• 势阱内吸收的光电子数量与入射光势阱附近的光强成正比。一个 势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个电荷包。
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷存储
通常在半导体硅片上制有成千上 万个相互独立的MOS光敏单元， 如果在金属电极上加上正电压， 则在半导体硅片上就形成成千 上万的个相互独立的势阱。如 果此时照射在这些光敏单元上 是一幅明暗起伏的图像，那么 这些光敏元就会产生出一幅与 光照强度相对应的光电荷图像。
获得目标尺寸和像素的变换关系 根据几何光学原理，被测物体尺寸计算公式为D=np/M
式中： n——覆盖的光敏像素数； p——像素间距； M——倍率。
D
被测 物体
成像 透镜
CCD
七、 CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 TCD1209D的像敏单元阵列由2075个光电二极管构成，其中
有27个光电二极管（前边D13～D31和后边的D32～D39）被遮蔽， 中间的2048个光电二极管为有效的像敏单元。每个像敏单元的 尺寸为14µm×14µm，相邻的两个像元的中心距为14µm。像敏单 元阵列的总长度为28.672mm。
特性参数
七、CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 （2）灵敏度
特性参数
线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量(lx.s)的作用下器
件的输出信号电压，即
R UO
式中的UO为线阵CCD输出的信号H电V 压，HV光敏面上的曝光量。
衡量器件灵敏度的参数还常用器件输出信号电压饱和时光敏面
上的曝光量表示，称为饱和曝光量，记为SE。饱和曝光量SE越
电源 输出
驱动脉冲
控制脉冲
钳位脉冲 复位脉冲TCD1209D原理结构图
七、CCD光电图像传感器
TCD1209D驱动脉冲波形图
控制脉冲
驱动脉冲
复位脉冲 嵌位脉冲 输出
七、CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 （1）光谱响应特性 TCD1209D的光谱响应的 峰值波长为550nm，短波响 应在400 nm处大于70%（实 践证明该器件在300nm处仍 有较好的响应），光谱响应 的长波限为1100nm。响应范 围远远超出人眼的视觉范围。
七、 CCD光电图像传感器
D原理
每一个光敏单元 （MOS电容）的电子 势阱收集根据光照强 度而产生的光生电子， 每个势阱中收集的电 子数与光照强度成正 比。
七、 CCD光电图像传感器
D原理
在CCD电路时钟脉冲的作用 下，势阱中的电荷信号会依 次向相邻的单元转移，从而 有序地完成载流子的运输— 输出，成为视频信号。
七、 CCD光电图像传感器
D原理
电荷转移
七、 CCD光电图像传感器
D原理
电荷转移
七、 CCD光电图像传感器
D原理
电流输出方式 ：
电荷输出
反偏二极管
衬底P和N+区构成输出二极管（反偏压）
七、 CCD光电图像传感器
D原理
电荷输出
复位脉冲RS
10－>2V
5V
Id Qs 信号电荷
博伊尔(Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（George
E. Smith）发明。 2009年，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——电荷耦合器件图像传感器
CCD” 与高锟一同获得了当年的诺贝尔物理学奖。
七、CCD光电图像传感器
1、 CCD概念
七、 CCD光电图像传感器
小的器件其灵敏度越高。TCD1209D的饱和曝光量SE仅为
0.06(lx.s)。
七、CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器
特性参数
（3）动态范围
动态范围参数DR定义为饱和曝光量与信噪比等于1时的曝光 量之比 。
DR USAT U DAk
TCD1209D的特性参数
特性参数 灵敏度
像敏单元的不均匀 性
160 98 0.2 2 000 5.5
0.6 1
由一系列排紧密的MOS（金ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ氧化物-半导体)电容器组成称为电 荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）。
以电荷作为信号，经过其产生 、存储、转移和检测等过程，实现 光图像变成电信号。
CCD阵列表面结构（放 大1000倍）
七、 CCD光电图像传感器
1、 CCD概念
历史
CCD于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维·
面阵CCD
可见光CCD 红外CCD X光CCD 紫外CCD
黑白CCD 彩色CCD 微光CCD
七、 CCD光电图像传感器
小 结：
电荷存储
CCD 电荷注入
电荷输出
电荷转移
七、 CCD光电图像传感器
小为什结么：称为电荷耦合器件？
电荷－－器件中的信息是以电荷形式出现的，
不同于其他探测器的“电流”或“电压”。
饱和输出电压 饱和曝光量 暗信号电压 暗信号电压不均匀
性 直流功率损耗 总转移效率
输出阻抗 动态范围 输出信号的直流电
位 噪声 驱动频率
参数符号 R
PRNU PRNU(V)
VSAT SE VDAK DSNU
PD TTE ZO DR VOS
NDO F
最小值 25 1.5 0.04
92 4.0
典型值 31 3 4 2.0 0.06 1.0 1.0
深度耗尽状态
1）势阱的形成 施加正电压 空穴耗尽区
势阱
栅极G 金属 氧化物
UG>0
半导体 P
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
势阱的形成
栅极正向电压增加 时，势阱变深。
－－改变UG，调 节势阱深度
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷产生
依靠半导体的光电特性，用光注入的办法产生。
§7 CCD光电图像传感器
固体摄像器件
摄像头 CCD摄象机 输出视频信号：
电视墙
－－摄像型光电成像器件
固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分 布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串 行输出的电信号—— 视频信号。其视频信号能再现入射 的光辐射图像。
固体摄像器件
固体摄像器件主要有三大类： 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即CID）
分辨率
实际中，CCD器件的分 辨率一般用像素数表示， 像素越多，则分辨率越 高。
44万（768*576）、100万 （1024*1024）、200万 （1600*1200）、600万 （2832*2128）
七、 CCD光电图像传感器
4.对光源的要求 –光源的类型
检测被检测物体的像 白炽灯或卤钨灯
CCD检测系统
当外界有光信号入射到MOS电容器的P型半导体内时， 会产生电子-空穴对，光越强，电子-空穴对越多，产 生信号电荷，光信号转换为电信号。
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷产生
光注入： 产生产电生子电－子空－穴空对穴对
空穴
－－栅极电压排斥
电子
－－被吸入势阱
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷存储
耗尽区对于带负电的电子来讲 是一个势能很低的区域，若注 入电子，电场则吸引它到电极 下的耗尽区。表面处构成了对
于电子的“陷阱”，称之为表面势阱，势阱积累电子 的容量取决于势阱的“深度”，而表面势的大小近似 与栅压VG成正比。
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷存储
MOS电容具有存储电荷的能力
3.特性参数
工作频率
（a）工作频率的下限f下
1 f 1
3 c
3 g
电荷包在相邻两电极之间的转移时间t
t＜τc
三相CCD：
t
T 3
,
f下
1
3 c
二相CCD
：
t
T 2
,
f下
1
2 c
七、 CCD光电图像传感器
3.特性参数
工作频率
（b）工作频率的上限f上 三相CCD f 1
3 g f 1
3 d
电荷从一个电极转移到另一个 电极的固有时间
七、 CCD光电图像传感器
D原理
在CCD电路时钟脉冲的作用 下，势阱中的电荷信号会依 次向相邻的单元转移，从而 有序地完成载流子的运输— 输出，成为视频信号。
七、 CCD光电图像传感器
D原理
在CCD电路时钟脉冲的作用 下，势阱中的电荷信号会依 次向相邻的单元转移，从而 有序地完成载流子的运输— 输出，成为视频信号。
栅极G 金属 氧化物
半导体 P
UG>0
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
势阱的形成
• 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（沟 道）。
栅极G 金属 氧化物
半导体 P
UG>0
N型(P沟道） P型(N沟道）
2、 CCD工作原理
CCD结构
MOS结构 单元－像素
P
基本单元：MOS电容器。
在半导体硅上氧化生成一层薄 (约0.1μm)的
SiO2绝缘层，再镀上一层小面积金属作为电极，称 栅极。
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
CCD结构
由多个像素组成线阵, 金属栅极是分立的， 氧化物与半导体是连 续的。