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CCD图像传感器 光信息91 王哲也一、什么是CCD？ 电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)，自 70 年代初诞生以来，已迅速发展成为最常用的固体图像传感器，且广泛应用于科技、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。它是图像采集与数字化的关键器件。CCD直接将光学图像转换为电荷信号，以实现图像的存储、处理和显示。其特点主要体现在 3个方面： 1、体积小，重量轻，能耗少，工作电压低，抗冲击与振动，寿命长； 2、灵敏度高，噪声低，动态范围大； 3、响应速度快，刷新时无残留痕迹，摄像启动快； 二、CCD的工作原理 CCD 的工作原理 CCD 不同于多数以电流或电压为信号的其它器件，其突出特点是以电荷为信号。工作过程包括信号电荷的产生、存储、传输与检测。以下将从电荷的产生、电荷信号的存储、电荷信号的传输三方面说明CCD的工作原理。 CCD的工作原理 信号电荷的产生 在 CCD 中，电荷的产生分为光注入和电注入两大类。作为图像传感器的 CCD 通常是通过光敏单元，以光注入方式形成信号电荷。光照射到CCD 光敏区上时，在栅极附近的半导体体内产生电子—— 空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。信号电荷Q1与光照强度(或光子流速率 )、光照时间 、光敏单元面积A成正比。即 其中 为材料的量子效率；q为电子电荷量。 CCD的工作原理 信号电荷的存储 CCD的基本单元是金属氧化物半导体结构，即MOS结构。当栅极未施加正偏压，p型半导体中的空穴（多数载流子）分布均匀。当栅极施加正偏压后，空穴被排斥，产生耗尽区。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。当正偏压超过阈值电压时，绝缘体界面与半导体体内的电势足够大，以至于将半导体体内的电子吸引到绝缘体表面，使该处电子浓度超过空穴浓度，出现反型层。 CCD的工作原理 信号电荷的存储 一般用势阱概念来描述MOS结构存储电荷的能力，在没有反型层电荷时，势阱深度与栅极电压U成线性关系。当反型层电荷填充势阱时，表面势收缩。势阱中可存储信号电荷的容量为Q=CU，C为MOS电容容量，U为栅极偏压。反型层电荷数量反映了光强大小，实现了CCD光电转换的线性效应。 CCD的工作原理 信号电荷的传输 对于彼此靠得很近的MOS结构(CCD 单元) ，只要将按一定规律变化的电压 (时钟脉冲) 加到 各电极上，电极下的电荷包就能沿着半导体表面按一定方向逐单元地移动。当电荷包中的电子转移到某个栅下时，被收集区收集，在等效电阻上产生电流，并转化为电压信号串行输出，输出脉冲幅值依次与原来储存于原来势阱中电荷包的电子数成正比。 CCD的工作原理 三、CCD技术的应用 CCD 技术的应用 根据不同使用要求，CCD沿着两条不同的道路发展：一是电视摄像机用 CCD；二是科技用CCD，如天文、医学、显微学、机器人视觉、数字相机等。 电视摄像机用 CCD 一般是内线转移IT CCD，由于受到电视制式的限制，过去一直停留在20-40 万像素。随着高清晰度电视的发展，80 年代后期才开始出现大面阵IT CCD。 科技用CCD 对器件像素的均匀性、暗电流及噪声都有较高要求，某些用于空间科学和研究用的CCD, 还要求有很强的抗辐射损伤能力。 CCD技术的应用 CCD技术在数码相机中的应用： CCD技术的应用 CCD在数码相机中成像原理 三层结构 微型镜头：扩展CCD的采样率； 分色滤色片：过滤去人眼所不能看到的光线 感光层：光源转换成电子信号，传送到影响处理芯片。 四、后来崛起者CMOS 数字图像处理的新竞争者：CMOS CMOS是“互补金属氧化物半导体”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的简称。 CMOS的相对优势： 信息读取方式更灵活、速度更快、耗电量更低。 CMOS的相对不足： CCD技术更成熟，成像质量更好，工艺成熟成本相对低。 但近年来，CMOS技术得到了迅速发展，高密度优质CMOS成像器件已经面市。 Thank you!