第4章固体成像器件(CCD)
4.1 图像传感器简介
1 图像传感器发展
完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。光电图像传感器的发展历史悠久，种类很多。
早在1934年就成功地研制出光电摄像管（Iconoscope），用于室内外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000lx的照度才能获得较为清晰的图像。使它的应用受到限制。
1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico），的灵敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2 000lx以上。
1954年投放市场的高灵敏视像管（Vidicon）基本具有了成本低，体积小，结构简单的特点，使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。
1965年推出的氧化铅视像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，发展了彩色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展产生一次飞跃。然而，氧化铅视像管抗强光的能力低，余辉效应影响了它的采样速率。
1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管和硅靶管。不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。
1970年，美国贝尔实验室发现的电荷耦合器件（Charge Coupled Device,简称CCD) 的原理，使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。
CCD本身就能完成光学图像转换、信息存贮和按顺序输出（称自扫描）视频信号的全过程。它的自扫描输出方式消除了电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真。即CCD 图像传感器的输出信号能够不失真地将光学图像转换成视频电视图像。
此外，与真空摄像器件相比,CCD还有以下优点：
(1) 体积小，重量轻，功耗低；耐冲击，可靠性高，寿命长；
(2) 无象元烧伤、扭曲，不受电磁场干扰；
(3) 象元尺寸精度优于1μm,分辨率高；
(4) 基本上不保留残象（真空摄像管有15%～20%的残象）。
(5) 视频信号与微机接口容易。
CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。其应用研究成为当今高新技术的主流课题。它的发展推动了广播电视、工业电视、医用电视、军用电视、微光与红外电视技术的发展，带动了机器视觉的发展，促进了公安刑侦、交通指挥、安全保卫等事业的发展。
2 图像传感器的基本原理
在光照射下或自身发光的景物经成像物镜成像在图像传感器的光敏面上，形成二维空间光强分布的光学图像，光电图像传感器完成将光学图像转变成二维“电气” 图像的工作。
组成一幅图像的最小单元称为像素或像元，像元的大小或一幅图像所包含的像元数决定了图像的分辨率，分辨率越高，图像的细节信息越丰富，图像越清晰，图像质量越高。即将图像分割得越细，图像质量越高。
CCD 图像传感器用光敏单元分割。被分割后的电气图像经扫描才能输出一维时序信号。
扫描型图像传感器输出的视频信号可经A/D 转换为数字信号（或称其为数字图像信号），存入计算机系统，并在软件的支持下完成图像处理、存储、传输、显示及分析等功能。 本章主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传感器的基本工作原理和典型应用问题 。
4.2 CCD 的工作原理
1 电荷耦合器件的结构
在P 型或N 型硅单晶的衬底上生长一层厚度约为0.1-0.2微米的SiO2层，然后按一定次序沉积N 个金属电极作为栅极，栅极间的间隙约2.5μm ，电极的中心距离15～20μm ，于是每个电极与其下方的SiO2和半导体间构成了一个金属-氧化物-半导体结构，即MOS 结构。
CCD 的特点是以电荷作为信号，不是以电流或电压作为信号。
CCD （Charge Coupled Devices ，电荷耦合器件）图像传感器主要有两种基本类型，一种为信号电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面进行转移的器件，称为表面沟道CCD （简称为SCCD ）器件；另一种为信号电荷包存储在距离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向转移的器件，称为体沟道或埋沟道器件（简称为BCCD ）。下面以SCCD 为例讨论CCD 的基本工作原理。
2.电荷耦合原理与电极结构
构成CCD 的基本单元是MOS 结
构。如图8-15（a ）所示，当金属电极
加上正电压时，接近半导体表面的空
穴被排斥，电子增多，在表面下一定
范围内只留下受主离子，形成耗尽区
(图8-15（b ）所示)。该区域对电子来
CCD 线
阵列
CCD
单元 这种结构再加上输入、输出结构
说是一个势能很低的区域，也称势阱。加在栅极上的电压愈高，表面势越高，势阱越深；若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。
电荷包形成：当有光照时，光生电子被收集到势阱中，形成电荷包。
一个MOS单元是一个光敏元
电荷耦合：
设t=t1时，已有信号电荷存贮在偏
压为+10V的①号电极下的势阱里.
当t=t2时，①电极和②电极均加有
+10V电压，所形成的势阱就连通，①
电极下的部分电荷就流入②电极下的
势阱中。
当t=t3时，①电极上的电压由
+10V变为+2V，下面的势阱由深变浅，
势阱内电荷全部移入②电极下的深势
阱中。
由此，从t1→t3 ，深势阱从①
电极下移动到②下面，势阱内的电荷
也向右转移了一位。如果不断地改变
电极上的电压，就能使信号电荷可控
地一位一位地顺序传输。
CCD的电极结构：
CCD中电荷的存贮和传输是通过改变各电极上所加电压实现的。按照加在电极上的脉冲电压相数来分，电极的结构可分为二相、三相、四相等结构形式。
三相电阻海结构二相硅-铝交叠栅结构
四电极结构：