阱上方。
感光薄膜上的每一个像素点都有一个对应的势阱,用于收集和存储来自光电转换的电荷。
接下来是电荷传输过程。
ccd内部有一系列的传输脉冲信号,
这些信号作用于ccd中的势阱,控制和引导势阱内的电荷的传输。
首先,一个重置脉冲信号被发送到势阱,将其中的电荷清零。
随后,一个移位脉冲信号被发送,将电荷从一个势阱传输到相邻的势阱中。
通过不断重复这一过程,电荷可以在ccd内
部被移动和传输。
当光源照射完整个ccd感光区域后,感光薄膜中的电荷将被逐
一传输到ccd的输出端,形成一个电荷包。
最后,这个电荷包
经过放大和采样,转换成一个模拟电压信号。
总的来说,ccd通过光电转换将光子转化为电荷,然后通过电
荷传输的方式将电荷逐一传输到ccd的输出端,从而实现图像的捕获和转换。
ccd图像传感器的原理

ccd图像传感器的原理
CCD图像传感器是一种基于电荷耦合器件(Charge-Coupled Device)的光学传感技术。
其原理是利用PN结以及电荷耦合
的原理将光信号转换为电荷信号,并通过逐行读取的方式将这些电荷信号转换为数字图像。
当一个光子击中CCD图像传感器上的感光表面时,它会激发
感光表面上的电子,并将它们转换成电荷信号。
这些电荷信号会被储存在电荷耦合器件中的位势阱中,由于耦合电介质介导电耦合效应,使电荷可以在电荷耦合器件中进行传输。
在图像采集过程中,电荷信号会被逐行读取。
首先,所有的电荷信号都会被传输到传感器芯片的顶部电荷传输区域。
然后,通过逐行读取的方式,将每行中的电荷信号传输到图像信号处理电路中进行进一步处理。
在逐行读取的过程中,每行的电荷信号会根据时钟脉冲的控制,被顺序地传输到图像信号处理电路中。
在图像信号处理电路中,电荷信号会被放大、调整和数字化,最终形成完整的数字图像。
CCD图像传感器具有高灵敏度、高动态范围和低噪声等优点,因此广泛应用于数码相机、摄像机、望远镜等领域。
它的原理基于光电效应和电荷耦合效应,为数字图像采集和处理提供了高质量的解决方案。
CCD图像传感器

CCD图像传感器概况摘要:CCD是一种70年代发展起来的半导体器件,广泛应用光电检测领域。
本文主要介绍了CCD在图像传感器方面应用的原理、应用现状、遇到的问题和技术上的革新,并讨论了CCD图像传感器的发展前景以及所面临的挑战。
关键词:电荷耦合器件,图像传感器Abstract: CCD is a kind of 1970s developed semiconductor devices,it has an extensive application of photoelectric detection field. This paper is about its principle of the application in the image sensor and application status. Then the technical problems and innovations are introduced. At last the development prospect and challenges of CCD image sensors are discussed.Keywords: CCD;image sensor1.引言电荷耦合器件(Charge Coupled Device ,CCD)是一种光电转换器件,用集成电路工艺制成。
它不同于大多数以电流或电压为信号的器件,它以电荷包的形式储存和传递信息。
CCD 器件是一种固体化器件它的优点主要是体积小、质量轻、功耗低、可靠性高,寿命长图像畸变小,尺寸重现性好,具有较高的空间分辨力,光敏元间距的几何尺寸准确度高, 可获得较高的定位准确度和测量准确度[2].经过几十年的不断更新与发展, 到目前为止, 其应用范围已经非常广泛, 涉及到航空航天、广播摄像、工业视觉、尺寸测量等众多领域。
其中CCD技术在图像传感器中的应用最为广泛,已成为现代光学电子和测试技术中最活跃,最富有成果的领域之一。
CCD工作原理

CCD工作原理CCD(电荷耦合器件)是一种用于图像传感器的技术,它是一种半导体器件,可以将光信号转换为电荷信号,并最终转换为数字图像。
CCD工作原理涉及到光电效应、电荷耦合和电荷放大等过程。
1. 光电效应:CCD中的光电二极管是通过光电效应将光信号转换为电荷信号的。
当光照射到光电二极管上时,光子会激发光电二极管中的电子,使其跃迁到导带中,产生电荷。
2. 电荷耦合:CCD中的电荷耦合器件是由一系列电荷传输区域组成的。
当光电二极管中产生的电荷被收集后,通过电荷耦合器件沿着传输区域逐渐传输到输出端。
3. 电荷放大:CCD中的电荷放大器用于放大从电荷耦合器件传输过来的电荷信号。
电荷放大器可以将微弱的电荷信号放大到足够的电压水平,以便后续的信号处理和数字化。
4. 读出和重置:在图像传感器的工作过程中,电荷放大器会周期性地读出和重置电荷。
读出时,电荷被转换为电压信号,并通过模数转换器转换为数字信号。
重置时,电荷耦合器件被清零,为下一帧图像的采集做准备。
CCD工作原理的关键是将光信号转换为电荷信号,并通过电荷耦合和电荷放大等过程将电荷信号转换为数字信号。
这种工作原理使得CCD成为了广泛应用于数码相机、摄像机和天文学等领域的图像传感器技术。
通过CCD,我们可以捕捉到高质量的图像,并进行后续的图像处理和分析。
值得注意的是,CCD工作原理只是图像传感器技术的一种,现在也有其他的图像传感器技术,如CMOS(互补金属氧化物半导体)技术。
CMOS技术与CCD 技术相比具有更低的功耗和更高的集成度,因此在一些应用中逐渐取代了CCD技术。
但CCD仍然在一些特定领域中具有优势,例如在低光条件下的图像捕捉和高动态范围的图像采集等方面。
总之,CCD工作原理是通过光电效应、电荷耦合和电荷放大等过程将光信号转换为数字图像的技术。
了解CCD工作原理可以帮助我们更好地理解和应用图像传感器技术。
CCD图像传感器详解

CCD图像传感器CCD(Charge Coupled Device)全称为电荷耦合器件,就是70年代发展起来的新型半导体器件。
它就是在MOS集成电路技术基础上发展起来的,为半导体技术应用开拓了新的领域。
它具有光电转换、信息存贮与传输等功能,具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点,故在固体图像传感器、信息存贮与处理等方面得到了广泛的应用。
CCD图像传感器能实现信息的获取、转换与视觉功能的扩展,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与自动控制系统。
实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器,都用了CCD作图象探测元件。
一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。
CCD工作时,在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样,将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。
取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。
移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷顺次转移到输出端。
将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中,就可对信号再现或进行存储处理。
由于CCD光敏元可做得很小(约10um),所以它的图象分辨率很高。
一.CCD的MOS结构及存贮电荷原理CCD的基本单元就是MOS电容器,这种电容器能存贮电荷,其结构如图1所示。
以P型硅为例,在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层,然后在SiO2上淀积一层金属为栅极,P 型硅里的多数载流子就是带正电荷的空穴,少数载流子就是带负电荷的电子,当金属电极上施加正电压时,其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。
于就是带正电的空穴被排斥到远离电极处,剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层(耗尽层),电子一旦进入由于电场作用就不能复出,故又称为电子势阱。
当器件受到光照时(光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入,或经衬底的薄P型硅射入),光子的能量被半导体吸收,产生电子-空穴对,这时出现的电子被吸引存贮在势阱中,这些电子就是可以传导的。
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原理。最后举出了两种不同结构的CCD传感器,并简述了CCD传感器的发展趋势。
关键字:光电检测技术:CCD:图像传感器
中图分类号:TP212
文献标识码:B
文章编号:1671—4792一(2008)7一0021—03
Abstract:This paper elaborates the compesition of the photoelectric detection system and the content of
的,卿]CCD具备图像传感器的功能;若所转移的电荷通过外界
图像传感器.CCD接收的是光信号.即光信号注入法。当光
注入方式得到的,则CCD还可以具备延时.信号处理、数据
信号照射到CCD硅片上时,在栅极附近的耗尽区吸收光子产
存储以及逻辑运算等功能j
生电子—空穴对。这时在栅极电压的作用下,多数载流子(空
CCD主要由当入射光到达光敏元件,使得光敏元件产生
固态图像传感器
图五固态图像传感器 通过图四和图五光导摄像管与固态图像传感器的基本原 理的比较.可以看出:光导摄像管等图像传感器,由于扫描 电子束偏转畸变或聚焦变化等原因所引起的再生图像的失 真,往往是很难避免的.失真度极小的固态图像传感器,非 常适合测试技术及图像识别技术。此外,固态图像传感器与 摄像管相比,还有体积小、重量轻,坚固耐用、抗冲击、耐 震动、抗电磁干扰能力强以及耗电少等许多优点,并且固态 图像传感器的成本也较低. 2 CCD图像传感器的发展趋势 CCD图像传感器经过30多年的发展.从最初简单的8像素 移位寄存器发展至今.已经具有数百万至上千万像素。由于 CCD图像传感器具有很大的潜在市场和广阔的应用前景,因
sensors,and outlines the developmental trend of CCD sensors.
Kevwords:Photoelectric Sensor Technology;CCD;Image Sensor
0光电检测技术 光电传感器又称图像传感器或影像传感器,是利用调制
光实现对物体的检测,其作用是将接收到的光信号转变为模 拟电信号I”.光电传感器由发射器和接收器组成,通过接收 器接收到的光强变化产生检测输出实现检测功能。传感器种 类繁多.模式多样,主要用于切换机器动作、控制生产线运 行、为零件或产品计数、检验产品、保护操作人员等等.作 为生产线上的控制部件,光电传感器参与制造了成千上万种 产品。光电传感器非接触地探测物体,广泛用于许多自动化 领域.如管理系统、机械制造、包装工业等。光电传感器可 提供高质量的探测、识别与成像以及高分辨率的静止图像 等。随着科学技术的飞速发展和工业生产自动化程度的提 高。高精度、高效率,非接触在线检测已成为检测行业的发 展方向。它可以大大地解放劳动力,达到提高生产效率和产 品质量,降低成本的目的.
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图 像 传 感
器
大关注,尤其CGD所具有的体积小,重量轻,结构简单、功
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耗低,便于数字化等一系列优点,更使其在检测方面的应用
的
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研
、
究
越来越广泛,是未来探测技术的发展方向f2J.
图三电荷的转移过程
电荷耦合器件CCD的基本原理是在一系列MOS电容器金
1.2 CCD图像传感器的介绍
vatious composed parts.Combined with photoelectric sensor technology.it introduces the composition and its
working principles of the CCD sensor.In the end of the paper,it cites two different structures of the CCD
此,近年来国际t-_名E这方面的研究工作进行的相当活跃,很 多国家均投入大量的人力.物力和财力,在CCD图像传感器 研究和应用方面取得瞩目的成果。从目前CCD技术的发展趋 势来看,主要有以下几个方向【6l:①高分辨率;②高速度; ③微型,超小型化;④新型器件结构;④微光CCD;④多光 谱CCD器件;①超级(Super)COD.
属电极上,加以适当的脉冲电压,排斥掉半导体衬底内的多
电荷耦合器件CCD的基本原理与金属——氧化物——硅
数载流子,形成。势阱。的运动,进而达到信号电荷(少数(Mos)电容器的物理机理密切相关.CCD的电荷(少数载流
载流子)的转移。如果所转移的信号电荷是由光像照射产生
子)的产生有两种方式:电压信号注入和光信号注入.作为
赫磊毫荔赢0赢赢矗上主产生变化的放
.1.:I.,- 上-t·,l,-舅—r·t:j=c:^.b血j盘.h.士‘i},1.,^=,L电电况·田于尤重小同叨便贝载电况反生翌化,进借慰历而 的输出电信号。所用电子柬的偏转或集束,是由磁场或电场 控制实现的I 5。.
在图五的固态图像传感器中,输出信号的产生,不需外
穴)将流入衬底,而少数载流子(电子)则被收集在势阱中。 形成信号电荷存储起来。这样高于半导体禁带宽度的那些光
电子一空穴对,空穴在表面电场作用下进入衬底,电子则进
子.就能建立起正比于光强的存储电荷。
入输入栅形成的势阱中存储起来。图二为CCD器件的结构原
理图13-41.
转移栅
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>一’ 几 几 f、 Il 』 ,1 『1 l f1 l,5一I'1几 / \ \
图二CCD器件结构原理
由许多个MOS电容器排列而成的CCD,在光像照射下产 生光生载流子的信号电荷,再使其具备转移信号电荷的自扫 描功能,即构成固态图像传感器.
图四所示光电摄像管中.当入射光像信号照射到摄像管 巾闻由船嘉而时.苴I.将产堆与各占昭射光量成出倒的申▲位
(2):11. “】董永贵.传感技术与系统【M】.北京:清华大学出版社,
2006.
【5】蔡文贵.CCD技术及应用【J】.北京:电子工业出版社.
1999:1.
【6】程开富.新颖CCD图像传感器最新发展及应用【J】.集 成电路通讯.2006,(03).
作者简介 王息(1982一), 女.江西彭泽人,江西工业职业技术
随着社会各行各业的先进技术的不断发展,CCD因其独 有的性能和功能.在很多领域得到了广泛应用。已显示出潜 在的巨大优势。
参考文献 【1】高稚允,高岳.光电检测技术[M】.北京:国防工业出
版。1995. [2】汤定元.光电器件概论【M】.上海:上海科学技术文献
出版社,1989. [3】谭朝文.超级蜂窝.CCD【J】.世界电子元器件.2000,
所谓光电检测系统是指对待测光学量或南非光学待测 物理最转换成的光学量,通过光电变换和电路处理的方法进
行检测的系统.如图一所示。光电检测为非接触检测,具有无
图一光电检测系统图 。损、远距离,抗干扰能力强.受环境影响小.检测速度快.
●
灵敏度高,电路简单,价格低廉,测量精度高等优越性,因 而应用十分广泛,尤其在高速自动化生产,生产过程的在线 检测.安全运行保护等方面起到重要作用。特别是近年来, 各种新型光电探测器件的出现,以及电子技术和微电脑技术 的发展,使光电检测系统的内容愈加丰富,应用越来越广。 目前已渗透到几乎所有工业和科研部门,是当今检测技术发 展的主要方向.
传 感
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样,属于一种集成电路,但CCD具有光电转换、信号储存,转
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移(传输),输出:处理以及电子快门等多种独特功能。自
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黻糊一屁相灏舳耻郫m腱M魄)o目孵( 1 na。杠兰高m序膏赂台m酬出讳嚣一口止山棼蜘厶抛坤
(Charge Coupled Device,简称CCD)以来,CCD伴随着计算
王慧余静
’
Wang Hui Yu Jing
(江西工业职业技术学院,江西南昌 330029)
(Jiangxi Industry Polytechnic College。Jiangxi Nanchang
330029)
摘要:本文主要介绍了光电检测系统的组成及各部分的内容.并结合光电传感器技术.介绍了CCD传感器的组成和工作
学院电信系教师; 余静(1982一), 女,江西南昌人,江西工业职业技术
学院电信系教师。
万方数据
万方数据
CCD工作原理及介绍
比电极Q 1高,在电极中2处形成的势阱高于电极中1处,电
1.1 ccD工作原理
荷从电极01向电极中2转移。只要下一时刻电极中3电压
光
CCD(charge Couple Devices)即为电荷耦合器件,是
比电极中2高.电荷又将从电极o 2向电极①3转移。’
电
同r~泰’圜州位、}佶,成l墨”呈…献J。I错w成…珏●件’ -…●一一…。一 与尊{甭^钉u限一竹I.篁由…叠基一
加扫描电子柬,它可以直接由自扫描半导体衬底上诸像素而
图三展示了三相驱动ccD传感器电荷转移过程。根据能 量定理电荷总是从能量高向能量低的方向运动,电极∞2电压
获得。这样的输出电信号与其相应的像索的位置对应.无疑 是更准确些,且再生图像失真度极/j,,ts].
万方数据
中间电极
子束 电子枪
T
图四光导摄像管