CMOS攝像器件和紅外焦平面器

1、1.3、CMOS攝像器件,1990s，CMOS技術用于圖像傳感器，其優(yōu)點結構簡單，耗電量是普通CCD的1/3，制造成本比CCD低，可將處理電路等完全集成,1、CMOS像素結構,無源像素結構，1967，Weckler,無源像素單元具有結構簡單、像素填充率高及量子效率比較高的優(yōu)點。但是，由于傳輸線電容較大，CMOS無源像素傳感器的讀出噪聲較高，而且隨著像素數(shù)目增加，讀出速率加快，讀出噪聲變得更大,無源像素型（PPS）和有源像素型（APS,由一反向偏置光敏二極管和一個開關管構成，開關管開啟，二極管與垂直列線連通，信號電荷 讀出,有源像素結構APS（Active Pixel Structure,光電二

2、極管型有源像素（PPAPS）1994，哥倫比亞大學,在像元內(nèi)引入緩沖器或放大器，可改善像元性能，稱為有源像素傳感器。功耗小，量子效率高。每個像元有3個晶體管。大多數(shù)中低性能的應用,光柵型有源像素結構（GPAPS,光柵型有源像素型CMOS每個像素5個晶體管，采用0.25um CMOS工藝允許達到5um像素間距，浮置擴散電容的典型值為10-14F量級，產(chǎn)生20uV/e的增益，讀出噪聲可達5-20均方根電子。成像質(zhì)量高,工作過程： 光生信號電荷積分在光柵PG下，浮置擴散節(jié)點A復位（電壓VDD）；然后改變光柵脈沖，收集在光柵下的信號電荷 轉(zhuǎn)移到擴散節(jié)點。復位電壓水平與信號電壓水平之差即傳感器的輸出信號

3、,1997年，東芝公司研制成功640*640像素光敏二極管型CMOS APS，像素尺寸5.6um*5.6um，具有彩色濾色膜和微透鏡陣列。 2000年，美國Foveon公司和美國國家半導體公司采用0.18umCMOS工藝研制成功4096*4096像素CMOS APS，像素尺寸5um*5um，管芯尺寸22mm*22mm，是集成度最高，分辨率最高的CMOS固體攝像器件,微透鏡改善低光特性,CMOS APS圖像傳感器的功耗較小。但與PPS相比，有源像素結構的填充系數(shù)小，典型值為20%-30%。像素尺寸減小后低光照下靈敏度迅速降低，采用濾色片和在CMOS上制作微透鏡組合以及CMOS工藝的優(yōu)勢，前景好于

4、CCD,外界光照射像素陣列，產(chǎn)生信號電荷，行選通邏輯單元選通相應的行像素單元，單元內(nèi)信號電荷通過各自所在列總線傳輸?shù)綄哪M信號處理器(ASP)及A/D變換器，轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字圖像信號輸出。 行選通單元掃描方式：逐行掃描和隔行掃描。 隔行掃描可以提高圖像的場頻，但會降低圖像的清晰度。 行選通邏輯單元和列選通邏輯單元配合，可以實現(xiàn)圖像的窗口提取功能，讀出感興趣窗口內(nèi)像元的圖像信息,2、CMOS攝像器件的總體結構,MOS 攝像器件的工作原理,3、CMOS與CCD器件的比較,CCD攝像器件 靈敏度高、噪聲低、像素面積小 難與驅(qū)動電路及信號處理電路單片集成，需要使用相對高的工作電壓，制造成本比較高,

5、CMOS攝像器件 集成能力強、體積小、工作電壓單一、功耗低、動態(tài)范圍寬、抗輻射和制造成本低 需進一步提高器件的信噪比和靈敏度,CMOS與CCD器件的對比,CCD vs. CMOS,Integration Power Consumption Resolution Image Quality Speed Cost,Excellent 20-50 mW Up to 12 Mpix Being improved Up to thousands frame/s,Poor 2-5 W Up to 14 Mpix Historically best Usually up to 100 frame/s,Nik

6、on D100 $2,500,Canon 300D $800,1.4、紅外焦平面器件,第三代紅外熱像技術,Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA,紅外熱像儀的基本結構,紅外熱像儀的核心-紅外焦平面器件,克服了主動紅外夜視需要依靠人工熱輻射，并由此產(chǎn)生容易自我暴露的缺點； 克服了被動微光夜視完全依賴于環(huán)境自然光和無光不能成像的缺點; 穿透煙霧和塵埃的能力很強； 目標偽裝困難； 遠距離、全天候觀察； 有很高的溫度靈敏度和較高的空間分辨能力,熱成像技術的優(yōu)勢,由于這類器件工作是一般安放在成像透鏡的焦面上，所以它們又被叫做紅外焦平面器件（IRFPA,紅外焦平面器件結構,1

7、、IRFPA的工作條件,IRFPA通常工作于13um、35um和812um的紅外波段并多數(shù)探測300K背景中的目標; 紅外成像條件是在300K背景中探測溫度變化為0.1K的目標; 隨波長的變長，背景輻射的光子密度增加,由普朗克定律計算出紅外波段300K背景的光譜輻射光子密度,通常光子密度高于1013/cm2s的背景稱為高背景條件， 輻射對比度背景溫度變化1K所引起光子通量變化與整個光子通量的比值，它隨波長增長而減小。 IRFPA工作條件：高背景、低對比度,1、IRFPA的工作條件,2 、IRFPA的分類,按照結構可分為單片式和混合式 按照光學系統(tǒng)掃描方式可分為掃描型和凝視型 按照讀出電路可分為

8、CCD、MOSFET和CID等類型 按照制冷方式可分為制冷型和非制冷型,13m波段 代表材料HgCdTe碲鎘汞 35m波段 代表材料HgCdTe、InSb銻化銦、 PtSi硅化鉑 812m 波段 代表材料HgCdTe,按照響應波段與材料可分為,表：一些典型的各波段探測器,3、 IRFPA的結構,目前沒有能同時很好地滿足二者要求的材料 IRFPA結構多樣性,單片式IRFPA,非本征硅（P型）單片式IRFPA， 缺點：需制冷、響應度均勻性差,主要有三種類型,本征單片式IRFPA ， 缺點：轉(zhuǎn)移效率低、響應均勻性差，存儲容量較小,肖特基勢壘單片式IRFPA， 響應均勻性好，但量子效率較低,混合式IR

9、FPA,直接注入方式 是將探測器陣列與轉(zhuǎn)移部分直接用導線相連。 特點：結構簡單、功耗低，有直流成分。 間接注入方式 是通過緩沖級（有源網(wǎng)絡）進行連接。 改善探測器陣列同轉(zhuǎn)移部分的匹配性能。增加器件功耗，增大尺寸和工藝復雜性,探測器陣列采用窄禁帶本征半導體材料制成，電荷轉(zhuǎn)移部分用硅材料。如何建立聯(lián)系,電學連接方式,探測器陣列與轉(zhuǎn)移部分的連接：倒裝式,互連技術：每個探測器與多路傳輸器對準配接,采用背照方式,4、典型的IRFPA,InSb是一種比較成熟的中波紅外探測器材料。 InSb IRFPA是在InSb光伏型探測器基礎上，采用多元器件工藝制成焦平面陣列，然后與信號處理電路進行混合集成。 采用前光

10、照結構的132、1128、1256、1512的線列IRFPA和背光照結構的5862、128128、256256、640480、10241024的面陣IRFPA,InSb IRFPA,Hg1-xCdxTe IRFPA,通常HgCdTe IRFPA是由HgCdTe光伏探測器陣列和CCD或MOSFET讀出電路通過銦柱互連而組成混合式結構。 HgCdTe IRFPA的像素尺寸目前可作到1818um2,HgCdTe材料是目前最重要的紅外探測器材料，研制與發(fā)展HgCdTe IRFPA是目前的主要方向,基本結構,用于空間成像光譜儀的10241024短波(12.5um) HgCdTe IRFPA； 用于戰(zhàn)術導

11、彈尋的器和戰(zhàn)略預警、監(jiān)視系統(tǒng)的640480的中波(35um ) HgCdTe IRFPA； 應用十分廣泛的長波(812um) HgCdTe IRFPA； 目前4N系列（4288、4480、4960）的掃描型和6464、128128、640480凝視型的HgCdTe IRFPA已批量生產(chǎn),主要類別,硅肖特基勢壘IRFPA,已實現(xiàn)了256256、512512、640480、10241024、19681968等多種型號的器件 硅肖特基勢壘IRFPA的像素目前可作到1717um2,硅肖特基勢壘IRFPA目前已被廣泛應用于近紅外與中紅外波段的熱成像，目前唯一利用已成熟的硅超大規(guī)模集成電路技術制造的紅外傳感器,非制冷IRFPA,熱釋電探測器陣列 測輻射熱計陣列，熱釋電氧化釩、非晶硅等,多量子阱（MQW）IRFPA,先進的晶體材料外延工藝，在一定的襯底材料上，用這兩種工藝交替地淀積兩種不同半導體薄層，周期性結構，薄層厚度從幾個到幾十個原子層，形成一種全新的材料，稱為超晶格材料，性質(zhì)取決于A和B的性質(zhì)及它們的層厚，性能也與原來大不相同。分I、II、III類三種超晶格材料。