第五章 CCD 图像传感器

CCD 的工作过程1 前照明光输入1 背照明光输入2 电荷生成3 电荷收集4 电荷转移5 电荷测量视频输出第五讲CCD图像传感器基本工作原理 电荷存储电荷耦合CCD电极结构电荷注入和检测CCD特性参数电荷耦合摄像器件：工作原理、特性参数一、电荷存储——光电转换得到的信号电荷怎么存储？为了存储电荷必须制造一个存储区。

不仅要把生成的电荷尽量收集起来，而且保证所收集电荷不被复合。

信号电荷以何种机制储存？信号电荷是空穴还是电子？——CCD多用电子利用电子可以被高电势所吸引的性质。

在光电二极管中，不管用什么方法只要做出高于周围电势的部分，信号电荷(电子)就可以在此集中储存。

电势阱：储存信号电荷的电势分布状态当在栅电极上加上型衬底中的空穴从界面处被排斥到衬底的另一侧，在不同氧化层厚度不存在反型层电荷时栅极电压不变时，表面势与反型层电荷密度的关系：反型层电荷填充势阱时，表面势收缩的情况：溢出 现象水桶模型势阱存信号电荷类似水桶盛水中国科学院长春光学精密机械与物理研究所电荷的收集 埋沟MOS 电容器埋沟电容是在 一个 p-型衬底上建造的；在p-型衬底表面 上形成一个 n-型区(~1μm厚)； 然后，生长出一层薄的二氧 化硅(~0.1μm厚)；再在二氧化硅层上用金属或高掺杂的多晶 硅制作电极或栅极；至此完成了MOS电容的制作。

电子的势能：N型硅 耗尽区 P型硅Ep = − q × Ψ2-6 q 是电子的电荷 量，而Ψ为静电势电极光生电子－空穴对 二氧化硅中国科学院长春光学精密机械与物理研究所电荷的收集 MOS电容器无偏置时， n-型层内含有多余的电子向p-型层扩散， p-型层内含有多余的空穴并向n-型层扩散； 这个结构与二极管结的结构完全相同。

上述的 扩散产生了内部电场，在n-型层内电势达到最大。

电子势能最小的地方位 于n-型区内并与硅 - 二 氧化硅 (Si - SiO 2) 的 交界面有一定距离 沿此线的电势示于上图. 这个势能最小(或电位 最高) 的地方就是多余 电子聚集的地方。

ccd图像传感器的原理
CCD图像传感器是一种基于电荷耦合器件（Charge-Coupled Device）的光学传感技术。

其原理是利用PN结以及电荷耦合
的原理将光信号转换为电荷信号，并通过逐行读取的方式将这些电荷信号转换为数字图像。

当一个光子击中CCD图像传感器上的感光表面时，它会激发
感光表面上的电子，并将它们转换成电荷信号。

这些电荷信号会被储存在电荷耦合器件中的位势阱中，由于耦合电介质介导电耦合效应，使电荷可以在电荷耦合器件中进行传输。

在图像采集过程中，电荷信号会被逐行读取。

首先，所有的电荷信号都会被传输到传感器芯片的顶部电荷传输区域。

然后，通过逐行读取的方式，将每行中的电荷信号传输到图像信号处理电路中进行进一步处理。

在逐行读取的过程中，每行的电荷信号会根据时钟脉冲的控制，被顺序地传输到图像信号处理电路中。

在图像信号处理电路中，电荷信号会被放大、调整和数字化，最终形成完整的数字图像。

CCD图像传感器具有高灵敏度、高动态范围和低噪声等优点，因此广泛应用于数码相机、摄像机、望远镜等领域。

它的原理基于光电效应和电荷耦合效应，为数字图像采集和处理提供了高质量的解决方案。

C C D图像传感器详解CCD图像传感器CCD（Charge Coupled Device）全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。

它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。

它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。

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。

实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器，都用了CCD作图象探测元件。

一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。

CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。

取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。

移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。

将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。

由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图象分辨率很高。

一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图1所示。

以P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在收集于网络，如有侵权请联系管理员删除收集于网络，如有侵权请联系管理员删除SiO 2 上淀积一层金属为栅极，P 型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO 2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。

于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO 2层形成负电荷层（耗尽层），电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。

CCD图像传感器的工作原理及应用1. CCD图像传感器简介CCD（Charge-Coupled Device）是一种光电器件，可以将光信号转换成电信号，并进行捕获和存储图像数据。

CCD图像传感器广泛应用于相机、摄像机、扫描仪和图像处理等领域。

2. CCD图像传感器的工作原理CCD图像传感器的工作原理基于光电效应和电荷耦合技术。

2.1 光电效应当光照射到CCD上时，光子将激发CCD芯片中的光敏元件产生电子-空穴对。

光电效应的强弱与光的强度成正比，光的能量越高，激发的电子-空穴对越多。

2.2 电荷耦合技术CCD图像传感器中对光电效应产生的电子进行耦合和传输的是电荷。

CCD芯片由一系列电荷传输区域组成，其中包括感光区、垂直传输区和水平传输区。

在感光区，电荷被积累，并且与光照的强度成正比。

然后，电荷被垂直传输区逐行传输到水平传输区。

在水平传输区，电荷被逐列传输到输出端，由模数转换器将其转换为数字信号。

3. CCD图像传感器的应用CCD图像传感器在许多领域中都有广泛的应用，下面列举了几个典型的应用领域。

3.1 摄影和摄像CCD图像传感器是数码相机和摄像机的核心部件。

它们能够捕捉细节丰富、高质量的图像和视频，成像效果较好。

3.2 扫描仪CCD图像传感器还被广泛用于扫描仪，用于将纸质文件和照片转换为数字形式。

CCD的高分辨率和色彩还原能力使其成为扫描仪最佳的图像采集技术之一。

3.3 星光相机CCD图像传感器在天文学中也有重要应用。

由于其高灵敏度和低噪声性能，CCD被广泛用于天文图像的采集，尤其是星光相机。

星光相机能够捕捉到微弱的星光，从而探测远离地球的天体。

3.4 医学成像CCD图像传感器也被应用于医学成像领域。

例如，在X射线成像中，CCD传感器能够捕捉到X射线影像，用于医学诊断和治疗。

3.5 工业视觉CCD图像传感器在工业视觉应用中起着关键作用。

它们可以检测和测量产品中的缺陷、尺寸和形状，并用于自动化生产线上的质量控制。

CCD图像传感器的原理和应用1. 引言CCD (Charge-Coupled Device) 图像传感器是一种常用的光电转换器件，具有高灵敏度、低噪音等特点，广泛应用于数字摄像机、摄像监控、光学传感器等领域。

本文将介绍CCD图像传感器的原理和应用。

2. CCD图像传感器的原理CCD图像传感器是利用光电效应将光信号转换为电信号的器件。

其原理可分为以下几个步骤：2.1 光电转换光通过CCD图像传感器的光敏表面，激发光敏材料中的电子，形成光生载流子对。

光生载流子对的产生与光的能量和波长有关。

2.2 光电荷转移光敏表面形成的光生载流子对被电场作用下转移到表面下方的感光区域。

这一步骤是通过电场的调制将光电荷转移到后续电荷转移阶段。

2.3 电荷积分光电荷在感光区域累积，其数量与光照强度成正比。

该阶段称为电荷积分。

2.4 电荷读出通过移动电荷或光电荷势阱的方式，将电荷沿电荷传输路径传输到输出节点。

最后，电荷通过放大电路放大为电压信号。

3. CCD图像传感器的应用3.1 数字摄像机CCD图像传感器是数字摄像机中的核心部件。

它能够将光信号转换为电信号，并通过后续的编码和压缩处理产生数字图像，实现高质量的图像捕捉和录制。

3.2 摄像监控CCD图像传感器在摄像监控领域广泛应用。

它可以实时拍摄监控区域的图像，并将图像通过监控器或网络传输到监控中心。

CCD图像传感器的高灵敏度和低噪音特性，使得摄像监控系统能够在低光照条件下获取清晰的图像。

3.3 光学传感器光学传感器是利用CCD图像传感器感知环境中的光照强度和光照分布的设备。

光学传感器可以用于测量光线强度、测距、物体识别等应用。

通过对CCD图像传感器输出图像的处理，可以获取物体的形状、颜色和光照分布等信息。

3.4 科学研究CCD图像传感器在科学研究领域也得到广泛应用。

例如，在天文学中，CCD图像传感器可以用于拍摄星系、星云等天体图像。

在生物医学领域，CCD图像传感器可以用于显微镜图像的采集和分析。

CCD图像传感器CCD,即电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体光电器件。

具有灵敏度高，分辨率好，光谱响应宽，动态范围大等一系列优点。

至今，CCD已从实验室研究走向实际应用阶段。

在航空航天、卫星侦察、遥感遥测、天文测量、传真、静电复印、非接触工业测量、光学图像处理等领域都得到了广泛的应用；在动态非接触的尺寸检测、液面位置的遥测等光电测试技术中更引起人们高度的重视；特别是在摄像和信号处理等技术领域已独树一帜。

可见，CCD技术是一项具有广泛应用前景的新技术。

一CCD简介CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。

可以称为CCD图像传感器。

CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。

CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。

一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。

CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。

CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。

二CCD发展史CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·波义耳(Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（GeorgeE. Smith）所发明的。

当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。

将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”。

这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。

但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。

到了70年代，贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。

有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体、美国无线电公司）和德州仪器。

其中快捷半导体的产品领先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。