Toshiba 于彩色CCD应用

CCD图像传感器是一种新型半导体器件一电荷祸合器件，為一种MOS集成电路。具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点，在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输等方面的优越性。目前，CCD图像传感器不论在文件复印、传真、零件尺寸的自动测量和文字识别、交通监控等民用领域，还是在空间遥感遥测、水下扫描摄像等系统中都发挥着重要作用。圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模拟转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪存或内置硬盘卡保存，把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理来修改图像。

       CCD能存储由光产生的信号电荷。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。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。像素数越高,面积越大,成像质量就越高越清晰。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线、储存信号并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给相邻的图像处理器来形成图像。

       图像传感器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。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。『彩色传感器的机构包括3条光电二极管行线路，并有一个彩色滤光片（红色、绿色和蓝色），可利用白色光源获得彩色图像。传感器为每个滤光片备有光电二极管行，因此可获得分辨率相同的彩色图像。』（作者：东芝；出处：https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/product/linear-image-sensors/color-sensor.html）
                                                            资料来源: 东芝(https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/product/linear-image-sensors/color-sensor.html)

       MOS电容器是构成CCD的最基本单元，它是金属—氧化物—半导体（MOS）器件中结构最为简单的。CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。典型的 CCD 器件有四层:（a）底部掺杂硼的硅衬底（Silicon Substrate）、（b）沟道停止层（Channel Stop）、（c）氧化层（Silicon Dioxide）和（d）用于控制的栅电极（Polysilicon Gate Electrode）。当栅极电压高时，氧化层下方会产生势能阱（Potential Well）。传入的光子可以激发势阱中的电子，这些电子可以被收集和引导，周围的掺杂区可防止受激电子泄漏。使用 CCD相机生成图像，可分为四个主要阶段或功能：通过光子与器件光敏区域相互作用产生电荷、收集和存储释放的电荷、电荷转移和电荷测量。

（1）信号电荷的注入：CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD可以将入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光伏效应。在CCD中，电荷注入的方式可分为光注入和电注入两类。光注入为当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-电洞对，多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势能阱中形成信号电荷。电注入為CCD通过输入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为信号电荷注入到相应的势能阱中。

（2）信号电荷的存储：CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。当向SiO表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成势能阱，势能阱的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载子电子被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为电洞。

（3）信号电荷的传输（耦合）：CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。

（4）信号电荷的检测：CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。

        CCD 芯片按比例将一定数量的光子转换为一定数量的电子，但光子的波长，也就是光线的颜色，却没有在这一过程中被转换为任何形式的电信号，因此 CCD 实际上是无法区分颜色的。如果在 CCD 表面覆盖一个只含红绿蓝三色的滤光片，再加上对其输出信号的处理算法，就可以实现一个 CCD 输出彩色图像数字信号。
                                                   资料来源: 东芝(https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/product/linear-image-sensors/color-sensor.html)


东芝CCD 参数特性 : 

                                                     资料来源: 东芝(https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/product/linear-image-sensors/color-sensor.html)




                                                       资料来源: 东芝(https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/product/linear-image-sensors/color-sensor.html)



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