第7章-固體成像器件-王珊總結(jié)

1、1 為了區(qū)別于為了區(qū)別于真空成像器件真空成像器件, ,將將CCDCCD稱為稱為固體成像器固體成像器件件。固體成像器件不需要在。固體成像器件不需要在真空玻璃殼內(nèi)用靶來(lái)完真空玻璃殼內(nèi)用靶來(lái)完成光學(xué)圖像的轉(zhuǎn)換成光學(xué)圖像的轉(zhuǎn)換, ,再用電子束按順序進(jìn)行掃描獲再用電子束按順序進(jìn)行掃描獲得視頻信號(hào)得視頻信號(hào); ;與真空成像器件不同與真空成像器件不同, ,固體成像器件本固體成像器件本身就能完成光學(xué)身就能完成光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換圖像轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)信息存儲(chǔ)和和按順序輸出按順序輸出( (稱自掃描稱自掃描) )視頻信號(hào)視頻信號(hào)的全過(guò)程。的全過(guò)程。19701970年：美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（年：美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的

2、電荷耦合器件（CCDCCD）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，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，使圖像傳感器從使圖像傳感器從真空電子束掃描方式真空電子束掃描方式發(fā)展成為發(fā)展成為固體自固體自掃描輸出掃描輸出方式。方式。高錕高錕光纖之父光纖之父 博伊爾博伊爾&史密斯史密斯發(fā)明發(fā)明CCD圖像傳感器圖像傳感器 2009年諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主年諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主Fig.1貝爾實(shí)驗(yàn)室貝爾實(shí)驗(yàn)室George Smith和和Willard Boyle將可視電話和半導(dǎo)體將可視電話和半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合發(fā)明了存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合發(fā)明了CCD原型原型Fig.2 現(xiàn)代現(xiàn)代CCD芯片外觀芯片外觀

3、固體成像器件有兩大類固體成像器件有兩大類: :電荷耦合器件電荷耦合器件(Charge Coupled Device),(Charge Coupled Device),簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱CCDCCD; ;自掃描光電二極管列陣自掃描光電二極管列陣(Self Scanned Photodiod (Self Scanned Photodiod Array),Array),簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱SSPDSSPD, ,又稱又稱MOSMOS圖像傳感器。圖像傳感器。如圖所示為如圖所示為線陣線陣CCDCCD器器件的實(shí)物件的實(shí)物外觀。外觀。固體成像器件與真空攝像器件相比固體成像器件與真空攝像器件相比, ,有以下優(yōu)點(diǎn)有以下優(yōu)點(diǎn): :體積小

4、體積小, ,重量輕重量輕, ,功耗低功耗低; ;耐沖擊耐沖擊, ,可靠性高可靠性高, ,壽命長(zhǎng)壽命長(zhǎng); ;無(wú)像元燒傷、扭曲無(wú)像元燒傷、扭曲, ,不受電磁場(chǎng)干擾不受電磁場(chǎng)干擾; ;SSPDSSPD的光譜響應(yīng)范圍從的光譜響應(yīng)范圍從0.250.25 1. 1.1 1 m,m,對(duì)近紅外線也對(duì)近紅外線也敏感敏感,CCD,CCD也可做成紅外敏感型也可做成紅外敏感型; ;像元尺寸精度優(yōu)于像元尺寸精度優(yōu)于1 1 m,m,分辨率高分辨率高; ;可進(jìn)行非接觸位移測(cè)量可進(jìn)行非接觸位移測(cè)量; ;基本不保留殘像基本不保留殘像( (真空攝像管有真空攝像管有15%15% 20%20%的殘像的殘像) )。視頻信號(hào)與微機(jī)接口容

5、易。視頻信號(hào)與微機(jī)接口容易。電荷耦合器件的突出特點(diǎn)是以電荷耦合器件的突出特點(diǎn)是以電荷電荷作為信號(hào)作為信號(hào), ,而不是而不是以電流或電壓作為信號(hào)。以電流或電壓作為信號(hào)。7.1 電荷耦合器件電荷耦合器件CCDCCD特點(diǎn)特點(diǎn)以電荷作為信號(hào)。以電荷作為信號(hào)。CCDCCD的基本功能的基本功能電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移。電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移。CCDCCD基本工作過(guò)程基本工作過(guò)程信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)的過(guò)程。檢測(cè)的過(guò)程。 CCDCCD的基本結(jié)構(gòu)包括：的基本結(jié)構(gòu)包括：轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)結(jié)構(gòu)。信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)、信號(hào)

6、輸出結(jié)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)結(jié)構(gòu)。構(gòu)成構(gòu)成CCDCCD的基本單元是的基本單元是MOSMOS電容或光電二極管。電容或光電二極管。一系列彼此非常接近的一系列彼此非常接近的MOSMOS電容電容用同一半導(dǎo)體襯底制成，用同一半導(dǎo)體襯底制成，襯底可以是襯底可以是P P型或型或N N型材料，上面生長(zhǎng)均勻、連續(xù)的氧型材料，上面生長(zhǎng)均勻、連續(xù)的氧化層，在氧化層表面排列互相絕緣而且距離極小的金化層，在氧化層表面排列互相絕緣而且距離極小的金屬化電極（柵極）。屬化電極（柵極）。MetalOxideSemiconductor CCD 是由規(guī)則排列的金屬是由規(guī)則排列的金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（Metal Oxide Semi

7、conductor，MOS）電容陣列組成。）電容陣列組成。 7.1.17.1.1電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)CCDCCD光信息光信息電脈沖電脈沖脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱輸出脈沖的順序可以反映一個(gè)光敏元的位置輸出脈沖的順序可以反映一個(gè)光敏元的位置完成圖像傳感完成圖像傳感 7.1.2 7.1.2 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)CCD電荷存儲(chǔ)電荷存儲(chǔ)電荷轉(zhuǎn)移電荷轉(zhuǎn)移電荷注入電荷注入電荷輸出電荷輸出CCD的工作原理的工作原理特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)基本功

8、能：電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移基本功能：電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移基本名詞：基本名詞：勢(shì)勢(shì) 阱阱 勢(shì)勢(shì) 阱阱 施加正電壓施加正電壓 空穴耗盡區(qū)空穴耗盡區(qū) 電子的電子的“陷阱陷阱” ” 基本名詞：基本名詞：勢(shì)勢(shì) 阱阱 柵極正向電壓增加?xùn)艠O正向電壓增加時(shí)，勢(shì)阱變深。時(shí)，勢(shì)阱變深。改變改變UG，調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)勢(shì)阱深度勢(shì)阱深度電荷耦合的原理電荷耦合的原理 基本思想：基本思想： 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)勢(shì)阱深度勢(shì)阱深度 利用利用勢(shì)阱耦合勢(shì)阱耦合勢(shì)阱耦合勢(shì)阱耦合7.1.3 7.1.3 電荷耦合器件的組成及其工作原理電荷耦合器件的組成及其工作原理CCDCCD主要由三部分組成，信號(hào)輸入部分、電荷轉(zhuǎn)移部主要由三部分組成，信號(hào)輸入部分、電荷轉(zhuǎn)移部分和信號(hào)

9、輸出部分。分和信號(hào)輸出部分。1 1、輸入部分、輸入部分 輸入部分輸入部分的作用是將信號(hào)電荷引入到的作用是將信號(hào)電荷引入到CCDCCD的第一的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中。引入的方式有兩種：個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中。引入的方式有兩種：電注入電注入和和光注入光注入。 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。包。電注入：電注入：當(dāng)給輸入柵施加適當(dāng)?shù)碾妷海谄湎旅姘雽?dǎo)體當(dāng)給輸入柵施加適當(dāng)?shù)碾妷?，在其下面半?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表面形成一個(gè)耗盡層。如

10、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)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)耗盡層就相當(dāng)于一個(gè)更深的耗盡層。這個(gè)耗盡層就相當(dāng)于一個(gè)“通道通道”，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)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)“通通道道”流人第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中，完成輸入過(guò)程。流人第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中，完成輸入過(guò)程。也可將信號(hào)加在柵上，通過(guò)信號(hào)調(diào)制控制柵下通道進(jìn)也可將信號(hào)加在柵上，通過(guò)信號(hào)調(diào)制控制柵下通道進(jìn)行注入。行注入。 CCDCCD的輸入方式有場(chǎng)效應(yīng)管輸入、注入二極管輸入、電的輸入方式有場(chǎng)效應(yīng)管輸入、注入二極管輸入、電勢(shì)平衡法

11、輸入等。勢(shì)平衡法輸入等。光注入：光注入： 電子電子 信號(hào)電荷（包）信號(hào)電荷（包）產(chǎn)生電子空穴對(duì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)空穴空穴 柵極電壓排斥柵極電壓排斥這時(shí)輸入二極管由光敏元代替。這時(shí)輸入二極管由光敏元代替。攝像時(shí)光照射到光敏面上，光攝像時(shí)光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，空穴進(jìn)入耗盡區(qū)以外的襯子被光敏元吸收產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，空穴進(jìn)入耗盡區(qū)以外的襯底，然后通過(guò)接地消失，電子便被收集到勢(shì)阱中成為信號(hào)電荷。底，然后通過(guò)接地消失，電子便被收集到勢(shì)阱中成為信號(hào)電荷。當(dāng)輸入柵開(kāi)啟后，第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵上加以時(shí)鐘電壓時(shí)，這些代表當(dāng)輸入柵開(kāi)啟后，第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵上加以時(shí)鐘電壓時(shí)，這些代表光信號(hào)的少數(shù)載流子就會(huì)

12、進(jìn)入到轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中，完成光注光信號(hào)的少數(shù)載流子就會(huì)進(jìn)入到轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中，完成光注入過(guò)程。光注入是入過(guò)程。光注入是攝像器件攝像器件采取的唯一的注入方法。采取的唯一的注入方法。 2 2、信號(hào)轉(zhuǎn)移部分、信號(hào)轉(zhuǎn)移部分 信號(hào)轉(zhuǎn)移部分由一串緊密排列的信號(hào)轉(zhuǎn)移部分由一串緊密排列的MOSMOS電容器構(gòu)成，根據(jù)電容器構(gòu)成，根據(jù)電荷總是要電荷總是要向最小位能方向移動(dòng)向最小位能方向移動(dòng)的原理工作的。信號(hào)電荷的原理工作的。信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移時(shí)，只要轉(zhuǎn)移前方電極上的電壓高，電極下的勢(shì)阱深，轉(zhuǎn)移時(shí)，只要轉(zhuǎn)移前方電極上的電壓高，電極下的勢(shì)阱深，電荷就會(huì)不斷的向前運(yùn)動(dòng)。電荷就會(huì)不斷的向前運(yùn)動(dòng)。 右圖示出了三相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的右圖示

13、出了三相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的CCDCCD時(shí)鐘脈沖。在信號(hào)電荷包運(yùn)行的前時(shí)鐘脈沖。在信號(hào)電荷包運(yùn)行的前方總有一個(gè)較深的勢(shì)阱處于等待狀方總有一個(gè)較深的勢(shì)阱處于等待狀態(tài)，于是電荷包便可沿著勢(shì)阱的移態(tài)，于是電荷包便可沿著勢(shì)阱的移動(dòng)方向向前連續(xù)運(yùn)動(dòng)。勢(shì)阱中電荷動(dòng)方向向前連續(xù)運(yùn)動(dòng)。勢(shì)阱中電荷的容量由勢(shì)阱的深淺決定，電荷在的容量由勢(shì)阱的深淺決定，電荷在勢(shì)阱中存儲(chǔ)的時(shí)間，必須遠(yuǎn)小于勢(shì)勢(shì)阱中存儲(chǔ)的時(shí)間，必須遠(yuǎn)小于勢(shì)阱的熱弛豫時(shí)間，所以阱的熱弛豫時(shí)間，所以CCD CCD 是在非是在非平衡狀態(tài)工作的一種功能器件。平衡狀態(tài)工作的一種功能器件。 3 3、輸出部分、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，輸出部分

14、由輸出二極管、輸出柵和輸出耦合電路組成，作用是把作用是把CCDCCD最后一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下勢(shì)阱中的信號(hào)電荷引出。最后一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下勢(shì)阱中的信號(hào)電荷引出。 最簡(jiǎn)單的輸出電路是通過(guò)二極管檢出，輸出柵采用直最簡(jiǎn)單的輸出電路是通過(guò)二極管檢出，輸出柵采用直流偏置。這種電路簡(jiǎn)單，但是噪聲較大，很少采用。流偏置。這種電路簡(jiǎn)單，但是噪聲較大，很少采用。 浮置擴(kuò)散放大器浮置擴(kuò)散放大器(FDA)(FDA)的讀出方法是一種最常用的的讀出方法是一種最常用的CCDCCD電電荷輸出方法。它可實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷與電壓之間的轉(zhuǎn)換，具有荷輸出方法。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)輸出幅度大的信號(hào)輸出幅度( (數(shù)百毫伏數(shù)百毫伏)

15、 )，以及良好的線性和較低的，以及良好的線性和較低的輸出阻抗。輸出阻抗。 7.1.4 電荷轉(zhuǎn)移溝道類型電荷轉(zhuǎn)移溝道類型 CD CD電荷轉(zhuǎn)移溝道有兩種基本類型電荷轉(zhuǎn)移溝道有兩種基本類型: : 一種是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面一種是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面, ,并并沿界面?zhèn)鬏斞亟缑鎮(zhèn)鬏? ,這類器件稱為這類器件稱為表面溝道電荷耦合器件表面溝道電荷耦合器件( (簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱SCCD);SCCD); 另一種是電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體另一種是電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)內(nèi), ,并在半導(dǎo)體內(nèi)沿一定方向傳輸并在半導(dǎo)體內(nèi)沿一定方向傳輸, ,這類器件稱為這類器件稱為體內(nèi)溝

16、體內(nèi)溝道或埋溝道電荷耦合器件道或埋溝道電荷耦合器件( (簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱BCCD)BCCD)。表面溝道與體內(nèi)溝道的轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)和性能差別如下：表面溝道與體內(nèi)溝道的轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)和性能差別如下：(1)SCCD(1)SCCD比比BCCDBCCD的信號(hào)處理能力大；的信號(hào)處理能力大；(2)BCCD(2)BCCD比比SCCDSCCD提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的工作頻率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的工作頻率; ;(3)BCCD(3)BCCD大大提高了大大提高了CCDCCD的轉(zhuǎn)移效率；的轉(zhuǎn)移效率；(4)(4)對(duì)于二相對(duì)于二相BCCD,BCCD,電荷存儲(chǔ)在厚柵電極下電荷存儲(chǔ)在厚柵電極下, ,薄柵是轉(zhuǎn)薄柵是轉(zhuǎn)移柵移柵; ;而在而在SCCDSC

17、CD中中, ,電荷存儲(chǔ)在薄柵電極下電荷存儲(chǔ)在薄柵電極下, ,厚柵是轉(zhuǎn)厚柵是轉(zhuǎn)移柵。移柵。(5) SCCD(5) SCCD是少子器件，而是少子器件，而B(niǎo)CCDBCCD是多子器件。是多子器件。CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理為什么稱為為什么稱為電荷電荷耦合耦合器件？器件？電荷電荷器件中的信息是以器件中的信息是以電荷電荷形式出現(xiàn)形式出現(xiàn)的，不同于其他探測(cè)器的的，不同于其他探測(cè)器的“電流電流”或或“電電壓壓”耦合耦合器件內(nèi)部信息的傳遞是通過(guò)勢(shì)阱器件內(nèi)部信息的傳遞是通過(guò)勢(shì)阱的的藕合藕合完成的，完全不同于電子槍的完成的，完全不同于電子槍的“掃掃描輸出描輸出”形式形式7.2 7.2 電荷耦合器件的分類

18、電荷耦合器件的分類 v工作原理工作原理電荷耦合攝像器件就是用于攝像的電荷耦合攝像器件就是用于攝像的CCDCCD，又簡(jiǎn)稱為，又簡(jiǎn)稱為ICCD,ICCD,它它的的功能是把二維光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變成一維以時(shí)間為自變量功能是把二維光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變成一維以時(shí)間為自變量的視頻輸出信號(hào)的視頻輸出信號(hào)。線陣線陣CCDCCD器件器件: :直接將接收到的一維光信息轉(zhuǎn)換成時(shí)序的電直接將接收到的一維光信息轉(zhuǎn)換成時(shí)序的電信號(hào)，獲得一維的圖像信號(hào)。信號(hào)，獲得一維的圖像信號(hào)。如何用線陣如何用線陣CCDCCD獲得二維圖像信號(hào)？獲得二維圖像信號(hào)？面陣面陣CCDCCD器件器件是二維的圖像傳感器，直接將二維圖像轉(zhuǎn)變是二維的圖像傳感器，

19、直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)輸出。為視頻信號(hào)輸出。2048 2048 面陣面陣CCD5000像元像元線陣線陣CCDCCDCCD器件按結(jié)構(gòu)可分為兩大類：線陣器件按結(jié)構(gòu)可分為兩大類：線陣CCDCCD和面陣和面陣CCDCCD。7.2.1 7.2.1 線陣線陣CCD CCD 最簡(jiǎn)單的線陣最簡(jiǎn)單的線陣CCDCCD是由一個(gè)輸入二極管是由一個(gè)輸入二極管(ID)(ID)、一、一個(gè)輸入柵個(gè)輸入柵(IG)(IG)、一個(gè)輸出柵、一個(gè)輸出柵(OG)(OG)和一列緊密排列的和一列緊密排列的MOSMOS電容器構(gòu)成。電容器構(gòu)成。上述結(jié)構(gòu)不宜作上述結(jié)構(gòu)不宜作攝像攝像用：用：（1 1）電極是金屬的容易）電極是金屬的容易蔽光，即

20、使是換成多晶硅，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)由于多層結(jié)構(gòu)電極系統(tǒng)對(duì)入射光吸收、反射和干涉入射光吸收、反射和干涉比較嚴(yán)重，因此光強(qiáng)損失比較嚴(yán)重，因此光強(qiáng)損失大，量子效率低。大，量子效率低。 （2 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）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。拖影。 7.2.2 7.2.2 面陣面陣CCDCCD 面陣面陣CCDCCD常見(jiàn)的基本類型有兩種，即幀轉(zhuǎn)移型常見(jiàn)的基本類型有兩種，即幀轉(zhuǎn)移型(FT)(FT)和行間轉(zhuǎn)移型和行間轉(zhuǎn)移型(ILT)(ILT)，也叫內(nèi)線轉(zhuǎn)移型。，也叫內(nèi)線轉(zhuǎn)移型。 成像區(qū)成像區(qū) 暫存區(qū)暫存區(qū) 水平讀出水平讀出

21、 寄存器寄存器 幀轉(zhuǎn)移面陣幀轉(zhuǎn)移面陣CCD 成像區(qū)成像區(qū) 暫存區(qū)暫存區(qū) 場(chǎng)正程期間：場(chǎng)正程期間： 場(chǎng)逆程期間：場(chǎng)逆程期間： 光學(xué)圖像光學(xué)圖像電荷包圖像電荷包圖像電荷包圖像電荷包圖像 暫存區(qū)暫存區(qū) 場(chǎng)正程期間：場(chǎng)正程期間： 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆程期間 行正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像 暫存區(qū)暫存區(qū) 場(chǎng)正程期間：場(chǎng)正程期間： 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆程期間 暫存區(qū)的信號(hào)電荷暫存區(qū)的信號(hào)電荷產(chǎn)生一行平移產(chǎn)生一行平移行正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像 暫存區(qū)暫存區(qū) 場(chǎng)正程期間：場(chǎng)正程期間： 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆

22、程期間 行正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像水平讀出寄存器輸水平讀出寄存器輸出一行視頻信號(hào)出一行視頻信號(hào) 暫存區(qū)暫存區(qū) 場(chǎng)正程期間：場(chǎng)正程期間： 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆程期間 暫存區(qū)的信號(hào)電荷暫存區(qū)的信號(hào)電荷產(chǎn)生一行平移產(chǎn)生一行平移行正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像 暫存區(qū)暫存區(qū) 場(chǎng)正程期間：場(chǎng)正程期間： 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆程期間 行正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像水平讀出寄存器輸水平讀出寄存器輸出一行視頻信號(hào)出一行視頻信號(hào) 暫存區(qū)暫存區(qū) 場(chǎng)正程期間：場(chǎng)正程期間： 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆程期間 行

23、正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像暫存區(qū)的信號(hào)電荷暫存區(qū)的信號(hào)電荷產(chǎn)生一行平移產(chǎn)生一行平移 暫存區(qū)暫存區(qū) 場(chǎng)正程結(jié)束時(shí)場(chǎng)正程結(jié)束時(shí) 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆程期間 行正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像水平讀出寄存器輸水平讀出寄存器輸出一行視頻信號(hào)出一行視頻信號(hào) 工作過(guò)程：工作過(guò)程： 面陣面陣CCDCCD攝像器件攝像器件 （小結(jié)小結(jié)） 成像區(qū)成像區(qū) 暫存區(qū)暫存區(qū) 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 場(chǎng)正程場(chǎng)正程場(chǎng)逆程場(chǎng)逆程行逆程行逆程行正程行正程結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 圖圖 像像 電電 荷荷成像區(qū)成像區(qū) 暫存區(qū)暫存區(qū) 場(chǎng)正程場(chǎng)正程電荷平移電荷平移輸出信號(hào)輸出信號(hào) 347.3

24、7.3 CCDCCD攝像機(jī)分類攝像機(jī)分類7 7.3.1 .3.1 可見(jiàn)光可見(jiàn)光CCDCCD返回7 7.3.2 .3.2 焦平面紅外陣列焦平面紅外陣列(IRCCD)(IRCCD)7 7.3.3 X.3.3 X射線射線CCDCCD357.3.1 7.3.1 可見(jiàn)光可見(jiàn)光CCDCCD2. 2. 微光微光CCDCCD1. 1. 彩色彩色CCDCCD36彩色彩色CCDCCD 按照電視攝像機(jī)的類型,彩色CCD攝像機(jī)可分為三片式、二片式和單片式3種類型。 三片式結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的攝像方式，該方式將景物經(jīng)過(guò)攝像鏡頭和分光系統(tǒng)形成紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)3個(gè)基色,圖像分別照射到3片CCD上。37微光微光CCDCC

25、D微光CCD是指能在微光條件下進(jìn)行攝像的CCD器件。在微光條件下,景物對(duì)比度和清晰度都極差,這就對(duì)CCD攝像機(jī)性能提出了更高的要求,要求攝像機(jī)輸出的信噪比必須大于某一個(gè)定值;微光攝影技術(shù)的實(shí)質(zhì)是在物鏡與目鏡(或顯示器)之間放置一個(gè)微光像增強(qiáng)器。通過(guò)能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理后,在輸出端變換成具有適當(dāng)亮度、對(duì)比度和清晰度的可見(jiàn)的目標(biāo)圖像。 38 目前,微光CCD攝像器件共有兩種類型,即 增強(qiáng)型CCD(ICCD)，包括兩種工作模式: * 像增強(qiáng)器與CCD芯片耦合模式； * 電子轟擊(E-BCCD )工作模式。 時(shí)間延遲積分型CCD( TDICCD) * TDICCD工作模式。 微光CCD攝像機(jī)最大的不足就

26、是不能全天候工作，在陰雨、濃霧等條件下應(yīng)用受限制。39焦平面紅外陣列焦平面紅外陣列(IRCCD)(IRCCD) 置于紅外光學(xué)系統(tǒng)焦平面上，可使整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)景物的每一個(gè)像元與一個(gè)敏感元相對(duì)應(yīng)的多元平面陣列紅外探測(cè)器件。紅外探測(cè)器二維陣列，可把被測(cè)圖像成像于二維陣列上，并轉(zhuǎn)換成電子圖像，借助于電子自掃描技術(shù)以視頻信號(hào)輸出。用紅外探測(cè)器陣列代替可見(jiàn)光CCD的光敏元部分，就構(gòu)成焦平面紅外陣列(IRCCD)。 40X X射線射線CCDCCD目前X射線CCD器件有兩類，一類是直接用CCD像機(jī)拍攝X射線圖像；另一類是用轉(zhuǎn)換材料，即在每個(gè)光敏元上裝置有帶隔離層的碘化銫晶體，碘化銫晶體是一種能把X射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光

27、的高效轉(zhuǎn)換材料，它幾乎能把照射的X射線全部吸收。這種結(jié)構(gòu)由于X射線不會(huì)直接照射到光敏元陣列上，因而可以延長(zhǎng)器件使用壽命；同時(shí)，光隔離技術(shù)減少了光干擾，提高了信噪比和系統(tǒng)分辨力。417.4 7.4 CCDCCD的性能參數(shù)的性能參數(shù) 7 7.4.2 .4.2 光譜響應(yīng)率和干涉效應(yīng)光譜響應(yīng)率和干涉效應(yīng)7 7.4.3 .4.3 分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)7 7.4.4 .4.4 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍7 7.4.5 .4.5 暗電流和噪聲暗電流和噪聲7 7.4.1 .4.1 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42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C

28、CD器件性能好壞的一個(gè)重要參數(shù)。設(shè)原有的信號(hào)電荷量為Q0,轉(zhuǎn)移到下一個(gè)電極下的信號(hào)電荷量為Q1,其比值%10001QQ稱為轉(zhuǎn)移效率。而沒(méi)有被轉(zhuǎn)移的電荷量Q與原信號(hào)電荷Q0之比,稱為轉(zhuǎn)移損失率。即0QQ (8-1)(8-2)43顯然1在理想情況下,=1,但實(shí)際上電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中總有損失,所以總是小于1的(常為0.9999以上)。一個(gè)電荷為Q0的電荷包,經(jīng)過(guò)n次轉(zhuǎn)移后,所剩下的電荷為nnnneQQ)1(0nnQQ0這樣,n次轉(zhuǎn)移前、后電荷量之間的關(guān)系為 (8-4) (8-3)44光譜響應(yīng)率和干涉效應(yīng)光譜響應(yīng)率和干涉效應(yīng)CCD受光照的方式有正面受光和背面受光兩種。背面光照的光譜響應(yīng)曲線與光電二極管相

29、似,如圖中曲線2所示。如果在背面鍍以增透膜,會(huì)減少反射損失而使響應(yīng)率有所提高,如圖中曲線3所示。45 正面照射時(shí),由于CCD的正面布置著很多電極,光線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)曲線出現(xiàn)起伏,如上圖中曲線1所示。 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。46分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)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,如果某一方向上的像元間距為p,則在此方向上像元的空間頻率為1/p lp/mm,其極限分辨率將小于1/2p lp/mm

30、。如果用TVL(電視線)來(lái)表示,在某一方向的像元個(gè)數(shù)就是極限TVL數(shù),顯然TVL數(shù)的一半與CCD光敏面高度尺寸的比值就是相對(duì)應(yīng)的線對(duì)/毫米數(shù)。47 若用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來(lái)評(píng)價(jià)CCD的圖像傳遞特性,則CCD的總MTF取決于器件結(jié)構(gòu)(像元寬度、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MTF是這三者的乘積,并且總MTF隨空間頻率的提高而下降。48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。CCD最小照度受噪聲限制,最大照度受電荷處理容量的限制。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

31、圍可達(dá)10005000。增大動(dòng)態(tài)范圍的途徑是降低暗電流值,特別是控制暗電流尖鋒,不均勻的暗電流及尖峰都會(huì)構(gòu)成圖像噪聲,從而影響像質(zhì),也影響動(dòng)態(tài)范圍49暗電流和噪聲暗電流和噪聲暗電流是指在既無(wú)光注入,又無(wú)電注入情況下輸出的電流。暗電流主要來(lái)源有3個(gè),即半導(dǎo)體襯底的熱激發(fā)、耗盡區(qū)里產(chǎn)生-復(fù)合中心的熱激發(fā)和耗盡區(qū)邊緣的少子熱擴(kuò)散,其中耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā)是主要的。由于CCD各單元的暗電流大小不一致,當(dāng)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移時(shí),暗電流的加入會(huì)引起噪聲或干擾。501散粒噪聲散粒噪聲 在CCD中,無(wú)論是光注入、電注入還是熱產(chǎn)生的信號(hào)電荷包的電子數(shù)總有一定的不確定性,也就是圍繞平均值上下變化,形成噪聲。2.

32、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)俘獲引起的,具有兩個(gè)特點(diǎn)：積累性,相關(guān)性。積累性指轉(zhuǎn)移噪聲是在轉(zhuǎn)移過(guò)程中逐次積累起來(lái)的,與轉(zhuǎn)移次數(shù)成正比;相關(guān)性是指相鄰電荷包的轉(zhuǎn)移噪聲是相關(guān)的。513.熱噪聲熱噪聲 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,所有有溫度的半導(dǎo)體,無(wú)論其中有無(wú)外加電流流過(guò),都有熱噪聲。這里指的是信號(hào)電荷注入及輸出時(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。 上述所討論的3種噪聲,它們的源是獨(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。527.5 7.5 自掃描光電二極管陣列（自掃描光電二極管陣列（SSPDSSPD）7 7.5.1 .5.1 光電二

33、極管陣列的結(jié)構(gòu)形式和工作原理光電二極管陣列的結(jié)構(gòu)形式和工作原理返回7 7.5.2 SSPD.5.2 SSPD線陣線陣7 7.5.3 SSPD.5.3 SSPD面陣面陣7 7.5.4 SSPD.5.4 SSPD的主要特性參數(shù)的主要特性參數(shù)7 7.5.5 SSPD.5.5 SSPD器件的信號(hào)讀出及放大電路器件的信號(hào)讀出及放大電路537.5.17.5.1光電二極管陣列的結(jié)構(gòu)形式和工作原理光電二極管陣列的結(jié)構(gòu)形式和工作原理1.光電二極管陣列的結(jié)構(gòu)形式光電二極管陣列的結(jié)構(gòu)形式 光電二極管有兩種陣列形式： 將N個(gè)光電二極管同時(shí)集成在一個(gè)硅片上,將其中的一端(N端)連接在一起,另一端各自單獨(dú)引出。通常稱它們

34、為連續(xù)工作方式。 自掃描光電二極管陣列SSPD,它在器件的內(nèi)部還集成了數(shù)字處理電路,工作在電荷存儲(chǔ)方式。542.2.光電二極管陣列的工作原理光電二極管陣列的工作原理1) 1) 連續(xù)工作方式連續(xù)工作方式返回2) 2) 電荷存儲(chǔ)工作方式電荷存儲(chǔ)工作方式55連續(xù)工作方式連續(xù)工作方式如圖所示是光電二極管中電荷存儲(chǔ)的連續(xù)工作方式,當(dāng)一束光照到光電二極管的光敏面上時(shí),光電流為AEhqIP式中:光電二極管的量子效率; A光電二極管光敏區(qū)面積; E入射光的照度。 (8-5)56 可見(jiàn),光電二極管的光電流與入射光的照度和光敏區(qū)面積成正比。光一直照下去,負(fù)載上的電壓一直輸出。但是因光電二極管的面積很小,輸出光電流

35、是很微弱的。要讀取圖像信號(hào),就要采用放大倍數(shù)非常高的放大器。 此外,采用上述的連續(xù)工作方式,N位圖像傳感器至少應(yīng)有N+1根信號(hào)引出線,且布線上也有一定的困難,所以連續(xù)工作方式一般只用于64位以下的光電二極管陣列中。返回57電荷存儲(chǔ)工作方式電荷存儲(chǔ)工作方式光電二極管電荷存儲(chǔ)工作方式的原理如圖(a)所示。圖中,VD為理想的光電二極管,Cd為等效結(jié)電容,Uc為二極管的反向偏置電源(一般為幾伏),RL為等效負(fù)載電阻。工作步驟如下： (1) (1) 準(zhǔn)備過(guò)程準(zhǔn)備過(guò)程(2) (2) 曝光過(guò)程曝光過(guò)程(3) (3) 再充電過(guò)程再充電過(guò)程58準(zhǔn)備過(guò)程閉合開(kāi)關(guān)S,如圖(a)。電源Uc通過(guò)負(fù)載電阻RL向光電二極管

36、的結(jié)電容Cd充電,充電達(dá)到穩(wěn)定后,PN結(jié)上的電壓基本上為電源電壓Uc。此時(shí)結(jié)電容Cd上的電荷為cdUCQ (8-6)59曝光過(guò)程 打開(kāi)開(kāi)關(guān)S,讓光照在光電二極管上,如圖(b)。由于光電流和暗電流的存在,結(jié)電容Cd將緩慢放電。若K斷開(kāi)的時(shí)間為Ts(電荷積分時(shí)間),那么在曝光過(guò)程Cd上所釋放的電荷為SDPTIIQ)( (8-7)60 室溫下,光電二極管的暗電流為pA數(shù)量級(jí),可以忽略。則可得SPTIQ 式中,Ip為平均光電流。 結(jié)電容Cd上的電壓因放電而下降到Ucd,它的值為dccdCQUU(8-9) (8-8)返回61再充電過(guò)程再充電過(guò)程經(jīng)過(guò)時(shí)間Ts的積分后,再閉合開(kāi)關(guān)S,如圖 (c)所示。結(jié)電容

37、Cd再充電,直到Cd上的電壓達(dá)到U。顯然,補(bǔ)充的電荷等于曝光過(guò)程中Cd上所釋放的電荷。再充電電流在電阻RL上的壓降UR就是輸出的信號(hào)。輸出的峰值電壓為dcdcRCQUUUmax,(8-10)62將式(8-8)代入式(8-10),則dspdspRCTESCTIUmax,光電流信號(hào)的存儲(chǔ)是在第(2)步中完成的。輸出信號(hào)是在第(3)步再充電過(guò)程中取出的。若重復(fù)(2)、(3)兩步,就能不斷地從負(fù)載上獲得光電輸出信號(hào),從而使列陣中的光電二極管能連續(xù)地工作。63與連續(xù)工作方式相比,在電荷存儲(chǔ)工作方式下負(fù)載電阻上的輸出光電流為spdLspLROTICRTIRUImax,式中,=RLCd為電路的時(shí)間常數(shù)。定義

38、增益spOTIIG可見(jiàn),電荷存儲(chǔ)工作方式下的輸出信號(hào)比連續(xù)工作方式下的信號(hào)大得多。64 在實(shí)際的SSPD器件中,一般由MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)控制光電二極管的電荷積分及再充電過(guò)程。如圖所示,在場(chǎng)效應(yīng)管T的柵極上加一控制信號(hào)e,當(dāng)e為負(fù)電平時(shí),管子T導(dǎo)通,起到開(kāi)關(guān)S閉合的作用;當(dāng)e為“0”電平時(shí),T截止,相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)。65SSPDSSPD線陣線陣根據(jù)相元排列方式的不同，SSPD可以分成線陣和面陣。線陣主要用于一維圖像信號(hào)的測(cè)量，如光譜測(cè)量、衍射光強(qiáng)分布測(cè)量、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)等；面陣能直接測(cè)量二維圖像信號(hào)。66 用半導(dǎo)體集成技術(shù)把N個(gè)光電二極管等間距地排列成一條直線, 稱為線陣。這些二極管上的

39、電容Cd相同,它們的N(負(fù) )端連在一起,組成公共端COM。(1)N(1)N位完全相同的光電二極管列陣位完全相同的光電二極管列陣(2)N個(gè)多路開(kāi)關(guān) 由N個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管VT1VTN組成,每個(gè)管子的源極分別與對(duì)應(yīng)的光電二極管p(正)端相連。而所有的漏極連在一起,組成視頻輸出線UO。67(3)N(3)N位數(shù)字移位寄存器位數(shù)字移位寄存器 提供N路掃描控制信號(hào)e1eN(負(fù)脈沖)。每路輸出信號(hào)與對(duì)應(yīng)的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極相連。68SSPD面陣面陣 以34=12個(gè)像元的MOS型圖像傳感器為例,介紹面陣器件的工作原理。如圖所示,SSPD面陣由光電二極管陣列、水平掃描電路、垂直掃描電路及多路開(kāi)關(guān)4部分組成。

40、右下角是每一像素的單元電路;6970 水平掃描電路輸出的H1H4掃描信號(hào)控制MOS開(kāi)關(guān)VTh1VTh4;垂直掃描電路輸出的U1U3信號(hào)控制每一像素內(nèi)的MOS開(kāi)關(guān)的柵極,從而把按二維空間分布照射在面陣上的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào),從視頻線UO上串行輸出,其工作原理和線陣完全相同。 這種工作方式又稱為XY尋址方式。71SSPDSSPD的主要特性參數(shù)的主要特性參數(shù)1. 1. 光電特性光電特性2. 2. 暗電流暗電流3. 3. 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍72光電特性光電特性SSPD器件的輸出電荷Q正比于曝光量(曝光量H=ETs)。如圖所示,當(dāng)曝光量達(dá)到某一值Hs后,輸出電荷就達(dá)到最大值Qs。Hs稱為飽和曝光量

41、,而Qs為飽和電荷。若器件最小允許起始脈沖周期為Ts,min(由多路掃描頻率決定),那么對(duì)應(yīng)的照度Es=Hs/Ts,min稱為飽和照度。SSPD一般有36個(gè)數(shù)量級(jí)的線性工作范圍73暗電流暗電流SSPD器件的暗電流主要由積分暗電流、開(kāi)關(guān)噪聲、熱噪聲組成。SSPD器件工作時(shí)的積分時(shí)間較長(zhǎng),所以暗電流不能忽視,溫度每升高7,暗電流約增加1倍,因此隨著器件溫度升高,最大允許的積分時(shí)間將縮短。降低器件的工作溫度(如采用液氮致冷),可使積分時(shí)間大大延長(zhǎng)(幾分鐘乃至幾小時(shí)),這樣便可探測(cè)非常微弱的光強(qiáng)信號(hào)。74 SSPD器件的開(kāi)關(guān)噪聲比較大。但開(kāi)關(guān)噪聲大部分是周期性的,可以用特殊的電荷積分和采樣保持電路加以消除;剩下的是暗信號(hào)中的非周期性固定圖形噪聲,其典型值一般小于飽和電平的1%。 熱噪聲是隨機(jī)的、非重復(fù)性的波動(dòng),不容易通過(guò)信號(hào)處理去掉,其典型幅值為