CCD技术及其应用姓名：哈纳学号： ********摘要电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Devices)是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件,它是美国贝尔电话实验室的W.S.Byole和G.E.Smiht于1970年首先提出的。
近30年来,依靠己经成熟的MOS集成电路工艺,CCD器件及其应用技术得以迅速发展。
目前CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术,在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术领域中成果累累[1]。
CCD器件按其感光单元的排列方式分为线阵CCD和面阵CCD两类,但无论是线阵CCD 还是面阵CCD,由于其固有的物理特性、工作机理等原因以及芯片结构、制作工艺等的限制,CCD像素精度不能做得很高。
为了保证CCD像元具有足够的感光面积和防止相邻像元之间的互相串扰,所有CCD器件的像元面积以及像元间距都不能做得太小,目前一般在微米级别,这就限制了CCD在高精度测量领域中的应用。
关键词： CCD结构光敏元图像处理ABSTRACTCharge Coupled Devices (CCD) is the new type semiconductor integrated photoelectric device developed at the beginning of the seventies of the 20th century. It was put forward at the first of 1970 by W. S. Boyle and G. E. Smithfrom the American Bell telephone laboratory. In the past thirties years, CCD device and its application technology have been developed rapidly with the develop MOS integrated circuit craft. CCD technology has become the current application of optics, electronics, precision machinery and computer technology as an integrated technology, modern photonics, optical detection techniques and modern technology in the field of the results of numerous tests.CCD device falls into linear CCD and MATRIX CCD according to its sensitization unit permutation way. No matter linear CCD or matrix CCD, the precision of CCD image cell cannot be made very high for the reasons such as its inherent physical characteristic and working mechanism, etc., or the restrictions as the structure of the chip and manufacture technology, etc. In order to ensure CCD image cell area and the space of all the CCD device cannot be so small, in one micron of ranks generally at present. So CCD is restricted to the application of high accuracy measure field.Keywords: CCD structure Photosensitive element Image processing1.绪论1.1CCD的由来及发展历史CCD是于1969年由美国贝尔实验室的W.S.Byole（威拉德·博伊尔）和G.E.Smiht （乔治·史密斯）所发明的。
当时贝尔实验室正在发展图像电话和半导体气泡式存储器。
将这两种新技术结起来后，博伊尔和史密斯得出一种设备，他们命名为“电荷‘气泡’组件”（Charge "Bubble" Devices）。
这种设备的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来作为记忆设备，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。
但随即发现光电效应能使此种组件表面产生电荷，而组成数字图像。
1971年，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性设备捕捉图像，CCD就此诞生。
有几家公司接续此发明，着手进行进一步的研究，包括飞兆半导体、美国无线电公司和德州仪器。
其中飞兆半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性设备和100x100像素的平面设备。
2006年元月，博伊尔和史密斯获颁电机电子工程师学会颁发的Charles Stark Draper奖章，以表彰他们对CCD发展的贡献。
2009年10月两人荣获诺贝尔物理奖。
CCD图像传感器在需要3～16 M甚至更高像素分辨率、低噪声高灵敏度的高画质应用,如摄像机、侦察卫星、光谱仪、生物医学摄影、微光成像等领域具有高性价比。
图1-1所示为美国Kodak公司[2],全球著名的CCD和CMOS图像传感器生产商提供的图像传感器发展趋势。
根据Kodak公司的预测,未来10年CCD仍将占据高性能图像传感器市场。
图1-11.2发展用途及特征CCD的基本功能是电荷的存储和转移,当对它施加特定时序的脉冲时,其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。
CCD的突出特点是以电荷为信号,而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。
CCD能把一幅空间域分布的图像变为一列按时间域离散分布的电信号,大大方便了其后续信号采集与处理电路的设计和制作,其使用范围和优越性是现有其它测量方法无法比拟的,因而一直受到人们的高度重视[3]。
作为一种非常有效的快速、非接触测量手段,光学图像测量技术已被广泛应用于各种测量应用中,近年来,CCD在光学图像测量系统中的运用相当普遍。
CCD器件之所以得到广泛的应用,这与CCD本身所具有的电子自扫描、高灵敏、低噪声、动态范围大、稳定性好、尺寸小、工作电压低、寿命长、坚固耐冲击和可靠性高等优点有着密切的关系。
CCD的像元尺寸小、几何精度高,配置适当的光学系统,可获得很高的空间分辨率,特别适合于各种精密图像传感和无接触工件尺寸的在线检测。
由于CCD是以时间积分方式工作的,光积分时间可在很宽的范围内调节,因此使用方便灵活,适应性很强。
CCD输出信号易于数字化处理,容易与计算机连接组成实时自动化测量控制系统,便于扩大应用功能和使用范围,这些优点使得CDC为光电转换器件的图像测量系统具有广阔的应用前景。
D基础技术2.1CCD的工作原理CCD是一种光电转换器件,用集成电路工艺制成。
它以电荷包的形式储存和传送信息,主要由光敏单元、输入结构和输出结构等部分组成,具有光电转换、信息存贮和延时等功能。
CCD有而阵和线阵之分,光敏元排列为一行的称为线阵CCD,光敏元排列为一平面的称为面阵CCD器件,它包含若干行和列的结合,目前达到实用阶段的像元数由25万至百万个不等(绝大多数在30万一50万间),按照芯片的尺寸不同有8mm芯片,13/英寸、12/英寸、2/3英寸以至1英寸之分:按使用场合的不同有彩色和黑白CCD芯片之别。
无论线阵CCD,还是面阵CCD,基木工作原理相同,主要由光电转换、电荷转移和电荷输出三部分组成。
2.1.1 光电转换与储存CCD器件是由许多个光敏像元组成按一定规律排列组成的。
每个像元就是一个MOS 电容器(现今大多为光敏二极管)。
图2-1 CCD的单元结构如图2-1所示,它是在P型51衬底的表面上用氧化的方法生成一层厚度约1000A~1500A的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一层金属层(多晶硅),在衬底和金属电极间加上一个偏置电压,于是就构成了一个MOS电容器。
当由一束光线投射到MOS电容器上时,光子穿过透明电极及氧化层,进入P型Si衬底,衬底中处于阶带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。
光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子一空穴对,电子一空穴对在外加电场的作用下,分别向电极的两端移动,这就是信号电荷。
这些信号电荷存储在由电极形成的“势阱”中。
如图2-2所示。
图2-2 CCD的单元结构2.1.2 电荷转移以MOS电容器这一基本单元为例讨论一下由电位方程引出的相关结论。
MOS电容器的电荷存储容量可由下式求得:Q s=C i×V G×A式2-1 式2-1中：Q s是电荷储存量；C i是单位面积氧化层的电容；V G是外加偏置电压；A是MOS电容栅的面积。
可得光敏元面积越大,其光电灵敏度越高。
图2-3示出1个3相驱动工作的CCD中电荷转移的过程。
假设电荷最初存储在电极①(加有10V电压)下面的势阱中，如图2-3(a)所示,加在CCD所有电极上的电压，通常都要保持高于某一临界值电压V tℎ上，V tℎ称为CCD阀值电压，设V tℎ=2V。
所以每个电极下面都有一定深度的势阱。
显然，电极①下面的势阱最深,如果逐渐将电极②的电压自2V增加到10V，因这两个电极靠的很近(间隔只有几微米)，这时①、②两个电极下面的势阱具有同样的深度,合并在一起,原先存储在电极①下面的电荷,就要在两个电极下面均匀分布,如图2-3(b)和(c)所示,然后,再逐渐将电极①的电压降到2V,使其势阱深度降低,如图2-3(d)和(e)所示,这是电荷全部转移到电极②下面的势阱中,此过程就是电荷从电极①到电极②的转移过程。
如果电极有许多个,可将其电极按照1、4、7…2、5、8、…和3、6、9、…的顺序分别连接在一起,加上一定时序的驱动脉冲,如图2-3(f)所示,即可完成电荷从左到右转移的过程,用三相时钟驱动的CCD称为二相CCD。
（a）初始状态；（b）电荷由①电极向②电极转移；（c）电荷在①、②电极下均匀分布；（d）电荷继续由①电极向②电极转移；（e）电荷完全转移到②电级；（f）三相交叠脉冲；图2-3 三相CCD中电荷转移的过程2.1.3 电荷输出通常CCD信号电荷的读出是采用选通电荷积分器结构,以三相CCD为例,其电荷读出原理是信号电荷在外加驱动脉冲的作用下,在CCD移位寄存器中按顺序传送到输出级。