CCD图像传感器.ppt

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