光电技术论文-电荷耦合器件图像传感器ccd原理与应用

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1、班级:机自133学号：2013040499姓名：罗云电荷耦合器件图像传感器CCD原理与应用电荷耦合器件(CCD)是一种新型的固体成像器件，是近代光学成像领域中非常重要的一种高新技术产品。作为一种新型图象传感器，CCD器件具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作简便、易于维护、成本低、应用广等诸多优点。由于CCD的像元尺寸小、几何精度高，配置适当的光学系统，即可获得很高的空间分辨率，特别适用于各种精密图象传感和无接触工件尺寸的在线检测。由于CCD是以时间积分方式工作的，光积分时间可在很宽的范围内调节，因此使用方便灵活，适应性

2、强，CCD的输出信号易于数字化处理，易于与计算机连接组成实时自动测量控制系统，可以广泛用于光谱测量及光谱分析，文字与图象识别，光电图象处理，传真、复印、条形码识别及空间遥感等众多领域。一.CCD简介1.1CDD发展史CCD在1969年由美国贝尔实验室(BellLabs)的维拉.博伊尔(WillardS.Boyle)和乔治史密斯(GeorgeE.Smith)所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后，博伊尔和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”。这种装置的特性就是它能沿着

3、一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。到了70年代，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司接续此项发明，包括快捷半导体(FairchildSemiconductor)、美国无线电公司(RCA)和德州仪器(TexaSinstruments)。其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。1.2CDD简介CCD,英文全称：Ch

4、arge-couPledDevice,中文全称：电荷藕合元件。可以称为CCD图像传感器。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，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD广泛应用在数位摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如Lu

5、ckyimaging。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD,即包括X.V两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有X—个方向，Y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。1.3功能特性CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长：3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；七响应速度快，有自动扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术

6、生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。CCD从功能上可分为线阵和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移何寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像（线阵C

7、CD）。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。二.CCD工作原理2.1CCD的光.电转换功能在P型单晶硅的衬底上做一层绝缘氧化膜，通过活化置换技术，再在氧化膜表面做出许多排列整齐的可透光的电极，当光线通过时，氧化膜与型单晶硅之间产生电荷，其电荷的数量与光照强度及照射时间成正比，这就是CCD的光电转换功能。2.1CCD的电荷存贮功能若在电极加上一个适当的正电压，则在电极和衬底之间产生一个电场，这个电场在P型硅中将载流子带正电的空穴排斥到衬底电极一

8、边，在电极下硅衬底表面形成一个没有可动空穴的带负电的区域，这个区域称作电荷耗尽区，这就足能够吸引电子的势阱，电极上所加的电压越高，势阱越深，电荷留在阱内量越多，只要电压存在，电子就能储存在势阱里，当景物的光照射到CCD时，具有光敏特性的P型硅在光量子的激发下产生电子空穴对，空穴移向衬底而消