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ccd圖像傳感器工作原理：CCD圖像傳感器工作原理圖解

本文轉載自：新機器視覺
1969年，沃勒德?保爾(Willard Boyle)與喬治?艾沃德?史密斯(George E. Smith)于美國電報電話公司的貝爾實驗室(AT&T Bell Labs)發明了電荷耦合組件(Charge Coupled Device，CCD)。1970年，二人把記述CCD發明的技術文章提交到《貝爾系統技術期刊》(Bell System Technical Journal)。他們開發CCD的原意是把它用于建構內存裝置。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技術試作于其它方面的應用。天文學家發現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是一個具有極高靈敏度的光子傳感器。一個CCD 會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畫面。一個光子來到某個像素的范圍時，便會轉換成一個(或多個)電子，而收集到的電子數量會與每個像素接收的光線強度成正比例。當CCD時鐘輸出時，每個像素內的電子數目便會被測量出來，以用于重建畫面。
CCD陣列切面圖
在集成級，電荷通過電子云或電子斗采集到偏置電極。每個像素需要最少兩個電極用于控制這一電荷采集，不過科學設備一般會使用四個電極以便于優化尖峰信號。
在這區域里，電荷會與一個正向施加電壓一同采集。在具體工作中，電荷儲存于掩埋通道部分以避免與表面有接觸，而各個通道‘行’之間則有通道阻絕層作分隔。上圖顯示了單個CCD像素的結構。大量的像素組合起來，便構成一個成像設備，例如Teledyne e2v 的CCD290便具有8100萬像素。下圖顯示的是一個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內電子活動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，所以能夠提供質量均一的圖像。
讀出
在大多數的CCD里，每個像素里的電極經配置，電荷會沿著通道‘行’向下轉移。因此，當CCD時鐘工作時，各個列會向下轉移到最后一行(即讀出記錄器)，然后把每一像素的電荷轉移到CCD外部以便于測量。而在讀出記錄器里的電極經配置，電荷會以水平方向在記錄器內轉移。
電荷從被采集到讀出，它是以每次一個電荷包的形式傳送到一個輸出放大器，在那里電荷會轉換為電壓。在讀出工作進行時，電極會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移。
下圖顯示單個轉移步驟的工作原理。在一個4相位架構里，要把一個像素沿著陣列傳送到底部，便要進行4次轉移。
在某個相位的圖像范圍內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個時鐘。每次只有一行電荷轉移到讀出記錄器。然后讀出記錄器會以相同的時鐘，每次讀出一個像素到輸出節點，把電荷轉為電壓。下圖顯示了一個4x4像素三相位器件的工作原理：
電荷轉移原理
由于整個陣列是通過單個放大器進行閱讀，因而可以高度優化輸出，盡可能減小噪聲并實現極高的動態范圍。一般的CCD可以提供100dB 的動態范圍以及小于2e的噪聲。
一部CCD相機或儀器一般包含一個CCD芯片以及相關電子器件，這些相關器件是用于放大CCD上的小電壓、移除噪聲、數字化像素數值，以及把每個像素的數值輸出到外部，例如是處理器。CCD是一個模擬器件，而模擬電壓數值會由相機的電子部件轉換為數字格式。
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合半導體材料，依照應用需求提供合適技術解決方案。其具備的各種圖像傳感器技術，包括從CCD、CMOS，到混合紅外ROIC數組和微測輻射熱計，以及更多其它技術。
主要CCD 參數
量子效率
CCD能夠測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。而現代的CCD能夠實現大于90%的QE。量子效率會因波長而有差異，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 (藍色可見光)，甚至達到1000 nm (近紅外線)，而尖峰靈敏度可達到700 nm左右。利用背照可以實現較短的X光和紫外光波長檢測，而低噪聲和高阻硅技術則有助于提高對較長的近紅外線波長的靈敏度。
動態范圍
能夠正確讀出同一圖像的光亮和模糊來源，是測量器的一個非常有用的特點。測量器準確讀出圖像內最光亮和最模糊來源二者之間的差異被稱為動態范圍。
當光線來到CCD上，光子會轉換成電子。CCD的動態范圍一般是以可成像的最小和最大電子數目為量度單位。落可CCD上的光線越多，在電位井(p-井)內收集到的電子數目也就越多。當電位井無法再接收更多的電子時，意味著像素達到飽和狀態。在典型的科學用CCD，這情況大約會在150,000個電子時發生。
可測量的最小信號單位不一定是一個電子(相等于可見波長的一個光子)。具體來說，最小電子噪聲一般是與CCD實體結構相關，最小大約是每像素2至4個電子。所以可測量的最小信號是由這讀出噪聲來決定。單電子或電子倍增CCD(Electron Multiplication CCD，EMCCD) 都是經設計用于高靈敏度測量的超低噪聲傳感器，可以量度出小至數個光子或電子的信號。
線性度
測量器的另一重要考慮是對它所見的任何圖像的線性響應能力。如果CCD測出100個光子，它便會把它們轉換為100個電子(假設QE為100%)。在這一狀況下，測量器有一個線性響應。線性響應的用處在于無需對圖像進行附加處理，便可以測定圖像上不同主體的真正和真實密度。
噪聲
CCD的噪聲表現取決于多個因素。
暗電流
暗電流是由溫度產生的噪聲。在室溫，CCD的噪聲表現可以是每像素每秒數千個電子。在這情形下，每個像素有機會在數秒間達到滿井容量，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)等系統來為檢測器降溫來解決暗電流問題。在-40° C溫度下， CCD的噪聲表現可以降低到每像素每秒數十個電子。
讀出噪聲
讀出噪聲源于每個像素內的電子在CCD輸出節點上轉換為電壓的工作。噪聲的幅度取決于輸出節點的大小。在減小CCD讀出噪聲方面已有一些技術進步，而這一工作將繼續成為現在和未來CCD發展的重要部分。
讀出噪聲能影響動態范圍，所以必需盡可能減小，這在微小能量檢測應用方面至關重要。歐洲航天局(ESA)的 XMM-牛頓太空衛星內檢測X光能量中的光子就是一個例子。
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

展開全文
　　構成CCD的基本單元是MOS（金屬－氧化物－半導體）結構。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移。工作時，需要在金屬柵極上加一定的偏壓，形成勢阱以容納電荷，電荷的多少與光強成線性關系。電荷讀出時，在一定相位關系的移位脈沖作用下，從一個位置移動到下一個位置，直到移出CCD，經過電荷ˉ電壓變換，轉換為模擬信號。由于在CCD中每個像元的勢阱所容納電荷的能力是有一定限制的，所以如果光照太強，一旦電荷填滿勢阱，電子將產生“溢出”現象。另外，在電荷讀出時，由于它是從一個位置到下一個位置的電荷轉移過程，所以存在電荷的轉移效率和轉移損失問題。
　　電荷耦合攝像器件（CCD）的突出特點是以電荷為信號載體。它的功能是接受存儲模擬電荷信號，并將它逐級轉移（并存儲）輸送到輸出端。其基本工作過程主要是信號電荷的產生、存儲、轉移和檢測，因此實際上相當于一個模擬移位存儲器。主要有信息處理用延遲線、存儲器和光電攝像器件三個方向應用。
　　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移柵，以進行光電轉移，并將光電轉換的信號電荷轉移到CCD轉移電極下。
　　由CCD圖像傳感器的結構和工作原理決定了這類器件有以下優點：
　　● 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量精度；
　　● 具有較高的光電靈敏度和較大的動態范圍。
　　
 來源:ks99
技術資料出處:楊真人
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201次閱讀半導體設備市場美日荷爭霸，國產半導體設備該如何逆...國內外市場需求為國產半導體設備業提供了光明前景，目前一批極大規模集成電路制造設備、集成電路先進封裝工....發表于 2020-04-28 16:01?
335次閱讀導體導電和本征半導體導電的區別其中，Is為反向電流，Uon為開啟電壓，硅的開啟電壓——0.5V，導通電壓為0.6~0.8V，反向飽....發表于 2020-04-28 11:43?
630次閱讀ST汽車級運算放大器ST的汽車級運算放大器滿足汽車市場和應用對極端可靠性和質量的要求。ST提供了持續增長的產品組合。這些....發表于 2020-04-28 11:00?
545次閱讀基于非接觸式圖象處理方法實現紅外CCD礦井軌道運...為了有效地解決以上幾個方面問題，本文提出采用非接觸式的視頻圖象處理方法來實現礦井軌道運輸監測....發表于 2020-04-28 09:49?
72次閱讀基于ARM的緊湊型圖像采集系統設計利用ARM7(LPC2210)與CMOS感光芯片(OV7620)實現了一個緊湊型圈像采集、處理系統;通過夸理利用LPC2210數...發表于 2020-04-28 06:38?
106次閱讀氧氣傳感器TO2-1X在晶圓低氧存儲監測中的應用...晶圓的主要材料是硅，沙子是日常生活中隨處可見的，富含二氧化硅，經過一系列復雜的過程，沙子變成了硅錠。....發表于 2020-04-27 16:42?
421次閱讀Dialog汽車級PMIC產品組合Dialog深刻理解汽車客戶對延長產品生命周期的要求，并推出了Product Longevity P....發表于 2020-04-27 10:03?
278次閱讀兩大調研機構預警2020年全球半導體收入下降 臺...Gartner最新報告顯示，今年全球半導體產值可達4154億美元，較去年衰退0.9%，IC insi....發表于 2020-04-27 09:05?
1656次閱讀東芝推出一款800萬像素的CMOS圖像傳感器支持以相當于240fps錄制高速高清視頻
東京—東芝公司（TOKYO：6502）推出一款800萬像素的BSI [1] CMOS圖...發表于 2020-04-27 06:44?
162次閱讀CMOS圖像傳感器增長放緩 像素間距擴展如何滿足...高分辨率的相機并不一定就能拍出更好的照片。Girardin ：“這是一個像素大小和分辨率之間的權衡問....發表于 2020-04-26 16:45?
1755次閱讀大基金二期為半導體封測行業帶來機遇，幫助最終實現...國家集成電路產業大基金二期開始實質投資，二期基金將對包括刻蝕機、薄膜設備、測試設備、清洗設備等領域已....發表于 2020-04-26 16:07?
827次閱讀2019年我國光伏產業規模持續擴大，晶盛機電實現...2019年我國的半導體設備市場，受全球政治經濟的不穩定因素及貿易摩擦影響銷售有所波動，但是基于5G、....發表于 2020-04-26 14:59?
202次閱讀安森美擴充高品質CCD圖像捕獲產品    新的860萬像素KAI-圖像傳感器提供優異圖像品質，針對工業檢測、智能交通及監控市場。
 ...發表于 2020-04-26 09:46?
104次閱讀三星正在開發一款全新的一億像素圖像傳感器三星的6億像素傳感器將采用類似于1.08億像素傳感器的像素九合一技術。 6億像素必須使用多像素合成技....發表于 2020-04-26 09:31?
1094次閱讀【硬見小百科】看完這篇，請不要再說不懂MOSFE...01 認識功率器件 1.1 功率半導體器件在工業 、消費 、軍事等領域都有著廣泛應用 ，具有很高的戰....發表于 2020-04-26 08:59?
956次閱讀采用擴散電阻技術的KTY系列硅傳感器的特點及應用...對于許多應用而言，存在著比傳統熱敏電阻更先進的技術，而傳統技術往往只是因為先前設計中一直采用而被頻繁....發表于 2020-04-25 17:35?
77次閱讀2020第六屆深圳國際半導體石英材料及制品應用展
發表于 2020-04-25 10:00?
275次閱讀臺積電預估今年營收有望成長，下調對整體產業未來的...近日，臺積電發布由董事長劉德音與總裁魏哲家共同署名的《致股東報告書》，這是兩位臺積電最高領導人接班以....發表于 2020-04-24 14:51?
469次閱讀高通與京東方將開發集成高通3D Sonic超聲波...雙方對此次合作表示期待，并已啟動在京東方的柔性OLED面板中集成增值和差異化的功能，包括高通3D S....發表于 2020-04-24 10:47?
776次閱讀CCD圖像傳感器在微光電視系統中的應用說明CCD （Charge Coupled Device） ，即電荷耦合器件，是一種金屬－氧化物－半導體結構的新型器件，其基本結構是一...發表于 2020-04-24 07:46?
73次閱讀多國“禁令”延期，半導體供應鏈再添變數？！交通受阻是疫情帶來的一大問題，供應鏈則面臨著運輸不暢的困境。發表于 2020-04-23 14:22?
328次閱讀常用電子元器件的識別一、電阻 電阻器我們習慣稱之為電阻，是電子設備中最常應用的電子元件之一， 電阻在電路中用“r”加數字表示，如：r13...發表于 2020-04-23 13:03?
412次閱讀Astera Labs獲B輪融資將與現有制造伙伴...Astera Labs是一家即將迎來迅速發展的公司，它正在逐步提高其連接解決方案的產量，以滿足產業界....發表于 2020-04-23 11:55?
535次閱讀安森美半導體音頻方案可實現超低功耗語音交互的應用音頻/語音用戶接口（VUI）是未來人機交互的一個重要的新興趨勢，將越來越多地用于智能家居控制、樓宇自....發表于 2020-04-22 22:43?
509次閱讀東微半導體超級硅MOSFET系列產品，可取代了氮...東微半導體的GreenMOS系列產品是國內最早量產并進入工業級應用的高壓超級結產品系列，在國產品牌中....發表于 2020-04-22 17:09?
550次閱讀國產半導體設備廠商在5納米刻蝕領域有了新成績半導體產品的生產和制造涉及多種高端精密技術，堪稱工業制造皇冠上的明珠。發表于 2020-04-22 17:03?
825次閱讀晶圓代工市場保持增長，中國大陸集成電路產業鏈從低...集成電路關乎國家信息安全的命脈，其進口額是石油進口額的兩倍，雖然中國大陸涌現了一批優秀的半導體企業，....發表于 2020-04-22 16:35?
690次閱讀接觸式圖像傳感器工作原理_接觸式圖像傳感器優點CIS是英文ContactImageSensor的縮寫，直譯為“接觸式圖像傳感器”，用在掃描儀中，是....發表于 2020-04-22 15:27?
89次閱讀在VxWorks系統下改善RTL8139驅動實現...RTL8139是臺灣Realtek半導體公司生產的一種快速以太網控制器，提供符合PCI2.2標準的接....發表于 2020-04-22 10:04?
126次閱讀三安集成為寬禁帶電力半導體產業發布全新升級生產平...根據Yole分析報告，GaN電力電子市場在2017-2023年間，預計將以55%的年復合增長率速度發....發表于 2020-04-22 09:12?
229次閱讀SKC預計將在今年下半年量產高端掩模坯料和光罩基...據韓國消息報道，韓國產業通商資源部20日宣布，SK海力士的姊妹公司SKC預計將在今年下半年大規模生產....發表于 2020-04-21 14:44?
549次閱讀高速線陣CCD IL-P1-4096的主要特點、...近年來，電荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Devices）在圖像拍攝方面起著非常重....發表于 2020-04-21 10:26?
213次閱讀圖像傳感技術演進，是否會影響CIS市場格局？隨著移動時代的逐步演進，我們也在手機上看到了越來越多的攝像頭，攝像頭里最關鍵的組件當屬CMOS圖像傳....發表于 2020-04-21 09:16?
2910次閱讀中科院打破技術壟斷，在半導體關鍵材料技術取得突破要想制造芯片，半導體是不能夠缺少的材料，而自然界中的半導體肯定是不能直接使用的，需要通過先進技術的手....發表于 2020-04-20 17:14?
642次閱讀AOS馮雷：功率半導體市場存在哪些需求與長期挑戰“一場危機往往會成為行業轉型和升級的重大契機。AOS在近年來積極進行功率半導體市場多元化開發，從技術....發表于 2020-04-20 16:54?
989次閱讀2019年天準科技汽車行業同比增長236.39%...而在光伏行業，天準科技提供的是硅片檢測分選設備，不同于消費電子產業客戶需求多樣的特征，在光伏半導體行....發表于 2020-04-20 16:01?
480次閱讀全球半導體硅片出貨面積穩步增長，半導體用硅片國產...近年來全球半導體硅片出貨面積穩步增長。2018年全球半導體硅片出貨面積達127．3億平方英寸，同比2....發表于 2020-04-20 15:06?
467次閱讀欣憶電子第三代半導體六英寸氮化鎵項目落戶廣西桂林...近日，廣西桂林高新區管委會與位于中國臺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目推進會，就....發表于 2020-04-20 10:21?
1190次閱讀PB-0300系列CMOS型數字圖像傳感器的性能...PB-0300系列CMOS型有源像素數字圖像傳感器，內置模數轉換8、位并行數據輸出、64個內部寄存器....發表于 2020-04-20 10:21?
89次閱讀怎樣讓第三代半導體這個“貴族”平民化？半導體是指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。常見的半導體材料有硅、鍺等，其中，硅是在商業應用....發表于 2020-04-20 09:47?
507次閱讀基于PIC16F73微處理器和RS485總線實現...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。隨著半導體技術的發展，功能更強、....發表于 2020-04-20 09:38?
162次閱讀過壓檢測芯片MC3423/MC3523的結構性能...隨著微電子技術的發展，半導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必須具有的CPU、....發表于 2020-04-19 18:44?
109次閱讀LIN通信總線標準和混合信號半導體工藝技術提高汽...LIN 標準是汽車傳感器/傳動裝置通信的重要進步，不過，在與混合信號半導體工藝的最新發展融合之后，它....發表于 2020-04-19 10:47?
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