第7章_固体成像器件-王珊

1、1 为了区别于为了区别于真空成像器件真空成像器件, ,将将CCDCCD称为称为固体成像器固体成像器件件。固体成像器件不需要在。固体成像器件不需要在真空玻璃壳内用靶来完真空玻璃壳内用靶来完成光学图像的转换成光学图像的转换, ,再用电子束按顺序进行扫描获再用电子束按顺序进行扫描获得视频信号得视频信号; ;与真空成像器件不同与真空成像器件不同, ,固体成像器件本固体成像器件本身就能完成光学身就能完成光学图像转换图像转换、信息存储信息存储和和按顺序输出按顺序输出( (称自扫描称自扫描) )视频信号视频信号的全过程。的全过程。19701970年：美国贝尔实验室发现的电荷耦合器件（年：美国贝尔实验室发现的

2、电荷耦合器件（CCDCCD）的原理使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段，的原理使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器从使图像传感器从真空电子束扫描方式真空电子束扫描方式发展成为发展成为固体自固体自扫描输出扫描输出方式。方式。高锟高锟光纤之父光纤之父 博伊尔博伊尔&史密斯史密斯发明发明CCD图像传感器图像传感器 2009年诺贝尔奖物理学奖得主年诺贝尔奖物理学奖得主Fig.1贝尔实验室贝尔实验室George Smith和和Willard Boyle将可视电话和半导体将可视电话和半导体存储技术结合发明了存储技术结合发明了CCD原型原型Fig.2 现代现代CCD芯片外观芯片外观

3、固体成像器件有两大类固体成像器件有两大类: :电荷耦合器件电荷耦合器件(Charge Coupled Device),(Charge Coupled Device),简称简称CCDCCD; ;自扫描光电二极管列阵自扫描光电二极管列阵(Self Scanned Photodiod (Self Scanned Photodiod Array),Array),简称简称SSPDSSPD, ,又称又称MOSMOS图像传感器。图像传感器。如图所示为如图所示为线阵线阵CCDCCD器器件的实物件的实物外观。外观。固体成像器件与真空摄像器件相比固体成像器件与真空摄像器件相比, ,有以下优点有以下优点: :体积小

4、体积小, ,重量轻重量轻, ,功耗低功耗低; ;耐冲击耐冲击, ,可靠性高可靠性高, ,寿命长寿命长; ;无像元烧伤、扭曲无像元烧伤、扭曲, ,不受电磁场干扰不受电磁场干扰; ;SSPDSSPD的光谱响应范围从的光谱响应范围从0.251.10.251.1 m,m,对近红外线也对近红外线也敏感敏感,CCD,CCD也可做成红外敏感型也可做成红外敏感型; ;像元尺寸精度优于像元尺寸精度优于1 1 m,m,分辨率高分辨率高; ;可进行非接触位移测量可进行非接触位移测量; ;基本不保留残像基本不保留残像( (真空摄像管有真空摄像管有15%20%15%20%的残像的残像) )。视频信号与微机接口容易。视频

5、信号与微机接口容易。电荷耦合器件的突出特点是以电荷耦合器件的突出特点是以电荷电荷作为信号作为信号, ,而不是而不是以电流或电压作为信号。以电流或电压作为信号。7.1 电荷耦合器件电荷耦合器件CCDCCD特点特点以电荷作为信号。以电荷作为信号。CCDCCD的基本功能的基本功能电荷存储和电荷转移。电荷存储和电荷转移。CCDCCD基本工作过程基本工作过程信号电荷的产生、存储、传输和信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。检测的过程。 CCDCCD的基本结构包括：的基本结构包括：转移电极结构、转移沟道结构、转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。信号输入结构、信号输出结构

6、、信号检测结构。构成构成CCDCCD的基本单元是的基本单元是MOSMOS电容或光电二极管。电容或光电二极管。一系列彼此非常接近的一系列彼此非常接近的MOSMOS电容电容用同一半导体衬底制成，用同一半导体衬底制成，衬底可以是衬底可以是P P型或型或N N型材料，上面生长均匀、连续的氧型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。属化电极（栅极）。MetalOxideSemiconductor CCD 是由规则排列的金属是由规则排列的金属氧化物氧化物半导体（半导体（Metal Oxide Semicond

7、uctor，MOS）电容阵列组成。）电容阵列组成。 7.1.17.1.1电荷耦合器件的结构电荷耦合器件的结构CCDCCD光信息光信息电脉冲电脉冲脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置完成图像传感完成图像传感 7.1.7.1.2 2 电荷耦合电荷耦合原理与电极结构原理与电极结构CCD电荷存储电荷存储电荷转移电荷转移电荷注入电荷注入电荷输出电荷输出CCD的工作原理的工作原理特点：以电荷作为信号特点：以电荷作为信号基本功能：电荷

8、的存储和转移基本功能：电荷的存储和转移基本名词：基本名词：势势 阱阱 势势 阱阱 施加正电压施加正电压 空穴耗尽区空穴耗尽区 电子的电子的“陷阱陷阱” ” 基本名词：基本名词：势势 阱阱 栅极正向电压增加栅极正向电压增加时，势阱变深。时，势阱变深。改变改变UG，调调节节势阱深度势阱深度电荷耦合的原理电荷耦合的原理 基本思想：基本思想： 调节调节势阱深度势阱深度 利用利用势阱耦合势阱耦合势阱耦合势阱耦合7.1.3 7.1.3 电荷耦合器件的组成及其工作原理电荷耦合器件的组成及其工作原理CCDCCD主要由三部分组成，信号输入部分、电荷转移部主要由三部分组成，信号输入部分、电荷转移部分和信号输出部分

9、。分和信号输出部分。1 1、输入部分、输入部分 输入部分输入部分的作用是将信号电荷引入到的作用是将信号电荷引入到CCDCCD的第一的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式有两种：个转移栅下的势阱中。引入的方式有两种：电注入电注入和和光注入光注入。 电注入机构由一个输入二极管和一个或几个输入电注入机构由一个输入二极管和一个或几个输入栅构成，它可以将信号电压转换为势阱中等效的电荷栅构成，它可以将信号电压转换为势阱中等效的电荷包。包。电注入：电注入：当给输入栅施加适当的电压，在其下面半导体当给输入栅施加适当的电压，在其下面半导体表面形成一个耗尽层。如果这时在紧靠输入栅的第一表面形成一个耗尽层。如果这时在

10、紧靠输入栅的第一个转移栅上施以更高的电压，则在它下面便形成一个个转移栅上施以更高的电压，则在它下面便形成一个更深的耗尽层。这个耗尽层就相当于一个更深的耗尽层。这个耗尽层就相当于一个“通道通道”，受输入信号调制的电荷包就会从输入二极管经过受输入信号调制的电荷包就会从输入二极管经过“通通道道”流人第一个转移栅下的势阱中，完成输入过程。流人第一个转移栅下的势阱中，完成输入过程。也可将信号加在栅上，通过信号调制控制栅下通道进也可将信号加在栅上，通过信号调制控制栅下通道进行注入。行注入。 CCDCCD的输入方式有场效应管输入、注入二极管输入、电的输入方式有场效应管输入、注入二极管输入、电势平衡法输入等。

11、势平衡法输入等。光注入：光注入： 电子电子 信号电荷（包）信号电荷（包）产生电子空穴对产生电子空穴对空穴空穴 栅极电压排斥栅极电压排斥这时输入二极管由光敏元代替。这时输入二极管由光敏元代替。摄像时光照射到光敏面上，光摄像时光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收产生电子一空穴对，空穴进入耗尽区以外的衬子被光敏元吸收产生电子一空穴对，空穴进入耗尽区以外的衬底，然后通过接地消失，电子便被收集到势阱中成为信号电荷。底，然后通过接地消失，电子便被收集到势阱中成为信号电荷。当输入栅开启后，第一个转移栅上加以时钟电压时，这些代表当输入栅开启后，第一个转移栅上加以时钟电压时，这些代表光信号的少数载流子就会进入到转

12、移栅下的势阱中，完成光注光信号的少数载流子就会进入到转移栅下的势阱中，完成光注入过程。光注入是入过程。光注入是摄像器件摄像器件采取的唯一的注入方法。采取的唯一的注入方法。 2 2、信号转移部分、信号转移部分 信号转移部分由一串紧密排列的信号转移部分由一串紧密排列的MOSMOS电容器构成，根据电容器构成，根据电荷总是要电荷总是要向最小位能方向移动向最小位能方向移动的原理工作的。信号电荷的原理工作的。信号电荷转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。电荷就会不断的向前运动。 右图示出了三相时钟驱动的右图示出了三相

13、时钟驱动的CCDCCD时钟脉冲。在信号电荷包运行的前时钟脉冲。在信号电荷包运行的前方总有一个较深的势阱处于等待状方总有一个较深的势阱处于等待状态，于是电荷包便可沿着势阱的移态，于是电荷包便可沿着势阱的移动方向向前连续运动。势阱中电荷动方向向前连续运动。势阱中电荷的容量由势阱的深浅决定，电荷在的容量由势阱的深浅决定，电荷在势阱中存储的时间，必须远小于势势阱中存储的时间，必须远小于势阱的热弛豫时间，所以阱的热弛豫时间，所以CCD CCD 是在非是在非平衡状态工作的一种功能器件。平衡状态工作的一种功能器件。 3 3、输出部分、输出部分 输出部分由输出二极管、输出栅和输出耦合电路组成，输出部分由输出二

14、极管、输出栅和输出耦合电路组成，作用是把作用是把CCDCCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出。最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出。 最简单的输出电路是通过二极管检出，输出栅采用直最简单的输出电路是通过二极管检出，输出栅采用直流偏置。这种电路简单，但是噪声较大，很少采用。流偏置。这种电路简单，但是噪声较大，很少采用。 浮置扩散放大器浮置扩散放大器(FDA)(FDA)的读出方法是一种最常用的的读出方法是一种最常用的CCDCCD电电荷输出方法。它可实现信号电荷与电压之间的转换，具有荷输出方法。它可实现信号电荷与电压之间的转换，具有大的信号输出幅度大的信号输出幅度( (数百毫伏数百毫伏) )，以

15、及良好的线性和较低的，以及良好的线性和较低的输出阻抗。输出阻抗。 7.1.4 电荷转移沟道类型电荷转移沟道类型 CD CD电荷转移沟道有两种基本类型电荷转移沟道有两种基本类型: : 一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面, ,并并沿界面传输沿界面传输, ,这类器件称为这类器件称为表面沟道电荷耦合器件表面沟道电荷耦合器件( (简称简称SCCD);SCCD); 另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内内, ,并在半导体内沿一定方向传输并在半导体内沿一定方向传输, ,这类器件称为这类器件称为体内沟体内沟道

16、或埋沟道电荷耦合器件道或埋沟道电荷耦合器件( (简称简称BCCD)BCCD)。表面沟道与体内沟道的转移结构和性能差别如下：表面沟道与体内沟道的转移结构和性能差别如下：(1)SCCD(1)SCCD比比BCCDBCCD的信号处理能力大；的信号处理能力大；(2)BCCD(2)BCCD比比SCCDSCCD提高了一个数量级以上的工作频率提高了一个数量级以上的工作频率; ;(3)BCCD(3)BCCD大大提高了大大提高了CCDCCD的转移效率；的转移效率；(4)(4)对于二相对于二相BCCD,BCCD,电荷存储在厚栅电极下电荷存储在厚栅电极下, ,薄栅是转薄栅是转移栅移栅; ;而在而在SCCDSCCD中中

17、, ,电荷存储在薄栅电极下电荷存储在薄栅电极下, ,厚栅是转厚栅是转移栅。移栅。(5) SCCD(5) SCCD是少子器件，而是少子器件，而BCCDBCCD是多子器件。是多子器件。CCD的结构与工作原理的结构与工作原理为什么称为为什么称为电荷电荷耦合耦合器件？器件？电荷电荷器件中的信息是以器件中的信息是以电荷电荷形式出现形式出现的，不同于其他探测器的的，不同于其他探测器的“电流电流”或或“电电压压”耦合耦合器件内部信息的传递是通过势阱器件内部信息的传递是通过势阱的的藕合藕合完成的，完全不同于电子枪的完成的，完全不同于电子枪的“扫扫描输出描输出”形式形式7.27.2 电荷耦合器件的分类电荷耦合器

18、件的分类 v工作原理工作原理电荷耦合摄像器件就是用于摄像的电荷耦合摄像器件就是用于摄像的CCDCCD，又简称为，又简称为ICCD,ICCD,它它的的功能是把二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量功能是把二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量的视频输出信号的视频输出信号。线阵线阵CCDCCD器件器件: :直接将接收到的一维光信息转换成时序的电直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号，获得一维的图像信号。信号，获得一维的图像信号。如何用线阵如何用线阵CCDCCD获得二维图像信号？获得二维图像信号？面阵面阵CCDCCD器件器件是二维的图像传感器，直接将二维图像转变是二维的图像传感器，直接将二维

19、图像转变为视频信号输出。为视频信号输出。2048 2048 面阵面阵CCD5000像元像元线阵线阵CCDCCDCCD器件按结构可分为两大类：线阵器件按结构可分为两大类：线阵CCDCCD和面阵和面阵CCDCCD。7.2.1 7.2.1 线阵线阵CCD CCD 最简单的线阵最简单的线阵CCDCCD是由一个输入二极管是由一个输入二极管(ID)(ID)、一、一个输入栅个输入栅(IG)(IG)、一个输出栅、一个输出栅(OG)(OG)和一列紧密排列的和一列紧密排列的MOSMOS电容器构成。电容器构成。上述结构不宜作上述结构不宜作摄像摄像用：用：（1 1）电极是金属的容易）电极是金属的容易蔽光，即使是换成多

20、晶硅，蔽光，即使是换成多晶硅，由于多层结构电极系统对由于多层结构电极系统对入射光吸收、反射和干涉入射光吸收、反射和干涉比较严重，因此光强损失比较严重，因此光强损失大，量子效率低。大，量子效率低。 （2 2）电荷包转移期间，光积分在继续进行，使输出信号产生）电荷包转移期间，光积分在继续进行，使输出信号产生拖影。拖影。 7.2.2 7.2.2 面阵面阵CCDCCD 面阵面阵CCDCCD常见的基本类型有两种，即帧转移型常见的基本类型有两种，即帧转移型(FT)(FT)和行间转移型和行间转移型(ILT)(ILT)，也叫内线转移型。，也叫内线转移型。 成像区成像区 暂存区暂存区 水平读出水平读出 寄存器寄

21、存器 帧转移面阵帧转移面阵CCD 成像区成像区 暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 场逆程期间：场逆程期间： 光学图像光学图像电荷包图像电荷包图像电荷包图像电荷包图像 暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 行正程期间行正程期间 电荷包图像电荷包图像 暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 暂存区的信号电荷暂存区的信号电荷产生一行平移产生一行平移行正程期间行正程期间 电荷包图像电荷包图像 暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 行

22、正程期间行正程期间 电荷包图像电荷包图像水平读出寄存器输水平读出寄存器输出一行视频信号出一行视频信号 暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 暂存区的信号电荷暂存区的信号电荷产生一行平移产生一行平移行正程期间行正程期间 电荷包图像电荷包图像 暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 行正程期间行正程期间 电荷包图像电荷包图像水平读出寄存器输水平读出寄存器输出一行视频信号出一行视频信号 暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 行正程期间行

23、正程期间 电荷包图像电荷包图像暂存区的信号电荷暂存区的信号电荷产生一行平移产生一行平移 暂存区暂存区 场正程结束时场正程结束时 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 行正程期间行正程期间 电荷包图像电荷包图像水平读出寄存器输水平读出寄存器输出一行视频信号出一行视频信号 工作过程：工作过程： 面阵面阵CCDCCD摄像器件摄像器件 （小结小结） 成像区成像区 暂存区暂存区 水平读出水平读出 寄存器寄存器 场正程场正程场逆程场逆程行逆程行逆程行正程行正程结构：结构： 图图 像像 电电 荷荷成像区成像区 暂存区暂存区 场正程场正程电荷平移电荷平移输出信号输出信号 347.3 7.3 C

24、CDCCD摄像机分类摄像机分类7 7.3.1 .3.1 可见光可见光CCDCCD返回7 7.3.2 .3.2 焦平面红外阵列焦平面红外阵列(IRCCD)(IRCCD)7 7.3.3 X.3.3 X射线射线CCDCCD357.3.1 7.3.1 可见光可见光CCDCCD2. 2. 微光微光CCDCCD1. 1. 彩色彩色CCDCCD36彩色彩色CCDCCD 按照电视摄像机的类型,彩色CCD摄像机可分为三片式、二片式和单片式3种类型。 三片式结构是传统的摄像方式，该方式将景物经过摄像镜头和分光系统形成红(R)、绿(G)、蓝(B)3个基色,图像分别照射到3片CCD上。37微光微光CCDCCD微光CC

25、D是指能在微光条件下进行摄像的CCD器件。在微光条件下,景物对比度和清晰度都极差,这就对CCD摄像机性能提出了更高的要求,要求摄像机输出的信噪比必须大于某一个定值;微光摄影技术的实质是在物镜与目镜(或显示器)之间放置一个微光像增强器。通过能量转换和信号处理后,在输出端变换成具有适当亮度、对比度和清晰度的可见的目标图像。 38 目前,微光CCD摄像器件共有两种类型,即 增强型CCD(ICCD)，包括两种工作模式: * 像增强器与CCD芯片耦合模式； * 电子轰击(E-BCCD )工作模式。 时间延迟积分型CCD( TDICCD) * TDICCD工作模式。 微光CCD摄像机最大的不足就是不能全天

26、候工作，在阴雨、浓雾等条件下应用受限制。39焦平面红外阵列焦平面红外阵列(IRCCD)(IRCCD) 置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件。红外探测器二维阵列，可把被测图像成像于二维阵列上，并转换成电子图像，借助于电子自扫描技术以视频信号输出。用红外探测器阵列代替可见光CCD的光敏元部分，就构成焦平面红外阵列(IRCCD)。 40X X射线射线CCDCCD目前X射线CCD器件有两类，一类是直接用CCD像机拍摄X射线图像；另一类是用转换材料，即在每个光敏元上装置有带隔离层的碘化铯晶体，碘化铯晶体是一种能把X射线转换成可见光的高效转换

27、材料，它几乎能把照射的X射线全部吸收。这种结构由于X射线不会直接照射到光敏元阵列上，因而可以延长器件使用寿命；同时，光隔离技术减少了光干扰，提高了信噪比和系统分辨力。417.4 7.4 CCDCCD的性能参数的性能参数 7 7.4.2 .4.2 光谱响应率和干涉效应光谱响应率和干涉效应7 7.4.3 .4.3 分辨率和调制传递函数分辨率和调制传递函数7 7.4.4 .4.4 动态范围动态范围7 7.4.5 .4.5 暗电流和噪声暗电流和噪声7 7.4.1 .4.1 电荷转移效率和转移损失率电荷转移效率和转移损失率42电荷转移效率和转移损失率电荷转移效率和转移损失率电荷转移效率是表征CCD器件性

28、能好坏的一个重要参数。设原有的信号电荷量为Q0,转移到下一个电极下的信号电荷量为Q1,其比值%10001QQ称为转移效率。而没有被转移的电荷量Q与原信号电荷Q0之比,称为转移损失率。即0QQ (8-1)(8-2)43显然1在理想情况下,=1,但实际上电荷在转移过程中总有损失,所以总是小于1的(常为0.9999以上)。一个电荷为Q0的电荷包,经过n次转移后,所剩下的电荷为nnnneQQ)1(0nnQQ0这样,n次转移前、后电荷量之间的关系为 (8-4) (8-3)44光谱响应率和干涉效应光谱响应率和干涉效应CCD受光照的方式有正面受光和背面受光两种。背面光照的光谱响应曲线与光电二极管相似,如图中

29、曲线2所示。如果在背面镀以增透膜,会减少反射损失而使响应率有所提高,如图中曲线3所示。45 正面照射时,由于CCD的正面布置着很多电极,光线被电极多次反射和散射,一方面使响应率减低,另一方面多次反射产生的干涉效应使光谱响应曲线出现起伏,如上图中曲线1所示。 为了减小在短波方向多晶硅的吸收,用SnO2薄膜代替多晶硅薄膜做电极,可以减小起伏幅度。46分辨率和调制传递函数分辨率和调制传递函数CCD由很多分立的光敏单元组成,根据奈奎斯特定律,它的极限分辨率为空间采样频率的一半,如果某一方向上的像元间距为p,则在此方向上像元的空间频率为1/p lp/mm,其极限分辨率将小于1/2p lp/mm。如果用T

30、VL(电视线)来表示,在某一方向的像元个数就是极限TVL数,显然TVL数的一半与CCD光敏面高度尺寸的比值就是相对应的线对/毫米数。47 若用调制传递函数(MTF)来评价CCD的图像传递特性,则CCD的总MTF取决于器件结构(像元宽度、间距)所决定的几何MTF1、载流子横向扩散衰减决定的MTFD和转移效率决定的MTFT。 总MTF是这三者的乘积,并且总MTF随空间频率的提高而下降。48动态范围动态范围动态范围表征器件能在多大照度范围内正常工作。CCD最小照度受噪声限制,最大照度受电荷处理容量的限制。一般定义动态范围是输出饱和电压和暗场时噪声的峰值电压之比。一个好的CCD器件,其动态范围可达10

31、005000。增大动态范围的途径是降低暗电流值,特别是控制暗电流尖锋,不均匀的暗电流及尖峰都会构成图像噪声,从而影响像质,也影响动态范围49暗电流和噪声暗电流和噪声暗电流是指在既无光注入,又无电注入情况下输出的电流。暗电流主要来源有3个,即半导体衬底的热激发、耗尽区里产生-复合中心的热激发和耗尽区边缘的少子热扩散,其中耗尽区内产生复合中心的热激发是主要的。由于CCD各单元的暗电流大小不一致,当信号电荷转移时,暗电流的加入会引起噪声或干扰。501散粒噪声散粒噪声 在CCD中,无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数总有一定的不确定性,也就是围绕平均值上下变化,形成噪声。2. 转移噪声转

32、移噪声 转移噪声是由转移损失及界面态俘获引起的,具有两个特点：积累性,相关性。积累性指转移噪声是在转移过程中逐次积累起来的,与转移次数成正比;相关性是指相邻电荷包的转移噪声是相关的。513.热噪声热噪声 热噪声是由于固体中载流子的无规则运动引起的,所有有温度的半导体,无论其中有无外加电流流过,都有热噪声。这里指的是信号电荷注入及输出时引起的噪声,它相当于电阻热噪声和电容的总宽带噪声之和。 上述所讨论的3种噪声,它们的源是独立无关的,所以CCD的总噪声功率应是它们的均方和。527.5 7.5 自扫描光电二极管阵列（自扫描光电二极管阵列（SSPDSSPD）7 7.5.1 .5.1 光电二极管阵列的

33、结构形式和工作原理光电二极管阵列的结构形式和工作原理返回7 7.5.2 SSPD.5.2 SSPD线阵线阵7 7.5.3 SSPD.5.3 SSPD面阵面阵7 7.5.4 SSPD.5.4 SSPD的主要特性参数的主要特性参数7 7.5.5 SSPD.5.5 SSPD器件的信号读出及放大电路器件的信号读出及放大电路537.5.17.5.1光电二极管阵列的结构形式和工作原理光电二极管阵列的结构形式和工作原理1.光电二极管阵列的结构形式光电二极管阵列的结构形式 光电二极管有两种阵列形式： 将N个光电二极管同时集成在一个硅片上,将其中的一端(N端)连接在一起,另一端各自单独引出。通常称它们为连续工作

34、方式。 自扫描光电二极管阵列SSPD,它在器件的内部还集成了数字处理电路,工作在电荷存储方式。542.2.光电二极管阵列的工作原理光电二极管阵列的工作原理1) 1) 连续工作方式连续工作方式返回2) 2) 电荷存储工作方式电荷存储工作方式55连续工作方式连续工作方式如图所示是光电二极管中电荷存储的连续工作方式,当一束光照到光电二极管的光敏面上时,光电流为AEhqIP式中:光电二极管的量子效率; A光电二极管光敏区面积; E入射光的照度。 (8-5)56 可见,光电二极管的光电流与入射光的照度和光敏区面积成正比。光一直照下去,负载上的电压一直输出。但是因光电二极管的面积很小,输出光电流是很微弱的

35、。要读取图像信号,就要采用放大倍数非常高的放大器。 此外,采用上述的连续工作方式,N位图像传感器至少应有N+1根信号引出线,且布线上也有一定的困难,所以连续工作方式一般只用于64位以下的光电二极管阵列中。返回57电荷存储工作方式电荷存储工作方式光电二极管电荷存储工作方式的原理如图(a)所示。图中,VD为理想的光电二极管,Cd为等效结电容,Uc为二极管的反向偏置电源(一般为几伏),RL为等效负载电阻。工作步骤如下： (1) (1) 准备过程准备过程(2) (2) 曝光过程曝光过程(3) (3) 再充电过程再充电过程58准备过程闭合开关S,如图(a)。电源Uc通过负载电阻RL向光电二极管的结电容C

36、d充电,充电达到稳定后,PN结上的电压基本上为电源电压Uc。此时结电容Cd上的电荷为cdUCQ (8-6)59曝光过程 打开开关S,让光照在光电二极管上,如图(b)。由于光电流和暗电流的存在,结电容Cd将缓慢放电。若K断开的时间为Ts(电荷积分时间),那么在曝光过程Cd上所释放的电荷为SDPTIIQ)( (8-7)60 室温下,光电二极管的暗电流为pA数量级,可以忽略。则可得SPTIQ 式中,Ip为平均光电流。 结电容Cd上的电压因放电而下降到Ucd,它的值为dccdCQUU(8-9) (8-8)返回61再充电过程再充电过程经过时间Ts的积分后,再闭合开关S,如图 (c)所示。结电容Cd再充电

37、,直到Cd上的电压达到U。显然,补充的电荷等于曝光过程中Cd上所释放的电荷。再充电电流在电阻RL上的压降UR就是输出的信号。输出的峰值电压为dcdcRCQUUUmax,(8-10)62将式(8-8)代入式(8-10),则dspdspRCTESCTIUmax,光电流信号的存储是在第(2)步中完成的。输出信号是在第(3)步再充电过程中取出的。若重复(2)、(3)两步,就能不断地从负载上获得光电输出信号,从而使列阵中的光电二极管能连续地工作。63与连续工作方式相比,在电荷存储工作方式下负载电阻上的输出光电流为spdLspLROTICRTIRUImax,式中,=RLCd为电路的时间常数。定义增益spO

38、TIIG可见,电荷存储工作方式下的输出信号比连续工作方式下的信号大得多。64 在实际的SSPD器件中,一般由MOS场效应晶体管(FET)控制光电二极管的电荷积分及再充电过程。如图所示,在场效应管T的栅极上加一控制信号e,当e为负电平时,管子T导通,起到开关S闭合的作用;当e为“0”电平时,T截止,相当于开关S断开。65SSPDSSPD线阵线阵根据相元排列方式的不同，SSPD可以分成线阵和面阵。线阵主要用于一维图像信号的测量，如光谱测量、衍射光强分布测量、机器视觉检测等；面阵能直接测量二维图像信号。66 用半导体集成技术把N个光电二极管等间距地排列成一条直线, 称为线阵。这些二极管上的电容Cd相

39、同,它们的N(负 )端连在一起,组成公共端COM。(1)N(1)N位完全相同的光电二极管列阵位完全相同的光电二极管列阵(2)N个多路开关 由N个MOS场效应管VT1VTN组成,每个管子的源极分别与对应的光电二极管p(正)端相连。而所有的漏极连在一起,组成视频输出线UO。67(3)N(3)N位数字移位寄存器位数字移位寄存器 提供N路扫描控制信号e1eN(负脉冲)。每路输出信号与对应的MOS场效应管的栅极相连。68SSPD面阵面阵 以34=12个像元的MOS型图像传感器为例,介绍面阵器件的工作原理。如图所示,SSPD面阵由光电二极管阵列、水平扫描电路、垂直扫描电路及多路开关4部分组成。 右下角是每

40、一像素的单元电路;6970 水平扫描电路输出的H1H4扫描信号控制MOS开关VTh1VTh4;垂直扫描电路输出的U1U3信号控制每一像素内的MOS开关的栅极,从而把按二维空间分布照射在面阵上的光强信息转变为相应的电信号,从视频线UO上串行输出,其工作原理和线阵完全相同。 这种工作方式又称为XY寻址方式。71SSPDSSPD的主要特性参数的主要特性参数1. 1. 光电特性光电特性2. 2. 暗电流暗电流3. 3. 动态范围动态范围72光电特性光电特性SSPD器件的输出电荷Q正比于曝光量(曝光量H=ETs)。如图所示,当曝光量达到某一值Hs后,输出电荷就达到最大值Qs。Hs称为饱和曝光量,而Qs为

41、饱和电荷。若器件最小允许起始脉冲周期为Ts,min(由多路扫描频率决定),那么对应的照度Es=Hs/Ts,min称为饱和照度。SSPD一般有36个数量级的线性工作范围73暗电流暗电流SSPD器件的暗电流主要由积分暗电流、开关噪声、热噪声组成。SSPD器件工作时的积分时间较长,所以暗电流不能忽视,温度每升高7,暗电流约增加1倍,因此随着器件温度升高,最大允许的积分时间将缩短。降低器件的工作温度(如采用液氮致冷),可使积分时间大大延长(几分钟乃至几小时),这样便可探测非常微弱的光强信号。74 SSPD器件的开关噪声比较大。但开关噪声大部分是周期性的,可以用特殊的电荷积分和采样保持电路加以消除;剩下的是暗信号中的非周期性固定图形噪声,其典型值一般小于饱和电平的1%。 热噪声是随机的、非重复性的波动,不容易通过信号处理去掉,其典型幅值为