CCD图像传感器剖析

CCD图像传感器姓名ＣＣＤ（ChargeCoupledDevice，感光耦合组件简称）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。CCD图像传感器简介CCD实物常见的基于CCD光电耦器件的设备嫦娥二号携带的CCD立体摄像机CCD图像传感器CCD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。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。CCD传感器的基本结构CCD基本结构分两部分：1.MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列；2.读出移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。MOS光敏元结构MOS（MetalOxideSemiconductor,MOS）电容器是构成CCD的最基本单元。CCD分辨率分辨率指的是ＣＣＤ中有多少像素，也就是ＣＣＤ上有多少感光组件，分辨率是图像传感器的重要特性。（像素=分辨率长宽数值相乘，如：640X480=307200，就是30W像素）CCD分辨率主要取决于CCD芯片的像素数。其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减少将导致灵敏度的降低。CCD基本工作原理1.信号电荷的产生2.信号电荷的存贮3.信号电荷的传输4.信号电荷的检测工作原理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（也就是光生伏打效应）。1.信号电荷的产生信号电荷的产生（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。当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子—空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。2、信号电荷的存储一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金属电极加电压，就形成百上千个势阱；如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。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时在栅极G电压为零时，P型半导体中的空穴(多数载流子)的分布是均匀的。当施加正偏压UG(此时UG小于p型半导体的闽值电压Uth)，空穴被排斥，产生耗尽区。电压继续增加，则耗尽区将进一步向半导体内延伸。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。三个时钟脉冲的时序123t1t2t3t4t5Ф3P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的MOS结构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。通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以实现光电荷在相邻势阱间的转移。3、信号电荷的传输（耦合）(a)初始状态；(b)电荷由①电极向电极②转移；(c)电荷在①②电极下均匀分布；(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②电极；(f)三相转移脉冲图中CCD的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在偏压为10V的(1)电极下面的深势阱中，其他电极加有大于阈值的较低的电压(例如2V)，如图(a)所示。一定时刻后，(2)电极由2V变为10V，其余电极保持不变，如图(b)。因为(1)和(2)电极靠的很近(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在(1)下的电荷变为(1)和(2)两个电极共有，图(C)示。此后，改变(1)电极上10V电压为2V，(2)电极上10V不变，如图(d)示，电荷将转移到(2)电极下的势阱中。由此实现了深势阱及电荷包向右转移了一个位置。CCD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CCD工作过程示意图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。CCD结构类型目前，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。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)。超级CCD传统CCD超级CCD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%。CCD传感器应用CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCD被广泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机；作为机器人视觉系统；用于传真技术，文字、图象、车牌识别。例如用CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；M2A摄影胶囊（Mouthanus）,由发光二极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。线性CCD图像传感器的应用实例）光积分单元（感光单元不透光的电荷转移机构输出转移栅L12345678910尺寸检测实例测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。成像物镜的放大倍率为β，CCD相元尺寸为t，上壁厚、下壁厚分别为n1、n2，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为N，测量结果有：1122///dntdntDNt分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。1d2dDCCD与CMOS比较图像传感器可以分为两类：1、CCD：电荷耦合器件。CCD的优点是灵敏度高，噪音小，信噪比大。但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。在网络摄像头产品上，很少采用CCD图像传感器。2、CMOS：（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互补性氧化金属半导体）。CMOS的优点是集成度高，功耗较低、成本低，对光源要求高。CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别。在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。目前，主流的手机用的都是CMOS传感器，如三星GalaxyNote2、iPhone5、小米2、魅族MX四核版、诺基亚Lumia800等。