CCD原理與應用--固態成像器件按分辨率大小，將下列設備進行排序NobelPrizesawardedforwork@BellLab1937,ClintonJ.Davisson,discoveryofelectrondiffraction.1956,JohnBardeen,WalterH.Brattain,andWilliamShockley,thefirsttransistors.1977,PhilipW.Anderson,antiferromagnetismandhigh-temperaturesuperconductivity1978,ArnoA.Penzias,RobertW.Wilson,cosmicmicrowavebackgroundradiation,1997,StevenChu,methodstocoolandtrapatomswithlaserlight1998,HorstStormer,RobertLaughlin,andDanielTsui,fractionalquantumHalleffect.2009,WillardS.Boyle,GeorgeE.Smith,inventionofCCDsensorMorethanthatlaser,ArthurSchawlow@1981andCharlesHardTownes@1964MOSFETCO2laserOrthogonalfrequency-divisionmultiplexing(OFDM),1966Molecularbeamepitaxy(MBE)UnixClanguage

wirelesslocalareanetwork(WLAN)quantumcascadelaser….固態圖像傳感器的基本概念與真空器件相對基于半導體技術固態圖像傳感器的基本結構CCD（電荷耦合器件）CMOS圖像傳感器其他類型的固態器件哪些地方，有固態圖像傳感器的身影？Nokia1020

(41MP)Iphone6Plus

(8MP)HubbleSpaceTelescopeWFPC->WFPC2->WFC3

199019932009

800*800*4800*800*42048*4096*2WFC3天文望遠鏡中ARGUSsensor

(1800MP)怎樣才是一個好的圖像傳感器？像素高？（分辨率）圖像層次好（動態范圍大）色彩復現準確（色彩模板、解mosaic…）讀出準確…采集到圖像，僅僅是開始...獲取圖像（基本功能）；圖像識別（交通管理，停車管理，OCR）；人臉識別（安全，服務）；體感；自動駕駛...確保正確的采集圖像，很重要固態圖像傳感器的兩種主要類型：

CCD

（chargecoupleddevice）

CMOS

(Complementarymetal–oxide–semiconductor)CMOS圖像傳感器結構示意圖固態圖像傳感器的歷史圖像傳感器于何時開始？

1929年發明光電攝像管（iconoscope），是真空電子學器件。

在真空管中放置的云母板上面涂抹具有光電效應的Cs，通過鏡頭的光線在云母板上成像。產生的電荷，經電子束進行掃描，取出信號電流。由于晶體管的發明，從收音機到電視機，晶體管取代了真空管的地位。攝像管實有無法接上電源立刻使用，工作電壓高，功耗大，因電子束轟擊導致壽命降低等缺點。圖像傳感器（固態圖像元件）在晶體管發明約十年后，一直等到集成電路出現后才誕生。而圖像傳感器的開發，從20世紀60年代的后半期開始。用于晶體管或IC的Si（硅）等半導體，具有將接受的光轉換成電的光電變換性質。然而如何將此處產生的電信號，正確且有效地取出，可以說是圖像傳感器固態化的最重要問題。簡單地說，在成為單片IC基片的Si基板作為攝影面有規則地排列光電二極管（photodiode），然后依次將光電二極管的光電流以某種方法讀出，即具有圖像傳感器的功能。最關鍵的是如何實現。（各種辦法）最早的可以產生圖像、像素平面排列的固態圖像傳感器，是1966的光敏晶體管平面排列的圖像傳感器。1967年發表了將光電二極管以平面矩陣排列，利用掃描脈沖與MOS晶體管，以XY地址方式取出信號的方法。這種方法后來雖然實現了，但與CCD圖像傳感器的開發競爭中失敗，成為現在CMOS圖像傳感器的原型。1969年，CCD（ChargeCoupledDevice）由Belllab的W.S.Boyle和G.E.Smith發明。由于CCD具有存儲信號電荷后傳輸的功能，可廣泛應用于內存、顯示器、延遲元件等。現在廣泛使用的frametransfer方式的構造，也于1971年由Belllab發明。固態圖像傳感器的歷史—關鍵技術FD（FloatingDiffusion）電荷檢測結構，是決定圖像傳感器感光度的電荷檢測技術之一。

相關雙采樣（CDS：CorrelatedDoubleSampling）電路，抑制CCD圖像傳感器信號內噪聲的信號處理電路。掩埋型光電二極管，可大大減少圖像噪聲

垂直溢出溝道光電二極管，有助于實現像素尺寸小型化和電子快門。

片上微鏡頭，可以彌補像素尺寸變小時帶來的感光度下降，促進了攝影機的小型化且其普及做出了貢獻。

固態圖像傳感器的歷史盡管出現了各種各樣的圖像傳感器，然而開始實用化且真正用于照相機是一直到CCD發明10年之后，且其中真正實用化的也只有MOS型圖像傳感器和CCD圖像傳感器二種。1981年使用MOS圖像傳感器的攝影機實現實用化，1982年，使用CCD圖像傳感器的產品也隨之登場。雖然MOS圖像傳感器出現較早，并具有信號動態范圍大的特點，但也有噪聲大、感光度低的缺點。隨著圖像傳感器小型化與高性能化的趨勢，加上攝影機的普及，面對感光度高、畫質優良的CCD圖像傳感器，MOS型圖像傳感器只好撤離市場。而后CCD圖像傳感器的時代到來。在其正式實用化之后，又開發出來很多基本技術，包括：

電子快門技術，用于CCD圖像傳感器的曝光控制。如果少了它，就基本無法控制攝影機的快門速度。

電子式的振動校正技術，也是在1990年開發出來。利用此項技術，即使是輕巧晃動的攝影機，也可以拍攝出專業級的穩定圖像。20世紀80年代后半期開始，日本NHK的高清晰電視節目開播，推動了CCD圖像傳感器的高分辨率化。數字相機在1995年出現，開始了用于靜止圖像用的CCD開發，2000年富士推出了所謂蜂窩式CCD（SuperCCD），可提高靜止圖像的分辨率，也是最適合連續掃描的像素構造。舊式MOS型圖像傳感器，其像素不具有信號電荷放大功能，歸類為PPS（PassivePixelSensor），如像素具有信號電荷放大功能，則稱為APS（ActivePixelSensor）。1966年，在CCD發明之前，就有bipolarphototransistor被發明。此后，出現了各種構造的APS，但由于制造工藝與CMOSLSI的整合度不好，直到2002年，VMIS結構APS的出現，具備了工藝兼容性和像素小型化。而事實上，使用CMOSLSI工藝制造的CMOS圖像傳感器是1990年就出現了，但此種器件為PPS結構。對于CMOS圖像傳感器的實用化而言，不得不解決的問題是：提高成像質量，盡可能接近CCD。CMOS圖像傳感器由其原理，其由于像素放大功能導致的固定圖案噪聲（FPN：FixedPatternNoise）較大。CCDorCMOS?區別在哪里？WhataboutDV?CCDorCMOS？--returnoftheCMOS一般來說：因為歷史的原因，CCD技術在日本非常成熟，95%的CCD都出自日本。CMOS影像傳感器卻不同。任何具有技術能力的半導體公司都能夠制造CMOS影像傳感器，所以低廉的成本使它很快就在PC攝像頭和手機攝像頭中普遍被采用。CMOS影像傳感器在高質量的圖像應用方面(例如DSC數碼相機)趕上CCD應該只是時間問題。高質量成像中的CMOS尼康2008年發布D3X2009發布D3s高質量成像中的CMOS尼康D3搭載了被稱為FXFormat的CMOS傳感器，這種傳感器的尺寸為36x23.9mm，擁有1210萬的有效像素，而這種傳感器尺寸同普通35mm膠片底片的36x24mm相當接近，因此可以算為完全的全幅幅面。使用全幅的一個巨大好處就是讓數碼單反使用起來同普通的銀鹽單反相機并沒有太大的差異。同時由于幅面更大，像素間的間距也會比較大，自然像素點之間的干擾也會小得多，自然也會更加容易獲得純凈的圖像。尼康的D3傳感器的像素點尺寸為8.45μm，佳能的1DsMarkIII的尺寸為6.4μm，而前一代的1DsMarkII為7.2μm，而更大的像素點可以獲得更好的降噪效果，尼康D3支持最高ISO6400的感光度，如果在擴展模式下甚至還提供了高達ISO25600的感光度。D3擁有非常高的連拍速度，在正常模式下可以提供9fps。而且如果在DX模式下拍攝，最高支持11fps的連拍速度。值得特別注意一點，尼康稱，未來尼康都會采用CMOS傳感器來替代CCD傳感器，因為CMOS傳感器的成本更低廉，降噪效果更加明顯。速度，CMOS的優勢：CCD在工作時，上百萬個像素感光后會生成上百萬個電荷，所有的電荷全部經過一個“放大器”進行電壓轉變，形成電子信號，因此，這個“放大器”就成為了一個制約圖像處理速度的“瓶頸”，所有電荷由單一通道輸出，就像千軍萬馬從一座橋上通過，當數據量大的時候就發生信號“擁堵”，而HDV格式卻恰恰需要在短時間內處理大量數據，因此，在民用級產品中使用單CCD無法滿足高速讀取高清數據的需要。CMOS則不同，每個像素點都有一個單獨的放大器轉換輸出，因此CMOS沒有CCD的“瓶頸”問題，能夠在短時間內處理大量數據，輸出高清影像。另外，CMOS工作所需要的電壓比CCD低很多，功耗大約只有CCD的1/3。因此,電池尺寸可以做得更小，使得攝像機的體積也就做得更小。而且，每個CMOS都有單獨的數據處理能力，這也大大減少的集成電路的體積，這也讓數碼攝像得以實現小型化。固態圖像傳感器的應用領域消費電子產品，手機，DC，DV…；傳真通訊系統

用1024～2048像元的線陣CCD作傳真機，可在不到一秒鐘內完成A4開稿件的掃描。可用于各種標本分析（如血細胞分析儀），眼球運動檢測，X射線攝像，胃鏡、腸鏡攝像…工業檢測與自動控制,這是IS應用量很大的一個領域，統稱機器視覺應用。①．在鋼鐵、木材、紡織、糧食、醫藥、機械等領域作零件尺寸的動態檢測，產品質量、包裝、形狀識別、表面缺陷或粗糙度檢測。②．在自動控制方面，主要作計算機獲取被控信息的手段。③．還可作機器人視覺傳感器。天文觀測①．天文攝像觀測②．從衛星遙感地面如：美國用5個2048位CCD拼接成10240位長取代125mm寬偵察膠卷，作地球衛星傳感器。③．航空遙感、衛星偵察

如：1985年歐洲空間局首次在SPOT衛星上使用大型線陣CCD掃描，地面分辨率提高到10m。此外，在軍事上應用：微光夜視、導彈制導、目標跟蹤、軍用圖象通信等。固態圖像傳感器應用舉例光電鼠標1999年微軟&安捷倫公司合作推出IntellimouseExplorer鼠標，揭開了光學成像鼠標的時代的序幕。

2000年羅技公司也推出了同類的光電鼠標產品缺點：刷新率和分辨率較低；對采樣表面的適應性差；

光電鼠標光電鼠標號稱比普通光學鼠標提高20倍的追跡能力掃描儀掃描儀－－CCD線陣CCD（幾千像元）；鏡頭縮小成像；

色彩分離（3CCD、單CCD、濾光片分離）；解析增強技術；CCD是如何工作的電荷的產生電荷的存儲電荷的轉移電荷的輸出電荷的產生—光照產生光生電子光子的吸收當光子流Φ0入射到半導體材料的表面上時，如果光子能量大于Eg，則光子會被吸收，光子流則按指數形式衰減，α為吸收系統:

,α為吸收系統

假設量子效率為1(每個被吸收的光子產生一個電子空穴對)，則在深度為x處，光生電子的產生速率為：

光子的吸收需重點提到，光生電子的產生速率是強烈地依賴于：

入射光的波長λ、

入射光子流密度Φ0

、

半導體材料種類(通過吸收系數α來體現)

穿透深度x*,定義為:

,因此我們有

(穿透深度,在此處，入射光子流只有原來的37%)

光子的吸收Si材料的吸收系數和穿透深度與波長之間的關系：波長500nm:,

α=104/cmx*=1μm波長1000nm:

α=102/cm,x*=100μm電荷的存儲Analogywithbucketisveryhelpful.

(MOS電容的電荷容納可用水桶做比擬)Explanationoftheleftdiagram,potentialwellinfluencedbyparameter:Dopinglevel:

bucketisdeeperforlowerdopinglevels;

(摻雜越低，桶越深)Gatevoltage:highergatevoltage,deeperpotentialwell;

(柵電壓越高，桶越深)Thicknessofgatedielectric:thickeroxidesmakethebucketsshallower;

(絕緣層越薄，桶越深)Chargecontentofthewell:remainingbucketdepthisdeterminedbythefillinglevel;

(已容納電子越少，桶越深)電荷轉移—時鐘，移位寄存器，線陣&面陣電荷轉移原理圖示首先，柵極2上加10V的偏壓，其他的柵極加0V的偏壓，則電子集聚在柵極2下方

;然后，柵極3加10V的偏壓，其他柵極電壓不變，則電子在柵極2和3共同形成的勢阱中進行重新分配;第三步，柵極2上的電壓從10V降到0V

，其他柵極電壓不變，則電荷從柵極2下方完全轉移到柵極3下方;電荷轉移系統四相時鐘轉移系統；(廣泛用于器件的二維部分)

三相時鐘轉移系統；

二相時鐘轉移系統；(常用在輸出水平移位寄存器，需高速驅動的部分)

一相半時鐘轉移系統；

一相時鐘轉移系統；四相時鐘系統時鐘占空比為5/8；如各相時鐘未完全對準，最壞情況下電荷容量為整個像元容量的1/2；四相時鐘系統時鐘占空比為50%的四相方法；時鐘產生簡化了：1和3為反相關系、2和4亦然；如時鐘未對準，最壞情況下電荷容納能力為像元的25%；

改進方法：各時鐘下降沿延后一點；三相時鐘系統一相進行電荷存儲,一相用來做勢阱間的隔離,另一相用來驅動電荷運動；50%占空比，120。相移；最壞情況下，電荷容納能力為1/3；像元尺寸可更小，比四相；二相時鐘系統通過對絕緣層厚度的設計，實現電荷的單方向轉移；兩相時鐘間不能重疊；電荷容量為25%；

在實際中，厚絕緣層部分的寬度實際比薄絕緣層部分要小很多；二相時鐘系統電荷轉移方向的控制通過附加的n摻雜區實現;(摻n,勢阱變深)兩相時鐘互為反相;(時間重疊要求不嚴格)與四、三相比:

CCD結構更復雜,電荷容納能力也小；但驅動更簡單；

電荷只能單向轉移；a,單輸出通道線陣b,雙輸出通道線陣c,四輸出通道線陣單輸出通道線陣CCD光照，產生光生電子并被收集在MOS電容中—光積分；轉移柵把電荷并行地轉移到移位寄存器中；移位寄存器開始向右轉移電荷，

同時MOS電容又開始進行光積分；移位寄存器繼續向右轉移電荷，

同時MOS電容繼續進行光積分；移位寄存器繼續向右轉移電荷，

同時MOS電容繼續進行光積分；移位寄存器還繼續向右轉移電荷，

同時MOS電容還繼續進行光積分；

(下一次從MOS轉移到移位寄存器前，移位寄存器中的電荷一定要傳完)雙輸出通道線陣CCD光積分過程；光積分結束；光電荷通過轉移柵轉移到移位寄存器；光電荷在移位寄存器中轉移；新一輪光積分開始；光電荷繼續轉移；光積分持續；光電荷繼續轉移；光積分持續；光電荷繼續轉移,即將結束；光積分持續，即將結束；

幀轉移型&列間轉移型面陣CCD工作過程描述全幀型面陣CCD工作過程描述TDI時間延遲積分電子圖像同步移動+多重曝光