(王烨)第五章电荷耦合器件详解.ppt

光电成像技术 2010/2011 第二学期 王烨 wangye35@ 参考教材： 《光电成像原理》  作?? ?者?? 编著:邹异松 刘玉凤 白廷柱 出 版 社??北京理工大学出版社 书?? ?号?? 81045-231-2 第五章 电荷耦合器件 charge-coupled device;CCD 固体成像器件 利用内光电子效应工作在非真空环境下的器件。 电荷耦合器件——CCD CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·波义耳(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯（George E. Smith）所发明的(获2009年诺贝尔物理学奖)。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（Charge Bubble Devices）。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。　到了70年代，贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。 　　北京时间2009年10月6日，2009年诺贝尔物理学奖揭晓，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将该奖项授予一名中国香港科学家高锟(Charles K. Kao)和两名科学家维拉·波义耳(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯（George E. Smith）。科学家Charles K. Kao 因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就” 而获奖，科学家因博伊尔和乔治-E-史密斯因“发明了成像半导体电路——电荷藕合器件图像传感器CCD” 获此殊荣。 单镜头反光照相机 SLRD(single lens reflex ) 在这种系统中，反光镜和棱镜的独到设计使得摄影者可以从取景器中直接观察到通过镜头的影像。单透镜反光照相机的构造图中可以看到，光线透过镜头到达反光镜后，折射到上面的对焦屏并结成影像，透过接目镜和五棱镜，我们可以在观景窗中看到外面的景物。拍摄时，当按下快门钮，反光镜便会往上弹起，软片前面的快门幕帘便同时打开，通过镜头的光线(影像)便投影到软片上使胶片感光，尔后反光镜便立即恢复原状，观景窗中再次可以看到影像。单镜头反光相机的这种构造，确定了它是完全透过镜头对焦拍摄的，它能使观景窗中所看到的影像和胶片上永远一样，它的取景范围和实际拍摄范围基本上一致，消除了旁轴平视取景照相机的视差现象，从学习摄影的角度来看，十分有利于直观地取景构图。 上图以35mm胶片为基准，对各种代表性尺寸的图像感应器进行了并列对比。可以发现就算是最普通的APS-C尺寸图像感应器也拥有足够大的面积，与小型数码相机有着明显的差异。小型数码相机的图像感应器（1/2.5英寸型）与 APS-C尺寸图像感应器的面积比约为 13倍左右，与全画幅图像感应器相比，差距就更明显，大约在 35倍左右。面积增大不仅导致虚化效果不同，而且图像感应器内的单一像素所接收到的光量也成比例增加，所以成像噪点也得到减少。另外，所能够再现的从白色到黑色的层次范围区间（动态范围）也与面积成正比，变得更加宽广。 CCD是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device) CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。 CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。 电荷存储 在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。 加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。 当UG＞ Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子(少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。 反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。 电荷的转移（耦合） 第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。 若此后第一个电极电压由