ccd 图像传感器及其数字相机技术

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1、http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛CCD图像传感器及其数字相机技术-信息记录材料在成像领域技术进展121晏磊张伯旭常炳国（1北京大学,100871;2中国舰船研究院;）摘要:综述了CCD图像传感器的发展趋势、工作原理以及CCD数字照相机技术。关键词:CCD图像传感器数字相机中图分类号:CCDImageSensorandTechnologyDigitalCamera121YANLeiZHANGBo-xuCHANGBing-guo(1PekingUnivers

2、ity,100871;ShippingAcademeofChina)Abstract:ItissummarizedforthedevelopingtendencyandworkingprincipleofCCD(ChargeCoupledDevice)imagesensorandthedigitalcameratechnologypaper.Keywords:CCD,imagesensor,digitalcamera1引言电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices，CCD)自70年代初诞生以来，已迅速发展成为最常用的固体图

3、像传感器，且广泛应用于科技、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。它是图像采集与数字化的关键器件。CCD直接将光学图像转换为电荷信号，以实现图像的存储、处理和显示。其特点体现在4个方面：1）体积小，重量轻，能耗少，工作电压低，抗冲击与振动，寿命长；2）灵敏度高，噪声低，动态范围大；3）响应速度快，刷新时无残留痕迹，摄像启动快；4）利用VLSI技术生产，象素密度高，尺寸精确，批量生产成本低。2CCD的工作原理CCD不同于多数以电流或电压为信号的其它器件，其突出特点是以电荷为信号。工作过程包括信号电荷的产生、存储、传输和检测。2.1信号

4、电荷的产生在CCD中，电荷的产生分为光注入和电注入两大类。作为图像传感器的CCD通常是通过光敏单元，以光注入方式形成信号电荷。光照射到CCD光敏区上时，在栅极附近的半导体体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。信号电荷(Qi)与光照强度（或光子流速率Δno)、光照时间(Tc)、光敏单元面积（A）成正比。即Qi=ηqΔnoATc其中η为材料的量子效率，q为电子电荷量。2.2信号电荷的存储以面阵CCD（SCCD）为例阐述信号电荷的存储过程。CCD的基本单元是金属氧化物半1http://ww

5、w.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛导体结构，即MOS结构。当栅极未施加正偏压UG，P型半导体中的空穴(多数载流子)分布均匀。当栅极施加正偏压UG(UGUth时，绝缘体界面与半导体体内的电势（称为表面势φs)足够大，以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到绝缘体表面，使该处电子浓度超过空穴浓度，出现反型层。反型层电荷的存在表明，MOS结构有存储电荷的功能。一般用“势

6、阱”概念来描述。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压UG成线性关系。当反型层电荷填充势阱时，表面势收缩。势阱中可存储信号电荷的容量为QR=CoxUG，其中，Cox为MOS电容容量,UG为栅极偏压。当反型层电荷为信号电荷Qi时,若Qi

7、的过程。图1CCD信号电荷的传输过程从图1中可以看出，对于彼此靠得很近的MOS结构(CCD单元)，只要将按一定规律变化的电压(时钟脉冲)加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿着半导体表面按一定方向逐单元地移动。当电荷包中的电子转移到某个栅下时,被收集区收集,在等效电阻上产生电流,并转化为电压信号串行输出,输出脉冲幅值依次与原来储存于原来势阱中电荷包的电子数成正比。通常把CCD电极分为几组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD内部结构决定。通常有二相、三相、四相CCD。四相CCD与三相、二相器件相比，有利于提高转移效率

8、，能适应更高的时钟频率。2.4CCD图像传感器的种类用于图像传感器的CCD又称摄像或像敏CCD。它的功能是把二维图像光学信号转变成2http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecf