CCD圖像傳感器 （ Charge Coupled Device ， 感光耦合 組件簡稱 ） 是貝爾實驗室的 W.S.Boyle 和 G.E.Smith于 1970年發(fā)明的 ,由于它有光電轉換 、 信息存儲 、 延時和將電信號按順序傳送等功能 ,且 集成度高 、 功耗低 ,因此隨后得到飛速發(fā)展 ,是圖 像采集及數字化處理必不可少的關鍵器件 ,廣泛應 用于科學 、 教育 、 醫(yī)學 、 商業(yè) 、 工業(yè) 、 軍事和消 費領域 。 CCD圖像傳感器簡介 CCD實物 常見的 基于 CCD光電耦器件的 設備 嫦娥二號攜帶的 CCD立體攝像機 CCD圖像傳感器 CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的 MOS（ 金屬 氧化物 半導體 ） 電容器組成的陣列 。 在 P型或 N 型硅襯底上生長一層很薄 （ 約 120nm） 的二氧化硅 ,再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶 硅電極 （ 柵極 ） ,形成規(guī)則的 MOS電容器陣列 ， 再 加上兩端的輸入及輸出二極管就構成了 CCD芯片 。 CCD傳感器的基本結構 CCD基本結構分兩部分： 1.MOS（ 金屬 氧化物 半導體 ） 光敏元陣列； 2.讀出移位寄存器 。 電荷耦合器件是在半導體硅片上制作成百上千個 光敏元 ， 一個光敏元又稱一個像素 ， 在半導體硅 平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列 。 MOS光敏元結構 MOS（ Metal Oxide Semiconductor,MOS） 電容器 是構成 CCD的最基本單元 。 CCD分辨率 分辨率指的是中有多少像素 ， 也就是 上有多少感光組件 ， 分辨率是圖像傳感器的重 要特性 。 （ 像素 =分辨率長寬數值相乘 ， 如： 640X480=307200， 就是 30W像素 ） CCD分辨率主要取決于 CCD芯片的像素數 。 其次 ， 還受到傳輸效率的影響 。 高度集成的光敏 單元可以獲得高分辨率 。 但光敏單元的尺寸的減 少將導致靈敏度的降低 。 CCD基本工作原理 1.信號電荷的產生 2.信號電荷的存貯 3.信號電荷的傳輸 4.信號電荷的檢測 工作原理 CCD工作過程的第一步是電荷的產生 。 CCD可以將 入射光信號轉換為電荷輸出 ， 依據的是半導體的內光 電效應 （ 也就是光生伏打效應 ） 。 1.信號電荷的產生 信號電荷的產生 （ 示意圖 ） 金屬電極 氧化物 半導體 e- e- e- e- e- e- e- 光生電子 入射光 MOS電容器 CCD工作過程的第二步是信號電荷的收集 ， 就是將 入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包 的過程 。 當金屬電極上加正電壓時 ， 由于電場作 用 ， 電極下 P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū) 。 對電子而言 ， 是一勢能很低的區(qū)域 ， 稱 “ 勢阱 ” 。 有光線入射到硅片上時 ， 光子作用下產生電子 空穴對 ， 空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū) ， 而電 子被附近勢阱 （ 俘獲 ） ， 此時勢阱內吸的光子數 與光強度成正比 。 2、信號電荷的存儲 一個 MOS結構元為 MOS光敏元或一個像素 ， 把一個 勢阱所收集的光生電子稱為一個電荷包； CCD器件 內是在硅片上制作成百上千的 MOS元 ， 每個金屬電 極加電壓 ， 就形成成百上千個勢阱；如果照射在 這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象 ， 那么這些 光敏元就感生出一幅與光照度響應的光生電荷圖 象 。 這就是電荷耦合器件的光電物理效應基本原 理 。 信號電荷的存儲 （ 示意圖 ） e- e- 勢阱 入射光 MOS電容 器 +UG e- e- e- e- e- e- +Uth e- e- 勢阱 入射光 MOS電容 器 +UG e- e- e- e- e- e- +Uth UG Uth 時 在柵極 G電壓為零時 ， P型半導體中的空穴 (多數載 流子 )的分布是均勻的 。 當施加正偏壓 UG(此時 UG 小于 p型半導體的閩值電壓 Uth)， 空穴被排斥 ， 產 生耗盡區(qū) 。 電壓繼續(xù)增加 ， 則耗盡區(qū)將進一步向 半導體內延伸 。 每個光敏元 （像素）對應有三 個相鄰的轉移柵電 極 1、 2、 3,所有電 極彼此間離得足夠 近 ,以保證使硅表 面的耗盡區(qū)和電荷 的勢阱耦合及電荷 轉移。所有的 1電 極相連并施加時鐘 脈沖 1, 所有的 2、 3也是如此 ,并施加 時鐘脈沖 2 、 3 。 這三個時鐘脈沖在 時序上相互交迭。 三個時鐘脈沖的時序 1 2 3 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 3 P型 Si 耗盡區(qū) 電荷轉移方向 1 2 輸出柵 輸入柵 輸入二極管 輸出二極管 SiO2 CCD的 MOS結構 CCD工作過程的第三步是信號電荷包的轉移，就是 將所收集起來的電荷包從一個像元轉移到下一個 像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。 通過按一定的時序在電極上 施加高低電平，可以 實現光電荷在相鄰勢阱間的轉移。 3、信號電荷的傳輸（耦合） (a)初始狀態(tài)； (b)電荷由電極向電極轉移； (c)電荷在電極下均勻分 布； (d)電荷繼續(xù)由電極向電極轉移； (e)電荷完全轉移到電極； (f)三相 轉移脈沖 圖中 CCD的四個電極彼此靠的很近 。 假定一開始在 偏壓為 10V的 (1)電極下面的深勢阱中 ， 其他電極 加有大于閾值的較低的電壓 (例如 2V)， 如圖 (a)所 示 。 一定時刻后 ， (2)電極由 2V變?yōu)?10V， 其余電 極保持不變 ， 如圖 (b)。 因為 (1)和 (2)電極靠的很 近 (間隔只有幾微米 )， 它們各自的對應勢阱將合 并在一起 ， 原來在 (1)下的電荷變?yōu)?(1)和 (2)兩個 電極共有 ， 圖 (C)示 。 此后 ， 改變 (1)電極上 10V電 壓為 2 V， (2)電極上 10V不變 ， 如圖 (d)示 ， 電荷 將轉移到 (2)電極下的勢阱中 。 由此實現了深勢阱 及電荷包向右轉移了一個位置 。 CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉 移到輸出級的電荷轉化為電流或者電壓的過程。 輸出類型，主要有以下三種： 1） 電流輸出 2） 浮置柵放大器輸出 3） 浮置擴散放大器輸出 4、信號電荷的檢測 背照明光輸入 1電荷生成 2電荷存儲 3電荷轉移 復位 輸出 4電荷檢測 半導體 CCD傳感器 CCD工作過程示意圖 按照像素排列方式的不同 ， 可以將 CCD分為線陣 和面陣兩大類 。 CCD結構類型 目前 ， 實用的線型 CCD圖像傳感器為雙行結構 ， 如 圖 （ b） 所示 。 單 、 雙數光敏元件中的信號電荷分別轉 移到上 、 下方的移位寄存器中 ， 然后 ， 在控制脈沖的作 用下 ， 自左向右移動 ， 在輸出端交替合并輸出 ， 這樣就 形成了原來光敏信號電荷的順序 。 轉移柵 光積分單元 不透光的電荷轉移結構 光積分區(qū) 輸出 轉移柵 (a) (b) 線型 CCD圖像傳感器 輸出 面型 CCD圖像傳感器由感光區(qū) 、 信號存儲區(qū)和輸出 轉移部分組成 。 目前存在三種典型結構形式 ， 如圖所 示 。 圖 (a)所示結構由行掃描電路 、 垂直輸出寄存 器 、 感光區(qū)和輸出二極管組成 。 行掃描電路將光敏元 件內的信息轉移到水平 （ 行 ） 方向上 ， 由垂直方向的 寄存器將信息轉移到輸出二極管 ， 輸出信號由信號處 理電路轉換為視頻圖像信號 。 這種結構易于引起圖像 模糊 。 二相驅動 視頻輸出 行 掃 描 發(fā) 生 器 輸 出 寄 存 器 檢波二極管 二相驅動 感光區(qū) 溝阻 P1 P2 P3 P1 P2 P 3 P1 P2 P 3 感光區(qū) 存儲區(qū) 析像單元 視頻輸出 輸出柵 串行讀出 面型 CCD圖像傳感器結構 (a) (b) 圖 （ b） 所示結構增加了具有公共水平方向電極的 不透光的信息存儲區(qū) 。 在正常垂直回掃周期內 ， 具有公 共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到 信息存儲區(qū) 。 在垂直回掃結束后 ， 感光區(qū)回復到積光狀 態(tài) 。 在水平消隱周期內 ， 存儲區(qū)的整個電荷圖像向下移 動 ， 每次總是將存儲區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平 讀出器 ， 該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動以視頻 信號輸出 。 當整幀視頻信號自存儲移出后 ， 就開始下一 幀信號的形成 。 該 CCD結構具有單元密度高 、 電極簡單 等優(yōu)點 ， 但增加了存儲器 。 光柵報時鐘 二相驅動 輸出寄存器 檢波二極管 視頻輸出 垂直轉移 寄存器 感光區(qū) 二相驅動 (c) 圖 (c)所示結構是用得最多的一種結構形式 。 它將 圖 (b)中感光元件與存儲元件相隔排列 。 即一列感光單 元 ， 一列不透光的存儲單元交替排列 。 在感光區(qū)光敏元 件積分結束時 ， 轉移控制柵打開 ， 電荷信號進入存儲區(qū) 。 隨后 ， 在每個水平回掃周期內 ， 存儲區(qū)中整個電荷圖 像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中 。 接著這 一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件 ， 形成視頻信號輸出 。 這種結構的器件操作簡單 ， 但單 元設計復雜 ， 感光單元面積減小 ， 圖像清晰 。 提高分辨率與單純增加像素數之間存在著一種 矛盾 。 富士公司對人類視覺進行了全面研究 ， 研 制出了超級 CCD ( Super CCD) 。 超級 CCD 傳統 CCD 超級 CCD 超級 CCD的性能提升 1.分辨力 獨特的 45 蜂窩狀像素排列 ， 其分辨力比傳統 CCD 高 60%。 2.感光度 、 信噪比 、 動態(tài)范圍 像敏元光吸收效率的提高使這些指標明顯改善 ， 在 300 萬像素時提升達 130% 。 3.彩色還原 由于信噪比提高 ， 且采用專門 LSI 信號處理器 ， 彩色還原能力提高 50%。 CCD和傳統底片相比 ， CCD 更接近于人眼對視覺的 工作方式 。 只不過 ， 人眼的視網膜是由負責光強 度感應的桿細胞和色彩感應的錐細胞 ， 分工合作 組成視覺感應 。 CCD經過長達 35年的發(fā)展 ， 大致 的形狀和運作方式都已經定型 。 CCD 的組成主要 是由一個類似馬賽克的網格 、 聚光鏡片以及墊于 最底下的電子線路矩陣所組成 。 傳統三原色 CCD Sony發(fā)布的四色感應 CCD-ICX456 新增的這個顏色加強了對自然風景的解色能力， 讓綠色這個層次能夠創(chuàng)造出更多的變化。 CCD傳感器應用 CCD應用技術是光 、 機 、 電和計算機相結合的高 新技術 ， 作為一種非常有效的非接觸檢測方法 ， CCD被廣泛用于在線檢測尺寸 、 位移 、 速度 、 定位 和自動調焦等方面 。 CCD傳感器應用時是將不同光 源與透鏡 、 鏡頭 、 光導纖維 、 濾光鏡及反射鏡等 各種光學元件結合 ， 主要用來裝配輕型攝像機 、 攝像頭 、 工業(yè)監(jiān)視器 。 自動流水線裝置 ， 機床 、 自動售貨機 、 自動監(jiān)視 裝置 、 指紋機； 作為機器人視覺系統； 用于傳真技術 ， 文字 、 圖象 、 車牌識別 。 例如用 CCD識別集成電路焊點圖案 ， 代替光點穿孔機的作 用； M2A攝影膠囊 （ Mouth anus） ,由發(fā)光二極管做光 源 ， CCD做攝像機 ， 每秒鐘兩次快門 ， 信號發(fā)射到 存儲器 ， 存儲器取下后接入計算機將圖像進行下 載 。 線性 CCD圖像傳感器的應用實例 ）光積分單元（感光單元 不透光的電荷轉移機構 輸出 轉移柵 L 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 尺寸檢測 實例 測量拉絲過程中絲的線徑 、 軋鋼的直徑 、 機械加 工的軸類或桿類的直徑等等 ， 這里以玻璃管直徑 與壁厚的測量為例 。 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間 亮帶反映了玻璃管內徑大小，而暗帶則是玻璃管的 壁厚像。 成像物鏡的放大倍率為 ， CCD相元尺寸為 t， 上壁厚、下壁厚分別為 n1、 n2 ，外徑尺寸的脈沖 數（即像元個數）為 N，測量結果有： 11 22 / / / d n t d n t D N t 分別為上壁厚、 下壁厚，外徑尺寸。 1d 2 d D CCD與 CMOS比較 圖像傳感器可以分為兩類： 1、 CCD：電荷耦合器件 。 CCD的優(yōu)點是靈敏度 高 ， 噪音小 ， 信噪比大 。 但是生產工藝復雜 、 成 本高 、 功耗高 。 在網絡攝像頭產品上 ， 很少采用 CCD圖像傳感器 。 2、 CMOS： （ Complementary Metal-Oxide Semiconductor， 互補性氧化金屬半導體 ） 。 CMOS 的優(yōu)點是集成度高 ， 功耗較低 、 成本低 ， 對光源 要求高 。 CCD和 CMOS在制造上的主要區(qū)別是 CCD是集成在半 導體單晶材料上 ， 而 CMOS是集成在被稱做金屬氧 化物的半導體材料上 ， 工作原理沒有本質的區(qū)別 。 在相同像素下 CCD的成像通透性 、 明銳度都很好 ， 色彩還原 、 曝光可以保證基本準確 。 而 CMOS的產 品往往通透性一般 ， 對實物的色彩還原能力偏弱 ， 曝光也都不太好 ， 由于自身物理特性的原因 ， CMOS的成像質量和 CCD還是有一定距離的 。 但由于 低廉的價格以及高度的整合性 ， 因此在攝像頭領 域還是得到了廣泛的應用 。 目前 ， 主流的手機用的都是 CMOS傳感器 ， 如三星 Galaxy Note 2、 iPhone 5、 小米 2、 魅族 MX四核 版 、 諾基亞 Lumia 800等 。