CCD器件简介

CCD器件简介前言CCD，英文全称：Charge-coupledDevice，中文全称：电荷耦合器件。CCD是一种半导体器件，它利用光电转换原理把图像信息直接转换成电信号,这样便实现了非电量的电测量。同时它还具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、工作速度快、测量精度高、寿命长等诸多优点,因此受到人们的高度重视,在精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空遥感等领域中,发挥着重要的作用[1]。CCD的发展历程CCD是于1969年由美国贝尔实验室（BellLabs）的维拉·博伊尔(WillardS.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引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（FairchildSemiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（TexasInstruments）。其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。自二十世纪80年代开始，摄影技术出现了革命性的突破，CCD得到广泛应用。目前，CCD技术已发展成一项具有广泛应用前景的新技术，成为现代光电子与测试技术中最受关注的研究热点之一。例如，在国防军事领域，CCD成像技术在微光、夜视、遥感应用中发挥着巨大的作用，适应了现代高技术战争的需求，成为军事微电子学的研究热门；在科研领域，由于其灵敏度高、噪声低，成为研究宏观（如天体）和微观（如生物细胞）现象不可缺少的工具；CCD具有成本低、小而轻的特点，在图像通信领域也获得了广泛的用途；在工程测量领域，CCD在工件尺寸测量、工件表面质量检测、物体热膨胀系数测量、光强分布测量等方面都有很好的应用。器件特点CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD的基本功能是电荷的储存和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储传输和检测。CCD本身具有高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其有的特性密切相关。因此各种CCD器件广泛应用于军事、工业、商业医学、科研等领域。电荷耦合摄像器件是用于摄像或像敏的器件。简称为ICCD。它的功能是把二维光学图像信号转变为一维时序的视频信号输出。它有两大类型：线阵和面阵。二者都需要用光学成像系统将景物图像成在CCD的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元(MOS电容)中。然后，再转移到CCD的位移寄存器(转移电极下的势阱)中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。CCD的结构CCD结构包含以下部分：1.感光二极管（Photodiode）；2.并行信号寄存器（ShiftRegister）：用于暂时储存感光后产生的电荷；3.并行信号寄存器（TransferRegister）：用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大；4.信号放大器：用于放大微弱电信号；5.数模转换器：将放大的电信号转换成数字信号；CCD的工作原理1.CCD数据采样CCD可用于位置、尺寸和图像的检测，根据CCD传感器视频信号应用的差异，CCD视频信号的处理有两种方法：一是对CCD信号进行二值化处理后，再进行数据采样：二是对CCD视频信号采样、量化编码后再采样到计算机系统。由于线阵CCD既具有高灵敏度的光电转换功能，又具有光电信号的存储和快速读出功能，所以通过一组时序脉冲的驱动控制(驱动器)，可以实现对目标光源的实时光电转换与信号读出。当入射在CCD像元上成像时，入射光子被CCD像元吸收并产生相应数量的光生电荷。在光积分期间，光生电荷被积累并储存在彼此隔离的相应像元的势阱中所积累的信号电荷数与照射在该像元面上的平均照度和光积分时间的乘积成正比。在电荷转移期间，光生电荷依次转移至输出区，通过复位脉冲的控制，在输出极形成视频信号，每次积分的输出波形代表目标光图像在CCD采样方向的瞬态强度的空间分布，输出视频信号经过低噪声宽带放大器放大处理后，每个光斑的输出波形。然后，对CCD的视频信号进行二值化处理，二值化的前沿和后沿分别对应CCD像元的信号，计算出这两个像元位置的平均值，既为光线的中心位置，这即是一个检验数据。在CCD连续工作下，所有的检测数据经过处理后，通过通讯电路将结果传送给计算机。2.CCD信号处理及二值化处理:在进行CCD在线检测时，干扰光线较难克服，而且光源使用一段时间，光强也会变弱，这样会引起CCD输出信号幅度变化，从而导致测量误差，因此对上边的电路作了一定改进，即让阀值电压随CCD视频信号的幅值变化，改进后的浮动阀值电路。当光源强度变化引起CCD视频信号变化时，可以通过电路CCD视频信号的起伏反馈到阀值上，使阀值电压随之改变，从而保证在光较弱时，二值化电路仍能输出二值化信号。二值化处理后输出的信号为二值化信号。二值化信号为一个方波形,该波形的前沿和后沿分别对应CCD像元的序号，计算出两个像元位置的平均值，即为线光源在CCD上成像的中心位置，从而获得一个检测数据。在CCD连续工作下，所有的检测数据经处理后，再经过并行通讯电路将结果传给计算机进行下一步处理。电荷耦合器件(CCD)具有自扫描、光电灵敏度高和几何尺寸精确等一系列优点，因此在光电非接触测量中得到了广泛应用。它能将光强分布的空间信息转换为电信号序列信息，当它对空间光强分布一次采样后、以电信号形式串行输出[1]。为了保证信号质量，在每个像素上光信号积分时间有严格限制，一般要求串行传送速率为几千到几兆赫兹。而在工业测量系统中，广泛使用的单片机指令速度相对较慢。对于80C196KB单片机，若外部时钟为12MHz，内部二分频后为6MHz，多数指令执行周期都超过了1us[2].3.CCD电荷的产生、转移原理:CCD是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成，每一个光敏像元就是一个MOS电容器。它的突出特点是以电荷用为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。4.CCD光电转换当在MOS电容器的栅极上加上一个小的正电压时，半导体中的自由空穴被排斥到远离栅极的一边，在SiO2的表面下形成一层电子的耗尽区，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做势阱[1]。正栅压进一步增加，在界面上的电子层形成反型层。当光入射到耗尽区时，因内光电效应将产生电子-空穴对（硅吸能量释放价电子，形成电子-空穴对），在耗尽区电场作用下，空穴流入衬底部，电子则积存于半导体表面，这样势阱中就积存了一定量的电荷，且势阱中积存的电荷量入射光强度成正比（CCD饱和的情况除外）。5.CCD像素输出CCD信号电荷的传输是通过控制各个像素上的电极电压，电荷就会从电压低的电极转移到电压高的电极下，使信号电荷随着电极电压的周期性变化在半导体表面或者体内做定向运动。线阵CCD电荷包只单方向传递，每一个扫描周期，所有像素都沿着电极相继传递，进行像素的水平移动，直到所有像素全部输出。6.工作原理例析传真机所用的线性CCD，影像经透镜成像于电容阵列表面后，依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影，通过一系列细长条的组合形成图像。而数码相机或摄影机所用的面阵CCD则一次捕捉一整张影像，或从中撷取一块方形的区域。一旦完成曝光的动作，控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元，到达边缘最后一个单元时，电荷讯号传入放大器，转变成电位。如此周著复始，直到整个影像都转成电位，取样并数位化之后存入内存。储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。主要性能(1)像元分辨率与摄像分辨率：对于摄像系统而言，CCD图像扫描方式是被采用金属网栅采样的显微图，像元分辨率和摄像系统分辨率是CCD图像传感器是两个很重要的参数指标。所谓像元分辨率就是指CCD图像传感器中每一个像元所覆盖的被测物体宽度，由于CCD依据几何学光学原理，而没考虑摄影物的对比度，显微光学系统的衍射以及像位移的影响。但是，对于摄像系统而言，最具意义的参数是摄像分辨率，k为科尔系数，它与摄影物的对比度、光学系统等有关，通常情况下，当被摄影物的对比度比较高时，科尔系数取值在1.4左右，而当对被摄影物的对比度较低时，科尔系数取值为2。(2)像素几何尺寸和放大倍数：对于CCD图像传感器，首先需要确定的参数便是CCD像素几何尺寸，因为它将直接影响显微系统的放大倍数。一旦像元分辨率确定，为了减小系统的放大倍数，需要选择像素几何尺寸小的CCD图像传感器。但是，CCD的几何尺寸的选取毕竟存在一定的限度，一旦系统分辨率需要提高，那么最有效的途径就是增加光学系统的放大倍数。线阵CCD的特点如前文所述，CCD有两大类型：线阵和面阵。目前较为常用的是线阵CCD。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像(线阵CCD如右图所示)。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。值得注意的是，线型CCD可直接接收一维光信息，而不能直接将二维图像转变为视频信号输出。为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法来实现。CCD的加工工艺CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，现在市场上所说的TTL和CMOS其实都是CCD，只不过是加工工艺不同，前者是毫安级的耗电量，而后者是微安级的耗电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。CCD广泛用于工业，民用产品。