CCD图像传感器原理.pdf

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1、万方数据2009NO．20一ChinaNewTechnologiesaI-dProductsCCD图像传感器原理周红平(中山大学岭南(大学)学院，广东广州510275)信息技术摘要：CCD(ChargeCoupledDevice．s，CCD)fl70年代初诞生以来，已迅速发展成为最常用的固体图像传感器，且广泛应用于科技、教育、医学、商业、"r．tk、军事和消费领域。它是图像采集与数字化的关键器件。本文介绍了CCD图像传感器成像原理、工作原理、结构等，并对其电路组成及相关电学参数进行了说明。关键词：图像传感器；CCDCCD直接将光学图像转换为电荷信号，以实现图像的存储、处理和碴示。其特点体现在4

2、个方面：1)饰：积小，重量轻，能耗少，—r：作电压低，抗冲击与振动．寿命长；2)灵敏度高，噪声低，动态范围大；3)响应速度快，刷新时无残留痕迹。摄像启动快；4)利用VLSI技术生产，象素密度高，尺寸精确，批量生产成本低。lCCD分类&从CCD的工作特性可分为：线性CCD和矩阵式CCD。h从工艺特性又可分为：单CCD、3CCD及SuperCCD三种。a按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、)‘光CCD和紫外CCD。2CCD结构CCD从结构上分为线阵CCD和面阵CCD。从受光方式分为正面光照和背面光照两种。线阵CCD有单沟道和双沟道两种信号渎出方式，其中双沟道信号读出方式的信号转移效率高。面阵CC

3、D的结构复杂，常见的有帧转移(Fr)CCD、全帧转移(F丌)CCD、隔列内线转移(Il，r)CCD、帧内线转税Frr)CCD、累进扫描内线转移(PSIT)CCD等。3CCD成像原理CCD(ChargeCoupledDevices，CCD)由大量独立光敏元件组成，每个光敏元件也叫—个像素。这些光敏元件通常是按矩阵排列的，光线透过镜头照射到光电二极管上，并被转换成电荷。每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度，图像光信号转换为电信号。当CCD工作时，CCD将各个像素的信息经过模傲转换器处理后变成数字信号，数字信号以一一定格式压缩后存入缓存内，然后图像数据根据不间的需要以数字信号和视频信号的方式输

4、出。图1CCD构造CCD工作过程可分为电荷存储、电荷转移、电荷输出和图像信息还原四个阶段。3．1电荷存储构成CCD基本单位是MOS电容器，类似于MOS晶体管结构，和其他电容器一样，MOS电容器能够储存电荷。当金属电极(称为栅)加正电／玉04(衬底接地)，在电压的作用下，就会产生—个垂直于衬底表面的电场。在此电场的作用下，P型硅中的多子空穴被向下排斥，形成耗尽层。电子在那里势能较底，可以形象化地说，形成了电子的势阱，势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，栅电压越大，势阱越深。一28一中国新技术新产品㈣舶擘●螂羽聃幡羽嘲■图2CCD电荷存储3．2电荷转移若CCD基本单位MOS电容器之间排

5、列足够紧密(通常相邻MOS电容电极间隙小于31-Lm)，使相邻MOS电容的势阱相互沟通。即相互耦合。那么就可使信号电荷(电子)在各个势阱中转移，并力图向表面势S最大的位置堆积。因此，在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲C，就可改变它们对应的MOS的表面势s，亦即可改变势阱深度，从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。就电荷转移方式来讲，CCD有二相、三相、四相等多种结构形式。下面是三相CCD转移图：-’=r—_——tj———一●’---r一—1---广——唧'。'-，——_‘_-r—o-_、冒，—_-_t=r-_1．■图3三相电极结33电荷输出图5图像信息还原4．1灵敏度它是指在一定光谱范围内单位曝

6、光量的输出信号电压(电流)。也相当于投射在光敏元匕的单位辐射功率所产生的电压(电流)。4．2量子效率如果说灵敏度是从宏观角度描述CCD光电特性，那么量子效率是对同—个问题的微观描述，可以理解为1个光子能产生的电子数。43光谱响应特性主要由光电二极管特性决定。下图是Si光电二极管的光谱响应曲线。si材料的禁带宽度决定了光谱响应的长波极限，由于波长愈短，半导体对光波的吸收系数愈小。这就决定了光谱响应的短波极限。二及攀么电荷输}}j结构有多种形式，如“电流输出”结构、“浮置扩散输}Ij'’结构及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构应用最广泛，结构如下图：∞图4CCD输出端

7、形式(a)浮置扩散输出(b)浮置栅输出3．4图象信息还原Bayer方式滤色器，R—G墙-G四个单元为一组，G是R和B的两倍，因为人眼的视锥细胞对绿色更敏感。现在数码相机普遍采用的方式：R—G卜B—Gb混合色亮度等于R、G、B各分量亮度之和，根据R、G、B三分量比例来还原色彩。4CCD主要参数CCD主要参数有：总像素、有效像素、尺寸、灵敏度、量子效率、光谱响应特性、转移效率、不均匀度、动态范围、采样