光電檢測(cè)技術(shù)7

1、第第7章章 固體成象器件固體成象器件 1969年秋，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith受磁泡的啟示，提出了 CCD的概念。CCD是英文Charge Coupled Device的縮寫，中文為 “電荷耦合器 件”。 固體成象器件有兩大類： 一是電荷耦合器件，簡稱CCD；二是自掃描光電二極管列陣，簡稱SSPD， SSPD 又稱MOS圖像傳感器。 與真空攝像器件相比固體成像器件有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 體積小，重量輕，功耗低；耐沖擊，可靠性高，壽命長； (2) 無象元燒傷、扭曲，不受電磁場(chǎng)干擾； (3) SSPD的光譜響應(yīng)范圍從0.251.1m；對(duì)近紅外線也敏感；CCD也可做成紅 外

2、敏感型； (4) 象元尺寸精度優(yōu)于1m,分辨率高； (5) 可進(jìn)行非接觸位移測(cè)量； (6）基本上不保留殘象（真空攝像管有15%20%的殘象）。 (7) 視頻信號(hào)與微機(jī)接口容易。 CCD稱為固體成象器件。固體成象器件不需要在真空玻璃殼內(nèi)用靶來完成光學(xué) 圖像的轉(zhuǎn)換，再用電子束按順序進(jìn)行掃描獲得視頻信號(hào)； 固體成象器件本身就能完成光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換、信息存貯和按順序輸出（稱自掃 描）視頻信號(hào)的全過程。 7.1 電荷耦合器件 7.1.1.7.1.1.電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)電荷耦合器件的結(jié)構(gòu) 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)。 CCD是在MOS晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但與MOS晶體管的工作

3、原理不 同。MOS晶體管是利用在電極下的半導(dǎo)體表面形成的反型層進(jìn)行工作的，而 CCD是利用在電極下SiO2半導(dǎo)體界面形成的深耗盡層（勢(shì)阱）進(jìn)行工作的， 屬非穩(wěn)態(tài)器件。 在P型或N型硅單晶的襯底上生長一層厚度約為12001500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MOS結(jié)構(gòu)。 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 單元 CCD線 陣列 右圖就是以P型硅 為襯底的CCD結(jié)構(gòu) 示意圖。 線陣列固體線陣列固體 攝象器件基攝象

4、器件基 本結(jié)構(gòu)簡圖本結(jié)構(gòu)簡圖 二維固體攝象二維固體攝象 器件電荷包幀器件電荷包幀 轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)圖 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) 對(duì)于半導(dǎo)體器件，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)。該區(qū) 域?qū)﹄娮觼碚f是一個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域，也稱勢(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 而線性下降。 1.電荷耦合原理 下圖是四個(gè)彼此緊密排列的MOS電容結(jié)構(gòu)，當(dāng)柵極電壓變化時(shí)，我們看 看勢(shì)阱及阱內(nèi)的信號(hào)電荷是如何變化與傳輸?shù)摹?當(dāng)t=t2時(shí)，電

5、極和電極均加有+10V電壓，且兩電極靠得很近，這樣 電極和電極下面所形成的勢(shì)阱就連通，電極下的部分電荷就流入電極下 的勢(shì)阱中。 當(dāng)t=t3時(shí)，電極上的電壓已由+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。 由上面過程可知，從t1t3 ，深勢(shì)阱從電極下移動(dòng)到電極下面，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，這就是電荷耦合。 假設(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，其它三 個(gè)電極上均加有大于閾值但 仍較低的電壓（圖中為 +2V），這些電極下面也有 勢(shì)阱，但很淺。 CCD中電

6、荷的存貯和傳輸是通過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)來分，電極的結(jié)構(gòu)可分為二相、三相、四相等結(jié)構(gòu) 形式。 2. CCD電極結(jié)構(gòu)形式 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 CCD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)輸出部分。 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：電注入和光注入。 在濾波、延遲線和存儲(chǔ)器應(yīng)用情況 在攝像應(yīng)用 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。 也就是說給輸入柵施加適當(dāng)?shù)碾妷?，在其下面半?dǎo)體

7、表面形成一個(gè)耗盡 層。如果這時(shí)在緊靠輸人柵的第一個(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“通道”流入第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中， 完成輸入過程。也可將信號(hào)加在柵上，通過信號(hào)調(diào)制控制柵下通道進(jìn)行注入。 CCD的輸入方式有場(chǎng)效應(yīng)管輸入、注入二極管輸入、電勢(shì)平衡法輸入等。 電注入電路是CCD器件不可缺少的電路，所有CCD器件都帶有輸入電路。 一、輸入部分一、輸入部分 。 固體圖像器件的光敏元主要有： 光電導(dǎo)體、光電導(dǎo)體、MOSMOS二極管、二極管、PNPN結(jié)光電二極管和肖特基勢(shì)壘光電二極管結(jié)光電二極管和肖特

8、基勢(shì)壘光電二極管。 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)，多數(shù) 載流子進(jìn)入耗盡區(qū)以外的襯底，然后通過接地消失，少數(shù)載流子便被收集到 勢(shì)阱中成為信號(hào)電荷。當(dāng)輸入柵開啟后，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)進(jìn)入到轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中，完成光注入過 程。 二、信號(hào)轉(zhuǎn)移部分二、信號(hào)轉(zhuǎn)移部分 信號(hào)轉(zhuǎn)移部分由一串緊密排列的MOS電容器構(gòu)成，根據(jù)電荷總是要向最 小位能方向移動(dòng)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，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CCD結(jié)構(gòu)和時(shí)鐘脈沖。 由圖可見，在信號(hào)電荷包運(yùn)行的前方總有一個(gè)較

9、深的 勢(shì)阱處于等待狀態(tài)，于是電荷包便可沿著勢(shì)阱的移動(dòng) 方向向前連續(xù)運(yùn)動(dòng)。此外，還有一種(如兩相時(shí)鐘驅(qū) 動(dòng))是利用電極不對(duì)稱方法來實(shí)現(xiàn)勢(shì)阱分布不對(duì)稱， 促使電荷包向前運(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CCD 是在非平衡狀態(tài)工作的一種 功能器件。 三、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。 最簡單的輸出電路是通過二極管檢出，輸出柵采用直流偏置。這種電 路簡單，但是噪聲較大，很少采用。 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

10、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)，以及良好的線性和較 低的輸出阻抗。 CCD電荷轉(zhuǎn)移溝道有兩種基本類型：一種電荷包存貯在半導(dǎo)體與絕緣體之 間的界面，并沿界面?zhèn)鬏敚@類器件稱為表面溝道電荷耦合器件（簡稱SCCD）； 另一種電荷包存貯在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體內(nèi)沿一定 方向傳輸，這類器件稱為體內(nèi)溝道或埋溝道電荷耦合器件（簡稱BCCD）。 7.1.4 電荷轉(zhuǎn)移溝道類型 7.2 7.2 電荷耦合器件的分類電荷耦合器件的分類 CCD器件按結(jié)構(gòu)可分為兩大類：線陣CCD和面陣CCD。 最簡單的線陣CCD是由一

11、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。 7.2.1 線陣CCD （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。 上述結(jié)構(gòu)不宜作攝像用： 作為攝像器件則常將光敏區(qū)和轉(zhuǎn)移區(qū)分開，從而構(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)通過其一側(cè)轉(zhuǎn)移柵與CCD移位寄存器相連，光敏 元被溝阻分隔。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

12、上覆蓋有鋁遮光，光敏區(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。 同樣光敏元的雙邊結(jié)構(gòu)型CCD，要比單邊結(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像素以上的線陣CCD 攝像器件中，均采用雙排傳輸結(jié)構(gòu)。 7.2.2 面陣CCD 面陣CCD常見的基本類型有兩種，即幀轉(zhuǎn)移型(FT)和行間轉(zhuǎn)移型(1LT)， 也叫內(nèi)線轉(zhuǎn)移型。 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。前3個(gè)部分都是CCD結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特征是光敏區(qū)與暫存區(qū)分開，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

13、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)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。 1FTCCD 行間轉(zhuǎn)移(內(nèi)線轉(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。這相 當(dāng)于將若干個(gè)單邊傳輸?shù)木€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)等于垂直并排的線陣CCD圖像傳感器的個(gè) 數(shù)，如下圖所示。 2ILTCCD 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)簡單，靈敏度高； 行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)適合于低光強(qiáng)，“拖影”小。 7.3 CCD攝像機(jī)分類 按接收光譜分，CCD攝像機(jī)

14、可分為可見光CCD、紅外CCD、X射線CCD和紫外光CCD 7.3.1 可見光CCD 可見光CCD可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD三大類。 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 片式三種類型。 三片式彩色CCD攝像機(jī)如圖7-12所示。景物經(jīng)過攝像鏡頭和分光系統(tǒng)形 成紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三個(gè)基色，圖像分別照射到三片CCD上。這三片 CCD常采用行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)，因?yàn)樾虚g轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)可以把光敏區(qū)和轉(zhuǎn)移區(qū)分開， 能有效防止模糊現(xiàn)象。為了提高藍(lán)光靈敏度，使用透明電極(SnO2)作為光 敏區(qū)電極，轉(zhuǎn)移寄存器采用BC-CD。 2 2微光微光CCDCCD “微光”是泛指夜間

15、或低照度下微弱的、甚至能量低到不能引起人視覺的 光。微光CCD是指能在微光條件下進(jìn)行攝像的CCD器件。 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 和清晰度的可見的目標(biāo)圖像。 三種工作模式： 像增強(qiáng)器與CCD耦合模式、電子轟擊(E-BCCD工作模式和TDICCD工作模式。 (1) ICCD工作模式： ICCD滿足微光攝影提高信噪比的方法有兩種：一是加置像增強(qiáng)器；二 是采用電子轟擊的方法來獲得倍增。二者都可使器件的靈敏度提高3-4個(gè) 數(shù)量級(jí)。 目前微光CCD攝像器件共有兩種類型： 增強(qiáng)型CCD(ICCD)和

16、時(shí)間延遲積分型CCD(TDICCD)； 像增強(qiáng)器與CCD芯片耦合模式 目前像增強(qiáng)技術(shù)已從如下圖所示的第一代像增強(qiáng)器發(fā)展到微通道板 和GaAs等負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極相結(jié)合的第三代像增強(qiáng)器。 像增強(qiáng)器與CCD的耦合是一種混合式結(jié)構(gòu)，通常采用兩級(jí)像增強(qiáng)。 第二級(jí)采用S-20光電陰極，增強(qiáng)后的光學(xué)圖像用2.54mm長的光導(dǎo)纖維束耦 合到CCD芯片上。 第一級(jí)采用直徑為18mmGaAs光電陰極，其靈敏度為900A/lm，光譜響應(yīng) 范圍0.60.9m，極限分辨率為36線對(duì)毫米。 電子轟擊模式（ E-BCCD ） 該裝置是將CCD作為像增強(qiáng)器的陽極直接放置到真空(1.3313.3Pa)管 的成像位置，S-2

17、0為光電陰極。其工作原理是，當(dāng)入射光子打在S-20光電陰 極上時(shí)，發(fā)射光電子，光電子被加速(1015kev)并聚焦在面陣CCD芯片上， 在光敏元中產(chǎn)生電荷包，積分結(jié)束后電荷包轉(zhuǎn)移到移位寄存器輸出。 目前EBCCD常用的三種聚焦方法如下圖所示。各有優(yōu)缺點(diǎn)，即靜電聚焦方法 得倒像，易產(chǎn)生枕形畸變；近貼型方法得正像，會(huì)引起強(qiáng)的背景輻射；磁 聚焦法得正像，易引起螺旋形畸變。 EBCCD的缺點(diǎn)是工作壽命短，因?yàn)镃CD在1020keV的電子轟擊下工作會(huì) 產(chǎn)生輻射損傷，致使暗電流、漏電流增加，轉(zhuǎn)移效率下降。如果采用背照 式，情況會(huì)有所改善，但工藝步驟增加，會(huì)使成品率降低。 (2)TDICCD工作模式 TDI

18、模式不加像增強(qiáng)器而能在微光條件下工作，這種模式能增強(qiáng)每場(chǎng) 光積分時(shí)間，也等效于增大了光積分面積，從而提高了SN比。以這種模 式工作的CCD常在低溫(如-40以下)下工作，這樣可以大幅度地降低暗電 流。 7.3.2 IRCCD 上世紀(jì)70年代以來，研制成多種紅外探測(cè)器二維陣列，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)器陣列代替可見光CCD的光敏元部分，就構(gòu)成焦平面紅外 陣列(IRCCD)。根據(jù)敏感材料的不同，常用的紅外焦平面陣列有PbS和PbSe 陣列，PtSi陣列，InSb陣列，HgCdTe陣列，GaAs/ALGaAs陣列，摻雜硅陣列 和

19、熱釋電探測(cè)器陣列等幾種。 對(duì)于X射線的探測(cè)，人們?cè)絹碓郊耐杏贑CD。因?yàn)镃CD對(duì)X射線的感光度比 X射線膠片要高2001000倍，即便是非常微弱的X射線圖像也能拍攝到。 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 在每個(gè)光敏元上裝置有帶隔離層的能把x射線轉(zhuǎn)換成可見光的碘化銫晶體， 它幾乎能把照射的X射線全部吸收。 7.3.3 X射線CCD 為了提高探測(cè)效率，人們自然會(huì)想到采用減薄背照CCD來探測(cè)紫外光， 但是減薄后的硅表面會(huì)形成天然的氧化層，這種氧化層即使很薄(5nm以下) 也會(huì)影響整個(gè)傳感器的性能，因?yàn)镾i-SiO2的界面態(tài)對(duì)光生載流子的復(fù)合會(huì) 損失許多有用的信號(hào)

20、電荷。同時(shí)界面態(tài)俘獲和釋放電荷的過程還會(huì)影響期 間的穩(wěn)定性。解決的辦法，一是采用各種“背堆積”(Back-accumulation) 技術(shù)減小界面態(tài)作用，二是涂覆某些熒光物質(zhì)，如六苯并苯(Coroneoe)把 紫外光轉(zhuǎn)換成0.5m附近的熒光，利用硅CCD的吸收，并起抗反射涂層的作 用。也有人認(rèn)為采用水楊酸鈉和紅寶石混合物更好，因?yàn)樗畻钏徕c熒光區(qū) 為0.40.5m，正好是紅寶石的吸收帶，而紅寶石的強(qiáng)熒光區(qū)為0.60 0.77m，這接近硅的響應(yīng)峰值。 7.3.4 紫外CCD 近幾年來，微光和X射線CCD都取得了很大進(jìn)展，由于紫外輻射與半 導(dǎo)體材料之間相互作用中的許多問題沒得到認(rèn)真解決，如正面CCD

21、較厚 的柵氧化層(50120nm)強(qiáng)烈地吸收紫外輻射，使直接探測(cè)效率極低。使 得用于紫外輻射波段的CCD進(jìn)展緩慢。 目前紫外CCD還在開發(fā)之中。 7.4 CCD的性能參數(shù) 741 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)電極下的信號(hào)電荷為 ，其比值 0 Q 1 Q % 0 1 Q Q 稱為轉(zhuǎn)移效率 而沒有被轉(zhuǎn)移的電荷Q與原信號(hào)電荷 之比 0 Q 0 Q Q 稱為轉(zhuǎn)移損失率 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 n Q nnnn e Q Q )1 ( 0 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)

22、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。 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似，如下圖中曲線2。如果在 背面鍍以增透膜減少反射損失而使響應(yīng)率有所提高，如圖中曲線3。 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

23、小起伏幅度。 7.4.2 光譜響應(yīng)率和干涉效應(yīng) 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(線對(duì)/毫米)，其極限分辨率將小于1/2p（線對(duì)/毫米）。 如果用TVL（電視線）來表示，在某一方向的象元個(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)。 若用調(diào)制函數(shù)來評(píng)價(jià)CCD的圖像傳遞特性，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

24、的MTF等與三者的乘積。并且總MTF 隨空間頻率的提高而下降。 7.4.3 分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF） 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飽和電壓和暗場(chǎng)時(shí)噪聲的峰值電壓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。 CCD最小照度受噪聲限制，最大照度受電荷處理容量的限制， 增大動(dòng)態(tài)范圍的途徑是降低暗電流，特別是控制暗電流的尖鋒，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。 7.4.4 動(dòng)態(tài)范圍 7.4.5暗電流和噪聲 暗電流是指在既無光注入，又無電注人情況下輸出的電流。暗電流主要 來源有三

25、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。 CCD的噪聲可歸納為3類，即散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲 一、散粒噪聲 在CCD中，無論是光注入、電注入還是熱產(chǎn)生的信號(hào)電荷包的電子數(shù)總 是圍繞平均值上下變化，形成噪聲。 轉(zhuǎn)移噪聲是由轉(zhuǎn)移損失及界面態(tài)俘獲引起的，它具有兩個(gè)特點(diǎn)，一是積 累性，另一個(gè)是相關(guān)性。積累性是指轉(zhuǎn)移噪聲是在轉(zhuǎn)移過程中逐次積累起來 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。 二、轉(zhuǎn)移噪聲 熱噪聲是由于固體中載流子的無規(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)

26、于電阻熱噪聲和電容的總寬帶噪聲之和。 三、熱噪聲 三種噪聲的源是獨(dú)立無關(guān)的，所以CCD的總噪聲功率應(yīng)是它們的均方和。 光電二極管有兩種陣列型式: 一種是普通光電二極管陣列，它是將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。像元數(shù)只 有幾十位，為連續(xù)工作方式。 另一種是自掃描光電二極管陣列SSPD，在器件的內(nèi)部還集成了數(shù)字移位 寄存器等電路，工作在電荷存貯方式。 7.5 7.5 自掃描光電二極管陣列（自掃描光電二極管陣列（SSPDSSPD） 7.5.1.7.5.1.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

27、的結(jié)構(gòu)形式光電二極管陣列的結(jié)構(gòu)形式 2.2.光電二光電二極管陣管陣列的工作原理的工作原理 AE hv q I p 式中E為入射光的輻照度；為量子效率；A為光電二極管光敏面面積； 為入射光的頻率。由上式可見，光電流與入射光的輻照度和光敏區(qū)面積 成正比。光一直照下去，負(fù)載上的電流一直輸出。 （1）連續(xù)工作方式 下圖所示是光電二極管的連續(xù)工作 方式，當(dāng)一束光照到光電二極管的光敏 面上時(shí)，光電二極管輸出的光電流為 但是光電二極管的面積很小，輸出光電流是很微弱的。要讀取圖像信號(hào)， 就要采用放大器。此外，采用連續(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，連續(xù)工作方式一般

28、只用于64位以下的光 電二極管陣列中。 （2）荷存貯工作方式 電荷存貯工作方式的原理如下圖所示。圖中，D為光電二極管，Cd為等效 結(jié)電容，Vc為二極管的反向偏置電壓（一般為幾伏），RL為等效負(fù)載電阻。光 電二極管電荷存貯工作過程分以下幾步： (a) 準(zhǔn)備過程 cd VCQ 閉合開關(guān)K，如右圖。電源Vc 通過RL 向結(jié)電容Cd 充電，充電到穩(wěn)定后，二極管 p-n結(jié)上的電壓基本上為電源電壓Vc。此時(shí) 結(jié)電容Cd上的電荷 (b) 曝光過程 打開開關(guān)K，讓光照在光電二極管上，如上圖。 由于光電流和暗電流的存在，結(jié)電容Cd將緩慢放電。 若K斷開的時(shí)間為Ts（電荷積分時(shí)間），那么在曝光 過程Cd上所釋放的

29、電荷是 sDp TIIQ)( sp TIQ 式中 為平均光電流。這時(shí)結(jié)電容Cd上的電壓也下降到 p I d ccd C Q VV 經(jīng)過時(shí)間Ts的積分后，再閉合開關(guān)K，如下圖所示。電容Cd 再充電，直 到Cd 上的電壓達(dá)到Vc 。顯然，補(bǔ)充的電荷等于曝光過程中Cd 上所釋放的電 荷。再充電電流在電阻RL上的壓降VR 就是輸出的信號(hào)。 (c) 再充電過程 輸出的峰值電壓 d cdcR C Q VVV max d sp d sp R C TES C TI V max 上述過程表明，光電流信號(hào)的存貯是在第（b）步中完成的。輸出信號(hào) 是在第（c）步再充電過程中取出的。 在實(shí)際的SSPD器件中，一般由MO

30、S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程，如下圖所示。 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， 起到開關(guān)K閉合的作用；當(dāng)e為“0”電平時(shí)，T截止，相當(dāng)于開關(guān)K斷開。下 圖是SSPD器件內(nèi)部單元的結(jié)構(gòu)圖。 自掃描光電二極管陣列根據(jù)象元的排列方式不同，可分成線陣和面陣。 線陣主要用于一維圖象信號(hào)的測(cè)量，例如光譜測(cè)量，衍射光強(qiáng)分布測(cè) 量，機(jī)器視覺檢測(cè)等。 面陣能直接測(cè)量二維圖象信號(hào)。 7.5.2. SSPD7.5.2. SSPD線陣線陣 SSPD線陣主要由以下三部分組成 (1) N位光電二極管組成列陣 用集成技術(shù)把N個(gè)完全相同的光電二極管等間距地排列成

31、一條直線，故 稱為線陣。 (2) N個(gè)多路開關(guān) 由N個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管T1TN 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V0 (3) N 位數(shù)字移位寄存器 它提供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。 如下圖所示：SSPDSSPD面陣由光電二極管陣列、水平掃描電路、垂直掃描電面陣由光電二極管陣列、水平掃描電路、垂直掃描電 路以及多路開關(guān)四部分組成；路以及多路開關(guān)四部分組成； 右下角是每一象素的單元電路。 工作過程如下：水平掃描電路輸出的H1H4， 掃描信號(hào)控制MOS開關(guān) Th1Th4； 垂直掃描電路輸出的V1 V3信號(hào)控制每一象素內(nèi)的MOS 開關(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V0上串行輸出。這種工作方式又稱為XY尋址方式。 7.5.3. SSPD7.5.3. SSPD面陣面陣 7.5.4. SSPD7.5.4. SS