CCD图像传感器.ppt

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CCD实物 常见的基于CCD光电耦器件的设备 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(Metal Oxide Semiconductor,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 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。 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。 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2 V,(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和传统底片相比,CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过,人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞,分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展,大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。 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(Mouth anus),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。 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。 CCD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:(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,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

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