第讲CCD图像传感器new
CCD图像传感器第1讲
注意：辐射出射度M和辐射照度E公式相同、
单位相同，意义不同，一个是辐射源的发射
特性，一个是被照表面的接收特性。
光谱辐射量
前述辐射量是全波段的辐 射（波长λ从0～∞），或称为全 景辐射。但我们有时关心某个 波长附近的辐射特性。所以要 引入光谱辐射量。(p38，图3-3)
发出的辐射
“照度”是被照表面积上接收到的辐射
光度量
•
单位时间内通过某一面积的光通量(功率)
780 nm
K m
V ( ) d
e
780 nm
单位：lm (流明)
380 nm
•
对于明视觉： 对于暗视觉：
683
V ( ) d
e
380 nm
•
' 1700 V ' ( ) e d
光子辐射量
光谱辐射量是单位波长间隔内的辐射特性，是波长λ 的函数。 光子辐射量是单位时间间隔内传输的光子数，(发送或接收)。引入该量的目 的是研究某些问题时比较方便(例如光子探测器)。
dN p
Q d h
光子数量：NP（无量纲，是纯数字）
Qν是用频率表示的辐射能。hν是一个光子的能量。光子数=总的能量除一个光子 的能量。 又：λν=c，ν=c/λ，即
射”——“光”。
2. 下角标有e、λ、p、ν，辐射量在与其它量同用时标e。
3. 从表达式可直接说出定义及物理意义。 4. 从表达式可直接说出单位。 5. 出射度和照度的表达式相同、单位也相同，注意一个 是发射，一个是接收。
三个发射量的区别和关系
辐射强度I 辐射出射度 M 辐射亮度L 源特点 点源 面源 2π空间 面源 立体角内
CCD图像传感器 ppt课件
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(a)初始状态； (b)电荷由①电极向电极②转移； (c)电荷在①②电极下均匀分 布；(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②电极； (f)三相 转移脉冲
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图中CCD的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在 偏压为10V的(1)电极下面的深势阱中，其他电极 加有大于阈值的较低的电压(例如2V)，如图(a)所 示。一定时刻后，(2)电极由2V变为10V，其余电 极保持不变，如图(b)。因为(1)和(2)电极靠的很 近(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合 并在一起，原来在(1)下的电荷变为(1)和(2)两个 电极共有，图(C)示。此后，改变(1)电极上10V电 压为2 V，(2)电极上10V不变，如图(d)示，电荷 将转移到(2)电极下的势阱中。由此实现了深势阱 及电荷包向右转移了一个位置。
输出 4电荷检测
CCD传感器
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CCD结构类型
按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵 和面阵两大类。
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目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如 图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转 移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作 用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就 形成了原来光敏信号电荷的顺序。
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信号电荷的存储（示意图）
UG < Uth 时
+UG
UG > Uth 时
+UG
入射光
e-
e-
e-
e-
e-
+Uth
e- 势阱
ccd图像传感器基础知识精讲【可编辑的PPT文档】
★LK-G系列CCD激光位移传感器
❖ 产品特性
全新开发的Li-CCD （直线性CCD）高精度 Ernostar 物镜以及其它独一无二的先进技术。 KEYENCE 进一步改进了成熟的LK系列的CCD传感 器工艺并开发了包括Li-CCD 和高精度Ernostar 物 镜在内的全新技术。
如图所示
Li-CCD减少了像素边缘错误，精确度是传统型号
ＣＣＤ传感器有以下优点：
❖ 1. 高解析度（High Resolution）：像点的大小为 μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从 早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸， 像素数目从初期的10多万增加到现在的400～500万 像素；
❖ 2. 低杂讯（Low Noise）高敏感度：ＣＣＤ具有很 低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比 （SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光 也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使ＣＣＤ的应用 较不受天候拘束；
IL-PI4096具体应用
❖ IL-P1-4096的精度高、感光响应快，在工业控制 和测量领域（如流水线产品检测、分类，文字与图 像的识别，机械产品尺寸非接触测量等），该器件 具有很强的实用性。
❖ IL-PI4096的工作频率要求很高、相位关系复杂， 使用高速CPLD作为CCD的基本时序发生器。推荐 设计时可使用Lattic公司的 ispMACH4000C/B/V系 列芯片，该芯片的工作时钟可以达到400MHz，完 全可以满足此CCD的工作时序要求。
需要注意的是，IL -P1-4096传感器是两路输出， 奇像素和偶像素分别从不同的输出通道输出，是一 种双排的线列阵CCD，光敏单元在中间，奇、偶单 元的信号电荷分别传到上下两列移位寄存器后分两 路串行输出。这种CCD的优点是具有较高的封装密 度，转移次数减少一半，因而可提高转移效率，改 善图像传感器的信号质量。
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图像传感器详解(精品文档)_共11页
CCD图像传感器CCD（Charge Coupled Device）全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。
它是在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、信息存贮和传输等功能，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、信息存贮和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。
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是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，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，这些电子是可以传导的。
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。
CCD图像传感器
显微镜下的MOS元表面 显微镜下的MOS元表面 MOS
CCD结构示意图 CCD结构示意图
CCD图像传感器的结构及工作原理 CCD图像传感器的结构及工作原理
是由规则排列的金属—氧化物—半导体（ CCD 是由规则排列的金属—氧化物—半导体（Metal Semiconductor,MOS）电容阵列组成。 Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。
概述
四、固态图像传感器所用的敏感器件
电荷耦合器件（ 电荷耦合器件（CCD） ） 电荷注入器件（CID） 电荷注入器件（ ） 戽链式器件（ 戽链式器件（BBD） ） 金属氧化物半导体器件（ 金属氧化物半导体器件（MOS） ）
CCD图像传感器 CCD图像传感器
CCD，英文全称：ChargeCCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。 Device，中文பைடு நூலகம்称：电荷耦合元件。也 称CCD图像传感器，是一种大规模金属 CCD图像传感器， 图像传感器 氧化物半导体集成电路光电器件， 氧化物半导体集成电路光电器件，是贝 尔实验室的于1970年发明的。 尔实验室的于1970年发明的。 1970年发明的 它能够把光学影像转化为数字信号。 它能够把光学影像转化为数字信号。
CCD图像传感器的结构及原理 CCD图像传感器的结构及原理
三、信号电荷的传输（读出移位寄存器） 信号电荷的传输（读出移位寄存器） 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半 MOS结构 导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于， 导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体底 MOS光敏元的区别在于 部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。 部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。 由三个十分邻近的电极 组成一个耦合单元； 组成一个耦合单元； 在三个电极上分别施加 脉冲波三相时钟脉冲 Φ1Φ2Φ3。 Φ1Φ2Φ3。
第4讲 CCD图像传感器newPPT课件
1.基本结构
CCD基本结构分两部分： （1）MOS（金属—氧化物—半导体）
光敏元阵列； 电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元， 一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。 （2）读出移位寄存器。
传6 感山器西原工理程职及业应技用术学院
CCD结构示意图
二、CCD器件
1、分类
CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不
同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、 行间转移结构CCD。 ❖ 线阵CCD结构 ➢ 线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存 器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控 制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位 寄存器组成。读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出 信息，这一过程是一个串行输出过程。
传19 感山器西原工理程职及业应技用术学院
集散控制系统应用
二、CCD器件
a.线阵型
传20 感山器西原工理程职及业应技用术学院
电荷输出控制波形
集散控制系统应用
二、CCD器件
64位线阵CCD结构
传21 感山器西原工理程职及业应技用术学院
集散控制系统应用
2. 电荷耦合器件的工作原理
CCD
光信息
电脉冲
脉冲只反映一个光敏元的受光情况
脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱
输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置
传8 感山器西原工理程职及业应技用术学院
完成图像传感
集散控制系统应用
CCD基本工作原理
信号电荷的产生 信号电荷的存贮 信号电荷的传输
集散控制系统应用
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电荷存储原理动画演示
电荷耦合器件的光电物理效应
➢ 一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素， 把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包； ➢ CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元， 每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱； ➢ 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图 象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的 光生电荷图象。 ➢这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。
三、应用举例
➢ CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、 光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合， 主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。
二、CCD器件
a.线阵型
电荷输出控制波形
二、CCD器件
64位线阵CCD结构
二、CCD器件
二、CCD器件
b.面阵电荷耦合器
b．面型CCD图像传感器 面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部
分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。
图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区 和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水 平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极 管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构 易于引起图像模糊。
输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置
完成图像传感
CCD基本工作原理
信号电荷的产生 信号电荷的存贮 信号电荷的传输
信号电荷的检测 基本功能：电荷的存贮和转移 特点：以电荷作为信号
(1)信号电荷的产生
光电导效应
(2)信号电荷的存储
❖ 当金属电极上加正电压时， 由于电场作用，电极下P型 硅区里空穴被排斥入地成耗 尽区。对电子而言，是一势 能很低的区域，称“势阱”。 有光线入射到硅片上时，光 子作用下产生电子—空穴对， 空穴被电场作用排斥出耗尽 区，而电子被附近势阱（俘 获），此时势阱内吸的光子 数与光强度成正比。
二相驱动 输出寄存器
检波二极管
视频输出 垂直转移 寄存器
感光区
二相驱动
光栅报时钟 (c)
图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图(b)中 感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光 的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控 制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期 内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位 寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位 到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单， 但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。
(3)电荷耦合器信号输出
二、CCD器件
1、分类
CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不
同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、 行间转移结构CCD。 ❖ 线阵CCD结构 ➢ 线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存 器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控 制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位 寄存器组成。读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出 信息，这一过程是一个串行输出过程。
二相驱动
视频输出
检波二极管
行
输扫出描 Nhomakorabea寄
发 生 器
存 器
感光区
二相驱动
(a)
P2P1 P3
P1 P2 P3
P1 P2
P3
沟阻
感光区 析像单元
存储区
串行读出 (b)
视频输出 输出栅
图（b）所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光 的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电 极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直 回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存 储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行 的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向 右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开 始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等 优点，但增加了存储器。
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，最多已达1024×1024像元。我国也能 生产512×320像元的面型CCD图像传感器。
二、CCD器件
➢ 对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同 的。
➢ 不同型号的CCD器件具有完全不同的外型结构和 驱动时序，在实际使用时必须加以注意。
（3）电荷转移原理
❖读出移位寄存器 D电荷耦合器件是以 电荷为信号。 b.读出移位寄存器也是 MOS结构。 c.由三个十分邻近的电极 组成一个耦合单元,在三 个电极上分别施加脉冲波 三相时钟脉冲Φ1Φ2Φ3。
电荷转移原理动画演示
电荷转移原理动画演示
(4)电荷耦合器信号输出
CCD信号电荷 的输出的方式 主要有电流输 出、电压输出 两种,以电压 输出型为例： 有浮置扩散放 大器（FDA）、 浮置栅放大器 （FGA）
传感器原理及应用
CCD图像传感器
3.2 光电器件-电荷耦合器件
基于CCD光电耦器件的输入 设备：数字摄像机、数字相 机、平板扫描仪、指纹机
一、电荷耦合器件的结构和工作原理 显微镜下的MOS元表面
1.基本结构
CCD基本结构分两部分： （1）MOS（金属—氧化物—半导体）
光敏元阵列； 电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元， 一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。 （2）读出移位寄存器。
➢ 我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索 取相关资料，为CCD器件的应用提供技术支持。
2、特性参数
CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述 ➢内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有 关的特性,是器件理论设计的重要依据； ➢外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标 主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失 率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨 率。
CCD结构示意图
MOS电容
CCD 是由规则排列的金属—氧化物—半导体 （Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。
Metal Oxide Semiconductor
2. 电荷耦合器件的工作原理
CCD
光信息
电脉冲
脉冲只反映一个光敏元的受光情况
脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱