CCD基本原理与应用课件.ppt

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1、将美丽留驻？实物图像?图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上如何准确地描述一幅图像？感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换光电转换设备放大设备实物图像光子模拟量（电压）电荷日光监视器光电转换设备放大设备模拟相机+监视器实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源PC存储处理模拟采集卡光电转换设备放大设备模拟相机+模拟采集卡实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源A/D转换光电转换设备放大设备PC数字采集卡数字相机+数字采集卡由于光电转换设备和放大设备都是

2、针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。我们常用的是CCD和CMOS光电转换电路放大A/D光子电子电压数字信号CMOS芯片可以在像素上同时完成这两个步骤CCD与CMOS的光电转换示意图由上图可看出：CMOS和CCD最大的区别是CMOS的电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的CCD(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)CCD与CMOS比较从以上的对比可以看出：CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速相机则会采用CMOS芯片。CCDCMOS电路更改方便固定速度慢快噪声好差灵敏度好差功耗毫安级微安级成本高低CCD图像传感器概述电

3、荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,简称CCD)是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。光学系统CCD图像处理CCD结构示意图显微镜下的MOS元表面一、电荷耦合器件的结构和工作原理1.基本结构MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。MOS电容C

4、CD是由规则排列的金属—氧化物—半导体（MetalOxideSemiconductor,MOS）电容阵列组成。MetalOxideSemiconductorMOS电容器的形成方法：在P型或N型单晶硅衬底上用氧化办法生成一层厚度约为100～150nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS电容器。2.电荷耦合器件的工作原理CCD光信息电脉冲脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置完成图像传感特点：以电荷作为信号CCD基本工作原理信号电荷

5、的产生信号电荷的存贮信号电荷的转移信号电荷的检测CCD的基本功能是存储与转移信息电荷光电导效应(1)信号电荷的产生信号电荷的产生（示意图）金属电极氧化物半导体e-e-e-e-e-e-e-光生电子入射光MOS电容器当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子—空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获）。(2)信号电荷的存储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。由于绝缘氧化物层使得电子不能穿过而到达电极，因此存贮

6、在势阱里的电子形成了电荷包，其电荷量的多少与光照强度及照射时间成正比，于是所有电极下的电荷包就组成了与景物相对应的电荷像。信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUGUth时光滴小桶光敏元CCD的工作过程1.有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转化为电荷。CCD的工作过程2.这些电荷可以被储存起来。这一过程存在着以下问题：当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出溢出的电荷会跑到相临的像素势阱里去。这样电量就不能如实反映原物。要避免这种情况发生

7、的方法：A把桶做大些B减少测量时间C把满的水倒出一些D做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里对应的方法：由此可见，增大像素尺寸是最简单有效的做法。水桶CCD芯片缺点把桶做大增大单位像素尺寸减少测量时间缩短曝光时间对于暗的部分曝光不足把满的水桶到出一些间歇开关时钟电压降低速度做个导流管溢出沟道和溢出门制作复杂，且还有缺陷当一个CCD芯片感光完毕后，每个像素所转换的电荷包就按照一行的方向转移出CCD感