CCD基本原理解析

CCD原理浙大光电系王欣冉整理QQ:39158405光电器件及系统概述电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,简称CCD)是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。光学系统CCD图像处理一、CCD传感器的基本原理CCD的最基本单元MOS电容器是构成CCD的最基本单元是，它是金属—氧化物—半导体（MOS）器件中结构最为简单的。金属电极氧化物半导体MOS电容器1、信号电荷的产生CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD可以将入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光电效应（也就是光生伏特效应）。信号电荷的产生（示意图）金属电极氧化物半导体e-e-e-e-e-e-e-光生电子入射光MOS电容器CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。2、信号电荷的存储信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-势阱入射光MOS电容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUGUth时UGUth时CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。3、信号电荷的传输（耦合）一个像素沟阻，定义了图像区的列平面图图示为CCD成像区的一小部分（几个像素）。图像区中这个图案是重复的。①②③三相CCD的电荷转移过程示意图电荷包转移驱动脉冲像元Pn转移方向像元Pn+1像元Pn+2CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。输出类型，主要有以下三种：1）电流输出2）浮置栅放大器输出3）浮置扩散放大器输出4、信号电荷的检测ODOSRDRSW输出节点衬底输出FET复位FET相加阱20mm输出漏极(OD)输出源极(OS)输出管栅极输出节点电容R复位漏极(RD)相加阱(SW)串行寄存器最后的几个电极末级电极典型CCD片内放大器的显微照片和片内放大器的线路图.+5V0V-5V+10V0VRSWVoutODOSRDRSW复位FET相加阱串行寄存器的末端Vout测量过程由复位开始，复位会把前一个电荷包的电荷清除掉。输出节点输出FET+5V0V-5V+10V0VRSWVout电荷输送到相加阱。此时，Vout是参考电平。在这个期间，外部电路测量参考电平。+5V0V-5V+10V0VRSWVout相加阱将电荷输送到输出节点电容，Vout下降到信号电平。+5V0V-5V+10V0VRSWVout外部电路对Vout进行采样，所采样的Vout电平与信号电荷包中的电荷浓度成正比。至此，完成了信号电荷包的测量。CCD的工作过程示意图背照明光输入1电荷生成2电荷存储3电荷转移复位输出4电荷检测半导体CCD传感器基本原理CCD的MOS结构Ф3P型Si耗尽区电荷转移方向Ф1Ф2输出栅输入栅输入二极管输出二极管SiO2CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列,其构造如图39所示。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极）,形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中Ф1极下），形成电荷包（势阱）。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。12313123123123N＋12N＋626364P型衬底输入Gi123Go2SiO2输出CCD芯片的构造每个光敏元（像素）对应有三个相邻的转移栅电极1、2、3,所有电极彼此间离得足够近,以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的1电极相连并施加时钟脉冲φ1,所有的2、3也是如此,并施加时钟脉冲φ2、φ3。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭。图40三个时钟脉冲的时序123t1t2t3t4t5如何实现电荷定向转移呢？电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。见图P1P1P2P2P3P3tP1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3Ф(b)电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t30三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。CCD电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图(b)采用电注入方式。当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）；当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）；当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中（t=t2）。然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势阱（t=t3），以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。2．线型CCD图像传感器线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅,如图8(a)所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。转移栅光积分单元不透光的电荷转移结构光积分区输出转移栅(a)(b)线型CCD图像传感器输出3．面型CCD图像传感器面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。二相驱动视频输出行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区沟阻P1P2P3P1P2P3P1P2P3感光区存储区析像单元视频输出输出栅串行读出面型CCD图像传感器结构(a)(b)图（b）所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器。光栅报时钟二相驱动输出寄存器检波二极管视频输出垂直转移寄存器感光区二相驱动(c)图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图(b)中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生产的产品的单元数也越来越多，最多已达1024×1024像元。我国也能生产512×320像元的面型CCD图像传感器。二、CCD传感器的结构类型按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵和面阵两大类。（1）线阵CCD转移次数多、效率低。只适用于像素单元较少的成像器件。转移次数减少一半，它的总转移效率也提高为原来的两倍。转移栅像敏单元CCD移位寄存器像敏单元转移栅转移栅单沟道线阵CCD双沟道线阵CCD线阵CCD每次扫描一条线为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。（2）面阵CCD按照一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄作器排列成二维阵列。就可以构成二维面阵CCD。帧转移面阵CCD结构图水平读出寄存器（遮光）优点：电极结构简单，感光区面积可以很小。缺点：需要面积较大大暂存区。帧转移面阵CCD工作过程隔列转移面阵CCD结构图光敏区优：转移效率大大提高。缺：结构较为复杂。隔列转移面阵CCD工作过程面阵CCD同时曝光整个图像常用面阵CCD尺寸系列尺寸靶面尺寸宽高对角线1英寸12.7mm9.6mm16mm2/3英寸8.8mm6.6mm11mm1/2英寸6.4mm4.8mm8mm·1/3英寸4.8mm3.6mm6mm1/4英寸3.2mm2.4mm4mm三、CCD传感器发展状况（一）概述自1970年美国贝尔实验室成功研制第一只电荷耦合器件（CCD）以来，依靠业已成熟的MOS集成电路工艺，CCD技术得以迅猛发展。其应用涉及到航空、航天、遥感、卫星侦察、天文观测、通讯、交通、机械、电子、计算机、机器人视觉、新闻、广播、金融、医疗、出版、印刷、纺织、医学、食品、照相、文教、公安、保卫、家电、旅游等各个领域。（二）CCD生产厂家目前有能力生产CCD的国外厂家有：国家厂家日本SONY，FUJIFILM（富士胶片），Panasonic，SANYO，Sharp美国Kodak（柯达），贝尔实验室荷兰Philips法国汤姆逊无线电公司（CSF），EEV公司英国英国通用电气公司（GEC）我国的CCD研制工作起步较晚，目前整体落后于日欧美等国，但是发展潜力很大。嫦娥二号携带的CCD立体摄像机提高分辨率与单纯增加像素数之间存在着一种矛盾。富士公司对人类视觉进行了全面研究，研制出了超级CCD(SuperCCD)。（三）特殊CCD的发展1.超级CCD传统CCD超级CCD由于地球引力等因素影响，图像信息空间频率的功率主要聚集于水平轴和垂直轴，而45°对角线上功率最低。根据富士公司发表的技术资料，超级CCD的这种排列方式，感光时可以达到传统CCD两倍的分辨力。45°排列结构用八角形像素单元取代传统矩形单元，使像素空间效率显著提高、密度达到最大，从而可以使光吸收效率得到显著提高。正八角形的像素外形超级CCD的性能提升1.分辨力独特的45°蜂窝状像素排列，其分辨力比传统CCD高60%。2.感光度、信噪比、动态范围像敏元光吸收效率的提高使这些指标明显改善，在300万像素时提升达130%。3.彩色还原由于信噪比提高，且采用专门LSI信号处理器，彩色还原能力提高50%。截止2009年2月4日，日本富士公司已研发了8代超级CCD。SuperCCDEXR2.四色感应CCD传统三原色CCDSony发布的四色感应CCD-ICX456新增的这个颜