第四章光電成像系統(tǒng)5.固體攝像器件

第五章光電成象系統(tǒng)本章內(nèi)容：§5.1固體攝像器件

§5.2光電成像原理

§5.3～§5.5紅外成像

§5.6微光像增強器件

§5.7纖維光學成象器件本章要求：1了解光電成像系統(tǒng)結(jié)構，明確光電成

像器件在其中的作用;2掌握CCD固體攝像器件結(jié)構和工作原

理（線陣、面陣）.成像器件成像器件光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心。光電成像系統(tǒng)的結(jié)構

:

光(強,可見)物體(信號源)傳輸介質(zhì)光學系統(tǒng)(信號分析器)攝像器件(信號變換器)顯示器人眼光源光信號光信號光信號噪聲噪聲噪聲噪聲像管(增像管,變像管)

光纖成像器件

電信號光光(弱,不可見)(強,可見)光信號攝像器件的功能：

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。而視頻信號經(jīng)顯示器件能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。攝像器件真空攝像器件(如視象管)固體攝像器件電荷耦合器件（CCD）互補金屬氧化物半導體圖像傳感器（CMOS）電荷注入器件（CID）一、電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件的基本單元是CCD（ChargeCoupledDevice）。CCD是以電荷作為信號,具有光電轉(zhuǎn)換、信號存儲和信號傳輸（自掃描）的功能，在圖象傳感，信息處理和信息存貯等方面應用廣泛，因而發(fā)展非常迅速。面陣CCD線陣CCD

1CCD單元結(jié)構：由多個像素組成線陣或面陣,金屬柵極是分立的，氧化物與半導體是連續(xù)的。PMOS結(jié)構單元－像素（1）電荷產(chǎn)生

入射光（圖象）照在感光面上，由于光電效應，產(chǎn)生與入射光強度對應的電荷分布（在時間和空間的分布均與光強對應），這就是光學圖象變成電荷圖象的過程。

2CCD的基本原理：（2）電荷存儲CCD的存儲單元是MOS(金屬-氧化物-半導體)電容器?；久~：勢阱

勢阱

施加正電壓

空穴耗盡區(qū)電子的“陷阱”

基本名詞：勢阱柵極正向電壓增加時，勢阱變深。－－改變UG，調(diào)節(jié)勢阱深度存儲原理:

在金屬電極(柵極)加電壓

VG>0（P型襯底Si接地），

SiO2-Si界面的電勢增加，

電子在該處的電勢能較低，形象地說，在表面處形成了電子的勢阱，可用來存儲電子。。

VG越大，表面勢越高，電子勢阱越深，能容納的電子就越多。

（3）電荷轉(zhuǎn)移以三相表面溝道CCD為例（P163）

在t1時刻，1高電位，2、3低電位。1電極的勢阱最深，電荷被存儲其中。在t2時刻，1、2高電位，3低電位．1、2兩個勢阱的空阱深度相同，電荷從1向2轉(zhuǎn)移。在t3時刻，2仍為高電位，3仍為低電位，而1由高變低。1勢阱變淺，剩余電荷繼續(xù)向2勢阱轉(zhuǎn)移。在t4時刻，2仍為高電位，3仍為低電位，1完全變成低電位。2下面的勢阱最深，信號電荷全部轉(zhuǎn)移到2下面的勢阱中。電荷轉(zhuǎn)移示意圖

基本思想：－－調(diào)節(jié)勢阱深度－－利用勢阱耦合勢阱耦合規(guī)律:當1完全變成低電位時，電荷包向右移至2(高電位)當2完全變成低電位時，電荷包向右移至3(高電位)當3完全變成低電位時,電荷包向右移至下一位的1(高電位)三相時鐘脈沖依次延遲，電荷包不斷前移，一個時鐘周期T電荷移動三個電極（稱為一位）——工作過程相當于一個位移寄存器。電荷轉(zhuǎn)移動態(tài)示意圖三相時鐘脈沖電壓按組（相）加到CCD各電極上

多采用“浮置擴散輸出”結(jié)構：包括輸出柵OG、浮置擴散區(qū)FD、復位柵R、復位漏RD、輸出場效應管T.“浮置擴散”是P型襯底上擴散出一小塊的N+區(qū)，當擴散區(qū)不被偏置，即處于浮置工作狀態(tài)（即具有一定浮置電位）。（4）電荷檢測R

VOG為一定值的正電壓，在OG電扳下形成耗盡層，使3與FD之間建立導電N溝道。VRD為正十幾伏的直流偏置電壓，所以在RD的下面存在較深的勢阱。在t1時刻，3為高電位，電荷包存儲在3電極下面。電荷包的輸出過程如下:

R在t2時刻，復位柵R加正復位脈沖R，使FD區(qū)與RD區(qū)溝通，因RD的下面存在較深的勢阱，則FD區(qū)的電荷被RD區(qū)抽走。在t3時刻，復位正脈沖過去,FD區(qū)與RD區(qū)呈夾斷狀態(tài)，F(xiàn)D區(qū)具有一定的浮置電位。R

在t4~t5時刻，3轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢唬?下面的電荷包通過OG下的溝道轉(zhuǎn)移到FD區(qū)。

FD區(qū)(即A點)的電位變化量為：VA=QFD/C，

QFD是信號電荷包的大小，C是與FD區(qū)有關的總電容(包括輸出管T的輸入電容、分布電容等)。

R3每變化一周期，電荷包就輸出一個，A點的電位就變化一次，從負載上就獲得一個電壓脈沖輸出。CCD輸出信號的特點是：信號電壓是在浮置電平基礎上的負電壓；每個電荷包的輸出占有一定的時間長度T；在輸出信號中疊加有復位期間的高電平脈沖。R3電荷耦合攝像器件的工作原理（1）線陣CCD攝像器件線陣CCD適用于逐行圖像信息的攝取,如掃描儀,光譜測量、工件尺寸的自動檢測,物體輪廓的動態(tài)測量等。按結(jié)構——線陣CCD、面陣CCD。按光譜——可見光CCD、紅外CCD、X光CCD、紫外CCD黑白CCD、彩色CCD和微光CCD

移位寄存器與感光單元并行排列，兩者間通過轉(zhuǎn)移柵連接。轉(zhuǎn)移柵是用來控制光敏元勢阱中的信號電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移。

（a）單溝道傳輸結(jié)構線陣CCD可分為單溝道傳輸與雙溝道傳輸兩種結(jié)構。爆光柵極VG轉(zhuǎn)移柵VD

123濾波放大單溝道線陣CCD移位寄存器光圖象MOS電容（b）雙溝道傳輸結(jié)構

位移寄存器按奇、偶序號分別排在感光單元兩側(cè)。兩側(cè)均有轉(zhuǎn)移柵把轉(zhuǎn)移寄存器與感光單元連接起來。雙溝道CCD的光敏元件的尺寸可以比單溝道CCD的小一半，所以雙溝道CCD的空間分辨率比單溝道高一倍.雙溝道線陣CCDVGVD123濾波放大VD123延時線陣CCD器件工作過程：(以兩相單溝道線陣CCD為例)(1)N個光敏單元始終進行光積分;

轉(zhuǎn)移柵VD=高電平時，1=高電平，光敏區(qū)和1下的勢阱接通，N個光信號電荷包并行轉(zhuǎn)移到所對應的那位CCD中。爆光柵極VG轉(zhuǎn)移柵VD12濾波放大移位寄存器光圖象(2)轉(zhuǎn)移柵VD=低電平，將光敏區(qū)和1電極下的勢阱隔斷，進行下一行積分;N個電荷包在時鐘脈沖的驅(qū)動下沿著CCD串行傳輸，每一個1周期，各信號電荷包向輸出端方向轉(zhuǎn)移一位，N個驅(qū)動周期后，一行的N個信號電荷包全部讀完。得一行的輸出信號。爆光柵極VG轉(zhuǎn)移柵VD12濾波放大移位寄存器光圖象(3)轉(zhuǎn)移柵VD=高電平，將光敏區(qū)N個信號電荷包并行轉(zhuǎn)移到CCD中，開始新一行信號傳輸和讀取，周而復始。爆光柵極VG轉(zhuǎn)移柵VD12濾波放大移位寄存器光圖象

行間傳輸結(jié)構CCD中，光敏CCD列與暫存CCD列交替排列，一列光敏元和一列暫存CCD夾一個垂直轉(zhuǎn)移柵(未畫出)，組成一組。多個組水平排列，組間由高阻溝道隔開。垂直CCD和水平CCD間也夾一個水平轉(zhuǎn)移柵(未畫出)。

(a)行間傳輸結(jié)構CCD（2）面陣CCD攝像器件

面陣CCD為二維成像器件。常見的面陣CCD攝像器件有兩種：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構與幀轉(zhuǎn)移結(jié)構。行間傳輸工作過程：②曝光結(jié)束后，垂直轉(zhuǎn)移柵加電壓,光敏CCD中電荷包并列轉(zhuǎn)移到各垂直CCD①光敏柵加電壓,光敏列CCD曝光,形成二維電荷圖象③開始新的曝光，同時，水

平轉(zhuǎn)移柵加壓，將垂直CCD

中的電荷包逐行轉(zhuǎn)移進入水平CCD。④水平輸出CCD以高頻率輸出各行信號,當把垂直CCD中所有電荷包輸出后,結(jié)束CCD曝光,返回②,不斷重復.應用：電荷轉(zhuǎn)移時間短，圖像串擾小，可用于高速圖象攝取，如電視圖像攝取。（b）幀傳輸結(jié)構幀傳輸結(jié)構分為三部分:光敏區(qū)、暫存區(qū)和水平讀出區(qū)。兩相幀傳輸結(jié)構CCD(遮光區(qū))②光敏區(qū)和暫存區(qū)相同頻

率的脈沖驅(qū)動下，電荷包并行地從光敏區(qū)全部移入移進暫存區(qū)中。幀傳輸工作過程：①光敏柵加電壓,光敏區(qū)CCD曝光，形成二維電荷圖象。③

開始新的曝光。同時，行輸出柵加電壓，控制暫存區(qū)中的電荷逐行輸出到水平行CCD.④水平行CCD以較高的頻率順序把各行電荷包輸出到放大器，當把暫存區(qū)中所有電荷包輸出后,結(jié)束光敏區(qū)CCD曝光,返回②,不斷重復.(遮光區(qū))應用：幀轉(zhuǎn)移時間較長，信號串擾較嚴重。只用于慢變化圖象攝取，如工業(yè)電視。

是傳統(tǒng)的彩色攝像方式，用分色棱鏡將入射光分成紅(R)綠(G)藍(B)三基色。然后由配置在后面的CCD器件轉(zhuǎn)換為電信號。三片式CCD成像質(zhì)量好，主要用于電視臺等高質(zhì)量的攝像機。

目前主要有三片式和單片式兩種.

（3）彩色CCD攝像器件采用先分色，再合成的辦法，實現(xiàn)彩色攝像。

三片式彩色

CCD:拜爾(Bayer)濾色器：奇數(shù)場只有R、G信號，而偶數(shù)場有G、B信號，重現(xiàn)的彩色圖像會引起黃、藍閃爍。單片式彩色CCD:結(jié)構簡單、價格較低，是目前工業(yè)、家用攝像機中占統(tǒng)治地位的彩色攝像器件。單片式彩色CCD的關鍵是濾色器陣列。

濾色單元與CCD光敏單元對應.行間排列濾色器:

紅、綠、藍色在各行都有。二、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)1.轉(zhuǎn)移效率

電荷量為Q0的電荷包

，經(jīng)過n個MOS電容(n次轉(zhuǎn)移)后的輸出電荷量為Qn,總效率為：

為電荷包從一個柵轉(zhuǎn)移到下一個柵時的轉(zhuǎn)移百分比.

爆光柵極VG轉(zhuǎn)移柵VD12濾波放大移位寄存器光圖象為電荷包轉(zhuǎn)移百分比.

如:二相1024位器件，當=0.999時，總效率

總效率太低時，CCD就失去了實用價值。一定的值，限定了器件的最長位數(shù)。爆光柵極VG轉(zhuǎn)移柵VD12濾波放大移位寄存器光圖象2.不均勻度

包括光敏元的不均勻與CCD的不均勻，是由于工藝過程及材料不均勻引起，越是大規(guī)模的器件，均勻性問題越是突出，這往往是成品率下降的重要原因。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。暗電流的起因在于耗盡區(qū)的熱激發(fā)。4.靈敏度（響應度）

指在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量引起的輸出信號電壓（或電流）。單位為V/(J/m2)注：曝光量是指光強與光照時間之積，單位為[w/m2]s=J/m25.光譜響應CCD的光譜響應是指等能量相對光譜響應S（峰值波長max處S=100%，兩側(cè)截止波長處S=10%，兩截止波長之差稱光譜響應范圍），與光敏元的材料有關。

線性度:

指在動態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號與曝光量的關系是否成直線關系。通常在弱信號及接近滿阱信號時，線性比較差，在動態(tài)范圍的中間區(qū)域，則為是直線關系。

7.動態(tài)范圍與線性度

動態(tài)范圍＝

6.噪聲CCD的噪