傳感器原理b11課件

第11章固態(tài)圖像傳感器

11.1電荷耦合圖像傳感器

11.2其它類型的圖像傳感器

11.3固態(tài)圖像傳感器的應(yīng)用

圖像傳感器又稱為成像器件或攝像器件，是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件，可實(shí)現(xiàn)可見光、紫外光、X射線、近紅外光等的探測。因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展，能給出直觀、真實(shí)、多層次、多內(nèi)容的可視圖像信息，圖像傳感器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

固態(tài)圖像傳感器是在同一塊半導(dǎo)體襯底上布設(shè)若干光敏單元與移位寄存器而構(gòu)成的器件，是一種集成化、功能化的光電器件。光敏單元又稱為“像素”或“像點(diǎn)”，不同的光敏單元在空間上、電氣上彼此獨(dú)立。每個(gè)光敏單元將自身感受到的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，眾多的光敏單元一起工作，即把入射到傳感器整個(gè)光敏面上按空間分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為按時(shí)序輸出的電信號(hào)“圖像”，這些電信號(hào)經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚恚茉佻F(xiàn)入射的光輻射圖像。11.1.1CCD的基本工作原理

CCD（ChargeCoupleDevices，電荷耦合器件）可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，每一個(gè)脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強(qiáng)弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這就起到了圖象傳感器的作用。突出特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)?；竟δ埽弘姾傻拇鎯?chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。主要問題：信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測。

11.1電荷耦合圖像傳感器CCD按電荷轉(zhuǎn)移信道劃分有兩種基本類型，一是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?，這類器件稱為表面溝道CCD（簡稱SCCD）；二是電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸，這類器件稱為體溝道或埋溝道器件（簡稱BCCD）。1.CCD的MOS結(jié)構(gòu)及電荷存貯原理

(1)結(jié)構(gòu)

CCD是MOS（MetalOxideSemiconductor

）電容的一種應(yīng)用，它是按照一定規(guī)律排列的MOS電容器陣列組成的移位寄存器。其基本單元的MOS電容結(jié)構(gòu)如下圖所示。它具有一般電容所不具有的耦合電荷的能力。在P型硅襯底上生長一層SiO2,再在SiO2層上沉積金屬鋁作為柵極構(gòu)成MOS結(jié)構(gòu)，它是CCD器件的最小工作單元。MOS電容上沒加電壓時(shí)，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)如圖（a）所示，從界面層到內(nèi)部能帶都是一樣的，即所謂平帶條件。

與此同時(shí)，氧化層與半導(dǎo)體界面處的電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化，在耗盡層中電子能量從體內(nèi)到界面由高向低彎曲，如圖b所示。這時(shí)只呈現(xiàn)出一般耗盡狀態(tài)，耗盡區(qū)厚度正比于外加電場；當(dāng)柵壓增大超過某特征值Uth時(shí)，能帶進(jìn)一步向下彎曲，以至使半導(dǎo)體表面處的費(fèi)米能級(jí)高于禁帶中央能級(jí)，MOS器件處于深耗盡狀態(tài)，在相交點(diǎn)與界面之間逐漸形成一個(gè)反型層。如圖c所示。把Uth稱為MOS管的閾值電壓。

這時(shí)若有信號(hào)電荷(電子)注入，則可貯存在深耗盡區(qū)域內(nèi)，這種能貯存電子的區(qū)域稱為電子“勢(shì)阱”,勢(shì)阱具有存儲(chǔ)電子（電荷）的功能,每一個(gè)加正電壓的電極下就是一個(gè)勢(shì)阱。表面勢(shì)阱中的自由電荷稱為電荷包。勢(shì)阱的深度取決于正電壓U的大小,勢(shì)阱的寬度取決于金屬電極的寬度。若U增加，柵極上充的正電荷數(shù)目增加，P型硅區(qū)域內(nèi)的負(fù)離子數(shù)目相應(yīng)增加，耗盡區(qū)的寬度增加，表面勢(shì)阱加深。

(2)電荷存儲(chǔ)原理當(dāng)一束光照射到MOS電容上時(shí)，襯底中處于價(jià)帶的電子將吸收光子的能量產(chǎn)生電子躍遷，形成電子－空穴對(duì)，電子－空穴對(duì)在外加電場的作用下，分別向電極兩端移動(dòng)，這就是光生電荷。這些光生電荷將儲(chǔ)存在電極形成的勢(shì)阱中，形成信號(hào)電荷存儲(chǔ)起來。勢(shì)阱能夠儲(chǔ)存的最大電荷量又稱之為勢(shì)阱容量，它與所加?xùn)艍航瞥烧?。?shì)阱容納的電荷多少和該處照射光的強(qiáng)弱成正比，于是，圖像景物的不同明暗程度，便轉(zhuǎn)變成CCD中積累電荷的多少。

控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢(shì)阱深淺，讓MOS電容間的排列足夠緊密，使相鄰MOS電容的勢(shì)阱相互溝通，即相互耦合，就可使信號(hào)電荷由勢(shì)阱淺處流向勢(shì)阱深處，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移。為了讓信號(hào)電荷按規(guī)定的方向轉(zhuǎn)移，在MOS電容陣列上加滿足一定相位要求的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘脈沖電壓，這樣在任何時(shí)刻，勢(shì)阱的變化總朝著一個(gè)方向。為了實(shí)現(xiàn)這種定向的轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰MOS電荷為一單元的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)。每一單元稱為一位，將每一位中對(duì)應(yīng)位置上的電容柵極分別連到各自共同的電極上，此共同電極稱為相線。通常CCD有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們所施加的時(shí)鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。二相脈沖的兩路脈沖相位相差180°，三相脈沖及四相脈沖的相位差分別為120°及90°。當(dāng)這種時(shí)序脈沖加到CCD的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)上時(shí)，將實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的定向轉(zhuǎn)移。三相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)的電荷轉(zhuǎn)移2）三相CCD電極的結(jié)構(gòu)

MOS上三個(gè)相鄰電極，每隔兩個(gè)所有電極接在一起。由3個(gè)相位差120°時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng),如下圖所示。在三相結(jié)構(gòu)CCD中,三個(gè)電極組成一個(gè)單元,形成一個(gè)像素。三個(gè)不同的脈沖驅(qū)動(dòng)電壓按下圖(b)的時(shí)序提供,以保證形成空間電荷區(qū)的相對(duì)時(shí)序。

設(shè)在某時(shí)刻t1第一相處于高電壓,處于低電壓,則在1電極下,形成較深的勢(shì)阱,如圖(a)所示。

若此時(shí)有光線入射到硅片上,在光子的激發(fā)下硅片上就會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于光擴(kuò)散效應(yīng),其中的空穴被排斥到硅基體頂,光生電子則被勢(shì)阱所收集。勢(shì)阱所收集的光生電子數(shù)量和入射到勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。此時(shí),在柵壓作用下,CCD器件上位于下若干互相獨(dú)立的MOS元就會(huì)形成眾多相互獨(dú)立的勢(shì)阱。若照射在這些光敏元上是一幅明暗不同的圖像,那么這些光敏元就會(huì)感生出一幅光照強(qiáng)度相應(yīng)的光生電荷圖像,一幅光圖像就轉(zhuǎn)變成了電圖像。為了讀出存放在CCD中的電圖像,在順序排列的電極上施加交替變化的三相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)電壓。

CCD電荷轉(zhuǎn)移工作原理

3.電荷的注入

CCD中的信號(hào)電荷可以通過光注入和電注入兩種方式得到。

CCD用作光學(xué)圖像傳感器時(shí)，信號(hào)電荷由光生載流子得到，即光注入。光注入方式又可分為正面照射式和背面照射式。當(dāng)CCD用作信號(hào)處理或存貯器件時(shí)，電荷采用電注入方式，即CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流采樣，并轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。常用的輸入結(jié)構(gòu)為二極管或幾個(gè)控制輸入柵來實(shí)現(xiàn)電輸入。4.電荷的檢測（輸出方式）

CCD的輸出結(jié)構(gòu)的作用是將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換為電流或電壓的輸出。目前，CCD的輸出方式主要有電流輸出、浮置擴(kuò)散放大器輸出和浮置柵放大器輸出，通常采用的是浮置柵放大器輸出法。浮置擴(kuò)散輸出法的原理如圖所示。

輸出機(jī)構(gòu)包括輸出柵、輸出反偏二極管D、復(fù)位管T1

和輸出放大器T2組成。CCD輸出信號(hào)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.每個(gè)像元輸出的信號(hào)浮置在一個(gè)正的直流電平（約7～8V）上，信號(hào)電平在幾十至幾百mV范圍內(nèi)變化，呈單極性負(fù)向變化。

2.輸出信號(hào)隨時(shí)間軸，按離散形式出現(xiàn)，每個(gè)電荷包對(duì)應(yīng)著一個(gè)像元，中間由復(fù)位電平隔離，要準(zhǔn)確檢測出像元信號(hào)，必須清除復(fù)位脈沖干擾。

3.輸出信號(hào)US與CCD輸出的電荷量Q成正比，與輸出結(jié)電容CS成反比故放大器輸出信號(hào)電壓為

4.禁止CCD輸出端對(duì)地短路。綜上所述，CCD圖像傳感器既具有光電轉(zhuǎn)換功能，又具有信號(hào)電荷的存貯、轉(zhuǎn)移和檢測功能，它能把一幅空間域分布的光學(xué)圖像變換成為一列按時(shí)間域分布的離散的電信號(hào)“圖像”。11.1.2線陣與面陣CCD圖像傳感器電荷耦合圖像傳感器從結(jié)構(gòu)講可以分為兩類，一類是用于獲取線圖像的，稱為線陣CCD；線陣CCD目前主要用于產(chǎn)品外部尺寸非接觸檢測、產(chǎn)品表面質(zhì)量評(píng)定、傳真和光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等方面；另一類用于獲取面圖像，稱為面陣CCD；面陣CCD主要應(yīng)用于攝像領(lǐng)域。

1.線陣CCD圖像傳感器對(duì)于線陣CCD，它可以直接接收一維光信息，為了得到整個(gè)二維圖像的輸出，就必須用掃描的方法來實(shí)現(xiàn)。線陣CCD傳感器由光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵、模擬移位寄存器、偏置電荷電路、輸出柵和信號(hào)讀出（檢測）電路等幾部分組成。線陣CCD圖像傳感器有兩種基本形式，即單溝道線陣CCD圖像傳感器和雙溝道線陣圖像傳感器。

轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉時(shí)，光敏單元?jiǎng)葳迨占庑盘?hào)電荷，經(jīng)過一定的積分時(shí)間，形成與空間分布的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的信號(hào)電荷圖像。積分周期結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移柵打開，各光敏單元收集的信號(hào)電荷并行地轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器的相應(yīng)單元中。轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開始對(duì)下一行圖像信號(hào)進(jìn)行積分。而已轉(zhuǎn)移到移位寄存器內(nèi)的上一行信號(hào)電荷，通過移位寄存器串行輸出，如此重復(fù)上述過程。2.面陣CCD圖像傳感器面陣CCD圖像傳感器的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像。由于傳輸與讀出方式不同，面陣圖像傳感器有許多類型，常見的傳輸方式有行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。

3）行間傳輸圖像傳感器行間傳輸圖像傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示，其特點(diǎn)是感光區(qū)和暫存區(qū)行與行相間排列，即一列感光單元，一列不透光的存儲(chǔ)單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)。隨后，在每個(gè)水平回掃周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)中整個(gè)電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號(hào)在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號(hào)輸出。其優(yōu)點(diǎn)是不存在拖影問題，但這種結(jié)構(gòu)不適宜光從背面照射。

11.1.3CCD圖像傳感器的特性參數(shù)一、光電轉(zhuǎn)換特性如下圖所示，X軸表示曝光量，Y軸表示輸出信號(hào)幅值，QSAT表示飽和輸出電荷，QDARK表示暗電荷輸出，ES表示飽和曝光量。QSATYQDARKES

由圖可見，輸出電荷和曝光量之間有一線性工作區(qū)，QDARK為無光照時(shí)CCD的輸出電荷，稱為暗輸出電荷。特性曲線的拐點(diǎn)G所對(duì)應(yīng)的曝光量ES稱為飽和曝光量，所對(duì)應(yīng)的輸出電荷QSAT稱為飽和輸出電荷。曝光量高于ES后，CCD輸出信號(hào)不再增加，可見，CCD圖像傳感器在非飽和區(qū)的光電轉(zhuǎn)換特性接近于線性，因此，應(yīng)將CCD的工作狀態(tài)控制在非飽和區(qū)。二、靈敏度

圖象傳感器的靈敏度是指單位發(fā)射照度下，單位時(shí)間、單位面積發(fā)射的電量，即

實(shí)際上，上圖曲線的斜率就是器件的靈敏度，即S＝QSAT/ES三、光譜響應(yīng)特性CCD圖像傳感器具有很寬的感光光譜范圍，其感光光譜可延伸至紅外區(qū)域，利用此特性，可以在夜間無可見光照明的情況下，用輔助紅外光源照明，也能使CCD圖像傳感器清晰地成像。

CCD的光譜響應(yīng)范圍

CCD器件的光譜響應(yīng)范圍寬于人眼的視覺范圍，一般在0.2~1.1μm的波長范圍內(nèi)。特種材料的紅外CCD的波長響應(yīng)可擴(kuò)展到幾微米，即CCD的光譜響應(yīng)范圍從遠(yuǎn)紫外，近紫外，可見光到近紅外區(qū)，甚至到中紅外區(qū)。人眼的視覺范圍光波的波長范圍從幾納米到1mm，即10-9~10-3m，而人眼的感光范圍只在0.38~0.78μm的范圍。四、暗電流

暗電流起因于熱激發(fā)產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)，是缺陷產(chǎn)生的主要原因。暗電流的大小與溫度的關(guān)系極為密切，溫度每降低100度，暗電流約減少一半。

CCD器件暗電流越小越好。五、分辨率

CCD圖象傳感器的分辨率表示能夠分辨圖像中明暗細(xì)節(jié)的能力,通常用極限分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)MTF來表征。極限分辨率fm

極限分辨率fm

是指人眼能夠分辨的最細(xì)線條數(shù)，通常用每毫米線對(duì)數(shù)來表示（一黑一白線條為一線對(duì)）。CCD是離散采樣器件，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，定義圖像傳感器的最高分辨率fm等于它的空間采樣頻率f0的一半，即如果某一方向上的像元間距為α，則該方向上的空間采樣頻率為1/α（線對(duì)/mm）。五、分辨率

調(diào)制傳遞函數(shù)MTF

當(dāng)光強(qiáng)以正弦變化的圖像作用在傳感器上時(shí)，電信號(hào)幅度隨光像空間頻率的變化為調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)MTF?？杀硎緸檩敵稣{(diào)制度Mout與輸入調(diào)制度Min之比。

tiOT六、轉(zhuǎn)移效率當(dāng)CCD中電荷包從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到另一個(gè)勢(shì)阱時(shí)，若Q1為轉(zhuǎn)移一次后的電荷量，Q0為原始電荷，則轉(zhuǎn)移效率定義為若轉(zhuǎn)移損耗定義為則電荷進(jìn)行N次轉(zhuǎn)移時(shí)，總轉(zhuǎn)移效率為要求轉(zhuǎn)移效率必須達(dá)到99.99％－99.999%七、信噪比表示在圖像信號(hào)中包含噪聲成分的指標(biāo)。在顯示的圖像中，表現(xiàn)為不規(guī)則的閃爍細(xì)點(diǎn)。噪聲顆粒越小越好。信噪比的數(shù)值以分貝（DB）表示。11.2其它類型的圖像傳感器11.2.1電荷注入器件（CID）

CID是一種電荷注入器件（Charge-InjectedDevice），其基本結(jié)構(gòu)與CCD相似，也是一種MOS結(jié)構(gòu)，當(dāng)柵極上加上電壓時(shí)，表面形成少數(shù)載流子（電子）的勢(shì)阱，入射光子在勢(shì)阱鄰近被吸收時(shí)，產(chǎn)生的電子被收集在勢(shì)阱里，其積分過程與CCD一樣。11.2其它類型的圖像傳感器CID與CCD的主要區(qū)別在于讀出過程，在CCD中，信號(hào)電荷必須經(jīng)過轉(zhuǎn)移，才能讀出，信號(hào)一經(jīng)讀取即刻消失。而在CID中，信號(hào)電荷不用轉(zhuǎn)移，是直接注入體內(nèi)形成電流來讀出的。即每當(dāng)積分結(jié)束時(shí)，去掉柵極上的電壓，存貯在勢(shì)阱中的電荷少數(shù)載流子（電子）被注入到體內(nèi)，從而在外電路中引起信號(hào)電流，這種讀出方式稱為非破壞性讀?。∟on-DestructiveReadOut）,簡稱：NDRO。CID的NDRO特性使它具有優(yōu)化指定波長處的信噪比（S/N）的功能。同時(shí)CID可尋址到任意一個(gè)或一組象素，因此可獲得如“相板”一樣的所有元素譜線信息。

下圖為MOS單通道線型固態(tài)圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，由感光區(qū)和傳輸區(qū)兩部分組成，感光區(qū)由一列光敏單元組成，傳輸區(qū)由轉(zhuǎn)移柵及一列移位寄存器組成。光照產(chǎn)生的信號(hào)電荷存貯于感光區(qū)的光敏二極管中，接通轉(zhuǎn)移柵后，信號(hào)電荷流入傳輸區(qū)，傳輸區(qū)是遮光的，以防因光生噪聲電荷干擾導(dǎo)致的圖像模糊。11.2.2MOS圖像傳感器

MOS圖像傳感器又稱自掃描光電二極管陣列（SelfScannedPhotodiodeArray，簡稱SSPA）。11.3固態(tài)圖像傳感器的應(yīng)用固態(tài)圖像傳感器的應(yīng)用主要在以下幾方面：1.計(jì)量檢測儀器：工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的尺寸、位置、表面缺陷的非接觸在線檢測、距離測定等。2.光學(xué)信息處理：光學(xué)文字識(shí)別、標(biāo)記識(shí)別、圖形識(shí)別、傳真、攝像等。3.生產(chǎn)過程自動(dòng)化：自動(dòng)工作機(jī)械、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)、監(jiān)視裝置等。4.軍事應(yīng)用：導(dǎo)航、跟蹤、偵查（帶攝像機(jī)的無人駕駛飛機(jī)、衛(wèi)星偵查）。1.尺寸自動(dòng)檢測對(duì)于尺寸較小的物體目標(biāo)（2～30mm），可以采用平行光成像法，如下圖所示。不難看出，此種測試方法的精度取決于平行光的準(zhǔn)直程度和CCD像元尺寸的大小。當(dāng)然，平行光源要作得十分理想是有一定困難的，且隨準(zhǔn)直度的提高成本增加，光源的體積也要加大。在實(shí)際應(yīng)用中常常通過計(jì)算機(jī)處理，對(duì)測量值進(jìn)行修正，以使測量結(jié)果更接近于實(shí)際，這在一定程度上降低了對(duì)光源的苛求。

對(duì)于較大的尺寸測量，可采用光學(xué)成像方法。在前面或背面光照射下，被測物經(jīng)透鏡在CCD上成像，像尺寸與被測尺寸成正比。設(shè)T為像尺寸，K為比例系數(shù)，則被測尺寸S可用下式表示式中K——表示每個(gè)像元所代表的物方尺寸，它與光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率、CCD工作頻率和像元尺寸等因素有關(guān)；

T——對(duì)應(yīng)于像尺寸的脈寬當(dāng)以像元時(shí)鐘對(duì)像尺寸T的寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，其計(jì)數(shù)值表示像尺寸所占的像元數(shù)，因而可得式中N——計(jì)數(shù)脈沖即像元數(shù)；

T0——像元時(shí)鐘周期，當(dāng)知道N和T0值時(shí)，則可求得T，代入式即可得到被測物尺寸，K值的大小可通過系統(tǒng)標(biāo)定測得。

成像法適用于冶金線材直徑或機(jī)械產(chǎn)品在線尺寸檢測。為了保證測量精度，通常采用背面光照射方式。對(duì)于自發(fā)光被測物，如熱扎鋼管，常用窄帶濾光