第九讲 电荷耦合器件(CCD)

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（二）面阵电荷耦合摄像器件
面阵电荷耦合器件是把光敏元 等排列成矩阵的器件
图为场转移面阵电荷耦合器件 结构示意图，由一个光敏元面 阵、存储器面阵和读出移位寄 存器（线阵）组成。
光敏元面阵可视作为由若干列 线阵电荷耦合器件组成、存储 器面阵可视为由若干列线阵读 出寄存器组成。
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在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏元就感生出一幅与
光照强度相对应的光生电荷图像。
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（二）
读出移位寄存器是电荷图像的输出电路，也是MOS结构，由金属 电极、氧化物和半导体，以及遮光层组成。
由三组（也有二组、四组等）邻近的电极组成一个耦合单元（传
输单元），在这三个电极上分别-施加脉冲波Φ1、Φ2、Φ3
自扫描，具有较高的光电灵敏度和较大的动 态范围
视频信号便于与微机接口
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一、CCD的工作原理 （一）信息电荷的产生和存储
❖ MOS 光敏元：
在半导体基片上（如P型硅）生长一种具有介质作用的氧 化物（如二氧化硅），又在其上沉积一层金属电极，形 成的金属—氧化物—半导体结构。
图7-15 MOS光敏元的结构原理图
应用领域：摄像机、广播电视、可视电话、传 真、自动检测、控制、军事、医学、天文、 遥感。
车身检测、钢管检测、芯片检测、指纹检测、 虹膜检测、显微镜改造、工件尺寸及缺陷检 测、刀仪、复杂形貌测量等。
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优点
固体化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性 高、寿命长
图像畸变小、尺寸重现性好
光敏单元之间几何尺寸精度高，可得到较高 的定位精度和测量精度，具有较高分辨力
例W=0.02mm, 接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范围内有 500条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状 基本无影响。

固体耦合成像器件(CCD)
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。
CCD简介
• CCD自1970年问世。目前，CCD器件的种 类繁多，CCD具有光电转换、信号存储及 信号传输能力，是一种崭新的全固体自扫 描成像器件，如今已成为国防、公安、工 业控制、医学影响诊断、生物工程研究、 天文、地质、宇航等科技领域不可缺少的 光电探测器。
电荷耦合： 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。
这种结构再加上 输入、输出结构 就构成了N位CCD。
CCD 单元
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 两种基本类型，一种为信号电荷包存储在半导体与绝缘体 两种基本类型 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。

ccd是什么CCD 是电荷耦合器件（Charge-Coupled Device）的缩写。

它是一种使用在图像传感器和高速数据转移领域的技术。

CCD 在图像传感器和摄像机中广泛应用，因为它的可靠性和高质量图像输出。

本文将介绍 CCD 的原理、应用和发展趋势。

一、CCD 的原理CCD 是一种半导体器件，其工作原理基于电荷的轨迹和传输。

CCD 由一系列的电荷传输节点和电极组成。

当光子进入 CCD 的光敏区域时，它会产生电荷。

电荷被控制电极和传输电极捕捉，然后通过电荷耦合和转移来传输到读取电极。

最后，电荷被转换成电压信号并传输到 AD 转换器进行数字化。

CCD 的核心是光敏区域，也称为像素阵列。

每个像素都是一个光敏元件，可以将入射的光子转化为电荷。

这个过程称为光电转换。

光子的能量越高，产生的电荷就越多。

因此，在 CCD 中，每个像素的电荷量可以表示光的强度。

二、CCD 的应用1. 数码相机：CCD 是数码相机中最常用的图像传感器。

它能够捕捉高质量、高分辨率的图像，并提供良好的色彩还原能力。

由于 CCD 能够对光的强度进行准确测量，因此它在摄影领域得到广泛应用。

2. 星空观测：CCD 能够捕捉微弱的星光信号，并转化为可见的图像。

这使得天文学家能够观测到远离地球的星体，研究星体的性质和演化过程。

3. 医学影像：CCD 在医学影像领域发挥着重要作用。

例如，CCD可以用于光学显微镜和内窥镜等设备，捕捉并放大被观察组织的图像。

这对于医生进行疾病诊断和治疗决策至关重要。

4. 太阳能电池板：在太阳能电池板中，CCD 被用作表面缺陷检测工具。

它可以检测表面缺陷，提高太阳能电池板的效率和耐久性。

5. 科学研究：CCD 在科学研究中发挥重要作用。

例如，在光学显微镜和电子显微镜中，CCD 能够捕捉微小的结构和颗粒，并提供高分辨率的图像。

三、CCD 的发展趋势1. 提高分辨率：随着科技的不断进步，对于图像质量的要求也越来越高。

未来的 CCD 将会追求更高的分辨率，以捕捉更多细节和精确的图像。

以下为CCD发展历程
1、HAD感测器
HAD(HOLE-ACCUMULATION DIODE)传感器是在N型基板，P型，N+2极体的表面上，加上正孔蓄积层，这是 SONY独特的构造。由于设计了这层正孔蓄积层，可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决。另外，在N型基 板上设计电子可通过的垂直型隧道，使得开口率提高，换句话说，也提高了感度。
背景介绍
背景介绍
CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜和高速摄影技术，如Lucky imaging。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方 向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成 。
CCD在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能 的好坏将直接影响到摄像机的性能。
衡量CCD好坏的指标很多，有像素数量，CCD尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及CCD尺寸是重要的指 标。像素数是指CCD上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像 素。显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果CCD没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影 响，因此，理论上CCD的像素数量应该越多越好。
主要指标
CCD尺寸，亦即摄像机靶面。原多为1/2英寸，日前1/3英寸的已普及化，1/4英寸和1/5英寸也已商品化。
CCD像素，是CCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。CCD 是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像素越多，图像越清晰。日前市场上大多以25万和38万像素为划 界，38万像素以上者为高清晰度摄像机。