④按输出信号分类：模拟式、数字式
数字摄像机 ---- 电子快门 曝光时间: 1/50s、1/125s、1/250s、 1/500s、1/1000s、1/2000s、1/4000s、 1/8000s、1/16000s、1/32000s… ⑤按形状分类：长形、短形、方块形、半球形、单板形
CCD图象传感器的应用
CCD分辨率
设CCD 的 M=1mm， N=1mm。镜头象方分辩力=15 线对/ 毫米，现计算其象素总数如下：
1 1 d 0.03333 (毫米 / 线对) 2 分辨率（线对/ 毫米） 30
与该镜头相配的CCD 最小感光单元象素尺寸
m2*n2=0.03333*0.03333
CCD 象素总数=1/(0.03333)*1/(0.03333)=900 象素
•小型化黑白、彩色TV摄像机 这是面阵CCD应用最广泛的领域。 •传真通讯系统 用1024～2048像元的线阵CCD作传真机，可在不到一秒钟内完成A4开稿件的扫描。 •光学字符识别 IS代替人眼，把字符变成电信号，进行数字化，然后用计算机识别。 重庆大学1985年的CD-1型OCR机，识别率达99．9﹪。 •广播TV 用SSIS(Solid State Imaging Sensor固态图象传感器)代替光导摄像管。 1986年柯达公司已推出140万素的IS，尺寸7×9 mm2，比电视图象信号多4倍以上。 •工业检测与自动控制 这是IS应用量很大的一个领域，统称机器视觉应用。 ①．在钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域作零件尺寸的动态检测，产品质量、包装、形状识别、表 面缺陷或粗糙度检测。 ②．在自动控制方面，主要作计算机获取被控信息的手段。 ③．还可作机器人视觉传感器。 •可用于各种标本分析（如血细胞分析仪），眼球运动检测，X射线摄像，胃镜、肠镜摄像等。 •天文观测 ①．天文摄像观测 ②．从卫星遥感地面 如：美国用5个2048位CCD拼接成10240位长取代125mm宽侦察胶卷，作地球卫星传感器。 ③．航空遥感、卫星侦察 如：1985年欧洲空间局首次在SPOT卫星上使用大型线阵CCD扫描，地面分辨率提高到10m。 还在军事上应用：微光夜视、导弹制导、目标跟踪、军用图象通信等。
天文摄影中，使用的大型 CCD阵列，由多块不同尺寸， 不同特性的CCD成像元件组 成
天文摄影用CCD成像 设备拍摄的遥远的深 空天体
1981，索尼Mavica电子相机，数码单反的先驱
电荷耦合器件CCD
表面沟道CCD
体内沟道CCD
电荷存贮 位置
电荷传输 位置
半导体与绝缘 体之间的界面 界面
距半导体表面 一定深度体内 半导体内
时钟脉冲变化幅值
提高时钟脉冲幅值，减小氧化层厚度
27
CCD的特性参数
（4）噪声 –散粒噪声：微观粒子无规律，信号电荷有一定不确定性 –转移噪声：转移时剩下少部分电荷 –热噪声：信号电荷注入回路及读出回路上产生 –总噪声为三者的均方根
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CCD的光电特性
饱和照度
在低照度下，CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过一定值以后，输出有饱 和现象
3
固体图像传感器的优点
• 体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，可靠，寿命长； • 扫描线性，畸变小，重复性好，适用于尺寸测量、 定位和图像传感等方面； • 光谱响应范围较广，从近紫外到近红外； • 空间分辨率高，像元间距的几何位置精确，可以获 得很高的定位与测量精度； • 与微机接口容易实现。
CCD的发明者获得2009年诺贝尔奖
CCD 的整个感光面上的象素总数：
M N CCD像素总数 m2 n2
CCD分辨率
• 数码镜头的分辨率与CCD的分辨率的匹配： 在水平方向上数码镜头对线状分辩率图案的成象， 其每个线 宽恰好占用一个象素，我们 就称在水平方向上选用的CCD 与数码镜头在分辩率上是相配的; 在垂直方向上也可同样理解 。这样定义保正了CCD 在最少象素总数下，恰好能分辩清象 的细节。
0
0
d 2d
1 2d 分辨率（线对/ 毫米）
CCD分辨率
• CCD的分辨率： CCD的分辩率是用象素总数表示的。 设在水平方向上CCD感光有效长度是M毫米，在垂直方向 上CCD 感光有效长度是N毫米。 如果象素（最小感光单元称之为象素）的尺寸是m2 * n2， 那么在水平方向上的象素总数=M/m2，在垂直方向上的象 素总数=N/n2
电荷耦合
电荷包 a1→b1→c1→a2 从t1~t4电荷传输一个电极 从t1~t6电荷传输一位 自扫描：通过时钟脉冲的驱动完成信号电荷的传输
“电荷包”的转移：靠改变不同时刻，各电极上的电压来实现。 时钟脉冲：三相，二相，四相（与CCD结构对应）
电荷耦合
• 耗尽层的耦合：当两个金属栅极彼此足够靠近时， 其间隙下表面势将由两栅极上电位决定，从而形 成两个MOS电容器下耗尽层的耦合 • --使一个MOS电容器中存储的信号电荷能转移到下 一个MOS电容器中，通常电极间隙取0.1~0.2μ m
1973年，仙童公司的产品，第一块商用CCD
数码相机之父亲
柯达的塞尚先生 被尊为数码相机 之父，而1975年， 他的第一台电子 相机使用的核心 成像元件正是一 块5万像素的仙 童产CCD
70年代末，RCA对天文拍摄用CCD的研究，使 其得以因基特峰国家天文台的1米望远镜安装了 其自产的320*512像元制冷CCD而名声大造
电荷传输
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电荷耦合
电荷注入
• CCD摄象器件的光敏单元为 光注入方式。 • 当光照射到CCD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。 • 电注入：CCD通过输入结构 对信号电压或电流进行采样， 然后将信号电压或电流转换 正面照射式（透射电极，干涉效应） 背面照射式（要求基底薄，适合红外CCD） 为信号电荷。
2)
3)
CCD非稳态工作 • 深耗尽：施加电压VG>Vth瞬间，空穴被排 斥（10-12s），而电子尚未产生（源于热激 发的产生-复合过程，弛豫时间T: 0.1~10s） • t > T，势阱被热激发电子填满而形成反型 层，势阱消失 • 要求存贮有用信号电荷的时间小于热激发 电子的存贮时间。 • 通过内部时钟脉冲控制电荷包的存储时间
分色滤色片
微型透镜
目前有两种分色方式： • RGB原色分色法（原色 CCD的优势在于画质锐利， 色彩真实，但缺点则是噪 声问题。） • CMYG补色分色法（补色 CCD多了一个Y黄色滤色 器，在色彩的分辨上比较 仔细，但却牺牲了部分影 像的分辨率。
分色滤色片
感光层
CCD的第三层是“感光片”，这层主要是 负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号， 并将信号传送到影像处理芯片，将影像还 原。
电荷输出
输出电流Id与注入到二极管中的电荷量QS的关系
Q s= I dd t
CCD的工作原理
电荷 注入
电荷 存储
电荷 输出
电荷 耦合
CCD的特性参数
（1） 电荷转移效率η 和电荷转移损失率ε
电荷转移效率为 电荷转移损失率为
Q(0) Q(t ) Q(t ) 1 Q(0) Q(0)
1 f 3 i
载流子的迁移率/电极长度，衬底 杂质的浓度、温度有关
1 f 3 g
CCD的特性参数
（3）电荷贮存容量 电极下的势阱中能容纳的电荷量
Q Cox V A N Q / q Cox V A / q Cox 0 s A / d
SiO2层电容 氧化层厚度
Q(t ) Q(0)
电荷转移效率与损失率的关系为
1
电荷转移速度：在时钟脉冲较低时，损失效率为常数，频率高时， 损失率增大。 界面态俘获：解决方法－“胖零”工作模式，通过用一定数量的基 地电荷先将界面态填满，当信号电荷注入时，信号电荷被俘获的几 率变小，而界面态释放出来的电荷又可以跟上原来的电荷包。从而 在一定程度上减小了界面态带来的损失。－“0”信号时，也有基 地电荷注入。 极间势垒：解决方法：尽量减小极间距，采用高阻衬底。
根据照度划分，CCD又分为：
照度参考表：
天气 晴天 阴天 日出日落 月圆 星光 阴暗夜晚 照度LUX 30000~300000 3000 300 0.3~0.03 0.0002~0.00002 0.003~0.0007 室内场所 生产车间 办公室 餐厅 走廊 停车场 照度LUX 10~500 30~50 10~30 5~10 1~5
固体图像传感器
图像传感器
像管
真空成像器件
光电成像器件
固体成像器件
摄像管 电荷耦合器件
光电二极管列阵
图像传感器
• 固体：器件为固态器件,采用半导体工艺制成。 （对比：真空成像器件采用真空玻璃壳中的靶 进行图像转换）
• 成像：利用半导体材料的光电效应，实现光电 转换，通过驱动电信号实现光学图像的转换、 信息存贮及按顺序输出，形成电子图像。（对 比：真空成像器件采用电子束扫描方式）
“CCD是数码相机的电子 眼,它革新了摄影术。现 在光可以被电子化记录, 取代了胶片。这一数字 形式极大地方便了对图 像的处理和发送。无论 是我们大海中深邃之地, 还是宇宙中的遥远之处, 它都能给我们带来水晶 般清晰的影像”。
1970年，Boyle(左)和Smith(右)在测试用最 初状态的CCD元件组装的简易拍摄装置。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ CCD的特性参数
（2） 驱动频率
①
驱动频率的下限 电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t ， 少数载流子的平均寿命为τ i 则
下限与少数载流子的寿命有关，而少数载 流子的寿命与器件的工作温度有关，工作 温度越高，寿命越短，下限频率越高
②
驱动频率的上限 电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间 为τ g 则