第二章影像獲取技術CCDCMOS1

影像獲取技術固體成像器件電荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice,CCD)互補金屬氧化物半導體CMOS圖像傳感器（ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS）CCD立體相機前中后三層影像合成三維圖片激光高度計(高度5m、分辨率1m)干涉成像光譜儀γ射線相機X射線相機微波探測儀(土壤厚度、氦-3)高能粒子探測器低能離子探測器元素探測探測地月間的環(huán)境電荷耦合器件CCD線陣CCD面陣CCD表面溝道CCD(SCCD),電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面轉(zhuǎn)移。體溝道CCD(BCCD),電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移CCD類型1.電荷耦合器件的工作原理1.1、CCD工作原理CCD光信息電脈沖脈沖只反映一個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弱輸出脈沖的順序可以反映一個光敏元的位置完成圖像傳感特點：以電荷作為信號基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作原理信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的存貯信號電荷的轉(zhuǎn)移信號電荷的檢測1.1電荷存貯

CCD是由規(guī)則排列的金屬—氧化物—半導體（MetalOxideSemiconductor,MOS）電容陣列組成。MetalOxideSemiconductor金屬VG氧化物（SiO2）半導體(P—Si)電子勢阱界面勢如果有光入射到半導體硅片上，在光子的作用下，半導體硅產(chǎn)生電子－空穴對，由此產(chǎn)生的光電子被表面的勢阱所吸收。而空穴被電場排斥出耗盡區(qū)。

當在金屬電極上加正電壓VG時，在電場的作用下，電極下Ｐ型區(qū)域里的多數(shù)載流子空穴被排斥、驅(qū)趕，形成了一個耗盡區(qū)。而對于少數(shù)載流子電子，電場則吸引它到電極下的耗盡區(qū)。耗盡區(qū)對于帶負電的電子來講是一個勢能很低的區(qū)域稱為“勢阱”。勢阱積累電子的容量取決于勢阱的“深度”，而表面勢的大小近似與柵壓VG成正比。電荷存儲柵電極G氧化層P型半導體耗盡區(qū)反型層uG>uthuG<uthuG=0構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬－氧化物－半導體）結(jié)構(gòu)。當柵極G施加正偏壓UG之前（UG=0），P型半導體中的空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的；當柵極電壓加正向偏壓（UG<Uth）后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)進一步向半導體內(nèi)延伸；當UG>Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢（表面勢ФS）變得如此之高，以至于將半導體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）吸引到表面，形成電荷濃度極高的極薄反型層，反型層電荷的存在說明了MOS結(jié)構(gòu)具有存儲電荷的功能。u010V10VUG=5VUG=10VUG=15V空勢阱填充1/3勢阱全滿勢阱電子被加有柵極電壓的MOS結(jié)構(gòu)吸引到勢能最低的氧化層與半導體地交界面處。MOS電容存儲信號電荷的容量為：Q=Cox?UG?A1.2電荷轉(zhuǎn)移（耦合）假定開始有一些電荷存儲在偏壓為20V的第二個電極下面的勢阱里，其他電極上均加有大于閾值得較低電壓（例如2V）。設a圖為零時刻，經(jīng)過一段時間后，各電極的電壓發(fā)生變化，第二個電極仍保持10V，第三個電極上的電壓由2V變?yōu)?0V，因這兩個電極靠的很近（幾個微米），它們各自的對應勢阱將合并在一起。原來在第二個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有。如圖b＆c。若此后第二個電極上的電壓由10V變?yōu)?V，第三個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第三個電極下的勢阱中，如圖e。由此可見，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。2V10V2V2Va存有電荷的勢阱b2V10V2V10V2V2V10V10V2V2V10V2V10V2V2V2V10V2VcdefФ1Ф2Ф3通過將一定規(guī)則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導體表面按一定方向移動。通常把CCD電極分為幾組，并施加同樣的時鐘脈沖。如圖f，為三相時鐘脈沖，此種CCD稱為三相CCD。CCD電極間隙必須很小，否則被電極間的勢壘所間隔。產(chǎn)生完全耦合條件的最大間隙一般由具體電極結(jié)構(gòu)，表面態(tài)密度等因素決定。間隙長度應小于3um。以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD（工作頻率高）,而以空穴為信號電荷的CCD稱為P型溝道CCD。1.3電荷的注入（1）光注入當光照射CCD硅片時，在柵極附近的半導體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。它有可分為正面照射式＆背面照射式。U+U+勢壘P-Si背面照射式光注入（2）電注入CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流進行采樣，將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。IDuINuIDN+IGФ1Ф2Ф3Ф2PФ21.4電荷的檢測信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時鐘脈沖無任何電容耦合，而在輸出端需選擇適當?shù)剌敵鲭娐芬詼p小時鐘脈沖容性的饋入輸出電路的程度。（1）電流輸出：如圖a。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＆時鐘脈沖之間退耦，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Ф2電極下的電荷包越過輸出柵極，流入到深勢阱中。UDRDRgAOGФ1Ф2放大P-Si圖aN+OGФ1Ф2浮置擴散T1（復位管）T2（放大管）RgUDD(2)浮置擴散放大器輸出：如圖b.圖b復位管在Ф2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。（3）浮置柵放大器輸出：如下圖。浮柵T2UDDФ1Ф3Ф2Ф1Ф3Ф2Ф3T2的柵極不是直接與信號電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當信號電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道時，在浮置柵上感應出鏡像電荷，以此來控制T2的柵極電位。MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD光敏元顯微照片

彩色CCD顯微照片（放大7000倍）3.3、CCD圖象傳感器的應用

CCD的七個應用領域

１).小型化黑白、彩色TV攝像機(面陣CCD應用最廣泛的領域。)2).傳真通訊系統(tǒng)

用1024～2048像元的線陣CCD作傳真機，可在不到一秒鐘內(nèi)完成A4開稿件的掃描。

3).光學字符識別

代替人眼，把字符變成電信號，進行數(shù)字化，然后用計算機識別。

4).廣播TV

5).工業(yè)檢測與自動控制

這是CCD應用量很大的一個領域，統(tǒng)稱機器視覺應用。

a.在鋼鐵、木材、紡織、糧食、醫(yī)藥、機械等領域作零件尺寸的動態(tài)檢測，產(chǎn)品質(zhì)量、包裝、形狀識別、表面缺陷或粗糙度檢測。b.在自動控制方面，主要作計算機獲取被控信息的手段。c.還可作機器人視覺傳感器。

6).可用于各種標本分析（如血細胞分析儀），眼球運動檢測，X射線攝像，胃鏡、腸鏡攝像等。

a.天文攝像觀測b.

從衛(wèi)星遙感地面

如：美國用5個2048位CCD拼接成10240位長取代125mm寬偵察膠卷，作地球衛(wèi)星傳感器。c.

航空遙感、衛(wèi)星偵察如：1985年歐洲空間局首次在SPOT衛(wèi)星上使用大型線陣CCD掃描，地面分辨率提高到10m。

還在軍事上應用：微光夜視、導彈制導、目標跟蹤、軍用圖象通信等。

7).

天文觀測He-Ne信號讀出信號處理時鐘發(fā)生控制器計數(shù)顯示器透鏡細絲線陣CCDL１、微小尺寸的檢測（10~500um）用衍射的方法對細絲、狹縫、微小位移、微小孔等進行測量。

根據(jù)夫瑯和費衍射公式:可以得到：例：尺寸測量d——細絲直徑；K——衍射暗紋級次K=±1,2,3…；λ——激光波長；

L——被測細絲到CCD光敏面的距離；

θ——被測細絲到第K級暗紋的連線，與光線主軸的夾角；

xk————第K級暗紋到光軸的距離。

3θ012XkSdL當θ很小時（即L足夠大時）Sinθ≈tgθ=xk/L代入

得到：S——暗紋寬度，S=XK/K是相等的，則測細絲直徑d轉(zhuǎn)化為用CCD測S

誤差分析由于激光波長誤差很小可忽略不計，則

例：He-Ne激光λ＝632.8nm,L=1000mm±0.5mm,d=500μm,

當CCD像元選用13±1μm測量誤差：絲越細，測量精度越高（d越小S越大），甚至可達到Δd=10-2μm.

S的測量方法

S=ns·pVn圖象傳感器(IS)輸出的視頻信號經(jīng)放大器A放大，再經(jīng)峰值保持電路PH和采樣保持電路S/H處理，變成箱形波，送到A/D轉(zhuǎn)換器進行逐位A/D轉(zhuǎn)換，最后讀入計算機內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理。判斷并確定兩暗紋之間的像元數(shù)ns，則暗紋寬度S=ns·p(p為圖象傳感器的像元中心距)，代入可以得到ｄ.

ISAPHS/HA/D計算機譯碼時序控制驅(qū)動