第五章 CCD 图像传感器

对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下， 半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱 俘获。这种光生电子作为反映光强的载体——电荷包被收 集，成为光电荷注入，这就是CCD摄像器件的光电变换过 程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。 光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并 行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移 位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个 来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。
电荷存储

在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。 加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。

当UG＞ Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导
体内的电子(少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。

反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。

ＣＣＤ的类型

CCD按电荷存储的位置分有两种基本类 型 1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的 界面，并沿界面传输 ——表面沟道CCD(简称SCCD)。 2、电荷包存储在离半导体表面一定深度 的体内，并在半导体体内沿一定方向传 输， ——体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。
ＣＣＤ的类型

线阵ＣＣＤ：光敏元排列为一行的称为线阵， 象元数从128位至5000位以至7000位不等，由 于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型 号的器件可供选用。
光线
读出移位寄存器的工作原理是依靠MOS电容 与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高 低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当 MOS电容栅压VG增高时，在半导体内部被排斥 的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电 势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的 陷阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用来存 放电子。其特点是：当VG增加，势阱变深；当 VG减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。
输入 栅 栅 输出
输入二极管
SiO2 P-Si
输出二极管
ＣＣＤ的工作原理



在ＣＣＤ栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值 的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱 用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使 阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管 送出视频信号。 为了实现电荷的定向转移，在CCD的MOS阵列上划分 成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构。一位 CCD中含的MOS个数即为CCD的像数。 以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为 N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道 CCD，简称为P型CCD。由于电子的迁移率远大于空 穴的迁移率，因此N型CCD比P型CCD的工作频率高得 多。
为确保CDD的转移功能，对时钟脉冲的要求 是： 1）三相时钟脉冲有一定的交叠，在交 叠区内，电荷包的源势阱与接收势阱同时共存， 以保证在这两个势阱间进行充分转移； 2）时钟脉冲的低电平必须保证沟道表 面处于耗尽状态； 3）时钟脉冲幅度选取得当。
作为成像器件，CCD的主要特性参数仍然是 灵敏度、分辨力、光谱响应以及信噪比等。 但CCD还起着电荷传输的作用，故还应包 括转移效率、噪声、功耗等参数。 主要参数： 1 转移效率 和损耗率
面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若 干行和列的结合。 目前达到实用阶段的象元数由25万至数百／3英寸以至1英寸之分。


5.2 CCD图像测量的二值化
CCD图像测量的基本原理是：光学系统把被 测对象的光信息投射在CCD的光敏面元上， 形成了光学图像。由CCD器件把光敏元上的 光信息转换成与光强成比例的电荷量，积累 起来的光电荷在一定频率的时钟脉冲的驱动 下，在CCD 输出端得到被测对象的视频信号。
5.1 CCD图像传感器
电荷的转移（耦合）
电荷的转移（耦合）
第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由 2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有 几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。 原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下 势阱所共有。 若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个 电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二 个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向 右移动了一个位置。 CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地 自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD， 1μm的间隙长度是足够了。
5.4 线阵CCD在线测量棒状物尺寸

ＣＣＤ的工作原理


ＣＣＤ主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。 输入部分：将信号电荷引入到ＣＣＤ的第一个转移栅极下的势阱 中，称为电荷注入。 电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入
– 电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅 极施加电压。 – 光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCD 硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子—空穴对，其多数载流 子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。
CCD的特性参数
2 时钟频率的上、下限
3 光谱特性和光电特性
CCD的特性参数

像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪 比等

像素数是指CCD上感光元件的数量。44 万（768*576）、100万（1024*1024）、 200万（1600*1200）、600万 （2832*2128）
信噪比：典型值为46分贝 感光范围 — 可见光、红外
同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点： (1)全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都 很低；耐冲击性好．可靠性高，寿命长。 (2)基本上不保留残象，无象元烧伤、扭曲，不受电磁 干扰。 (3)红外敏感性。硅的SSPA光谱响应：0.20~1.0；CCD 可作成红外敏感型；CID主要用于光谱响应大于3~5微米的 红外敏感器件。 (4)象元尺寸的几何位置精度高(优于1微米)，因而可用 于不接触精密尺寸测量系统。 (5)视频信号与微机接口容易 主要应用领域：①小型化黑白/彩色TV摄象机；②传真 通 讯 系 统 ； ③ 光 学 字 符 识 别 （ OCR: Optical Character Recognition）；④工业检测与自动控制；⑤医疗仪器；⑥ 多光谱机载和星载遥感；⑦天文应用；⑧军事应用。
线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低； 面阵CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大；
面阵CCD芯片
CCD在检测方面的应用

几何量测量
– 测宽、测长、测径。
光谱测量
– 光谱仪输出信号测量。
5.3 CCD玻管尺寸测控仪
CCD尺寸测量技术是一种非常有效的非接触检测 方法，广泛应用于在线检测工件的尺寸。CCD玻 管尺寸测控仪就是测量的一个应用实例，它对玻 管外圆直径及壁厚尺寸进行实时监测，并根据测 量结果对生产过程进行控制。光源照射被测玻管， 经光学系统成像在CCD光敏阵列面上。由于各处 透射率的不同，玻管的像在上下边缘处形成两条 暗带，中间部分的透射光相对较强而形成亮带。 两条暗带最外的边界距离是玻管外径成像的大小， 中间亮带是玻管内径像的大小，暗带则是玻管壁 厚像的大小，如图所示，CCD视频信号上出现了 两个谷
5.3 CCD玻管尺寸测控仪
图7-5-14 系统结构框图
系统结构框图
5.3 CCD玻管尺寸测控仪
图7-5-13 CCD视频信号
CCD视频信号
5.3 CCD玻管尺寸测控仪 把视频信号中的外径尺寸部分和壁厚部分进行二 值化处理，填入标准时钟脉冲，该时钟脉冲对应 CCD空间分辨率，由计算机采集这两个尺寸对应 的脉冲数，经数据处理后可得到被测玻管的尺寸。 本系统被测玻管的直径尺寸为20mm，光学系统的 放大率为0.8倍，则玻管像的大小为16mm，被测 玻管的测量精度要求达到±0.05mm，他在像面上 对应精度为±0.04mm。根据CCD测量灵敏度的要 求， 0.04mm要大于2个CCD像素的空间尺寸。选 择TCD102C型号CCD可满足上述测量范围和精度 的要求。该器件的技术指标为： 2048感光像素元，14微米相邻像素中心距， 工作时钟1MHz，两相驱动， 同步脉冲宽度128微秒，同步周期：7.5ms。
5.4 线阵CCD在线测量棒状物尺寸
图中，平行光源、棒 状物参比端及CCD 图像传感器必须置于 同一基准面上。棒状 物被测端、平行光中 心轴线和CCD的中 心点要大致位于同一 直线上。
平行光源的作用是产 生一束高平行度的光 线，以使棒状物经平 行光垂直照射后在 CCD上形成1：1的 高精度像。
7-5-16 棒状物成像系统及CCD输出波形
第五章 CCD 图像传感器
图像传感器(Imaging Sensor ,缩写为IS，又称成像 器件、摄像器件)作为现代视觉信息获取的一种基 础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能 的扩展(光谱拓宽、灵敏度范围扩大)，能给出直观、 真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，所 以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。 图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号， 即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息 (可见光和非可见光)、转换为按时序串行输出的电 信号 —— 视频信号，而视频信号能再现入射的光 辐射图像。把空间图像转换为按时序变化的电信号 的过程称为扫描。
50年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束 摄像管(如光导摄像管、飞点扫描管等)来完成。60 年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是MOS 集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅 速发展，到70年代末期。已有一系列产品在军事、 民用各方面得到广泛应用。 固体图象传感器(Solid State Imaging Sensor ——缩 写为SSIS)主要有三大类型、一种是电荷耦合器件 (Charge Coupled Device简称CCD)，第二种是MOS 图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(Self Scanned Photodiode Array，简称SSPA)，第三种是 电荷注入器件(Charge Injection Device，简称CID)。 目前，前两种用得比较多。