ccd图像传感器工作原理：CCD图像传感器工作原理图解

本文转载自：新机器视觉
1969年，沃勒德?保尔(Willard Boyle)与乔治?艾沃德?史密斯(George E. Smith)于美国电报电话公司的贝尔实验室(AT&T Bell Labs)发明了电荷耦合组件(Charge Coupled Device，CCD)。1970年，二人把记述CCD发明的技术文章提交到《贝尔系统技术期刊》(Bell System Technical Journal)。他们开发CCD的原意是把它用于建构内存装置。不过，保尔和史密斯1970年的研究出版后，其它科研人员开始把有关技术试作于其它方面的应用。天文学家发现CCD具有相较摄影胶片高100倍的感光能力，因而可以用于拍摄高分辨率的遥距图像。
Teledyne e2v CCD47-20 背照13.3 μm 像素1024 x 1024传感器
CCD是一个具有极高灵敏度的光子传感器。一个CCD 会被分割成大量微小光敏单元(就是我们常说的像素)，以便用于整合成目标画面。一个光子来到某个像素的范围时，便会转换成一个(或多个)电子，而收集到的电子数量会与每个像素接收的光线强度成正比例。当CCD时钟输出时，每个像素内的电子数目便会被测量出来，以用于重建画面。
CCD阵列切面图
在集成级，电荷通过电子云或电子斗采集到偏置电极。每个像素需要最少两个电极用于控制这一电荷采集，不过科学设备一般会使用四个电极以便于优化尖峰信号。
在这区域里，电荷会与一个正向施加电压一同采集。在具体工作中，电荷储存于掩埋通道部分以避免与表面有接触，而各个通道‘行’之间则有通道阻绝层作分隔。上图显示了单个CCD像素的结构。大量的像素组合起来，便构成一个成像设备，例如Teledyne e2v 的CCD290便具有8100万像素。下图显示的是一个3x3的像素阵列。
带电极和通道‘行’的CCD阵列切面图
用于控制CCD内电子活动的电极或门是以多晶硅(而不是金属)制成，它的透明度能够让400 nm左右波长的光线通过。由于所有像素都是一致而且通过同一端口读出，所以能够提供质量均一的图像。
读出
在大多数的CCD里，每个像素里的电极经配置，电荷会沿着通道‘行’向下转移。因此，当CCD时钟工作时，各个列会向下转移到最后一行(即读出记录器)，然后把每一像素的电荷转移到CCD外部以便于测量。而在读出记录器里的电极经配置，电荷会以水平方向在记录器内转移。
电荷从被采集到读出，它是以每次一个电荷包的形式传送到一个输出放大器，在那里电荷会转换为电压。在读出工作进行时，电极会在高电压和低电压之间交换偏置，以便于电荷沿着阵列向下转移。
下图显示单个转移步骤的工作原理。在一个4相位架构里，要把一个像素沿着阵列传送到底部，便要进行4次转移。
在某个相位的图像范围内的所有电极都是互连的，所以要把电荷传送到图像范围底部的读出记录器，只需要4个时钟。每次只有一行电荷转移到读出记录器。然后读出记录器会以相同的时钟，每次读出一个像素到输出节点，把电荷转为电压。下图显示了一个4x4像素三相位器件的工作原理：
电荷转移原理
由于整个阵列是通过单个放大器进行阅读，因而可以高度优化输出，尽可能减小噪声并实现极高的动态范围。一般的CCD可以提供100dB 的动态范围以及小于2e的噪声。
一部CCD相机或仪器一般包含一个CCD芯片以及相关电子器件，这些相关器件是用于放大CCD上的小电压、移除噪声、数字化像素数值，以及把每个像素的数值输出到外部，例如是处理器。CCD是一个模拟器件，而模拟电压数值会由相机的电子部件转换为数字格式。
读出记录器
Teledyne成像的传感器的功能涵盖从X光到超长波红外线的整个光谱范围
硬X光/软X光/真空紫外线/紫外线/可见光/短波红外线/中波红外线/长波红外线/超长波红外线
硅/InAs/GaSb (T2SL)/HgCdTe (MCT)/去基板HgCdTe (MCT)/InSb/InGaAs/锗(GE)/InAs/PbS/PbSe/SiAs/VOx
Teledyne e2v可以提供多种成像工程元素周期表上的复合半导体材料，依照应用需求提供合适技术解决方案。其具备的各种图像传感器技术，包括从CCD、CMOS，到混合红外ROIC数组和微测辐射热计，以及更多其它技术。
主要CCD 参数
量子效率
CCD能够测得的光子百分比被称为量子效率(Quantum Effciency，QE)。人类肉眼的QE大约是20%，摄影胶片的QE则是10%左右。而现代的CCD能够实现大于90%的QE。量子效率会因波长而有差异，而通过诸如背薄(backthinning)、 背照 (back-illumination)、反眩光涂层和高阻硅等各种创新，可以使CCD的量子效率涵盖到各种波长。
波长范围
CCD的波长范围可以从0.1nm (软X光) 到 400 nm (蓝色可见光)，甚至达到1000 nm (近红外线)，而尖峰灵敏度可达到700 nm左右。利用背照可以实现较短的X光和紫外光波长检测，而低噪声和高阻硅技术则有助于提高对较长的近红外线波长的灵敏度。
动态范围
能够正确读出同一图像的光亮和模糊来源，是测量器的一个非常有用的特点。测量器准确读出图像内最光亮和最模糊来源二者之间的差异被称为动态范围。
当光线来到CCD上，光子会转换成电子。CCD的动态范围一般是以可成像的最小和最大电子数目为量度单位。落可CCD上的光线越多，在电位井(p-井)内收集到的电子数目也就越多。当电位井无法再接收更多的电子时，意味着像素达到饱和状态。在典型的科学用CCD，这情况大约会在150,000个电子时发生。
可测量的最小信号单位不一定是一个电子(相等于可见波长的一个光子)。具体来说，最小电子噪声一般是与CCD实体结构相关，最小大约是每像素2至4个电子。所以可测量的最小信号是由这读出噪声来决定。单电子或电子倍增CCD(Electron Multiplication CCD，EMCCD) 都是经设计用于高灵敏度测量的超低噪声传感器，可以量度出小至数个光子或电子的信号。
线性度
测量器的另一重要考虑是对它所见的任何图像的线性响应能力。如果CCD测出100个光子，它便会把它们转换为100个电子(假设QE为100%)。在这一状况下，测量器有一个线性响应。线性响应的用处在于无需对图像进行附加处理，便可以测定图像上不同主体的真正和真实密度。
噪声
CCD的噪声表现取决于多个因素。
暗电流
暗电流是由温度产生的噪声。在室温，CCD的噪声表现可以是每像素每秒数千个电子。在这情形下，每个像素有机会在数秒间达到满井容量，使得CCD饱和。
可以利用诸如珀耳帖冷凝器(Peltier cooler)甚至是致冷器(cryo-cooler)等系统来为检测器降温来解决暗电流问题。在-40° C温度下， CCD的噪声表现可以降低到每像素每秒数十个电子。
读出噪声
读出噪声源于每个像素内的电子在CCD输出节点上转换为电压的工作。噪声的幅度取决于输出节点的大小。在减小CCD读出噪声方面已有一些技术进步，而这一工作将继续成为现在和未来CCD发展的重要部分。
读出噪声能影响动态范围，所以必需尽可能减小，这在微小能量检测应用方面至关重要。欧洲航天局(ESA)的 XMM-牛顿太空卫星内检测X光能量中的光子就是一个例子。
功耗
CCD本身需要很小功耗。主要的功耗考虑来自操作CCD和处理图像所需的电子器件。
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ccd图像传感器工作原理：CCD图像传感器的工作原理及其特点

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　　构成CCD的基本单元是MOS（金属－氧化物－半导体）结构。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。工作时，需要在金属栅极上加一定的偏压，形成势阱以容纳电荷，电荷的多少与光强成线性关系。电荷读出时，在一定相位关系的移位脉冲作用下，从一个位置移动到下一个位置，直到移出CCD，经过电荷ˉ电压变换，转换为模拟信号。由于在CCD中每个像元的势阱所容纳电荷的能力是有一定限制的，所以如果光照太强，一旦电荷填满势阱，电子将产生“溢出”现象。另外，在电荷读出时，由于它是从一个位置到下一个位置的电荷转移过程，所以存在电荷的转移效率和转移损失问题。
　　电荷耦合摄像器件（CCD）的突出特点是以电荷为信号载体。它的功能是接受存储模拟电荷信号，并将它逐级转移（并存储）输送到输出端。其基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测，因此实际上相当于一个模拟移位存储器。主要有信息处理用延迟线、存储器和光电摄像器件三个方向应用。
　　CCD有表面（沟道）CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）两种基本类型。作为图像传感器用摄像器件还另外具有光敏元阵列和转移栅，以进行光电转移，并将光电转换的信号电荷转移到CCD转移电极下。
　　由CCD图像传感器的结构和工作原理决定了这类器件有以下优点：
　　● CCD是一种固体化器件，体积小、重量轻、可靠性高、寿命长：
　　● 图像畸变小、尺寸重现性好；
　　● 具有较高的空间分辨率；
　　● 光敏元间距的几何尺寸精度高，可获得较高的定位精度和测量精度；
　　● 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。
　　
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 ...发表于 2020-04-26 09:46?
104次阅读三星正在开发一款全新的一亿像素图像传感器三星的6亿像素传感器将采用类似于1.08亿像素传感器的像素九合一技术。 6亿像素必须使用多像素合成技....发表于 2020-04-26 09:31?
1094次阅读【硬见小百科】看完这篇，请不要再说不懂MOSFE...01 认识功率器件 1.1 功率半导体器件在工业 、消费 、军事等领域都有着广泛应用 ，具有很高的战....发表于 2020-04-26 08:59?
956次阅读采用扩散电阻技术的KTY系列硅传感器的特点及应用...对于许多应用而言，存在着比传统热敏电阻更先进的技术，而传统技术往往只是因为先前设计中一直采用而被频繁....发表于 2020-04-25 17:35?
77次阅读2020第六届深圳国际半导体石英材料及制品应用展
发表于 2020-04-25 10:00?
275次阅读台积电预估今年营收有望成长，下调对整体产业未来的...近日，台积电发布由董事长刘德音与总裁魏哲家共同署名的《致股东报告书》，这是两位台积电最高领导人接班以....发表于 2020-04-24 14:51?
469次阅读高通与京东方将开发集成高通3D Sonic超声波...双方对此次合作表示期待，并已启动在京东方的柔性OLED面板中集成增值和差异化的功能，包括高通3D S....发表于 2020-04-24 10:47?
776次阅读CCD图像传感器在微光电视系统中的应用说明CCD （Charge Coupled Device） ，即电荷耦合器件，是一种金属－氧化物－半导体结构的新型器件，其基本结构是一...发表于 2020-04-24 07:46?
73次阅读多国“禁令”延期，半导体供应链再添变数？！交通受阻是疫情带来的一大问题，供应链则面临着运输不畅的困境。发表于 2020-04-23 14:22?
328次阅读常用电子元器件的识别一、电阻 电阻器我们习惯称之为电阻，是电子设备中最常应用的电子元件之一， 电阻在电路中用“r”加数字表示，如：r13...发表于 2020-04-23 13:03?
412次阅读Astera Labs获B轮融资将与现有制造伙伴...Astera Labs是一家即将迎来迅速发展的公司，它正在逐步提高其连接解决方案的产量，以满足产业界....发表于 2020-04-23 11:55?
535次阅读安森美半导体音频方案可实现超低功耗语音交互的应用音频/语音用户接口（VUI）是未来人机交互的一个重要的新兴趋势，将越来越多地用于智能家居控制、楼宇自....发表于 2020-04-22 22:43?
509次阅读东微半导体超级硅MOSFET系列产品，可取代了氮...东微半导体的GreenMOS系列产品是国内最早量产并进入工业级应用的高压超级结产品系列，在国产品牌中....发表于 2020-04-22 17:09?
550次阅读国产半导体设备厂商在5纳米刻蚀领域有了新成绩半导体产品的生产和制造涉及多种高端精密技术，堪称工业制造皇冠上的明珠。发表于 2020-04-22 17:03?
825次阅读晶圆代工市场保持增长，中国大陆集成电路产业链从低...集成电路关乎国家信息安全的命脉，其进口额是石油进口额的两倍，虽然中国大陆涌现了一批优秀的半导体企业，....发表于 2020-04-22 16:35?
690次阅读接触式图像传感器工作原理_接触式图像传感器优点CIS是英文ContactImageSensor的缩写，直译为“接触式图像传感器”，用在扫描仪中，是....发表于 2020-04-22 15:27?
89次阅读在VxWorks系统下改善RTL8139驱动实现...RTL8139是台湾Realtek半导体公司生产的一种快速以太网控制器，提供符合PCI2.2标准的接....发表于 2020-04-22 10:04?
126次阅读三安集成为宽禁带电力半导体产业发布全新升级生产平...根据Yole分析报告，GaN电力电子市场在2017-2023年间，预计将以55%的年复合增长率速度发....发表于 2020-04-22 09:12?
229次阅读SKC预计将在今年下半年量产高端掩模坯料和光罩基...据韩国消息报道，韩国产业通商资源部20日宣布，SK海力士的姊妹公司SKC预计将在今年下半年大规模生产....发表于 2020-04-21 14:44?
549次阅读高速线阵CCD IL-P1-4096的主要特点、...近年来，电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Devices）在图像拍摄方面起着非常重....发表于 2020-04-21 10:26?
213次阅读图像传感技术演进，是否会影响CIS市场格局？随着移动时代的逐步演进，我们也在手机上看到了越来越多的摄像头，摄像头里最关键的组件当属CMOS图像传....发表于 2020-04-21 09:16?
2910次阅读中科院打破技术垄断，在半导体关键材料技术取得突破要想制造芯片，半导体是不能够缺少的材料，而自然界中的半导体肯定是不能直接使用的，需要通过先进技术的手....发表于 2020-04-20 17:14?
642次阅读AOS冯雷：功率半导体市场存在哪些需求与长期挑战“一场危机往往会成为行业转型和升级的重大契机。AOS在近年来积极进行功率半导体市场多元化开发，从技术....发表于 2020-04-20 16:54?
989次阅读2019年天准科技汽车行业同比增长236.39%...而在光伏行业，天准科技提供的是硅片检测分选设备，不同于消费电子产业客户需求多样的特征，在光伏半导体行....发表于 2020-04-20 16:01?
480次阅读全球半导体硅片出货面积稳步增长，半导体用硅片国产...近年来全球半导体硅片出货面积稳步增长。2018年全球半导体硅片出货面积达127．3亿平方英寸，同比2....发表于 2020-04-20 15:06?
467次阅读欣忆电子第三代半导体六英寸氮化镓项目落户广西桂林...近日，广西桂林高新区管委会与位于中国台湾的欣忆电子股份有限公司通过视频连线召开海峡两岸项目推进会，就....发表于 2020-04-20 10:21?
1190次阅读PB-0300系列CMOS型数字图像传感器的性能...PB-0300系列CMOS型有源像素数字图像传感器，内置模数转换8、位并行数据输出、64个内部寄存器....发表于 2020-04-20 10:21?
89次阅读怎样让第三代半导体这个“贵族”平民化？半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗等，其中，硅是在商业应用....发表于 2020-04-20 09:47?
507次阅读基于PIC16F73微处理器和RS485总线实现...早期的智能电子门锁是采用磁卡作为开门钥匙的磁卡锁，主要用于宾馆客房。随着半导体技术的发展，功能更强、....发表于 2020-04-20 09:38?
162次阅读过压检测芯片MC3423/MC3523的结构性能...随着微电子技术的发展，半导体器件的集成度不断提高。功能越来越完善的微处理器除了片内必须具有的CPU、....发表于 2020-04-19 18:44?
109次阅读LIN通信总线标准和混合信号半导体工艺技术提高汽...LIN 标准是汽车传感器/传动装置通信的重要进步，不过，在与混合信号半导体工艺的最新发展融合之后，它....发表于 2020-04-19 10:47?
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