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1、萬方數(shù)據(jù)2009NO．20一ChinaNewTechnologiesaI-dProductsCCD圖像傳感器原理周紅平(中山大學(xué)嶺南(大學(xué))學(xué)院，廣東廣州510275)信息技術(shù)摘要：CCD(ChargeCoupledDevice．s，CCD)fl70年代初誕生以來，已迅速發(fā)展成為最常用的固體圖像傳感器，且廣泛應(yīng)用于科技、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、"r．tk、軍事和消費(fèi)領(lǐng)域。它是圖像采集與數(shù)字化的關(guān)鍵器件。本文介紹了CCD圖像傳感器成像原理、工作原理、結(jié)構(gòu)等，并對其電路組成及相關(guān)電學(xué)參數(shù)進(jìn)行了說明。關(guān)鍵詞：圖像傳感器；CCDCCD直接將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電荷信號，以實(shí)現(xiàn)圖像的存儲(chǔ)、處理和碴示。其特點(diǎn)體現(xiàn)在4
2、個(gè)方面：1)飾：積小，重量輕，能耗少，—r：作電壓低，抗沖擊與振動(dòng)．壽命長；2)靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大；3)響應(yīng)速度快，刷新時(shí)無殘留痕跡。攝像啟動(dòng)快；4)利用VLSI技術(shù)生產(chǎn)，象素密度高，尺寸精確，批量生產(chǎn)成本低。lCCD分類&從CCD的工作特性可分為：線性CCD和矩陣式CCD。h從工藝特性又可分為：單CCD、3CCD及SuperCCD三種。a按光譜可分為可見光CCD、紅外CCD、)‘光CCD和紫外CCD。2CCD結(jié)構(gòu)CCD從結(jié)構(gòu)上分為線陣CCD和面陣CCD。從受光方式分為正面光照和背面光照兩種。線陣CCD有單溝道和雙溝道兩種信號瀆出方式，其中雙溝道信號讀出方式的信號轉(zhuǎn)移效率高。面陣CC
3、D的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常見的有幀轉(zhuǎn)移(Fr)CCD、全幀轉(zhuǎn)移(F丌)CCD、隔列內(nèi)線轉(zhuǎn)移(Il，r)CCD、幀內(nèi)線轉(zhuǎn)稅Frr)CCD、累進(jìn)掃描內(nèi)線轉(zhuǎn)移(PSIT)CCD等。3CCD成像原理CCD(ChargeCoupledDevices，CCD)由大量獨(dú)立光敏元件組成，每個(gè)光敏元件也叫—個(gè)像素。這些光敏元件通常是按矩陣排列的，光線透過鏡頭照射到光電二極管上，并被轉(zhuǎn)換成電荷。每個(gè)元件上的電荷量取決于它所受到的光照強(qiáng)度，圖像光信號轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)CCD工作時(shí)，CCD將各個(gè)像素的信息經(jīng)過模傲轉(zhuǎn)換器處理后變成數(shù)字信號，數(shù)字信號以一一定格式壓縮后存入緩存內(nèi)，然后圖像數(shù)據(jù)根據(jù)不間的需要以數(shù)字信號和視頻信號的方式輸
4、出。圖1CCD構(gòu)造CCD工作過程可分為電荷存儲(chǔ)、電荷轉(zhuǎn)移、電荷輸出和圖像信息還原四個(gè)階段。3．1電荷存儲(chǔ)構(gòu)成CCD基本單位是MOS電容器，類似于MOS晶體管結(jié)構(gòu)，和其他電容器一樣，MOS電容器能夠儲(chǔ)存電荷。當(dāng)金屬電極(稱為柵)加正電／玉04(襯底接地)，在電壓的作用下，就會(huì)產(chǎn)生—個(gè)垂直于襯底表面的電場。在此電場的作用下，P型硅中的多子空穴被向下排斥，形成耗盡層。電子在那里勢能較底，可以形象化地說，形成了電子的勢阱，勢阱中能夠容納多少個(gè)電子，取決于勢阱的“深淺”，柵電壓越大，勢阱越深。一28一中國新技術(shù)新產(chǎn)品㈣舶擘●螂羽聃幡羽嘲■圖2CCD電荷存儲(chǔ)3．2電荷轉(zhuǎn)移若CCD基本單位MOS電容器之間排
5、列足夠緊密(通常相鄰MOS電容電極間隙小于31-Lm)，使相鄰MOS電容的勢阱相互溝通。即相互耦合。那么就可使信號電荷(電子)在各個(gè)勢阱中轉(zhuǎn)移，并力圖向表面勢S最大的位置堆積。因此，在各個(gè)柵極上加以不同幅值的正向脈沖C，就可改變它們對應(yīng)的MOS的表面勢s，亦即可改變勢阱深度，從而使信號電荷由淺阱向深阱自由移動(dòng)。就電荷轉(zhuǎn)移方式來講，CCD有二相、三相、四相等多種結(jié)構(gòu)形式。下面是三相CCD轉(zhuǎn)移圖：-’=r—_——tj———一●’---r一—1---廣——唧'。'-，——_‘_-r—o-_、冒，—_-_t=r-_1．■圖3三相電極結(jié)33電荷輸出圖5圖像信息還原4．1靈敏度它是指在一定光譜范圍內(nèi)單位曝
6、光量的輸出信號電壓(電流)。也相當(dāng)于投射在光敏元匕的單位輻射功率所產(chǎn)生的電壓(電流)。4．2量子效率如果說靈敏度是從宏觀角度描述CCD光電特性，那么量子效率是對同—個(gè)問題的微觀描述，可以理解為1個(gè)光子能產(chǎn)生的電子數(shù)。43光譜響應(yīng)特性主要由光電二極管特性決定。下圖是Si光電二極管的光譜響應(yīng)曲線。si材料的禁帶寬度決定了光譜響應(yīng)的長波極限，由于波長愈短，半導(dǎo)體對光波的吸收系數(shù)愈小。這就決定了光譜響應(yīng)的短波極限。二及攀么電荷輸}}j結(jié)構(gòu)有多種形式，如“電流輸出”結(jié)構(gòu)、“浮置擴(kuò)散輸}Ij'’結(jié)構(gòu)及“浮置柵輸出”結(jié)構(gòu)。其中“浮置擴(kuò)散輸出”結(jié)構(gòu)及“浮置柵輸出”結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣泛，結(jié)構(gòu)如下圖：∞圖4CCD輸出端
7、形式(a)浮置擴(kuò)散輸出(b)浮置柵輸出3．4圖象信息還原Bayer方式濾色器，R—G墻-G四個(gè)單元為一組，G是R和B的兩倍，因?yàn)槿搜鄣囊曞F細(xì)胞對綠色更敏感?，F(xiàn)在數(shù)碼相機(jī)普遍采用的方式：R—G卜B—Gb混合色亮度等于R、G、B各分量亮度之和，根據(jù)R、G、B三分量比例來還原色彩。4CCD主要參數(shù)CCD主要參數(shù)有：總像素、有效像素、尺寸、靈敏度、量子效率、光譜響應(yīng)特性、轉(zhuǎn)移效率、不均勻度、動(dòng)態(tài)范圍、采樣
