ccd圖像傳感器工作原理：CCD圖像傳感器工作原理圖解

本文轉(zhuǎn)載自：新機(jī)器視覺
1969年，沃勒德?保爾(Willard Boyle)與喬治?艾沃德?史密斯(George E. Smith)于美國電報(bào)電話公司的貝爾實(shí)驗(yàn)室(AT&T Bell Labs)發(fā)明了電荷耦合組件(Charge Coupled Device，CCD)。1970年，二人把記述CCD發(fā)明的技術(shù)文章提交到《貝爾系統(tǒng)技術(shù)期刊》(Bell System Technical Journal)。他們開發(fā)CCD的原意是把它用于建構(gòu)內(nèi)存裝置。不過，保爾和史密斯1970年的研究出版后，其它科研人員開始把有關(guān)技術(shù)試作于其它方面的應(yīng)用。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)CCD具有相較攝影膠片高100倍的感光能力，因而可以用于拍攝高分辨率的遙距圖像。
Teledyne e2v CCD47-20 背照13.3 μm 像素1024 x 1024傳感器
CCD是一個(gè)具有極高靈敏度的光子傳感器。一個(gè)CCD 會(huì)被分割成大量微小光敏單元(就是我們常說的像素)，以便用于整合成目標(biāo)畫面。一個(gè)光子來到某個(gè)像素的范圍時(shí)，便會(huì)轉(zhuǎn)換成一個(gè)(或多個(gè))電子，而收集到的電子數(shù)量會(huì)與每個(gè)像素接收的光線強(qiáng)度成正比例。當(dāng)CCD時(shí)鐘輸出時(shí)，每個(gè)像素內(nèi)的電子數(shù)目便會(huì)被測(cè)量出來，以用于重建畫面。
CCD陣列切面圖
在集成級(jí)，電荷通過電子云或電子斗采集到偏置電極。每個(gè)像素需要最少兩個(gè)電極用于控制這一電荷采集，不過科學(xué)設(shè)備一般會(huì)使用四個(gè)電極以便于優(yōu)化尖峰信號(hào)。
在這區(qū)域里，電荷會(huì)與一個(gè)正向施加電壓一同采集。在具體工作中，電荷儲(chǔ)存于掩埋通道部分以避免與表面有接觸，而各個(gè)通道‘行’之間則有通道阻絕層作分隔。上圖顯示了單個(gè)CCD像素的結(jié)構(gòu)。大量的像素組合起來，便構(gòu)成一個(gè)成像設(shè)備，例如Teledyne e2v 的CCD290便具有8100萬像素。下圖顯示的是一個(gè)3x3的像素陣列。
帶電極和通道‘行’的CCD陣列切面圖
用于控制CCD內(nèi)電子活動(dòng)的電極或門是以多晶硅(而不是金屬)制成，它的透明度能夠讓400 nm左右波長的光線通過。由于所有像素都是一致而且通過同一端口讀出，所以能夠提供質(zhì)量均一的圖像。
讀出
在大多數(shù)的CCD里，每個(gè)像素里的電極經(jīng)配置，電荷會(huì)沿著通道‘行’向下轉(zhuǎn)移。因此，當(dāng)CCD時(shí)鐘工作時(shí)，各個(gè)列會(huì)向下轉(zhuǎn)移到最后一行(即讀出記錄器)，然后把每一像素的電荷轉(zhuǎn)移到CCD外部以便于測(cè)量。而在讀出記錄器里的電極經(jīng)配置，電荷會(huì)以水平方向在記錄器內(nèi)轉(zhuǎn)移。
電荷從被采集到讀出，它是以每次一個(gè)電荷包的形式傳送到一個(gè)輸出放大器，在那里電荷會(huì)轉(zhuǎn)換為電壓。在讀出工作進(jìn)行時(shí)，電極會(huì)在高電壓和低電壓之間交換偏置，以便于電荷沿著陣列向下轉(zhuǎn)移。
下圖顯示單個(gè)轉(zhuǎn)移步驟的工作原理。在一個(gè)4相位架構(gòu)里，要把一個(gè)像素沿著陣列傳送到底部，便要進(jìn)行4次轉(zhuǎn)移。
在某個(gè)相位的圖像范圍內(nèi)的所有電極都是互連的，所以要把電荷傳送到圖像范圍底部的讀出記錄器，只需要4個(gè)時(shí)鐘。每次只有一行電荷轉(zhuǎn)移到讀出記錄器。然后讀出記錄器會(huì)以相同的時(shí)鐘，每次讀出一個(gè)像素到輸出節(jié)點(diǎn)，把電荷轉(zhuǎn)為電壓。下圖顯示了一個(gè)4x4像素三相位器件的工作原理：
電荷轉(zhuǎn)移原理
由于整個(gè)陣列是通過單個(gè)放大器進(jìn)行閱讀，因而可以高度優(yōu)化輸出，盡可能減小噪聲并實(shí)現(xiàn)極高的動(dòng)態(tài)范圍。一般的CCD可以提供100dB 的動(dòng)態(tài)范圍以及小于2e的噪聲。
一部CCD相機(jī)或儀器一般包含一個(gè)CCD芯片以及相關(guān)電子器件，這些相關(guān)器件是用于放大CCD上的小電壓、移除噪聲、數(shù)字化像素?cái)?shù)值，以及把每個(gè)像素的數(shù)值輸出到外部，例如是處理器。CCD是一個(gè)模擬器件，而模擬電壓數(shù)值會(huì)由相機(jī)的電子部件轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。
讀出記錄器
Teledyne成像的傳感器的功能涵蓋從X光到超長波紅外線的整個(gè)光譜范圍
硬X光/軟X光/真空紫外線/紫外線/可見光/短波紅外線/中波紅外線/長波紅外線/超長波紅外線
硅/InAs/GaSb (T2SL)/HgCdTe (MCT)/去基板HgCdTe (MCT)/InSb/InGaAs/鍺(GE)/InAs/PbS/PbSe/SiAs/VOx
Teledyne e2v可以提供多種成像工程元素周期表上的復(fù)合半導(dǎo)體材料，依照應(yīng)用需求提供合適技術(shù)解決方案。其具備的各種圖像傳感器技術(shù)，包括從CCD、CMOS，到混合紅外ROIC數(shù)組和微測(cè)輻射熱計(jì)，以及更多其它技術(shù)。
主要CCD 參數(shù)
量子效率
CCD能夠測(cè)得的光子百分比被稱為量子效率(Quantum Effciency，QE)。人類肉眼的QE大約是20%，攝影膠片的QE則是10%左右。而現(xiàn)代的CCD能夠?qū)崿F(xiàn)大于90%的QE。量子效率會(huì)因波長而有差異，而通過諸如背薄(backthinning)、 背照 (back-illumination)、反眩光涂層和高阻硅等各種創(chuàng)新，可以使CCD的量子效率涵蓋到各種波長。
波長范圍
CCD的波長范圍可以從0.1nm (軟X光) 到 400 nm (藍(lán)色可見光)，甚至達(dá)到1000 nm (近紅外線)，而尖峰靈敏度可達(dá)到700 nm左右。利用背照可以實(shí)現(xiàn)較短的X光和紫外光波長檢測(cè)，而低噪聲和高阻硅技術(shù)則有助于提高對(duì)較長的近紅外線波長的靈敏度。
動(dòng)態(tài)范圍
能夠正確讀出同一圖像的光亮和模糊來源，是測(cè)量器的一個(gè)非常有用的特點(diǎn)。測(cè)量器準(zhǔn)確讀出圖像內(nèi)最光亮和最模糊來源二者之間的差異被稱為動(dòng)態(tài)范圍。
當(dāng)光線來到CCD上，光子會(huì)轉(zhuǎn)換成電子。CCD的動(dòng)態(tài)范圍一般是以可成像的最小和最大電子數(shù)目為量度單位。落可CCD上的光線越多，在電位井(p-井)內(nèi)收集到的電子數(shù)目也就越多。當(dāng)電位井無法再接收更多的電子時(shí)，意味著像素達(dá)到飽和狀態(tài)。在典型的科學(xué)用CCD，這情況大約會(huì)在150,000個(gè)電子時(shí)發(fā)生。
可測(cè)量的最小信號(hào)單位不一定是一個(gè)電子(相等于可見波長的一個(gè)光子)。具體來說，最小電子噪聲一般是與CCD實(shí)體結(jié)構(gòu)相關(guān)，最小大約是每像素2至4個(gè)電子。所以可測(cè)量的最小信號(hào)是由這讀出噪聲來決定。單電子或電子倍增CCD(Electron Multiplication CCD，EMCCD) 都是經(jīng)設(shè)計(jì)用于高靈敏度測(cè)量的超低噪聲傳感器，可以量度出小至數(shù)個(gè)光子或電子的信號(hào)。
線性度
測(cè)量器的另一重要考慮是對(duì)它所見的任何圖像的線性響應(yīng)能力。如果CCD測(cè)出100個(gè)光子，它便會(huì)把它們轉(zhuǎn)換為100個(gè)電子(假設(shè)QE為100%)。在這一狀況下，測(cè)量器有一個(gè)線性響應(yīng)。線性響應(yīng)的用處在于無需對(duì)圖像進(jìn)行附加處理，便可以測(cè)定圖像上不同主體的真正和真實(shí)密度。
噪聲
CCD的噪聲表現(xiàn)取決于多個(gè)因素。
暗電流
暗電流是由溫度產(chǎn)生的噪聲。在室溫，CCD的噪聲表現(xiàn)可以是每像素每秒數(shù)千個(gè)電子。在這情形下，每個(gè)像素有機(jī)會(huì)在數(shù)秒間達(dá)到滿井容量，使得CCD飽和。
可以利用諸如珀耳帖冷凝器(Peltier cooler)甚至是致冷器(cryo-cooler)等系統(tǒng)來為檢測(cè)器降溫來解決暗電流問題。在-40° C溫度下， CCD的噪聲表現(xiàn)可以降低到每像素每秒數(shù)十個(gè)電子。
讀出噪聲
讀出噪聲源于每個(gè)像素內(nèi)的電子在CCD輸出節(jié)點(diǎn)上轉(zhuǎn)換為電壓的工作。噪聲的幅度取決于輸出節(jié)點(diǎn)的大小。在減小CCD讀出噪聲方面已有一些技術(shù)進(jìn)步，而這一工作將繼續(xù)成為現(xiàn)在和未來CCD發(fā)展的重要部分。
讀出噪聲能影響動(dòng)態(tài)范圍，所以必需盡可能減小，這在微小能量檢測(cè)應(yīng)用方面至關(guān)重要。歐洲航天局(ESA)的 XMM-牛頓太空衛(wèi)星內(nèi)檢測(cè)X光能量中的光子就是一個(gè)例子。
功耗
CCD本身需要很小功耗。主要的功耗考慮來自操作CCD和處理圖像所需的電子器件。
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ccd圖像傳感器工作原理：CCD圖像傳感器的工作原理及其特點(diǎn)

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　　構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬－氧化物－半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。工作時(shí)，需要在金屬柵極上加一定的偏壓，形成勢(shì)阱以容納電荷，電荷的多少與光強(qiáng)成線性關(guān)系。電荷讀出時(shí)，在一定相位關(guān)系的移位脈沖作用下，從一個(gè)位置移動(dòng)到下一個(gè)位置，直到移出CCD，經(jīng)過電荷ˉ電壓變換，轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。由于在CCD中每個(gè)像元的勢(shì)阱所容納電荷的能力是有一定限制的，所以如果光照太強(qiáng)，一旦電荷填滿勢(shì)阱，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象。另外，在電荷讀出時(shí)，由于它是從一個(gè)位置到下一個(gè)位置的電荷轉(zhuǎn)移過程，所以存在電荷的轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失問題。
　　電荷耦合攝像器件（CCD）的突出特點(diǎn)是以電荷為信號(hào)載體。它的功能是接受存儲(chǔ)模擬電荷信號(hào)，并將它逐級(jí)轉(zhuǎn)移（并存儲(chǔ)）輸送到輸出端。其基本工作過程主要是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和檢測(cè)，因此實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)模擬移位存儲(chǔ)器。主要有信息處理用延遲線、存儲(chǔ)器和光電攝像器件三個(gè)方向應(yīng)用。
　　CCD有表面（溝道）CCD（SCCD）和埋溝CCD（BCCD）兩種基本類型。作為圖像傳感器用攝像器件還另外具有光敏元陣列和轉(zhuǎn)移柵，以進(jìn)行光電轉(zhuǎn)移，并將光電轉(zhuǎn)換的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到CCD轉(zhuǎn)移電極下。
　　由CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理決定了這類器件有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　● CCD是一種固體化器件，體積小、重量輕、可靠性高、壽命長：
　　● 圖像畸變小、尺寸重現(xiàn)性好；
　　● 具有較高的空間分辨率；
　　● 光敏元間距的幾何尺寸精度高，可獲得較高的定位精度和測(cè)量精度；
　　● 具有較高的光電靈敏度和較大的動(dòng)態(tài)范圍。
　　
 來源:ks99
技術(shù)資料出處:楊真人
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CCD傳感器于1969年由貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功，伴隨其高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高一致性、低噪音的特性，一度成為圖像傳感器市場的主導(dǎo)。和CCD傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有低功耗、低操作電壓、低價(jià)格等優(yōu)勢(shì)，但是在CMOS圖像傳感器出現(xiàn)初期由于相對(duì)較差的性能和較大的像元尺寸，并沒有得到很好的市場

2018-07-18 16:00:00

基于CMOS或CCD圖像傳感器的經(jīng)典設(shè)計(jì)匯總

，圖像傳感器主要分為感光耦合元件（charge-coupled device, CCD）和互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體有源像素傳感器（CMOS Active pixel sensor）兩種。本文介紹基于CMOS或CCD兩種圖像傳感器的應(yīng)用及技術(shù)文獻(xiàn)，供大家參考。

2018-05-25 11:14:00

電量隔離傳感器的作用是什么_電量隔離傳感器原理

本文開始介紹了電量隔離傳感器基本工作原理和電量隔離傳感器特點(diǎn)，其次介紹了電量隔離傳感器特性參數(shù)，最后介紹了電量隔離傳感器的作用與發(fā)展趨勢(shì)。

2018-03-29 11:40:44

色彩傳感器的選型_色彩傳感器工作原理介紹

本文開始介紹了色彩傳感器的概念，其次闡述了顏色識(shí)別的基本原理與色敏器件及色敏傳感器原理，最后介紹了色彩傳感器的工作原理及選型注意事項(xiàng)。

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應(yīng)變傳感器的組成及分類_應(yīng)變式傳感器工作原理介紹

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濕度傳感器好壞檢測(cè)_濕度傳感器的工作原理_濕度傳感器應(yīng)用

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2018-01-22 15:22:19

水流傳感器工作原理_水流傳感器的作用_水流傳感器的常見故障

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2018-01-22 13:40:33

ccd傳感器工作原理

閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。 ccd傳感器工作原理 CCD傳感器是一種新型光電轉(zhuǎn)換器件，它能存儲(chǔ)由光產(chǎn)生的信號(hào)電荷。當(dāng)對(duì)它施加特定時(shí)序的脈沖時(shí)，其存儲(chǔ)的信號(hào)

2017-11-05 10:20:16

ccd傳感器是什么_ccd傳感器結(jié)構(gòu)與分類

電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的

2017-11-05 10:02:08

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ccd圖像傳感器工作原理：TCD1501C型CCD圖像傳感器的原理、性能特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

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467次閱讀欣憶電子第三代半導(dǎo)體六英寸氮化鎵項(xiàng)目落戶廣西桂林...近日，廣西桂林高新區(qū)管委會(huì)與位于中國臺(tái)灣的欣憶電子股份有限公司通過視頻連線召開海峽兩岸項(xiàng)目推進(jìn)會(huì)，就....發(fā)表于 2020-04-20 10:21?
1190次閱讀PB-0300系列CMOS型數(shù)字圖像傳感器的性能...PB-0300系列CMOS型有源像素?cái)?shù)字圖像傳感器，內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換8、位并行數(shù)據(jù)輸出、64個(gè)內(nèi)部寄存器....發(fā)表于 2020-04-20 10:21?
89次閱讀怎樣讓第三代半導(dǎo)體這個(gè)“貴族”平民化？半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺等，其中，硅是在商業(yè)應(yīng)用....發(fā)表于 2020-04-20 09:47?
507次閱讀基于PIC16F73微處理器和RS485總線實(shí)現(xiàn)...早期的智能電子門鎖是采用磁卡作為開門鑰匙的磁卡鎖，主要用于賓館客房。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，功能更強(qiáng)、....發(fā)表于 2020-04-20 09:38?
162次閱讀過壓檢測(cè)芯片MC3423/MC3523的結(jié)構(gòu)性能...隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體器件的集成度不斷提高。功能越來越完善的微處理器除了片內(nèi)必須具有的CPU、....發(fā)表于 2020-04-19 18:44?
109次閱讀LIN通信總線標(biāo)準(zhǔn)和混合信號(hào)半導(dǎo)體工藝技術(shù)提高汽...LIN 標(biāo)準(zhǔn)是汽車傳感器/傳動(dòng)裝置通信的重要進(jìn)步，不過，在與混合信號(hào)半導(dǎo)體工藝的最新發(fā)展融合之后，它....發(fā)表于 2020-04-19 10:47?
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