《光電圖像處理》09-光電成像系統(tǒng)(2)

1、光電圖像處理 （九）光電成像系統(tǒng)02電子工程學院光電子技術(shù)系主要內(nèi)容一、電荷耦合攝像器件二、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)三、互補金屬氧化物半導體圖像傳 感器CMOS四、紅外焦平面器件固體攝像器件的功能： 光學圖像 電信號 把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息（可見光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號 視頻信號。其視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。 轉(zhuǎn)換固體攝像器件主要有三大類： 電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互補金屬氧化物半導體圖像傳感器（即CMOS） 電荷注入器件（Charge Injection Device， 即CID） 目前，前兩種用

2、得較多，我們這里主要分析CCD一種。CCD圖像傳感器的優(yōu)勢具有固體器件所有優(yōu)點，自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性失真，體積、重量、功耗和制造成本是電子束攝像管無法達到的。 CCD圖像傳感器的誕生和發(fā)展使人們進入了更為廣泛應(yīng)用圖像傳感器的新時代。貝爾實驗室George Smith和Willard Boyle將可視電話和半導體存儲技術(shù)結(jié)合發(fā)明了CCD原型。2009年諾貝爾獎物理學獎得主瑞典皇家科學院2009年10月6日宣布，美國科學家威拉德博伊爾和喬治史密斯因發(fā)明電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器而與“光纖之父”高錕一同獲得2009年諾貝爾物理學獎。評委會贊揚博伊爾與史密斯1

3、969年第一次成功地發(fā)明了數(shù)字成像技術(shù)，工作于貝爾實驗室的他們設(shè)計了一種影像傳感器，可以將光在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為像素，為攝影技術(shù)帶來“革命化”變革?！皼]有CCD，數(shù)碼相機的發(fā)展將更為緩慢。沒有CCD，我們就不會看到哈勃太空望遠鏡拍攝的令人詫異的圖片，也不會看到我們的鄰居火星上的紅色沙漠圖像?！痹u委會說。1969年，由美國的貝爾研究室所開發(fā)出來的。同年，日本的SONY公司也開始研究CCD。1973年1月，SONY中研所發(fā)表第一個以96個圖素并以線性感知的二維影像傳感器8H*8V (64圖素) FT方式三相CCD。1974年6月，彩色影像用的FT方式32H*64V CCD研究成功了。1976年8月，完

4、成實驗室第一支攝影機的開發(fā)。1980年，SONY 發(fā)表全世界第一個商品化的CCD攝影機 (編號XC-1) 。1981年，發(fā)表了28萬個圖素的 CCD (電子式穩(wěn)定攝影機MABIKA)。1983年，19萬個圖素的IT方式CCD量產(chǎn)成功。1984年，發(fā)表了低污點高分辨率的CCD。1987年，1/2 inch 25萬圖素的 CCD，在市面上銷售。同年，發(fā)表2/3 inch 38萬圖素的CCD，且在市面上銷售。1998年，日本采用拼接技術(shù)開發(fā)成功了1638412288像元即 （409630724像元的CCD圖像傳感器。CCD發(fā)展史一、電荷耦合攝像器件 CCD（Charge Coupled Device

5、），是上世紀70年代初發(fā)展起來的新型半導體光電成像器件。 40多年來， CCD技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于信號處理、數(shù)字存儲及影像傳感等領(lǐng)域。 其中，CCD技術(shù)在影像傳感中的應(yīng)用最為廣泛，已成為現(xiàn)代光電子學和測試技術(shù)中最活躍、最富有成果的領(lǐng)域之一。CCD的特點: 以電荷作為信號。CCD的基本功能: 電荷存儲和電荷轉(zhuǎn)移。CCD工作過程: 信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測的過程。 1. CCD的基本結(jié)構(gòu)： (1) 輸入部分： 輸入二極管（ID / Input diode）、 輸入柵（IG / Input Grid） (2) MOS結(jié)構(gòu)部分： a. 以P型或N型硅半導體為襯底。 （本文以P型硅為例） b. 在

6、襯底上生長一層厚度為零點幾個微米的二氧化硅層。1.1電荷耦合器件的基本原理 c. 然后按一定的次序沉淀N個金屬電極或多晶硅電極，作為柵極。（柵極間的間距為2.5個微米，中心距離為15-20個微米）。于是，每個電極與其下方的二氧化硅和半導體之間就構(gòu)成了一個 金屬-氧化物-半導體（Metal - Oxide - Semiconductor ）結(jié)構(gòu), 即MOS結(jié)構(gòu)。(3) 輸出部分：將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號 輸出柵（OG/ Output Grid ） 輸出二極管 （OD / Output diode ）輸入柵輸入二極管輸出柵輸出二極管柵 極金屬 M氧化物 O半導體 SP- Si / N Si

7、圖1 CCD的結(jié)構(gòu)簡圖2. CCD的輸入部分 (1)電注入：當CCD用于信息存儲或信息處理時，通過輸入端注入與信號成正比的電荷。有兩種方式，電流注入法和電壓注入法。如圖6.4(a) 所示為電流注入法結(jié)構(gòu)，如圖6.4(b)所示為電壓注入法結(jié)構(gòu)。 (2)光注入：當CCD用于拍攝光學圖像時，把按照照度分布的光學圖像通過光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為電荷分布，然后由輸入部分注入。CCD相機采用的就是光注入，如圖.所示。 式中，為材料的量子效率；為電子電荷量；為入射光的光子流速率；為光敏單元的受光面積；為光的注入時間。圖6.6 MOS的基本結(jié)構(gòu)(3)MOS結(jié)構(gòu)部分MOS電容器是構(gòu)成CCD的最基本單元，它是金屬氧化物半導

8、體（Met-Oxide-Semiconductor）器件中結(jié)構(gòu)最為簡單的。以襯底為P型硅構(gòu)成的MOS電容為例。在半導體P型硅為襯底的表面上用氧化的辦法生成一層厚度為20150nm的二氧化硅（SiO2），再在二氧化硅表面蒸鍍一層金屬（如鋁），在襯底和金屬電極間加上偏置電壓，就構(gòu)成了一個MOS電容器。結(jié)構(gòu)如圖.所示。3. CCD的基本功能 包括：電荷的產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和輸出。電荷的產(chǎn)生： 電荷的產(chǎn)生方法主要分為：光注入和電注入。 (1)電注入：當CCD用作信息存貯或信息處理時，通過輸入端注入與信號成正比的電荷。 (2)光注入：當CCD用作拍攝光學圖像時，把按照照度分布的光學圖像通過光電轉(zhuǎn)換成為電荷

9、分布，然后由輸入部分注入。 CCD相機就是采用光注入。電荷存儲 以襯底為P型硅構(gòu)成的MOS電容為為例。 (1)當向柵極施加一定較小的正向電壓時， P型硅中的空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)。 (2)當柵極的正向電壓大于半導體的域值電壓時， 半導體與絕緣體界面上的電勢變高，以致于將半導體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）吸引到表面，形成有一定寬度的可存儲電子的勢阱。 當有電荷注入時，耗盡層的深度將隨電荷的增加而減少。 在電子逐漸填充勢阱的過程中，勢阱中能容納多少電子，取決于勢阱的“深淺”，即表面勢的大小。 而表面勢的大小又依柵極電壓大小而定。 當有電荷注入時，耗盡層的深度將隨電荷的增加而減小。在電子逐漸填充勢阱的過

10、程中，勢阱中能容納多少電子，取決于勢阱的“深淺”，即表面勢的大小。而表面勢的大小又依柵極電壓 大小而定，它們的關(guān)系曲線如圖-所示。 圖6.9所示為柵極電壓UG不變的情況下，表面勢S與反型層電荷密度QINV之間的關(guān)系。由圖6.9可以看出，表面勢隨反型層電荷密度QINV的增加而線性減小。依據(jù)圖6.8與圖6.9所示的關(guān)系曲線，很容易用半導體物理中的“勢阱” 概念來描述。電子所以被加有柵極電壓的MOS結(jié)構(gòu)吸引到半導體與氧化層的交界面處，是因為那里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度” 與柵極電壓UG的關(guān)系恰如與 的關(guān)系，如圖6.10(a) 所示空勢阱的情況。 CCD的工作波長主要由MOS電容器

11、的材料性質(zhì)決定。能否產(chǎn)生光生電荷由入射光子能量與半導體禁帶寬度的關(guān)系決定：式中，為保證產(chǎn)生光生電荷的最長波長，單位為；為半導體禁帶寬度。電荷轉(zhuǎn)移 按照一定的時序在電極上施加高低電壓，使電荷在相鄰的勢阱間進行轉(zhuǎn)移。 通常把CCD的電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。 按相數(shù)可分為：二相CCD、三相CCD、四相CCD等。 對于單層金屬化電極結(jié)構(gòu)，為了保證電荷的定向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。這里以三相表面溝道CCD為例。 表面溝道器件，即 SCCD（Surface Channel CCD）轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件。 t1： 時鐘驅(qū)動線1為高電平，由外界注入的信號電荷被存儲于 1電極下表面

12、的勢阱中；t 4：時鐘驅(qū)動線 1為低電平，時鐘驅(qū)動線 2為高電平，信號電荷被存儲于 2電極下表面的勢阱中 從而使信號電荷可控地一位一位地按順序傳輸，這就是所謂的電荷藕荷。電荷的輸出 CCD的輸出部分由輸出柵（Output Grid，OG） 和輸出二極管（Output Diode，OD） 組成，是指在電荷轉(zhuǎn)移通道的末端，將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號輸出。 電荷輸出結(jié)構(gòu)有多種形式，如電流輸出結(jié)構(gòu)、浮置擴散輸出結(jié)構(gòu)、浮置柵輸出結(jié)構(gòu)等。浮置柵輸出結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣。 (1)電流輸出結(jié)構(gòu)。如圖6.12所示，由反向偏置二極管收集信號電荷來控制A點電位的變化，直流偏置的輸出柵極OG用來使漏擴散和時鐘脈沖之間退耦

13、，由于二極管反向偏置，形成一個深陷落信號電荷的勢阱，轉(zhuǎn)移到電極下的電荷包越過輸出柵極，流入到深勢阱中。 (2)浮置擴散放大器輸出結(jié)構(gòu)。如圖6.13所示，復位管在2下的勢阱未形成前，在Rg端加復位脈沖，使復位管導通，把浮置擴散區(qū)剩余電荷抽走，復位到UDD；而當電荷到來時，復位管截止，由浮置擴散區(qū)收集的信號電荷來控制放大管柵極電位變化。1.2 電荷耦合攝像器件的工作原理 CCD的電荷存儲、轉(zhuǎn)移的概念 + 半導體的光電性質(zhì) CCD攝像器件 按結(jié)構(gòu)可分為線陣CCD和面陣CCD； 按光譜可分為可見光CCD、紅外CCD、X光CCD和紫外CCD； 可見光CCD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD。(1

14、)線陣CCD線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)。 兩種結(jié)構(gòu)的工作原理相仿，但性能稍有差異。單溝道線陣CCD轉(zhuǎn)移次數(shù)多，效率低，只適用于像素單元較少的成像器件。雙溝道線陣CCD轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率也提高為原來的兩倍。 線陣CCD每次掃描一條線，為了得到整個二維圖像的視頻信號，就必須用掃描的方法實現(xiàn)。 (2)面陣CCD分類： 幀轉(zhuǎn)移CCD和行間轉(zhuǎn)移CCD。 目前比較常用的形式是幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)。光敏區(qū)是由光敏CCD陣列構(gòu)成的，其作用是光電變換和在自掃描正程時間內(nèi)進行光積分，暫存區(qū)是由遮光的CCD構(gòu)成的，它的位數(shù)和光敏區(qū)一一對應(yīng)，其作用是在自掃描逆程時間內(nèi)，迅速地將光敏區(qū)里整幀的電

15、荷包轉(zhuǎn)移到它里面暫存起來，如圖6.16所示。圖6.16 幀轉(zhuǎn)移面陣CCD 然后，光敏區(qū)開始進行第二幀的光積分，而暫存區(qū)則利用這個時間，將電荷包一次一行地轉(zhuǎn)移給CCD移位寄存器，變?yōu)榇行盘栞敵?。當CCD移位寄存器將其中的電荷包輸出完了以后，暫存區(qū)里的電荷包再向下移動一行給CCD移位寄存器。當暫存區(qū)中的電荷包全部轉(zhuǎn)移完畢后，再進行第二幀轉(zhuǎn)移，如圖6.17所示。 幀轉(zhuǎn)移面陣CCD的優(yōu)點是電極結(jié)構(gòu)簡單，感光區(qū)面積可以很小。缺點是需要面積較大的暫存區(qū)。 行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)采用了光敏區(qū)域轉(zhuǎn)移區(qū)相間排列的方式。它的結(jié)構(gòu)相當于將若干個單溝道傳輸?shù)木€陣CCD圖像傳感器按垂直方向并排，再在垂直陣列的盡頭設(shè)置一條水平C

16、CD，水平CCD的每一位與垂直列CCD一一對應(yīng)、相互銜接，如圖6.18所示。 在器件工作時，每當水平CCD驅(qū)動一行信息讀完，就進入行消隱。在行消隱期間，垂直CCD向上傳輸一次，即向水平CCD轉(zhuǎn)移一行信號電荷，然后，水平CCD又開始新的一行信號讀出。依次循環(huán)，直至將整個一場信息讀完，進入場消隱。在場消隱期間，又將新的一場光信號電荷從光敏區(qū)轉(zhuǎn)移到各自對應(yīng)的垂直CCD中。然后，又開始新一場信號的逐行讀出，如圖6.19所示。 黑白CCD與彩色CCD ?；谇笆龉に嚨腃CD本質(zhì)上為黑白CCD ，它無法確定入射到光敏元上的各個顏色的光的組成。若想獲取被攝物體的色差信息，需要使用彩色CCD 。 彩色CCD目

17、前主要有三片式和單片式兩種。 單片式彩色CCD攝像機結(jié)構(gòu)簡單、價格較低，是目前工業(yè)、家用攝影的主流。關(guān)鍵器件是濾色器陣列。圖6.20所示是兩種常用的濾色器形式。 一般的彩色數(shù)碼相機是在黑白CCD上覆蓋拜爾濾鏡（Bayerfilter），如圖6.20(a) 所示。 每四個像素形成一個單元，一個負責過濾紅色，一個過濾藍色，兩個過濾綠色。之所以選擇兩個綠色像素是因為相比較而言人眼對綠色最為敏感，因此綠色信息應(yīng)最為精確。結(jié)果每個像素都接收到對應(yīng)顏色的光強，單個像素是無法反映對應(yīng)物體的色彩信息的，通過一定的去馬賽克算法（demosaicingalgorithm） 對這些像素的光強進行差分處理，可以最終獲

18、得彩色圖像。 由于一片CCD同時完成亮度信號和色度信號的轉(zhuǎn)換，使得拍攝出來的圖像在彩色還原上達不到專業(yè)水平的要求。為了解決這個問題，便出現(xiàn)了3CCD攝像機。即一臺攝像機使用了三片CCD ，分別用于接收光信號中的紅(R）、綠（G）、藍（B）三種顏色并轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過電路處理后產(chǎn)生圖像信號。40 1) 轉(zhuǎn)移效率和損耗率 電荷包從一個勢阱向另一個勢阱中轉(zhuǎn)移有一個過程,為了描述電荷包轉(zhuǎn)移的不完全性，引入轉(zhuǎn)移效率的概念。在一定的時鐘脈沖驅(qū)動下，設(shè)電荷包的原電量為Q0，轉(zhuǎn)移到下一個勢阱時電荷包的電量為Q1，則轉(zhuǎn)移效率定義為:=Q1/Q0損耗率表示殘留于原勢阱中的電量與原電量之比，故 =1-二、電荷耦

19、合攝像器件的特性參數(shù) 1. CCD的特性參數(shù)41 如果線陣列CCD共有n個極板，則總效率為n。 引起電荷包轉(zhuǎn)移不完全的主要原因是表面態(tài)對電子的俘獲和時鐘頻率過高，所以表面溝道CCD在使用時，為了提高轉(zhuǎn)移效率，常采用偏置電荷技術(shù)，即在接收信息電荷之前，就先給每個勢阱都輸入一定量的背景電荷，使表面態(tài)填滿。這樣，即使是零信息，勢阱中也有一定量的電荷。因此，也稱這種技術(shù)為“胖零（fat zero）”技術(shù)。 2)不均勻度 不均勻度包括光敏元的不均勻性與CCD的不均勻性。 本節(jié)討論光敏元的不均勻性，認為CCD是近似均勻的，即每次轉(zhuǎn)移的效率是一樣的。 定義光敏元響應(yīng)的均方根偏差對平均響應(yīng)的比值為CCD的不均

20、勻度： 式中，0n為第個光敏元原始響應(yīng)的等效電壓；0為平均原始響應(yīng)等效電壓；為線列CCD的總位數(shù)。 由于轉(zhuǎn)移損失的存在， CCD的輸出信號n與它所對應(yīng)的光敏元的原始響應(yīng)0n并不相等。 根據(jù)總損失公式，在測得后，可求出0n：式中，是CCD的相數(shù)。 3) 暗電流 CCD成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱暗信號，即暗電流。暗電流的根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復合中心的熱激發(fā)。由于工藝過程不完善及材料不均勻等因素的影響， CCD中暗電流密度的分布是不均勻的。暗電流的危害有兩個方面：限制器件的低頻限，引起固定圖像噪聲。 4)光譜響應(yīng)特性 現(xiàn)在固件攝象器件中的感光元件都是用半導體硅材料來作的，所以

21、靈敏范圍為0.41.15m左右，但光譜特性曲線不象單個硅光電二極管那么銳利，峰值波長為0.650.9m左右。 CCD的光譜特性曲線圖6.23 CCD 的光譜特性曲線5) 動態(tài)范圍與線性度 線性度是指在動態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號與曝光量的關(guān)系是否成直線關(guān)系。6) 噪聲 CCD的噪聲可歸納為三類：散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲。2. CCD攝像器件性能評估 1) 分辨率的選擇 分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它是指攝像器件對物像中明暗細節(jié)的分辨能力。 測試時用專門的測試卡。目前國際上一般用MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)） 來表示分辨率。 2) 成像靈敏度 成像靈敏度是指在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號電壓（電

22、流）。 3) 電子快門 電子快門的時間在1/501/100000s之間，攝像機的電子快門一般設(shè)置為自動電子快門方式，可根據(jù)環(huán)境的亮暗自動調(diào)節(jié)快門時間，得到清晰的圖像。有些攝像機允許用戶自行手動調(diào)節(jié)快門時間，以適應(yīng)某些特殊應(yīng)用場合。 4) 外同步與外觸發(fā) 外同步是指不同的視頻設(shè)備之間用同一同步信號來保證視頻信號的同步，它可保證不同的設(shè)備輸出的視頻信號具有相同的幀、行的起止時間。 5) CCD芯片的尺寸 CCD的成像尺寸指的是對角線長度， 如圖6.25所示。 常用的有1/2英寸、1/3英寸等，成像尺寸越小的攝像機的體積可以做得更小些。圖6.25 CCD芯片的尺寸示意圖 3. CCD的特性 CCD圖

23、像傳感器可直接將光學信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現(xiàn)。 其顯著特點是： 體積小，重量輕； 功耗小，工作電壓低，抗沖擊與振動，性能穩(wěn)定，壽 命長； 靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大； 響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像； 應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度 高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。4. 新型CCD 1) 超級CCD 提高分辨率與單純增加像素數(shù)之間存在著一種矛盾。富士公司對人類視覺進行了全面研究，研制出了超級CCD（SuperCCD）。如圖6.26所示，用八角形像素單元取代傳統(tǒng)矩形單元，使像素空間效率顯著提高，密度達到最大，從而可以使光吸收效率得

24、到顯著提高。由于地球引力等因素影響，圖像信息空間頻率的功率主要聚集于水平軸和垂直軸，而對角線上功率最低。根據(jù)富士公司發(fā)表的技術(shù)資料，超級CCD的這種排列方式，感光時可以達到傳統(tǒng)CCD兩倍的分辨力。圖6.26超級CCD結(jié)構(gòu)示意圖 2) 四色感應(yīng)CCD 圖6.27(b)所示為Sony發(fā)布的四色感應(yīng)CCD，新增的E顏色加強了對自然風景的解色能力，讓綠色這個層次能夠創(chuàng)造出更多的變化。圖6.27四色感應(yīng)CCD5. CCD的發(fā)展趨勢 ）高分辨率 目前CCD像元數(shù)已從100萬像元提高到2000萬像元以上，大面陣、小像元的CCD攝像機層出不窮。美國EGGRetion研制出81928192像元高分辨率CCD圖像

25、傳感器。 ）高速度 對于某些高速瞬態(tài)成像場合（如高速飛行彈頭的飛行姿態(tài)），要求CCD具有高的工作速度和靈敏度。 ）多光譜范圍 目前應(yīng)用較多的是可見光和近紅外波段。正在研究的有射線、紫外、中遠紅外。CMOS攝像器件 采用CMOS技術(shù)可以將: 光電攝像器件陣列； 驅(qū)動和控制電路； 信號處理電路； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 全數(shù)字接口電路等 完全集成在一起， 可以實現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。三、 互補金屬氧化物半導體圖像 傳感器CMOS 1) CMOS 圖像傳感器的基本原理 CMOS 圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換原理與CCD 基本相同，其光敏單元受到光照后產(chǎn)生光生電子。而信號的讀出方法卻與CCD 不同，每個CMOS 源像素傳感

26、單元都有自己的緩沖放大器，而且可以被單獨選址和讀出。CMOS 圖像傳感器的像素由感光元件和讀出電路組成，感光元件是將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，讀出電路是將這些電荷信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦菀鬃x取，更方便傳輸?shù)碾妷盒盘枴?CMOS 圖像傳感器的像素陣列是由大量相同的像素單元組成，這些相同的像素單元是傳感器的關(guān)鍵部分。CMOS 圖像傳感器通常也是以像素的不同類型為標準進行分類的，一般來說CMOS 圖像傳感器中的像素可分為無源像素傳感器(Passive Pixel sensor，簡稱PPS)和有源像素傳感器(Active Pixel sensor，簡稱APS)。近年來又出現(xiàn)了新型的像素，數(shù)字像素傳感器(Digital

27、 Pixel Sensor 簡稱DPS)。 2) CMOS 的像素結(jié)構(gòu) a. 無源像素 無源像素由一個反向偏置的光電二極管和一個選通管構(gòu)成。每列像素有各自的電壓積分放大器讀出電路，它可以保持讀出時列信號電壓保持不變。它的工作原理是當選通管開啟時，通過列線為光電二極管復位。復位結(jié)束后，選通管關(guān)閉。在曝光時間內(nèi)，光電荷在光電二極管的寄生電容上積分。當曝光結(jié)束后選通管打開，光電二極管與垂直的列線連通，與此同時，與光信號成正比的電荷由每列底部的電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電荷輸出，于是光電二極管存儲的信號電荷被讀出。 由于無源像素的結(jié)構(gòu)簡單，像素內(nèi)只有一個選擇（通）管，所以其填充因子（fillfactor，即有效光敏面積和單元面積之比）很大，這使得量子效率很高。 但是這種結(jié)構(gòu)存在著兩方面的不足：其一，各像元中開關(guān)管的導通閾值難以完全匹配，所以即使器件所接收的入射光線完全均勻一致，其輸出信號仍會形成某種相對固定的特定圖形，也就是所謂的“固定模式噪聲” （Fixed Pattern Noise，F(xiàn)PN），致使PPS的讀出噪聲很大，典型值為250個均方根電子，較大的固定模式噪聲的存在是其致命的弱點