CCD基础知识最近课件.ppt

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1、电荷耦合器件是70年代初由美国贝尔实验研制成功的一种新型半导体器件，缩写或简写为CCD。这种器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或电压为信号。CCD有线阵和面阵两种形式，是一种半导体集成器件。它由MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。它可以把光信息转换成电脉冲信号，而且每个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映了该光敏元受光照的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这样就起到了图像传感的作用。它的基本功能是电荷的存储与电荷的转移。因此它工作过程的主要问题就是信号电荷的产生、存储、传输和检测。电荷耦合器件CCD的各种应用指纹机风云一号卫星可

2、以对地球上空的云层分布进行逐行扫描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。单片一亿像素的CCD一．MOS光敏元的工作原理所谓MOS结构一般都以硅作为半导体衬底，在其上热生长一层二氧化硅(SiO2)，并在二氧化硅上面淀积具有一定形状的金属层。因为它是由金属(M)—氧化物(O)—半导体(S)三层所组成，故称MOS结构。“耗尽区”“势阱”光敏单元或一个像素电荷包构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态

3、CCD光敏元显微照片CCD图像传感器的分类1.线阵CCD外形2.面阵CCD面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。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，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。CCD数码相机的外形CCD相机的两个重要参数对光的敏感度1.芯片材质2.单位像素尺寸帧速度1.曝光时间2.芯片的传输速度——芯片的传输方式决定的有效像素多，拍摄的图像精度更高帧频高，速度快，拍摄的运动过程更细致CCD的芯片的图像质量要优于CMOS，但速度比CMOS慢。像素尺寸大，能够更多地接收光子

4、，不容易饱和对于高精密测量，应尽量使用整个像素面积都感光的芯片使用多通道传输的芯片，能提高传输速度CCD数码照相机的结构三基色分离原理CCDCCD数码相机的结构解剖（索尼F828）CCD数码摄像机带红外LED照明的CMOS视频摄像头CMOS视频摄像头CCD单元与线阵列结构的示意图移位寄存器由金属电极、氧化物介质及半导体三部分组成，也是MOS结构，但不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。二．移位寄存器(即信号电荷的传输)1、移位寄存器的工作原理如图四个彼此紧密排列的MOS结构：2V2V2V10V123t=t1=02V2V10V10V123t=t22V2V2V10V123t=t3分析可知，

5、从t1到t3时间里，深势阱从1电极下转移到2电极下，势阱中的信号电荷也向右传输了一位，如果不断地改变电极上的电压，就能使信号电荷可控地一位位的按顺序传输。CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。将线阵列各极板分为三组，然后分别加以相位不同的时钟脉冲驱动，这即是所谓的三相CCD。这时，由于同一时刻三相脉冲的电平不同，各极板下面所造成的势阱深度也就不同。从而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地方流动。对于多电极，如图在二氧化硅表面排列多个金属电极a1、b1、c1；﹍an、bn、cn等，每三个电极如a1、b1、c1组成一个传输单元，在三个电极上分别加上三相脉冲

6、电压Ua、Ub、Uc，它们的波形如图。金属电极上所加正电压越大．金属电极下的电场越强，多数载流子空穴被排斥的耗尽层越厚，对少数载流子电子则势阱越深三相CCD的时钟波形刚好互相错开T/3周期，因此时钟电压波形每变化T/3周期，电荷包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过三个极板。输出装置：在靠近最右电极的一侧扩散一个N区作为收集区，它与衬底之间形成一个PN结。电源E通过R加在该结的两端，使它处于反偏状态。该收集区收集最后一个电极cn下的电子，在电阻R上就有电流流过，并转换成电压的变化，输出一个脉冲。注意输出是串行的。信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度

7、To；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲；对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。CCD输出信号的特点：如图，光敏区中产生的电荷，由转移门Z控制转移至a1、a2、----an极下的势阱。三．光敏单元中的电荷向移位寄存器转移现在来说明光敏单元中的电荷是怎样转移(读出)至移位寄存器的。问题：但如何解决光敏区中的光敏单元数与移位寄存器的传输单元数相等，而转移电极Z只有一个矛