第6章電荷耦合器件

1、第6章電荷耦合器件6.1 圖像傳感器簡(jiǎn)介 6.1.1 圖像傳感器發(fā)展 完成圖像信息光電變換的功能器件稱(chēng)為光電圖像傳感器光電圖像傳感器。光電圖像傳感器的發(fā)展歷史悠久，種類(lèi)很多。 早在1934年就成功地研制出光電攝像管光電攝像管（Iconoscope），用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。但是，它的靈敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000lx的照度才能獲得較為清晰的圖像。使它的應(yīng)用受到限制。 1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico），的靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2 000lx以上。 1954年投放市場(chǎng)的高靈敏視像管（Vidicon）基本具有了成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，使

2、廣播電視事業(yè)和工業(yè)電視事業(yè)有了更大的發(fā)展。 1965年推出的氧化鉛視像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，發(fā)展了彩色電視攝像機(jī)，使彩色廣播電視攝像機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。然而，氧化鉛視像管抗強(qiáng)光的能力低，余輝效應(yīng)影響了它的采樣速率。 1976年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管和硅靶管。不斷滿(mǎn)足人們對(duì)圖像傳感器日益增長(zhǎng)的需要。 1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（Charge Coupled Device,簡(jiǎn)稱(chēng)CCD) 的原理，使圖像傳感器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全新的階段，使圖像傳感器從真空電子束掃描方式發(fā)展成為固體自?huà)呙栎敵龇绞焦腆w自?huà)呙栎敵龇绞健?CCD本身就能完成光

3、學(xué)圖像轉(zhuǎn)換、信息存貯和按順序輸出（稱(chēng)自?huà)呙瑁┮曨l信號(hào)的全過(guò)程。 它的自?huà)呙栎敵龇绞较穗娮邮鴴呙柙斐傻膱D像光電轉(zhuǎn)換的非線(xiàn)性失真。即CCD圖像傳感器的輸出信號(hào)能夠不失真地將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成視頻電視圖像。此外，與真空攝像器件相比此外，與真空攝像器件相比,CCD還有以下優(yōu)點(diǎn)：還有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 體積小，重量輕，功耗低；耐沖擊，可靠性高，壽命長(zhǎng)； (2) 無(wú)象元燒傷、扭曲，不受電磁場(chǎng)干擾； (3) 象元尺寸精度優(yōu)于1m,分辨率高； (4) 基本上不保留殘象（真空攝像管有15%20%的殘象）。 (5) 視頻信號(hào)與微機(jī)接口容易。6.1.2 圖像傳感器的基本原理 CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的

4、主流產(chǎn)品。其應(yīng)用研究成為當(dāng)今高新技術(shù)的主流課題。它的發(fā)展推動(dòng)了廣播電視、工業(yè)電視、醫(yī)用電視、軍用電視、微光與紅外電視技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展，促進(jìn)了公安刑偵、交通指揮、安全保衛(wèi)等事業(yè)的發(fā)展。 在光照射下或自身發(fā)光的景物經(jīng)成像物鏡成像在圖像傳感器的光敏面上，形成二維空間光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像，光電圖像傳感器完成將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成二維“電氣” 圖像的工作。 掃描型圖像傳感器輸出的視頻信號(hào)可經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（或稱(chēng)其為數(shù)字圖像信號(hào)），存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并在軟件的支持下完成圖像處理、存儲(chǔ)、傳輸、顯示及分析等功能。 本章主要討論從光學(xué)圖像到視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理，即圖像傳感器的基本工作原理和典型應(yīng)用問(wèn)題

5、 。 組成一幅圖像的最小單元稱(chēng)為像素或像元像素或像元，像元的大小或一幅圖像所包含的像元數(shù)決定了圖像的分辨率，分辨率越高，圖像的細(xì)節(jié)信息越豐富，圖像越清晰，圖像質(zhì)量越高。即將圖像分割得越細(xì)，圖像質(zhì)量越高。 CCD圖像傳感器用光敏單元分割。被分割后的電氣圖像經(jīng)掃描才能輸出一維時(shí)序信號(hào)。1 電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)6.2 CCD的工作原理CCD的特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，不是以電流或電壓作為信號(hào)。 在P型或N型硅單晶的襯底上生長(zhǎng)一層厚度約為0.1-0.2微米的SiO2層，然后按一定次序沉積N個(gè)金屬電極作為柵極，柵極間的間隙約2.5m，電極的中心距離1520m ，于是每個(gè)電極與其下方的SiO2

6、和半導(dǎo)體間構(gòu)成了一個(gè)金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，即即MOS結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。CCD線(xiàn)陣列CCD單元這種結(jié)構(gòu)再加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了N位CCD。 CCD（Charge Coupled Devices，電荷耦合器件）圖像傳感器主要有兩種基本類(lèi)型兩種基本類(lèi)型，一種為信號(hào)電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面進(jìn)行轉(zhuǎn)移的器件，稱(chēng)為表面溝道CCD（簡(jiǎn)稱(chēng)為SCCD）器件；另一種為信號(hào)電荷包存儲(chǔ)在距離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移的器件，稱(chēng)為體溝道或埋溝道器件（簡(jiǎn)稱(chēng)為BCCD）。下面以SCCD為例討論CCD的基本工作原理。 構(gòu)成CCD的基本單元是MOS結(jié)構(gòu)。如圖8-15（a）所示，

7、當(dāng)金屬電極加上正電壓時(shí)，接近半導(dǎo)體表面的空穴被排斥，電子增多，在表面下一定范圍內(nèi)只留下受主離子，形成耗盡區(qū)(圖8-15（b）所示)。該區(qū)域?qū)﹄娮觼?lái)說(shuō)是一個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域，也稱(chēng)勢(shì)阱勢(shì)阱。加在柵極上的電壓愈高，表面勢(shì)越高，勢(shì)阱越深；若外加電壓一定，勢(shì)阱深度隨勢(shì)阱中電荷量的增加而線(xiàn)性下降。2.2.電荷耦合原理與電極結(jié)構(gòu)電荷耦合原理與電極結(jié)構(gòu)電荷包形成電荷包形成：當(dāng)有光照時(shí)，光生電子被收集到勢(shì)阱中，形成電荷包。 一個(gè)MOS單元是一個(gè)光敏元電荷耦合：電荷耦合： 設(shè)t=t1時(shí)，已有信號(hào)電荷存貯在偏壓為+10V的號(hào)電極下的勢(shì)阱里. 當(dāng)t=t2時(shí)，電極和電極均加有+10V電壓，所形成的勢(shì)阱就連通，電極下的部分

8、電荷就流入電極下的勢(shì)阱中。 當(dāng)t=t3時(shí)，電極上的電壓由+10V變?yōu)?2V，下面的勢(shì)阱由深變淺，勢(shì)阱內(nèi)電荷全部移入電極下的深勢(shì)阱中。 由此，從t1t3 ，深勢(shì)阱從電極下移動(dòng)到下面，勢(shì)阱內(nèi)的電荷也向右轉(zhuǎn)移了一位。如果不斷地改變電極上的電壓，就能使信號(hào)電荷可控地一位一位地順序傳輸。CCDCCD的電極結(jié)構(gòu)：的電極結(jié)構(gòu)： CCD中電荷的存貯和傳輸是通過(guò)改變各電極上所加電壓實(shí)現(xiàn)的。按照加在電極上的脈沖電壓相數(shù)來(lái)分，電極的結(jié)構(gòu)可分為二相、三相、四相等結(jié)構(gòu)形式。 三相電阻海結(jié)構(gòu)三相電阻海結(jié)構(gòu)二相硅二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)鋁交疊柵結(jié)構(gòu)四電極結(jié)構(gòu)：3.3.電荷的注入和檢測(cè)電荷的注入和檢測(cè) 光注入光注入：正面和背面光

9、照式Qin=qNeoAtc式中：為材料的量子效率；q為電子電荷量； Neo為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；tc為光的注入時(shí)間。 CCD工作過(guò)程分三部分:信號(hào)輸入、電荷轉(zhuǎn)移和信號(hào)輸出部分。 輸入部分輸入部分的作用是將信號(hào)電荷引入到CCD的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中。引入的方式有兩種：光注入和電注入。 在濾波、延遲線(xiàn)和存儲(chǔ)器應(yīng)用情況攝像應(yīng)用 電注入電注入機(jī)構(gòu)由一個(gè)輸入二極管和一個(gè)或幾個(gè)輸入柵構(gòu)成，它可以將信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為勢(shì)阱中等效的電荷包。 輸入柵施加適當(dāng)?shù)碾妷海谄湎旅姘雽?dǎo)體表面形成一個(gè)耗盡層。如果這時(shí)在緊靠輸入柵的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵上施以更高的電壓，則在它下面便形成一個(gè)更深的耗盡層。這個(gè)耗盡

10、層就相當(dāng)于一個(gè)“通道”，受輸入信號(hào)調(diào)制的電荷包就會(huì)從輸入二極管經(jīng)過(guò)“通道”流人第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中，完成輸入過(guò)程。 輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS的關(guān)系 Qs=Iddt (8-10) (8-10) 輸出部分輸出部分由輸出二極管、輸出柵和輸出耦合電路組成，作用是將CCD最后一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下勢(shì)阱中的信號(hào)電荷引出。 浮置擴(kuò)散放大器(FDA)的讀出方法是一種最常用的CCD電荷輸出方法。它包括兩個(gè)MOSFET，并兼有輸出檢測(cè)和前置放大的作用，它可實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷與電壓之間的轉(zhuǎn)換，具有大的信號(hào)輸出幅度(數(shù)百毫伏)，以及良好的線(xiàn)性和較低的輸出阻抗。 6.3 電荷耦合器件的分類(lèi)CCD器件按結(jié)構(gòu)可分為兩大類(lèi)

11、：線(xiàn)陣CCD和面陣CCD。 最簡(jiǎn)單的線(xiàn)陣CCD是由一個(gè)輸入二極管(ID)、一個(gè)輸入柵(IG)、一個(gè)輸出柵(OG)、一個(gè)輸出二極管(OD)和一列緊密排列的MOS電容器構(gòu)成，如下圖所示。1 1 線(xiàn)陣線(xiàn)陣CCDCCD （1）電極是金屬的容易蔽光，即使是換成多晶硅，由于多層結(jié)構(gòu)電極系統(tǒng)對(duì)入射光吸收、反射和干涉比較嚴(yán)重，因此光強(qiáng)損失大，量子效率低。 （2）電荷包轉(zhuǎn)移期間，光積分在繼續(xù)進(jìn)行，使輸出信號(hào)產(chǎn)生拖影。 將光敏區(qū)和轉(zhuǎn)移區(qū)分開(kāi)，構(gòu)成單邊傳輸結(jié)構(gòu)和雙邊傳輸結(jié)構(gòu)。 單排傳輸結(jié)構(gòu)是光敏區(qū)通過(guò)其一側(cè)轉(zhuǎn)移柵與CCD移位寄存器相連。光敏元與CCD轉(zhuǎn)移單元一一對(duì)應(yīng)，二者之間設(shè)有轉(zhuǎn)移柵，移位寄存器上覆蓋有鋁遮光，光

12、敏區(qū)像元由光柵控制，如左下圖所示。 雙排傳輸結(jié)構(gòu)是將兩列CCD移位寄存器平行地配置在光敏區(qū)兩側(cè)，如右上圖所示。 比單邊結(jié)構(gòu)型CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)少近一半，它的總轉(zhuǎn)移效率亦大大提高，所以一般在大于256像素以上的線(xiàn)陣CCD攝像器件中，均采用雙排傳輸結(jié)構(gòu)。 2.2.面陣面陣CCDCCD 面陣CCD常見(jiàn)有兩種：幀轉(zhuǎn)移型(FT)和行間轉(zhuǎn)移型(1LT) 幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)包括光敏區(qū)、暫存區(qū)、水平讀出寄存器和讀出電路4個(gè)部分。 其結(jié)構(gòu)特征是光敏區(qū)與暫存區(qū)分開(kāi)，光敏區(qū)由并行排列垂直的電荷耦合溝道組成。各溝道之間用溝阻隔離，水平電極條覆蓋在各溝道上。光敏區(qū)與暫存區(qū)CCD的列數(shù)、位數(shù)均相同，不同之處是光敏區(qū)面積略大于暫存區(qū)

13、的面積。 讀出寄存器的每一個(gè)轉(zhuǎn)移單元與垂直列電荷耦合溝道一一對(duì)應(yīng)，如下圖所示。 FTCCD 行間轉(zhuǎn)移(內(nèi)線(xiàn)轉(zhuǎn)移)結(jié)構(gòu)采用了光敏區(qū)與轉(zhuǎn)移區(qū)相間排列方式。相當(dāng)于將若干個(gè)單邊傳輸?shù)木€(xiàn)陣CCD圖像傳感器按垂直方向并排，底部設(shè)置一個(gè)水平讀出寄存器，其單元數(shù)等于垂直并排的線(xiàn)陣CCD圖像傳感器的個(gè)數(shù)，如下圖所示。 ILTCCDILTCCD 幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)和行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高；行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)適合于低光強(qiáng)，“拖影”小。 6.4 CCD的性能參數(shù)1 1 電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率 電荷轉(zhuǎn)移效率是表征CCD器件性能好壞的一個(gè)重要參數(shù)。設(shè)原有的信號(hào)電荷為 ，轉(zhuǎn)移到下一個(gè)

14、電極下的信號(hào)電荷 ，其比值 0Q1Q%01QQ稱(chēng)為轉(zhuǎn)移效率沒(méi)有被轉(zhuǎn)移的電荷Q與原信號(hào)電荷之比0QQ稱(chēng)為轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移效率與損失率的關(guān)系為 1 影響轉(zhuǎn)移效率的因素很多，其中最主要因素還是表面態(tài)對(duì)信號(hào)電荷的俘獲。 為此，采用“胖零”工作模式，所謂“胖零”工作模式就是讓“零”信號(hào)也有一定的電荷來(lái)填補(bǔ)陷阱，這就能提高轉(zhuǎn)移效率和速率。 一個(gè)CCD器件如果總轉(zhuǎn)移效率太低，就失去實(shí)用價(jià)值。 當(dāng)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移n個(gè)電極后的電荷為 時(shí)，總轉(zhuǎn)移效率為 nQnnnneQQ)1 (0 CCD受光照的方式有正面受光正面受光和背面受光背面受光兩種。 背面光照的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)與光電二極管相似，如下圖中曲線(xiàn)2。如果在背面鍍以增

15、透膜減少反射損失而使響應(yīng)率有所提高，如圖中曲線(xiàn)3。 正面照射時(shí)，由于CCD的正面布置著很多電極，光線(xiàn)被電極多次反射和散射，一方面使響應(yīng)率減低，另一方面多次反射產(chǎn)生的干涉效應(yīng)使光譜響應(yīng)曲線(xiàn)出現(xiàn)起伏，如圖中曲線(xiàn)1所示。2 2 光譜響應(yīng)率和干涉效應(yīng)光譜響應(yīng)率和干涉效應(yīng) 為了減小在短波方向多晶硅的吸收，用SnO2薄膜代替多晶硅薄膜做電極，可以減小起伏幅度。 CCD由很多分立的光敏單元組成，根據(jù)奈奎斯特定律，它的極限分辨率為空間采樣頻率的一半，如果某一方向上的象元間距為p，則在此方向上象元的空間頻率為1/p(線(xiàn)/毫米)，其極限分辨率將小于1/2p（線(xiàn)對(duì)/毫米）。 若用調(diào)制函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)CCD的圖像傳遞特性，

16、那么，CCD的總調(diào)制函數(shù)MTF取決于器件結(jié)構(gòu)（象元寬度、間距）所決定的幾何MTF1 、載流子橫向擴(kuò)散衰減決定的MTFD 和轉(zhuǎn)移效率決定的MTFT ，總的MTF等與三者的乘積。并且總MTF隨空間頻率的提高而下降。 3 3 分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)（分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTFMTF）4 4 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍表征器件能在多大照度范圍內(nèi)正常工作。一般定義動(dòng)態(tài)范圍是輸出飽和電壓和暗場(chǎng)時(shí)噪聲的峰值電壓之比。 一個(gè)好的CCD器件，其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)： 10005000。 熱噪聲：熱噪聲：是由于固體中載流子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的，這里指的是信號(hào)電荷注人及輸出時(shí)引起的噪聲，它相當(dāng)于電阻熱噪聲和電容的總寬帶噪聲之和。 三種噪聲的源是獨(dú)立無(wú)關(guān)的，所以CCD的總噪聲功率應(yīng)是它們的均方和。 轉(zhuǎn)移噪聲：轉(zhuǎn)移噪聲：轉(zhuǎn)移噪聲是由轉(zhuǎn)移損失及界面態(tài)