光電子第五章_3

1、光電成像系統(tǒng)光電成像系統(tǒng)n可見光（含微光）光電成像系統(tǒng)可見光（含微光）光電成像系統(tǒng)n紫外光光電成像系統(tǒng)紫外光光電成像系統(tǒng)n紅外光光電成像系統(tǒng)紅外光光電成像系統(tǒng) 光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心， 新型光電成像器件的不斷涌新型光電成像器件的不斷涌現(xiàn)，推動(dòng)了光電成像系統(tǒng)的迅速發(fā)展?，F(xiàn)，推動(dòng)了光電成像系統(tǒng)的迅速發(fā)展。光電成像系統(tǒng)涉及的信號(hào)傳遞過程：光電成像系統(tǒng)涉及的信號(hào)傳遞過程：光源光源物體物體（信號(hào)源）（信號(hào)源）傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)（信號(hào)分析器）（信號(hào)分析器）光電成像器件光電成像器件（信號(hào)變換器）（信號(hào)變換器）顯示器顯示器人眼人眼光光信信號(hào)號(hào)光光信信號(hào)號(hào)

2、光光信信號(hào)號(hào)信信號(hào)號(hào)信信號(hào)號(hào)背背景景噪噪聲聲背背景景噪噪聲聲噪噪聲聲噪噪聲聲近年來，利用光電成像器件構(gòu)成圖像傳感器進(jìn)行近年來，利用光電成像器件構(gòu)成圖像傳感器進(jìn)行光學(xué)圖像處理與測量已成為現(xiàn)代光學(xué)儀器、測控技術(shù)光學(xué)圖像處理與測量已成為現(xiàn)代光學(xué)儀器、測控技術(shù)的重要發(fā)展方向。的重要發(fā)展方向。廣泛應(yīng)用于遙感、遙測技術(shù)、圖形圖像測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于遙感、遙測技術(shù)、圖形圖像測量技術(shù)和監(jiān)控工程等，成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。和監(jiān)控工程等，成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。光電成像器件的發(fā)展：光電成像器件的發(fā)展：光電成像器件的發(fā)展：光電成像器件的發(fā)展：n1934年研制出光電像管，應(yīng)用于廣播電視攝像。它的靈年研制

3、出光電像管，應(yīng)用于廣播電視攝像。它的靈敏度相當(dāng)?shù)?，要達(dá)到現(xiàn)在圖像信噪比的要求，需要不低于敏度相當(dāng)?shù)?，要達(dá)到現(xiàn)在圖像信噪比的要求，需要不低于10000 lx的照度，應(yīng)用范圍受到很大限制。的照度，應(yīng)用范圍受到很大限制。n1947年超正析攝像管面世，使最低照度降至年超正析攝像管面世，使最低照度降至2000 lx。n1954年靈敏度較高的視像管投入市場。其成本低、體積年靈敏度較高的視像管投入市場。其成本低、體積小、靈敏度和分辨率都較高，但不是適用于高速場合和彩小、靈敏度和分辨率都較高，但不是適用于高速場合和彩色應(yīng)用。色應(yīng)用。光電成像器件的發(fā)展：光電成像器件的發(fā)展：n1965年，氧化鉛管成功代替正析攝像

4、管，廣泛應(yīng)用于彩年，氧化鉛管成功代替正析攝像管，廣泛應(yīng)用于彩色電視攝像機(jī)。它使彩色電視廣播攝像機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了一色電視攝像機(jī)。它使彩色電視廣播攝像機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)飛躍。個(gè)飛躍。n1976年前后，又相繼出現(xiàn)靈敏度更高、成本更低的硒像年前后，又相繼出現(xiàn)靈敏度更高、成本更低的硒像管和硅靶管。管和硅靶管。n1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)表電荷耦合器件（年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)表電荷耦合器件（CCD）原）原理，從此光電成像器件的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段理，從此光電成像器件的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段CCD固體攝像器件的發(fā)展階段。固體攝像器件的發(fā)展階段。光電成像器件的類型：光電成像器件的類型：n掃描型：掃描型：又稱為

5、攝像器件。這種器件通過電子束掃描或自掃描又稱為攝像器件。這種器件通過電子束掃描或自掃描方式將景物經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在器件光敏面上的二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐环绞綄⒕拔锝?jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在器件光敏面上的二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S時(shí)序電信號(hào)輸出出來。這種運(yùn)載圖像信息的一維時(shí)序信號(hào)稱為維時(shí)序電信號(hào)輸出出來。這種運(yùn)載圖像信息的一維時(shí)序信號(hào)稱為視頻信號(hào)。視頻信號(hào)。 真空電子束掃描型：真空電子束掃描型： 光電型：光電導(dǎo)式和光電發(fā)射式光電型：光電導(dǎo)式和光電發(fā)射式 熱電型：熱釋電攝像管熱電型：熱釋電攝像管 固體自掃描型：固體自掃描型：電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件光電成像器件的類型：光電成像器件的類型：n非掃描型：非掃描型：直視型電

6、真空像管直視型電真空像管變相管：變相管： 紅外變像管、紫外變像管紅外變像管、紫外變像管 、X射線變像管射線變像管像增強(qiáng)管：串聯(lián)式像增強(qiáng)管、級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)管、微通道板式像增強(qiáng)管：串聯(lián)式像增強(qiáng)管、級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)管、微通道板式 像增強(qiáng)管、負(fù)電子親和勢陰極攝像管像增強(qiáng)管、負(fù)電子親和勢陰極攝像管把光學(xué)圖象轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即把入射到探測器光敏面上按空間分布把光學(xué)圖象轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即把入射到探測器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息（可見光、紅外光等），轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)的光強(qiáng)信息（可見光、紅外光等），轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)視頻信號(hào)，而視頻信號(hào)能再現(xiàn)入射的光輻射圖象。視頻信號(hào)，而視頻信號(hào)能再現(xiàn)入射的光輻射

7、圖象。固體光電成像器件的功能：固體光電成像器件的功能：固體光電成像器件的分類：固體光電成像器件的分類：電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件CCDCharge Coupled Device互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖象互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖象探測器探測器CMOSComplementary Metal- Oxide-Semiconductor電荷注入器件電荷注入器件CIDCharge Injection Device電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD Charge Coupled Device）電電荷荷耦耦合合器器件件n20世紀(jì)世紀(jì)70年代由貝爾實(shí)驗(yàn)室的年代由貝爾實(shí)驗(yàn)室的 W.S. Doyle和和G. Sm

8、ith發(fā)明。發(fā)明。n特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、制造特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、制造工序少、功耗低、信噪比好。工序少、功耗低、信噪比好。CCD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CCD的工作過程：的工作過程：信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測的過程。傳輸和檢測的過程。CCD器件不同于其它器件的突出特點(diǎn)：器件不同于其它器件的突出特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)以電荷作為信號(hào)，即信息用電荷量（稱為，即信息用電荷量（稱為電荷包）代表，而其它器件則都是以電壓電荷包）代表，而其它器件則都是以電壓或電流作為信號(hào)的或電流作為信號(hào)的電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）的組成的組成n

9、MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）光敏元光敏元n電荷轉(zhuǎn)移柵電荷轉(zhuǎn)移柵n移位寄存器移位寄存器電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）將光信息轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖只將光信息轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況，脈沖幅度的反映一個(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，輸出脈高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱，輸出脈沖的順序反映光敏元的位置，起到圖象傳沖的順序反映光敏元的位置，起到圖象傳感的作用。感的作用。MOSMOS光敏元的工作原理光敏元的工作原理當(dāng)金屬電極上施加正向電壓時(shí)，當(dāng)金屬電極上施加正向電壓時(shí)，在電場作用下，電極下在電場作用下，電極下

10、P型區(qū)型區(qū)域里的多子（空穴）被排斥、域里的多子（空穴）被排斥、驅(qū)趕，形成一個(gè)驅(qū)趕，形成一個(gè)“耗盡區(qū)耗盡區(qū)”。少子（電子）：電場吸引它到電極的耗盡區(qū)。耗盡區(qū)對電子而言是一個(gè)勢少子（電子）：電場吸引它到電極的耗盡區(qū)。耗盡區(qū)對電子而言是一個(gè)勢能很低的區(qū)域，稱為能很低的區(qū)域，稱為“勢阱勢阱”。MOSMOS光敏元的工作原理光敏元的工作原理有光線入射：在光子的作有光線入射：在光子的作用下，產(chǎn)生用下，產(chǎn)生e-h對，光生對，光生電子被附近的勢阱收集，電子被附近的勢阱收集，空穴被電場排斥出耗盡區(qū)。空穴被電場排斥出耗盡區(qū)。u 勢阱內(nèi)吸收的光生電子數(shù)與入射到勢阱附近的光強(qiáng)成正比。勢阱內(nèi)吸收的光生電子數(shù)與入射到勢阱附

11、近的光強(qiáng)成正比。u MOS結(jié)構(gòu)單元就稱為光敏元或一個(gè)像素。結(jié)構(gòu)單元就稱為光敏元或一個(gè)像素。u 一個(gè)勢阱所收集的若干個(gè)光生電荷稱為一個(gè)一個(gè)勢阱所收集的若干個(gè)光生電荷稱為一個(gè)“電荷包電荷包”。MOSMOS光敏元的工作原理光敏元的工作原理如果此時(shí)照在這些光敏單元上是如果此時(shí)照在這些光敏單元上是一幅明暗起伏的圖像，則這些光一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏單元就會(huì)產(chǎn)生出一幅與光照強(qiáng)敏單元就會(huì)產(chǎn)生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像，因而度相對應(yīng)的光生電荷圖像，因而得到了影像信號(hào)。得到了影像信號(hào)。通常在通常在Si上制作成千上萬個(gè)相互上制作成千上萬個(gè)相互獨(dú)立的獨(dú)立的MOS光敏單元（如光敏單元（如M行行N列）。

12、如果在金屬電極上加上正列）。如果在金屬電極上加上正電壓，則在硅片上形成成千上萬電壓，則在硅片上形成成千上萬個(gè)相互獨(dú)立的勢阱。個(gè)相互獨(dú)立的勢阱。移位寄存器移位寄存器每三個(gè)電極（如每三個(gè)電極（如a1、b1、c1）組成一個(gè)組成一個(gè)傳輸單元傳輸單元，對應(yīng)于一個(gè)光敏元。在，對應(yīng)于一個(gè)光敏元。在三個(gè)電極上分別加上三相脈沖電壓三個(gè)電極上分別加上三相脈沖電壓Ua、Ub、Uc。p 結(jié)構(gòu)：也是結(jié)構(gòu)：也是MOS結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化物介質(zhì)、半導(dǎo)體組成。結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化物介質(zhì)、半導(dǎo)體組成。p 與與MOS光敏元的區(qū)別：不能使它受光照射，應(yīng)防止外來光線的干擾。光敏元的區(qū)別：不能使它受光照射，應(yīng)防止外來光線的干擾。移

13、位寄存器移位寄存器三相脈沖電壓波形三相脈沖電壓波形移位寄存器移位寄存器t=t1：Ua=U, Ub=0，Uc=1/2U。金屬電極上所金屬電極上所加正電壓越大，金屬電極下的電場越強(qiáng)，多加正電壓越大，金屬電極下的電場越強(qiáng)，多子（空穴）被排斥的耗盡層越厚，對少子子（空穴）被排斥的耗盡層越厚，對少子（電子）則勢阱越深。（電子）則勢阱越深。也即：也即：a1、a2、an極上的電壓最高，勢阱極上的電壓最高，勢阱最深。最深。b1、b2、bn上的電壓為零，不產(chǎn)生上的電壓為零，不產(chǎn)生勢阱。勢阱。c1、c2、 、cn勢阱介于兩者之間。勢阱介于兩者之間。移位寄存器移位寄存器t=t2：原來在原來在a1、a2、an處勢阱變

14、處勢阱變淺，淺，b1、b2、 、bn處的勢阱變?yōu)樽钌?。處的勢阱變?yōu)樽钌睢Ｔ瓉碓谠瓉碓赼1、a2、an處的電子移向勢處的電子移向勢阱最深的阱最深的b1、b2、bn處，即電子朝處，即電子朝右方向移動(dòng)。右方向移動(dòng)。t=t3：b1、b2、 、bn處勢阱變淺，處勢阱變淺， 而而c1、c2、 、cn處處的勢阱變?yōu)樽钌?。原來在的勢阱變?yōu)樽钌?。原來在b1、b2、 、bn處的電子移向勢阱最深的處的電子移向勢阱最深的c1、c2、 、cn處，即電子又朝右方向移動(dòng)。處，即電子又朝右方向移動(dòng)。移位寄存器移位寄存器t=t4：c1、c2、 、cn處的勢阱變淺，電子移向勢阱最深的處的勢阱變淺，電子移向勢阱最深的a2、 、an

15、處。處。移位寄存器移位寄存器信號(hào)信號(hào)電子傳輸后必須有一個(gè)信號(hào)輸出裝置。電子傳輸后必須有一個(gè)信號(hào)輸出裝置。移位寄存器移位寄存器從從t t1 1到到t t4 4為脈沖電壓的一個(gè)周期：為脈沖電壓的一個(gè)周期：原來在原來在a1極下的電子移向極下的電子移向a2極，原來在極，原來在a2極下的電子移向極下的電子移向a3極，依次類推。極，依次類推。n 在最右電極的一側(cè)擴(kuò)散一個(gè)在最右電極的一側(cè)擴(kuò)散一個(gè)n區(qū)作為收集區(qū)，與襯底形成區(qū)作為收集區(qū)，與襯底形成PN結(jié)，并處于反偏狀態(tài)。如果結(jié)，并處于反偏狀態(tài)。如果有電子傳到最后一個(gè)電極有電子傳到最后一個(gè)電極cn下面，就被收集，在電阻下面，就被收集，在電阻R上有電流流過，并轉(zhuǎn)換

16、成電壓的變上有電流流過，并轉(zhuǎn)換成電壓的變化，輸出一個(gè)脈沖?；?，輸出一個(gè)脈沖。n 輸出脈沖的幅值，依次與原來存儲(chǔ)于輸出脈沖的幅值，依次與原來存儲(chǔ)于an、an-1、a2、a1勢阱中的電子數(shù)成正比，是屬勢阱中的電子數(shù)成正比，是屬于串行輸出。而電子數(shù)又與光照強(qiáng)度成正比。于串行輸出。而電子數(shù)又與光照強(qiáng)度成正比。移位寄存器移位寄存器光敏元中的電荷如何向移位寄存器轉(zhuǎn)移？光敏元中的電荷如何向移位寄存器轉(zhuǎn)移？p 光敏區(qū)中產(chǎn)生的電荷，由轉(zhuǎn)移柵（或稱轉(zhuǎn)移門、轉(zhuǎn)移電極）光敏區(qū)中產(chǎn)生的電荷，由轉(zhuǎn)移柵（或稱轉(zhuǎn)移門、轉(zhuǎn)移電極）Z控制轉(zhuǎn)移至控制轉(zhuǎn)移至a1、a2、 、an極下的勢阱。極下的勢阱。p 光敏區(qū)中的光敏單元數(shù)與移位寄

17、存器的傳輸單元數(shù)相等，而轉(zhuǎn)移電極光敏區(qū)中的光敏單元數(shù)與移位寄存器的傳輸單元數(shù)相等，而轉(zhuǎn)移電極Z只有一個(gè)。只有一個(gè)。電荷轉(zhuǎn)移柵電荷轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵的作用：轉(zhuǎn)移柵的作用：控制控制光敏元?jiǎng)葳逯械男盘?hào)光敏元?jiǎng)葳逯械男盘?hào)電荷向移位寄存器中電荷向移位寄存器中轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移。光敏元中的電荷如何向移位寄存器轉(zhuǎn)移？光敏元中的電荷如何向移位寄存器轉(zhuǎn)移？電荷轉(zhuǎn)移柵電荷轉(zhuǎn)移柵A-A截面的電極類似于一個(gè)傳輸單元截面的電極類似于一個(gè)傳輸單元a1、b1、c1。如果。如果a1、Z、a1上分別加上電壓上分別加上電壓Ua、Uz、Ua，則從則從t0到到t2光敏元光敏元a1中的電荷已轉(zhuǎn)移至中的電荷已轉(zhuǎn)移至a1極下的勢阱。極下的勢阱。同理，同

18、理，光敏元光敏元a2 an中的電中的電荷同時(shí)轉(zhuǎn)移至荷同時(shí)轉(zhuǎn)移至a2.an極下的勢阱。極下的勢阱。電荷轉(zhuǎn)移柵電荷轉(zhuǎn)移柵光敏元中的電荷如何向移位寄存器轉(zhuǎn)移？光敏元中的電荷如何向移位寄存器轉(zhuǎn)移？t3以后以后：光敏單元又重新進(jìn)行光積累。在光積累的過程中，移位寄存器光敏單元又重新進(jìn)行光積累。在光積累的過程中，移位寄存器a1、b1、c1；a2、b2、c2；an、bn、cn等進(jìn)行移位（電荷傳輸），各自執(zhí)行自己的任務(wù)。等進(jìn)行移位（電荷傳輸），各自執(zhí)行自己的任務(wù)。t2以后以后：轉(zhuǎn)移電極轉(zhuǎn)移電極Z上電壓恢復(fù)為上電壓恢復(fù)為0，把光敏區(qū)和移，把光敏區(qū)和移位寄存器之間的位寄存器之間的“門門”阻塞。阻塞。CCD的電極結(jié)構(gòu)

19、按所加脈沖電壓的相數(shù)分為：的電極結(jié)構(gòu)按所加脈沖電壓的相數(shù)分為：三相系統(tǒng)三相系統(tǒng)二相系統(tǒng)二相系統(tǒng)三相系統(tǒng)：三相系統(tǒng)：勢阱對稱，電荷可以向左或向右傳輸（通過改變時(shí)鐘脈沖電勢阱對稱，電荷可以向左或向右傳輸（通過改變時(shí)鐘脈沖電 壓的時(shí)序關(guān)系）壓的時(shí)序關(guān)系）二相二相CCD系統(tǒng)系統(tǒng)：信號(hào)電荷總是向一個(gè)方向傳輸。：信號(hào)電荷總是向一個(gè)方向傳輸。采用梯度氧化層（采用梯度氧化層（SiO2層厚度分臺(tái)層厚度分臺(tái)階）。厚度大的階）。厚度大的SiO2層下的勢阱淺，層下的勢阱淺，這樣可實(shí)現(xiàn)非對稱的勢阱分布。這樣可實(shí)現(xiàn)非對稱的勢阱分布。電荷耦合攝像器件：線陣電荷耦合攝像器件：線陣CCD、面陣面陣CCDn線陣線陣CCD：只有一

20、列光敏單元，只能監(jiān)測一維變量。只有一列光敏單元，只能監(jiān)測一維變量。n面陣面陣CCD：MOS光敏單元排成二維形式。光敏單元排成二維形式。線陣線陣CCD線陣線陣CCD器件的構(gòu)成：器件的構(gòu)成：光敏區(qū)的光敏區(qū)的N個(gè)光敏元排成一列。個(gè)光敏元排成一列。N位位CCD與與N個(gè)光敏元一一對齊，每一位個(gè)光敏元一一對齊，每一位CCD有兩相。最靠近輸出端的那位有兩相。最靠近輸出端的那位CCD稱為第一位，對應(yīng)的光敏元為第一個(gè)光敏元。稱為第一位，對應(yīng)的光敏元為第一個(gè)光敏元。線陣線陣CCD工作原理：工作原理：當(dāng)一行的當(dāng)一行的N個(gè)信號(hào)全部讀完，產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，使轉(zhuǎn)移個(gè)信號(hào)全部讀完，產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，使轉(zhuǎn)移柵變?yōu)楦唠妷?，將?/p>

21、一行的柵變?yōu)楦唠妷?，將新一行的N個(gè)光信號(hào)電荷包并行轉(zhuǎn)移到個(gè)光信號(hào)電荷包并行轉(zhuǎn)移到CCD中，開始中，開始新一行信號(hào)傳輸和讀出，周而復(fù)始。新一行信號(hào)傳輸和讀出，周而復(fù)始。面陣面陣CCD面面陣陣CCDCCD攝像機(jī)攝像機(jī)p 黑白黑白CCD：直接用面陣直接用面陣CCD，CCD輸出信號(hào)按電視制式輸出信號(hào)按電視制式要求進(jìn)行處理。要求進(jìn)行處理。p 彩色彩色CCD：三片式、單片式三片式、單片式 3CCD：適用于電視臺(tái)和專業(yè)影視制作單位。畫面具有層次豐富、色彩：適用于電視臺(tái)和專業(yè)影視制作單位。畫面具有層次豐富、色彩還原自然、動(dòng)態(tài)范圍大和清晰度好等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格高。還原自然、動(dòng)態(tài)范圍大和清晰度好等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格高。 單

22、片單片CCD：適用于家用。彩色重現(xiàn)能力較差，層次不太豐富，價(jià)格便宜。：適用于家用。彩色重現(xiàn)能力較差，層次不太豐富，價(jià)格便宜。 CCD攝像機(jī)：攝像機(jī)：CCD攝像機(jī)攝像機(jī)三片式彩色三片式彩色CCD攝像機(jī)：攝像機(jī)：用分色棱鏡將入射光分成紅（用分色棱鏡將入射光分成紅（R）、）、綠（綠（G）、）、藍(lán)（藍(lán)（B）三基色。然后由配置在后面的三基色。然后由配置在后面的CCD器件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。器件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：能獨(dú)立記錄每個(gè)成像點(diǎn)的三原色數(shù)據(jù)而不相互干擾。但是：會(huì)增加成像系能獨(dú)立記錄每個(gè)成像點(diǎn)的三原色數(shù)據(jù)而不相互干擾。但是：會(huì)增加成像系統(tǒng)的體積和復(fù)雜程度，并且直接導(dǎo)致造價(jià)飆升。統(tǒng)的體積和復(fù)雜程度，并且

23、直接導(dǎo)致造價(jià)飆升。CCD攝像機(jī)攝像機(jī)單片式彩色單片式彩色CCD攝像機(jī)：攝像機(jī)：在在CCD前置一片特前置一片特殊結(jié)構(gòu)的濾色器，使透過濾色器的紅、綠、藍(lán)三色信殊結(jié)構(gòu)的濾色器，使透過濾色器的紅、綠、藍(lán)三色信號(hào)按某種規(guī)律照射在不同的號(hào)按某種規(guī)律照射在不同的CCD單元上，最后對單元上，最后對CCD輸出信號(hào)進(jìn)行特殊的處理，可得到彩色的全電視信號(hào)。輸出信號(hào)進(jìn)行特殊的處理，可得到彩色的全電視信號(hào)。 Bayer濾光片：濾光片：采用紅綠濾光片間隔行和綠藍(lán)濾光片間隔行循環(huán)交替的排采用紅綠濾光片間隔行和綠藍(lán)濾光片間隔行循環(huán)交替的排列方式，并不按照三原色平均分配。綠色濾光片的數(shù)量是其它兩色的總和，因列方式，并不按照三原

24、色平均分配。綠色濾光片的數(shù)量是其它兩色的總和，因?yàn)槿祟惖囊曈X系統(tǒng)對三原色的敏感性并不一樣，有必要包括更多的綠色像素信為人類的視覺系統(tǒng)對三原色的敏感性并不一樣，有必要包括更多的綠色像素信息以便在人類的眼睛里能夠感知到符合自己視覺系統(tǒng)的真彩色。息以便在人類的眼睛里能夠感知到符合自己視覺系統(tǒng)的真彩色。CCD攝像機(jī)攝像機(jī)1.1.曝光：曝光：通過光學(xué)鏡頭成像在通過光學(xué)鏡頭成像在CCD上，使上，使CCD曝光，在曝光，在CCD上形成與上形成與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖象。光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖象。CCD攝像機(jī)完成攝像需經(jīng)歷的過程：攝像機(jī)完成攝像需經(jīng)歷的過程：2.2.光生電荷平移到移位寄存器：光生電荷平移

25、到移位寄存器：完成曝光后，采用平移的方法，一完成曝光后，采用平移的方法，一次性將光生電荷轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的移位寄存器中。次性將光生電荷轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的移位寄存器中。3.3. 移位寄存器中光生電荷串行輸出，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)移位寄存器中光生電荷串行輸出，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，時(shí)間，時(shí)間與曝光同步，即移位寄存器在串行輸出上一幅圖象的視頻信號(hào)時(shí)，與曝光同步，即移位寄存器在串行輸出上一幅圖象的視頻信號(hào)時(shí)，CCD正在曝光下一幅圖象。正在曝光下一幅圖象。4. 4. 形成全電視信號(hào)：形成全電視信號(hào)：將串行輸出的視頻信號(hào)，加上同步信號(hào)和消隱將串行輸出的視頻信號(hào)，加上同步信號(hào)和消隱信號(hào)，形成全電視信號(hào)，可錄入磁盤，或通過信號(hào)，形成

26、全電視信號(hào)，可錄入磁盤，或通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)保存。轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)保存。數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)：原理同數(shù)碼相機(jī)：原理同CCD攝像機(jī)。攝像機(jī)。nCCD攝象機(jī)：采集連續(xù)的圖象。攝象機(jī)：采集連續(xù)的圖象。n數(shù)碼相機(jī)：采集一幅圖象。數(shù)碼相機(jī)：采集一幅圖象。數(shù)碼相機(jī)的基本組成數(shù)碼相機(jī)的基本組成 快門控制快門控制彩色液晶彩色液晶顯示器顯示器電源電路電源電路總控制電路總控制電路電池電池信號(hào)放大信號(hào)放大A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)處理處理數(shù)字圖像數(shù)字圖像存儲(chǔ)存儲(chǔ)輸出接口輸出接口快門快門CCD或或CMOSCCD攝像器件的主要特性攝像器件的主要特性像素?cái)?shù)量像素?cái)?shù)量CCD尺寸尺寸暗電流暗電流靈敏度靈敏度信噪比

27、信噪比主要評(píng)價(jià)指標(biāo)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)n 轉(zhuǎn)移特性：轉(zhuǎn)移特性：電荷包從一個(gè)柵轉(zhuǎn)移到下一個(gè)柵時(shí)，電荷包從一個(gè)柵轉(zhuǎn)移到下一個(gè)柵時(shí)，有有 部部分沒有被轉(zhuǎn)移（分沒有被轉(zhuǎn)移（ 稱轉(zhuǎn)移損失率），則一次轉(zhuǎn)移效率稱轉(zhuǎn)移損失率），則一次轉(zhuǎn)移效率 ： =1- 。n 一個(gè)電荷量為一個(gè)電荷量為Q0的電荷包，經(jīng)過的電荷包，經(jīng)過n次轉(zhuǎn)移后的輸出電荷量次轉(zhuǎn)移后的輸出電荷量應(yīng)為：應(yīng)為：CCD攝像器件的主要特性攝像器件的主要特性nnQQ0nnQQ/0總效率為：總效率為：CCD攝像器件的主要特性攝像器件的主要特性n 光電特性：光電特性：低照度下低照度下CCD輸出的信號(hào)電壓與入射光照輸出的信號(hào)電壓與入射光照度呈線性關(guān)系。當(dāng)照度達(dá)上百勒克斯

28、后，輸出信號(hào)達(dá)到度呈線性關(guān)系。當(dāng)照度達(dá)上百勒克斯后，輸出信號(hào)達(dá)到飽和狀態(tài)。飽和狀態(tài)。n 光譜特性：光譜特性：光譜響應(yīng)基本上由光敏元材料決定，也與光光譜響應(yīng)基本上由光敏元材料決定，也與光敏元結(jié)構(gòu)尺寸差異、電極材料和器件轉(zhuǎn)移效率不均勻等敏元結(jié)構(gòu)尺寸差異、電極材料和器件轉(zhuǎn)移效率不均勻等因素有關(guān)。因素有關(guān)。CCD器件對藍(lán)光和黃光的靈敏度較低。器件對藍(lán)光和黃光的靈敏度較低。CCD攝像器件的主要特性攝像器件的主要特性暗電流：暗電流：由于熱激發(fā)產(chǎn)生少數(shù)載流子使系統(tǒng)趨向平衡（勢由于熱激發(fā)產(chǎn)生少數(shù)載流子使系統(tǒng)趨向平衡（勢阱平衡）。即使沒有光照和電注入，也存在不希望有的暗電阱平衡）。即使沒有光照和電注入，也存在不

29、希望有的暗電流。使一幅清晰完整的產(chǎn)生某些流。使一幅清晰完整的產(chǎn)生某些“亮條亮條”或或“亮點(diǎn)亮點(diǎn)”。噪聲：噪聲：CCD攝象器件是一種低噪聲器件。引起的原因：轉(zhuǎn)攝象器件是一種低噪聲器件。引起的原因：轉(zhuǎn)移損失；移損失；SiO2- Si的界面態(tài)和預(yù)放器中的熱噪聲；信號(hào)電流中的界面態(tài)和預(yù)放器中的熱噪聲；信號(hào)電流中的雜散噪聲；外加脈沖。的雜散噪聲；外加脈沖。CCD攝像器件的主要特性攝像器件的主要特性分辨率：分辨率：指攝像器件對物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。主要指攝像器件對物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。主要由水平和垂直方向的像素總數(shù)決定。還受到傳輸效率的影響。由水平和垂直方向的像素總數(shù)決定。還受到傳輸效率的影響。像

30、素和分辨率：像素和分辨率：像素：像素：CCD上上MOS光敏元的數(shù)目。像素的多少直接關(guān)系著光敏元的數(shù)目。像素的多少直接關(guān)系著所射照片的清晰度，像素越多則圖像越清晰。所射照片的清晰度，像素越多則圖像越清晰。 CCD攝像器件的主要特性攝像器件的主要特性圖像的分辨率有圖像的分辨率有3種表示方法：種表示方法：l 像素的總數(shù)目像素的總數(shù)目l 像素像素/英寸（英寸（ppi）l 點(diǎn)點(diǎn)/英寸（英寸（dpi） 像素和分辨率：像素和分辨率：CCD攝像器件的主要特性攝像器件的主要特性n彩色電視：彩色電視：320 525，總像素：總像素：16.8萬左右；萬左右；n人眼：人眼：11000 11000，總像素：總像素：12

31、億左右；億左右；n傳統(tǒng)感光膠卷的像素：傳統(tǒng)感光膠卷的像素：2百萬以上；百萬以上；n目前高檔商用數(shù)碼像機(jī)：總像素達(dá)到了目前高檔商用數(shù)碼像機(jī)：總像素達(dá)到了800萬以上。萬以上。 像素和分辨率：像素和分辨率：CCD攝像器件的主要特性攝像器件的主要特性采用軟件插值運(yùn)算的方法來提高像素和分辨率：降低產(chǎn)品的采用軟件插值運(yùn)算的方法來提高像素和分辨率：降低產(chǎn)品的成本。成本。原理：原理：用兩個(gè)相鄰的像素進(jìn)行運(yùn)算得到一個(gè)新的像素，從而用兩個(gè)相鄰的像素進(jìn)行運(yùn)算得到一個(gè)新的像素，從而提升分辨率（實(shí)際上在計(jì)算機(jī)中通過一些圖像處理軟件可以提升分辨率（實(shí)際上在計(jì)算機(jī)中通過一些圖像處理軟件可以很容易的實(shí)現(xiàn)這一功能）。很容易的

32、實(shí)現(xiàn)這一功能）。像素和分辨率：像素和分辨率：CCD攝像器件的主要特性攝像器件的主要特性插值運(yùn)算的原理插值運(yùn)算的原理特點(diǎn)：雖然提高了分辨率，特點(diǎn)：雖然提高了分辨率，但通過軟件生成的像素并不但通過軟件生成的像素并不能真正反映真實(shí)的色彩，在能真正反映真實(shí)的色彩，在圖像中不同色彩的邊界往往圖像中不同色彩的邊界往往會(huì)產(chǎn)生色差和明顯的鋸齒。會(huì)產(chǎn)生色差和明顯的鋸齒。所以，特別注意標(biāo)稱的像素所以，特別注意標(biāo)稱的像素是是CCDCCD的分辨率還是通過軟件的分辨率還是通過軟件提升得到的像素。提升得到的像素。像素和分辨率：像素和分辨率：CCD制造工藝制造工藝 制作性能優(yōu)越的制作性能優(yōu)越的CCD，要求：精確設(shè)計(jì)；具備良

33、好的設(shè)，要求：精確設(shè)計(jì)；具備良好的設(shè)施和工藝制作條件；人為因素。施和工藝制作條件；人為因素。 CCD是在硅集成電路上制作而成的，其工藝基本組成包是在硅集成電路上制作而成的，其工藝基本組成包括清洗、氧化、擴(kuò)散、光刻、刻蝕、離子注入、括清洗、氧化、擴(kuò)散、光刻、刻蝕、離子注入、LPCVD、等離子生長和中測單項(xiàng)工藝，等離子生長和中測單項(xiàng)工藝，CCD的制造就是將這些單項(xiàng)的制造就是將這些單項(xiàng)工藝以不同數(shù)目和次序加以組合而成。工藝以不同數(shù)目和次序加以組合而成。CCD制造工藝制造工藝氧化：氧化：是是CCD制造中的關(guān)鍵工藝之一，氧化生成的制造中的關(guān)鍵工藝之一，氧化生成的SiO2膜膜在在CCD 中有著重要的作用，

34、主要表現(xiàn)為：中有著重要的作用，主要表現(xiàn)為： (1) 作為作為CCD的保護(hù)和鈍化膜。的保護(hù)和鈍化膜。n 在在Si上熱生長上熱生長SiO2可以束縛硅的懸掛鍵，降低可以束縛硅的懸掛鍵，降低CCD的表的表面態(tài)密度，起到表面鈍化作用，同時(shí)防止面態(tài)密度，起到表面鈍化作用，同時(shí)防止CCD電性能退電性能退化并減少由于潮濕、離子或其它外部污染物引起的漏電化并減少由于潮濕、離子或其它外部污染物引起的漏電流。流。n SiO2是堅(jiān)硬和無孔是堅(jiān)硬和無孔(致密致密)的材料，保護(hù)的材料，保護(hù)Si表面不被鑷子劃表面不被鑷子劃傷以及后期工序中可能帶來的工藝損傷。傷以及后期工序中可能帶來的工藝損傷。n SiO2層可以將層可以將S

35、i表面的電活性污染物表面的電活性污染物(可動(dòng)離子沾污可動(dòng)離子沾污)束縛束縛在其中。在其中。CCD制造工藝制造工藝氧化：氧化： (2) 作為作為CCD 中柵氧的電介質(zhì)。中柵氧的電介質(zhì)。CCD中最主要的是中最主要的是MOS管，因?yàn)楣埽驗(yàn)镾iO2具有高電介質(zhì)具有高電介質(zhì)強(qiáng)度強(qiáng)度(107V/cm) 和高的電阻率和高的電阻率(約約1017cm)，可以作為，可以作為CCD中中MOS的柵氧化層。的柵氧化層。CCD中柵氧層影響電流的流動(dòng)和電荷轉(zhuǎn)移效率。因中柵氧層影響電流的流動(dòng)和電荷轉(zhuǎn)移效率。因此，要求柵氧化層致密、膜厚均勻、無雜質(zhì)，任何使柵氧此，要求柵氧化層致密、膜厚均勻、無雜質(zhì)，任何使柵氧結(jié)構(gòu)退化的沾污都

36、必須嚴(yán)格控制。結(jié)構(gòu)退化的沾污都必須嚴(yán)格控制。CCD制造工藝制造工藝氧化：氧化： (3)可以作為多晶硅薄膜之間的隔離層可以作為多晶硅薄膜之間的隔離層。隔離多晶硅的隔離多晶硅的SiO2層的質(zhì)量將直接影響層的質(zhì)量將直接影響CCD的電路的電路的性能的性能，SiO2能防止上層多晶硅和下層多晶硅間短路能防止上層多晶硅和下層多晶硅間短路，就就像電線上的絕緣體可以防止短路一樣像電線上的絕緣體可以防止短路一樣。同時(shí)同時(shí)，氧化物要求氧化物要求無針孔和空隙無針孔和空隙。在在CCD 制造中，較多采用干氧制造中，較多采用干氧濕氧濕氧干氧結(jié)合的氧化方式干氧結(jié)合的氧化方式.CMOS: Complementary Metal

37、 Oxide Semiconductor互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體nCMOS技術(shù)：技術(shù)：可以將光電攝像器件陣列、驅(qū)動(dòng)和控可以將光電攝像器件陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、信號(hào)處理電路、模制電路、信號(hào)處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)單芯片系統(tǒng)（路等完全集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)單芯片系統(tǒng)（SOC）。）。CMOS的結(jié)構(gòu)：的結(jié)構(gòu)：無源像素型（無源像素型（PPS）和有源像素型（）和有源像素型（APS）無源像素型：無源像素型：n 由反向偏置的光電二極管（由反向偏置的光電二極管（PD）和）和開關(guān)管（開關(guān)管（TX）組成。）組成。n 當(dāng)該像素被選中激活時(shí)，當(dāng)

38、該像素被選中激活時(shí)，TX選通，選通，PD中由于光照產(chǎn)生的信號(hào)電荷通過中由于光照產(chǎn)生的信號(hào)電荷通過TX到達(dá)列總線輸出；到達(dá)列總線輸出；n 在列總線下端有一個(gè)電荷積分放大器，在列總線下端有一個(gè)電荷積分放大器，將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換為電壓輸出。將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換為電壓輸出。無源像素型無源像素型特點(diǎn)：特點(diǎn)：n 結(jié)構(gòu)簡單；結(jié)構(gòu)簡單；n 像素填充率高；像素填充率高；n 量子效率比較高；量子效率比較高；n 由于傳輸線電容較大，讀出噪聲較高，而且隨著像素?cái)?shù)由于傳輸線電容較大，讀出噪聲較高，而且隨著像素?cái)?shù)目增加，讀出速率加快，讀出噪聲變得更大。目增加，讀出速率加快，讀出噪聲變得更大。有源像素型：有源像素型：在像元內(nèi)引入在像

39、元內(nèi)引入緩沖器或放大器緩沖器或放大器可以改善像元的可以改善像元的性能。像元內(nèi)有性能。像元內(nèi)有有源放大器有源放大器的傳感器稱為有源像素傳感器。的傳感器稱為有源像素傳感器。光電二極管型有源像素（光電二極管型有源像素（PP-APS）結(jié)構(gòu)：）結(jié)構(gòu)：n 由光電二極管（由光電二極管（PD）、）、RST、T 和和RS組成。組成。n 光照射到光照射到PD產(chǎn)生信號(hào)電荷，這些電荷產(chǎn)生信號(hào)電荷，這些電荷通過通過T緩沖輸出；緩沖輸出；n 當(dāng)當(dāng)RS選通時(shí)，電荷通過列總線輸出，選通時(shí)，電荷通過列總線輸出，RS關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉時(shí)，RST打開對打開對PD復(fù)位。復(fù)位。有源像素型有源像素型特點(diǎn)：特點(diǎn)：p 由于每個(gè)放大器僅在讀出器件被

40、激發(fā)，功耗比較小。由于每個(gè)放大器僅在讀出器件被激發(fā)，功耗比較小。p 填充系數(shù)小，其設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為填充系數(shù)小，其設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為2030。CMOS 器件的總體結(jié)構(gòu)：器件的總體結(jié)構(gòu)：外界光照射像素陣列，外界光照射像素陣列，產(chǎn)生信號(hào)電荷，行選通產(chǎn)生信號(hào)電荷，行選通邏輯單元根據(jù)需要選通邏輯單元根據(jù)需要選通相應(yīng)的行像素單元，行相應(yīng)的行像素單元，行像素內(nèi)的信號(hào)電荷通過像素內(nèi)的信號(hào)電荷通過各自所在列的信號(hào)總線各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號(hào)傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號(hào)處理器（處理器（ASP）及）及A/D變變換器，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)換器，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字圖像信號(hào)輸出。字圖像信號(hào)輸出。CMOS最主要的優(yōu)勢最主要的優(yōu)勢n非常省電。非常省電。nCMOS 電路幾乎沒有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通電路