第6章光電成像器件

1、6.1 光電成像器件概論 光電成像器件的發(fā)展 光電像管超正析像管視像管氧化鉛管硒靶管（硅靶管）CCD/CMOS 6.1.1 光電成像器件的類(lèi)型:掃描和非掃描 6.1.2 成像原理熱電型：熱釋電攝像管光電導(dǎo)式攝像管光電發(fā)射式攝像管光電型真空電子束掃描型射線變像管紫外變像管紅外變像管變像管X強(qiáng)管負(fù)電子親和勢(shì)陰極像增微通道板式像增強(qiáng)管級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)管串聯(lián)式像增強(qiáng)管像增強(qiáng)管固體攝像器件固體攝像器件1、掃描型：、掃描型：2、非掃描型、非掃描型光電發(fā)射式攝像管光電型真空電子束掃描型光電導(dǎo)式攝像管光熱型:熱釋電攝像管掃描型電荷耦合器件（CCD）固體自掃描型 自掃描光電二極管陣列（SSPD）電荷注入器件（CID

2、）光電成像器件紅外變像管變像管 紫外變像管X射線變像管非掃描型串聯(lián)式像增強(qiáng)管級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)管像增強(qiáng)管微通道板式像增強(qiáng)管負(fù)電子親和勢(shì)陰極像增強(qiáng)管6.1.3 光電成像器件的基本特性1.光譜響應(yīng)：與器件材料有關(guān)，應(yīng)與被測(cè)景物輻射光譜匹配。2.轉(zhuǎn)換特性：靈敏度（響應(yīng)度）轉(zhuǎn)換系數(shù)亮度增益3.分辨率極限分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制度M 一、光電成像原理 光電成像系統(tǒng)由光學(xué)成像系統(tǒng)、光電變換器、同步掃描和控制系統(tǒng)、視頻信號(hào)處理系統(tǒng)和熒光顯示系統(tǒng)構(gòu)成。 二、電視制式 1.電視畫(huà)面的寬高比 2.幀頻與場(chǎng)頻 掃描行數(shù)與行頻光電成像系統(tǒng)構(gòu)成：光電成像系統(tǒng)構(gòu)成：光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)光電變換系統(tǒng)光電變換系統(tǒng)同步掃描和控制系

3、統(tǒng)同步掃描和控制系統(tǒng)視頻信號(hào)處理系統(tǒng)視頻信號(hào)處理系統(tǒng)熒光顯示系統(tǒng)熒光顯示系統(tǒng) CCD以電荷作為信號(hào)?；竟δ苁请姾傻拇鎯?chǔ)和轉(zhuǎn)移，因此，CCD的工作過(guò)程的主要問(wèn)題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。 6.3.1 電荷耦合器件原理 1、電荷存儲(chǔ)2、電荷耦合 3、電荷的注入和檢測(cè) 1.電荷的注入 光注入光注入 電注入電注入 2.電荷的檢測(cè)（輸出方式） 電流輸出 浮置擴(kuò)散放大器輸出 浮置柵放大器輸出 6.3.2、CCD的特性參數(shù) 1、轉(zhuǎn)移效率 轉(zhuǎn)移損失率 2、工作頻率3、電荷貯存容量 ：表示在電極下的勢(shì)阱中能容納的電荷量 。如果SiO2氧化層的厚度為d，則每一個(gè)電極下的勢(shì)阱中，最大電荷貯存容量 ：4、

4、CCD的噪聲 散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲及熱噪聲。 oxQCV AAdVqAVCNsox0max 6.3.3 電荷耦合攝像器件工作原理 1 線型CCD攝像器件：兩種基本形式 2 面陣ICCD 幀轉(zhuǎn)移面陣ICCD 隔列轉(zhuǎn)移型面陣ICCD 線轉(zhuǎn)移型面陣ICCD 4.ICCD的基本特性參數(shù) 光電轉(zhuǎn)換特性 光譜響應(yīng) 動(dòng)態(tài)范圍 陷阱的最大電荷存儲(chǔ)量 噪聲 暗電流 分辨力 在表面電極加正偏壓時(shí)（N型襯底加負(fù)偏壓），P型襯底中形成耗盡層（勢(shì)阱），耗盡層的深度隨正偏電壓升高而增大。襯底中的少數(shù)載流子電子被吸引到最深的勢(shì)阱，但是沒(méi)有源極提供電子，靠本身的少數(shù)載流子形成導(dǎo)電溝道的時(shí)間很長(zhǎng)，需要零點(diǎn)幾秒甚至幾十秒。所以不會(huì)

5、形成導(dǎo)電溝道。2、電荷的儲(chǔ)存 若P2的電位比其他相鄰的兩個(gè)電極都高，則電極P2下面的耗盡層要比其他電極下的耗盡層深，形成勢(shì)阱。若勢(shì)阱邊緣兩側(cè)有負(fù)電荷存在，在電場(chǎng)力作用下，會(huì)落入勢(shì)阱，儲(chǔ)存起來(lái)。 因?yàn)橐r底本身的少數(shù)載流子自由電子不能馬上填滿(mǎn)勢(shì)阱，而數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖周期遠(yuǎn)小于十分之幾秒，因此在時(shí)鐘脈沖控制下，勢(shì)阱中的電荷只與是否有電荷注入（輸入信息），而與襯底本身無(wú)關(guān)。3、電荷的定向轉(zhuǎn)移 每一個(gè)像素上有三個(gè)金屬電極P1、P2、P3，依次在其上施加三個(gè)相位不同控制脈沖1、2、3（三相時(shí)鐘脈沖控制）。 輸入柵加高電壓，電荷通過(guò)輸入二極管注入。設(shè)t0時(shí)刻，P1到達(dá)最高正電壓，其下方形成的勢(shì)阱最深，電荷

6、被吸引到P1下方形成電荷包。t1時(shí)刻P2上加上和P1相等的高電壓，則在兩電極下同時(shí)形成勢(shì)阱（勢(shì)阱耦合），電荷在兩電極下分布。t2時(shí)刻，P1回到低電位，電荷包全部落入P2下的勢(shì)阱。然后電荷移動(dòng)到P3下形成電荷包。這樣電荷由CCD一端移至終端。這時(shí)在輸出柵上加高電壓，使輸出二極管反偏收集電荷，并將電荷送至放大器。二、線型CCD圖像傳感器基本結(jié)構(gòu) 線型CCD圖像傳感器由一行光敏元件與一行CCD并行且對(duì)應(yīng)地構(gòu)成一個(gè)主體。在他們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵（對(duì)應(yīng)CCD上的電極）。每一個(gè)光敏元件上都有一個(gè)梳狀公共電極（對(duì)應(yīng)于輸入柵），由一個(gè)P型溝阻使電氣上隔開(kāi)。 當(dāng)光照射到光敏元件（如光敏二極管）時(shí)，且梳狀電極

7、加高電壓，光敏元件聚集光電荷。光電荷與光照強(qiáng)度和光照時(shí)間成比例。光照結(jié)束后，轉(zhuǎn)移柵上電平提高，然后降低梳狀電極電壓，各光敏元件中積累的光電荷并行轉(zhuǎn)移到移位寄存器中（電荷的儲(chǔ)存）。轉(zhuǎn)移完畢后，轉(zhuǎn)移柵電平降低，梳狀電極電壓升高，準(zhǔn)備接受下一次光照信號(hào)。同時(shí)在移位寄存器上加時(shí)鐘脈沖，將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移，由輸出端輸出。線型CCD主要應(yīng)用于掃描儀和傳真機(jī)，下面簡(jiǎn)單介紹掃描儀的工作原理。平板式掃描儀的外部結(jié)構(gòu)上蓋主要是將要掃描的原稿壓緊，以防止掃描燈光線泄露。 原稿臺(tái)主要是用來(lái)放置掃描原稿的地方，其四周設(shè)有標(biāo)尺線以方便原稿放置 平板式掃描儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（反射型）掃描頭的光源一般采用冷陰極輝光放電燈管

8、，燈管兩端沒(méi)有燈絲，只有一根電極 反光鏡將原稿的信息反射到鏡頭上，由鏡頭將掃描信息傳送到CCD感光器件，最后由CCD將照射到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。掃描精度即是指掃描儀的光學(xué)分辨率，主要是由鏡頭的質(zhì)量和CCD的數(shù)量決定。由于受制造工藝的限制，目前普通掃描頭的最高分辨率為20000像素 掃描儀對(duì)圖像畫(huà)面進(jìn)行掃描時(shí)，線性CCD將掃描圖像分割成線狀，每條線的寬度大約為10 m。光源將光線照射到待掃描的圖像原稿上，產(chǎn)生反射光(反射稿所產(chǎn)生的)或透射光(透射稿所產(chǎn)生的)，然后經(jīng)反光鏡組反射到線性CCD中。CCD圖像傳感器根據(jù)反射光線強(qiáng)弱的不同轉(zhuǎn)換成不同大小的電荷或電流，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換處理，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信

9、號(hào)，即產(chǎn)生一行圖像數(shù)據(jù)。同時(shí)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在控制電路的控制下，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)皮帶，從而驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)和CCD掃描裝置在傳動(dòng)導(dǎo)軌上與待掃原稿做相對(duì)平行移動(dòng)，將待掃圖像原稿一條線一條線的掃入，最終完成全部原稿圖像的掃描。如下圖所示。 多數(shù)平板式掃描儀使用光電耦合器(CCD)為光電轉(zhuǎn)換元件，它在圖像掃描設(shè)備中最具代表性。 掃描儀的簡(jiǎn)單工作過(guò)程就是利用光電元件將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將電信號(hào)通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。無(wú)論何種類(lèi)型的掃描儀，它們的工作過(guò)程都是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。所以，光電轉(zhuǎn)換是它們的核心工作原理 。掃描儀的工作過(guò)程(1) CCD的種類(lèi)：CCD攝像機(jī)按成

10、象器件分類(lèi)：線陣CCD、面陣CCD按顏色分類(lèi)：黑白攝像機(jī)、彩色攝像機(jī)按輸出信號(hào)分類(lèi)：模擬式、數(shù)字式 黑白攝像機(jī)：信息量小，時(shí)間、空間少彩色攝像機(jī)：信息量大，時(shí)間、空間多線陣CCD：一行，掃描；體積小，價(jià)格低；面陣CCD: 整幅圖像；直觀；價(jià)格高，體積大；按掃描方式分類(lèi)：逐行掃描、隔行掃描 逐行掃描：高速運(yùn)動(dòng)，避免邊緣模糊 數(shù)字?jǐn)z像機(jī) - 電子快門(mén) 曝光時(shí)間: 1/50s、1/125s、1/250s、1/500s、1/1000s、1/2000s、1/4000s、1/8000s、1/16000s、1/32000s 按形狀分類(lèi)：長(zhǎng)形、短形、方塊形、半球形、單板形 6.4 CMOS圖像傳感器 CMOS

11、圖像傳感器從原理可分為無(wú)源像素傳感器PPS(Passive-Pixel Sensor)和有源像素傳感器APS(Active- Pixel Sensor)兩大類(lèi)。從結(jié)構(gòu)上講，主要包括光敏二極管型無(wú)源、有源像素圖像傳感器和光電柵型有源像素圖像傳感器。 光敏單元 行 線 列 線 下圖簡(jiǎn)單的說(shuō)明了光敏二極管型無(wú)源圖像傳感器和光敏二極管型有源圖像傳感器感光單元的結(jié)構(gòu) 。 一、光敏二極管型CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu) 在光敏二極管型無(wú)源圖像傳感器中，光敏二極管受光照將光子變成電子，通過(guò)行選擇開(kāi)關(guān)將電荷讀到列輸出線上；在光敏二極管型有源CMOS圖像傳感器中，則通過(guò)復(fù)位開(kāi)關(guān)和行選擇開(kāi)關(guān)將放大后的光生的電荷讀到感光陣

12、列外部的信號(hào)放大電路。無(wú)源像素圖像傳感器僅僅是一種具有行選擇開(kāi)關(guān)的光電二極管，通過(guò)控制行選擇開(kāi)關(guān)把光生的電荷信號(hào)傳送到像素陣列外的放大器；有源像素圖像傳感器的每個(gè)像元內(nèi)部都包含一個(gè)有源單元，即包含由一個(gè)或多個(gè)晶體管組成的放大電路在像元內(nèi)部先進(jìn)行電荷放大再被讀出到外部電路。 二、光電柵型有源像素圖像CMOS傳感器 光電柵型APS CMOS像素單元框圖如右圖所示。像素單元包括光電柵PG（Photogate）、浮置擴(kuò)輸出FD(Flcating Diffusion)、傳輸電柵TX(Transfer Gate)、復(fù)位晶體管MR(Reset Transistor)、作為源極跟隨器的輸入晶體管MIN、以及行

13、晶體管MX，實(shí)際上，每個(gè)像元內(nèi)部就是一個(gè)小小的表面溝道CCD。每列單元共用一個(gè)讀出電路，它包括第一源極跟隨器的負(fù)載晶體管MLN以及兩個(gè)用于存儲(chǔ)信號(hào)電平和復(fù)位電平的雙采樣和保持電路。這種對(duì)復(fù)位和信號(hào)電平同時(shí)采樣的相關(guān)雙采樣電路CDS能抑制來(lái)自像元浮置節(jié)點(diǎn)的復(fù)位噪聲。 CCD 和 CMOS 使用相同的光敏材料， 因而受光后產(chǎn)生電子的原理相同, 并且具有相同的靈敏度和光譜特性，但是讀取過(guò)程不同：CCD 是在同步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的配合下以幀或行的方式轉(zhuǎn)移，整個(gè)電路非常復(fù)雜；CMOS 則以類(lèi)似 DRAM 的方式讀出信號(hào)，電路簡(jiǎn)單。CCD的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、邏輯時(shí)序和信號(hào)處理等其他輔助功能難以與 CCD 集成到一塊芯片上，這些功能可由 38 個(gè)芯片組合實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還需要一個(gè)多通道非標(biāo)準(zhǔn)供電電壓來(lái)滿(mǎn)足特殊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的需要；而借助于大規(guī)模集成制造工藝，CMOS 圖像傳感器能容易地把上述功能集成到單一芯片上。 CCD 大多需要三種電源供電，功耗較大，體積也比較大. CMOS 只需一個(gè) (35) V 單電源，其功耗相當(dāng)于 CCD 的 1/10；高度集成 CMOS 芯片可以做的比人的大拇指還小。到目前為止，面向數(shù)碼相機(jī)的CCD固體攝像元件的最高像素已超過(guò)800萬(wàn)，而像素最高為1680萬(wàn)的CMOS圖像傳感器正在開(kāi)發(fā)中。 需要指出，電荷耦合器件