一文了解CCD图像传感器

出处:维库电子市场网 发布于:2024-05-29 17:14:31

  CCD(Charge Coupled Device)图像传感器由CCD电荷耦合器件制成,是固态图像传感器 的一种,是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1969年发明的新型半导体传感器。它是在MOS集成电路的基础上发展起来的,能进行图像信息的光电转换、存储、延时和按顺序传送。它的集成度高、功耗小、结构简单、耐冲击、寿命长、性能稳定,因面应用广泛。
  1.CCD电荷耦合器件

  CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS(金属—氧化物—半导体)电容器组成的阵列,其构造如图7—14所示。

  在P型或N型硅衬底上生长一层很薄(约1200A)的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电极,称为栅极。该栅极和P型(或N型)硅衬底形成了规则的MOS电容器阵列,再加上两端的输入及输出二极管构成了CCD电荷耦合器件芯片。

  每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件,如图7—15所示。
  当光照射到MOS电容器的P型硅衬底上时,会产生电子空穴对(光生电荷),电子被栅极吸引并存储在势阱中。入射光越强,产生的光生电子—空穴对越多,势阱中收集到的电子就在CCD芯片上同时集成了扫描电路,它们能在外加时钟脉冲的控制下,产生三相时序脉冲信号,由左到右,由上到下,将存储在整个面阵的光电元件下面的电荷逐位、逐行、快速地以串行模拟脉冲信号输出。输出的模拟脉冲信号可以转换为数字信号存储,也可以输入视频显示器显示出原始图像。
  2.应用范围
  CCD图像传感器单位面积光电元件的位数很多,一个光电元件形成一个像素,成像分辨率高、信噪比大、动态范围大,可以在微光下工作。彩色图像传感器采用三个光电二极管组成一个像素的方法。被测景物图像的每一个光点由彩色矩阵滤光片分解为红、绿、蓝三个光点,分别照射到每一个像素的三个光电二极管上,各自产生的光生电荷分别代表该像素的红、绿、蓝三个光点的亮度。经输出和传输后,可在显示器上重新组合,显示出每一个像素的原始色彩,这就构成了彩色图像传感器。CCD彩色图像传感器具有高灵敏度和良好的色彩还原性。
  固态图像传感器的输出信号具有以下特点:
  (1)与成像位置对应,具有时间先后性,即能输出时间系列信号。(2)串行的各个脉冲可以表示不同的信号,即能输出模拟信号。(3)能够反映焦点面的信息,即能输出焦点面信号。

  将不同的光源、光学透镜、光导纤维、滤光片及反射镜等光学元件灵活地组合,可以获得固态图像传感器的各种用途,如图7—18所示。

  由图7-18可知,CCD图像传感器的主要用途如下.
  (1)组成测试仪器,可测量物位、尺寸、工件损伤等。
  (2)作为光学信息处理装置的输人环节,可用于传真技术、光学文字识别技术以及图像识别技术
(3)作为自动流水线装置中的敏感器件,可用于机床、自动售货机、自动搬运车以及自动监视装.
  (4)作为机器人的视觉,可监控机器人的运行。


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