ccd传感器教学ppt课件

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1、CCD微光摄像器件一、MOS单元与CCDMOS单元是CCD结构的基本组元。它由金属(M)电极、氧化物(O)层和半导体(S)三层组成。通常以单晶硅(p型或n型)作基底，其上长一层薄的二氧化硅，再蒸涂一定形状的金属电极。假定衬底是p型硅。在金属电极上加电压U时，p型区内的多数载流子—空穴将在电场的作用下趋向离开电极，于是形成所谓的“耗尽区“。对于少数载流子—电子，电场将它们引入“耗尽区“。故“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，则空穴将被排斥出“耗尽区“，而电子将被吸入势阱。光越强，

2、则势阱收集的电子越多。一个这样的势阱所收集的电荷总体叫做电荷包。这个MOS单元就成为一个光敏元，简称为像素。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受的光的强弱，于是光学图像就变成了电荷分布图。这种由大量MOS单元构成的器件就是CCD.二、信号电荷的存储和传输对于单个MOS结构，如维持其上的电压并保持光对它的照射，则它下面的势阱会不断积累光生电子，同时使势阱逐渐变浅。据估计，它的

3、电荷包内电子数可达106量级。此为信号电荷的存储过程。由于CCD中MOS单元间的间隔很小(<3m),故它们的势阱总有搭连。若在下一单元施加更高的正电压，则与之相应的耗尽区会进一步向下扩展，形成更深的陷阱（深度近似于所加电压成比例）。由于势阱的搭连，信号电荷就会由前一势阱转移到这个更深的势阱中。若按一定的时序对相邻电极施加不同的电压（称为时钟电压），使电极下的势阱按相应的时序变化就能实现信号电荷的定向传输。三、信号的读出在信号电荷的输出端扩散出一个n型区作为电荷的收集区。它与p型衬底构成pn结；在此结上加以反向

4、偏置电压。当信号电荷传至电极cn之下时，就被收集，在R上形成信号电流，并转换成相应的电压信号输出，其输出值一次与原来储存于电极an,an-1,…,a2,a1下势阱中的电荷数成正比。此为信号电荷的读出过程，属串行输出形式。显然，时序脉冲电压和势阱的搭连是该过程的基础。从物理学来看，这又是一个电荷耦合的过程，故把此器件称为电荷耦合器件CCD。四、线阵CCD传感器线阵CCD传感器包括光敏区和读出寄存器两部分。前者接受信息光波，完成光电转换和电荷存储过程；后者是遮光区，完成信号电荷的传输和读出。二者都有相似的MOS结构

5、，同时有两点主要区别：⑴读出区需要避光，以防外来光形成干扰。⑵光敏区的MOS单元被施加存储电压Ua´,它在整个光积累期间均保持高电位，在将光生电子向寄存区转移的短时间间隔内处于低电位。读出寄存区被施加时钟脉冲电压Ua，它要完成信号电荷的依次传输。光辐射使光敏区出现光生电子。在光电转换和信号电荷累计期间，光敏区Ua´总处于高电位，而转移门UZ、寄存区Ua同为低电位。信号电荷在光敏区势阱下持续积累，直至时刻t=t0。接着，光敏区电压Ua´降低，而UZ、Ua处高电位，于光敏区积累的电荷通过Z平行转移至位移寄存区。至时

6、刻t=t1时，UZ降低，与Ua´同处低电位，而Ua仍保持为高电位至t=t2。这样，在t=t2-t1时间内，光敏区的电荷会彻底向寄存区转移而不会产生逆向回流。从时刻t=t2后，才降低Ua，使UZ、Ua同处低电位，而Ua´返回高电位，光敏区进入新的光电转换和电荷积累过程；同时，位移寄存区开始在三相时钟脉冲电压驱动下实行电荷的传输和读出。全部信号电荷的读出过程也使光敏区信号累积的时间间隔。数码相机中的CCD一、传感器大小（SensorSizes）<1>典型3、4、5百万象素小型数码相机的感应器大小<2>典型6百万象

7、素数码单反的感应器大小上图形象的表示了典型数码相机传感器与35mm胶片大小的比较。数码单反的传感器一般比较大，它们基本能达到胶片的40%的大小，有的甚至达到100%－即与胶片等大。小型数码相机虽然象素可能与数码单反相若，甚至比数码单反还要高，可是因为小型dc每个象素所占的空间比数码单反小得多，所以它的画质（特别是噪点控制与动态范围）无法与数码单反相提并论。传感器类型当我们谈到传感器类型时，经常会用一些分数表示：例如1/1.8"或2/3"，这些数值比传感器的实际直径大。这种分类是由50年代电视影像管的一套标准演变

8、过来的。当时最常用的影像管大小为1/2",2/3"等。这个大小所指的并不是传感器区域的对角线长度，而是指影像管外玻璃壳的长度。工程师们迅速发现像平面的可用区域为特定大小的三分之二，并没有特别原因。但是这项不成文的约定却被保留了下来。其实图像圈直径、传感器大小之间并无任何关系，“三分之二”只是一种习惯而已。常见图像传感器大小二、有效象素（EffectivePixels）一张数码照片的实际