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1、CCD圖像傳感器小組成員:陳先雄姚帥張旭肖峰河北科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)CCD（ChargedCoupledDevice）簡介CCD全稱電荷耦合器件。它可以將“光”的信息轉(zhuǎn)換成“電”的信息，就是將光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD的原型是由高純度的硅及集成在周圍的電路組成的。每個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳遞到下一個(gè)像素中，并由最底端輸出且保存為數(shù)字信號(hào)。CCD發(fā)展史1969年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）的維拉·波義耳（Willard·Boyle）和喬治·史密斯（GeorgeE·Smith）發(fā)明了CCD維拉·波義耳（Wil
2、lard·Boyle）和喬治·史密斯（GeorgeE·Smith）1973年仙童公司制造出第一只商用CCD成像器件，索尼CCD技術(shù)起步也較早于1980年制造出了第一部CCD彩色攝像機(jī)，1999年富士公司研制出了第一代超級(jí)CCD（SuperCCD），采用八角形的光電二極管和蜂窩狀的像素排列，使得在單位像素面積不減小的基礎(chǔ)上增大了CCD的總面積,它有更高的靈敏度、更高的信號(hào)噪聲比并有更廣泛的動(dòng)態(tài)范圍。我國的CCD技術(shù)起步較晚。落后先進(jìn)國家10年以上。CCD結(jié)構(gòu)示意圖顯微鏡下的MOS元表面一、CCD的結(jié)構(gòu)1.基本結(jié)構(gòu)CCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：（1）MOS
3、（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）光敏元陣列；電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬）個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。（2）讀出移位寄存器。光敏單元對(duì)光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少.，取樣結(jié)束后各光敏元電荷由轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器的相應(yīng)單元中.移位寄存器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的作用下,將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端.將輸出信號(hào)接到示波器、圖象顯示器或其它信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備CCD圖像傳感器的原理CCD光信息電脈沖脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱輸出脈沖的順序可以
4、反映一個(gè)光敏元的位置完成圖像傳感特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作原理信號(hào)電荷的產(chǎn)生信號(hào)電荷的存貯信號(hào)電荷的傳輸信號(hào)電荷的檢測(1)信號(hào)電荷的產(chǎn)生半導(dǎo)體物理學(xué)知識(shí)告訴我們，熱或光的激發(fā)可在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，故半導(dǎo)體載流子有帶負(fù)電荷的電子，也有帶正電荷的空穴。P型半導(dǎo)體里空穴濃度高，為多數(shù)載流子，電子濃度少，為少數(shù)載流子，N型半導(dǎo)體則相反。當(dāng)外界有光信號(hào)射入到MOS電容器的P型半導(dǎo)體內(nèi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，光越強(qiáng)，電子-空穴對(duì)越多，這樣光的強(qiáng)弱就與電子-空穴對(duì)的數(shù)量對(duì)應(yīng)起來，信號(hào)電荷產(chǎn)生了，光信號(hào)就轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
5、當(dāng)金屬電極上加正電壓時(shí)，由于電場作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對(duì)電子而言，是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱”。有光線入射到硅片上時(shí)，光子作用下產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢阱（俘獲），此時(shí)勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。(2)信號(hào)電荷的存儲(chǔ)(3)信號(hào)電荷的傳輸CCD的基本功能是具有存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷的能力，故又稱它為動(dòng)態(tài)移位寄存器。實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移條件：首先，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)換，首先必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。通常相鄰MOS電容電極間隙必須小于3μm，
6、甚至小至0.2μm以下。其次，根據(jù)加在MOS電容上的電壓越高，產(chǎn)生的勢阱越深的原理，通過控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺，使信號(hào)電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處。第三，在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。CCD輸出部分的任務(wù)：將CCD中信號(hào)電荷無破壞地收集和檢測出來。信號(hào)電荷的檢測方式：電流輸出方式和電壓輸出方式。舉例：浮置擴(kuò)散放大器(4)信號(hào)電荷的檢測CCD器件的物理性能可以用特性參數(shù)來描述內(nèi)部參數(shù)描述的是CCD存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷有關(guān)的特性,是器件理論設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；外部參數(shù)描述的是與CCD應(yīng)用有關(guān)的性能指標(biāo)主要包括以下內(nèi)容：電荷
7、轉(zhuǎn)移效率、轉(zhuǎn)移損失率、工作頻率、電荷存儲(chǔ)容量、靈敏度、分辨率。特性參數(shù)CCD固態(tài)圖像傳感器作為攝像機(jī)或像敏器件，取代攝像裝置的光學(xué)掃描系統(tǒng)（電子束掃描），與其它攝像器件相比，尺寸小、價(jià)廉、工作電壓低、功耗小，且不需要高壓;作為機(jī)器人視覺系統(tǒng)；M2A攝影膠囊（Mouthanus）,由發(fā)光二極管做光源，CCD做攝像機(jī)，每秒鐘兩次快門，信號(hào)發(fā)射到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器取下后接入計(jì)算機(jī)將圖像進(jìn)行下載。CCD傳感器應(yīng)用線陣CCD進(jìn)行工件尺寸測量M2A膠囊CCD在醫(yī)療診斷中的應(yīng)用
