CCD图像传感器

1、高等教育高等教育电气工程与自动化系列规划教材电气工程与自动化系列规划教材传感器与检测技术传感器与检测技术第十三章第十三章 CCD图像传感器图像传感器传感器与检测技术传感器与检测技术第十三章第十三章 CCD图像传感器图像传感器光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器，以电荷转移为核光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器，以电荷转移为核心，可以完成光电信号转换、存储、传输、处理，具有体积小、重量轻、心，可以完成光电信号转换、存储、传输、处理，具有体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点，可探测可见光、紫外光、功耗小、成本低等优点，可探测可见光、紫外光、x射线、红外光、微光和射线、红外光、微光

2、和电子轰击等，广泛用于图像识别和传送，例如摄像系统、扫描仪、复印机、电子轰击等，广泛用于图像识别和传送，例如摄像系统、扫描仪、复印机、机器人的眼睛等。固态图像传感器按其结构可分为三种：一种是电荷耦合机器人的眼睛等。固态图像传感器按其结构可分为三种：一种是电荷耦合器件（器件（charge-Coupled Devices，简称，简称CCD）；）；传感器与检测技术传感器与检测技术第十三章第十三章 CCD图像传感器图像传感器第二种是第二种是MOS型图像传感器，又称自扫描光电二极管阵列（型图像传感器，又称自扫描光电二极管阵列（Self Scanned Phohodiode Array，简称，简称SSPA

3、）；第三种是电荷注入器件）；第三种是电荷注入器件（charge Injection Device，简称，简称CID）。目前前两者用得最多，）。目前前两者用得最多，CCD型图像传感器噪声低，在很暗的环境条件下性能仍旧良好；型图像传感器噪声低，在很暗的环境条件下性能仍旧良好；MOS型图型图像传感器质量很高，可用低压电源驱动，且外围电路简单，下面分别介像传感器质量很高，可用低压电源驱动，且外围电路简单，下面分别介绍。绍。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）CCD是一种以电荷包的形式存贮和传递信息的半导体表面器件，是在是一种以电荷包的形式存贮和传递信息的半导体

4、表面器件，是在MOS结构电荷存贮器的基础上发展起来的，所以有人将其称为结构电荷存贮器的基础上发展起来的，所以有人将其称为“排列起来的排列起来的MOS电容阵列电容阵列”。一个。一个MOS电容器是一个光敏元，可以感应一个像素点，则电容器是一个光敏元，可以感应一个像素点，则若一个图像有多少个像素点，就需要同样多个光敏元，即采集一幅图像需要若一个图像有多少个像素点，就需要同样多个光敏元，即采集一幅图像需要含有许多含有许多MOS光敏元的大规模集成器件。光敏元的大规模集成器件。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.1 MOS光敏元的结构与原理光敏元的结构与原理下图给出了下图给出了P型半导体型半导体MO

5、S光敏元的结构图，制备时先在光敏元的结构图，制备时先在P-Si片上氧化一层片上氧化一层SiO2介质层，其上再沉积一层金属介质层，其上再沉积一层金属Al作为栅极，在作为栅极，在P-Si半导体上制作下电极。半导体上制作下电极。半导体与半导体与SiO2界面的电荷分布界面的电荷分布 其工作原理为：在栅极上突然加一个其工作原理为：在栅极上突然加一个VG正脉冲（正脉冲（VGVT阈值电压），金属阈值电压），金属电极板上就会充上一些正电荷，电场将电极板上就会充上一些正电荷，电场将P-Si中中SiO2界面附近的空穴排斥走，在少界面附近的空穴排斥走，在少数电子还未移动到此区时，在数电子还未移动到此区时，在SiO2

6、附近出现耗尽层，耗尽区中的电离物质为负离附近出现耗尽层，耗尽区中的电离物质为负离传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.1 MOS光敏元的结构与原理光敏元的结构与原理此时半导体表面处于非平衡状态，表面区有表面电势此时半导体表面处于非平衡状态，表面区有表面电势s，若衬底电位为，若衬底电位为0，则表，则表面处电子的静电位能为面处电子的静电位能为-qs。在半导体空间电荷区，电位的变化可由泊松方程确定。设半导体与在半导体空间电荷区，电位的变化可由泊松方程确定。设半导体与SiO2界面界面为原点，耗尽层厚度为为原点，耗尽层厚度为xd，泊松方程及边界条件为：，泊松方程及边界条件为：0)( 0)()(002

7、2dddxxxxxxsAsdxxdVExVqNdxxVd式中式中V(x)为距离表面为距离表面x处的电势；处的电势；E为为x处的电场；处的电场；NA为为P-Si中掺杂物质的浓中掺杂物质的浓度；度；0、S分别为真空和分别为真空和SiO2的介电常数。可解得：的介电常数。可解得：20)(2)(dsAxxqNxV传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.1 MOS光敏元的结构与原理光敏元的结构与原理于是如上图所示，半导体与绝缘体界面于是如上图所示，半导体与绝缘体界面x=0处的电位为处的电位为 ：sdAxsxqNxV0202)(因为因为s大于大于0，电子位能，电子位能-qs小于小于0，则表面处有贮存电荷的

8、能力，一旦有，则表面处有贮存电荷的能力，一旦有电子，这些电子就会向耗尽层的表面处运动，表面的这种状态称为电子势阱或表电子，这些电子就会向耗尽层的表面处运动，表面的这种状态称为电子势阱或表面势阱。若面势阱。若VG增加，栅极上充的正电荷数目也增加，在增加，栅极上充的正电荷数目也增加，在SiO2附近的附近的P-Si中形成中形成的负离子数目相应增加，耗尽区的宽度增加，表面势阱加深。另外，若形成的负离子数目相应增加，耗尽区的宽度增加，表面势阱加深。另外，若形成MOS电容的半导体材料是电容的半导体材料是N-Si，则，则VG为负电压时，会在为负电压时，会在SiO2附近的附近的N-Si中形成空穴中形成空穴势阱

9、。势阱。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.1 MOS光敏元的结构与原理光敏元的结构与原理当光照射到当光照射到MOS电容器上时，半导体吸收光子能量，产生电子电容器上时，半导体吸收光子能量，产生电子-空穴对，少空穴对，少数电子会被吸收到势阱中。光强越大，产生电子数电子会被吸收到势阱中。光强越大，产生电子-空穴对越多，势阱中收集的电子空穴对越多，势阱中收集的电子数就越多；反之，光越弱，收集的电子数越少。因此势阱中电子数目的多少可以数就越多；反之，光越弱，收集的电子数越少。因此势阱中电子数目的多少可以反映光的强弱，从而说明图像的明暗程度。于是，这种反映光的强弱，从而说明图像的明暗程度。于是，这

10、种MOS电容器实现了光信号电容器实现了光信号向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上VG，整个图像的光信号将同时变为，整个图像的光信号将同时变为电荷包阵列。当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的电荷包阵列。当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的增加而减小（由于电子的屏蔽作用，在一定光强下一定时间内势阱会被电子充增加而减小（由于电子的屏蔽作用，在一定光强下一定时间内势阱会被电子充满），所以收集电子的量要调整适当。满），所以收集电子的量要调整适当。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.1 MOS光敏元的结构与原理光

11、敏元的结构与原理当光照射到当光照射到MOS电容器上时，半导体吸收光子能量，产生电子电容器上时，半导体吸收光子能量，产生电子-空穴对，少空穴对，少数电子会被吸收到势阱中。光强越大，产生电子数电子会被吸收到势阱中。光强越大，产生电子-空穴对越多，势阱中收集的电子空穴对越多，势阱中收集的电子数就越多；反之，光越弱，收集的电子数越少。因此势阱中电子数目的多少可以数就越多；反之，光越弱，收集的电子数越少。因此势阱中电子数目的多少可以反映光的强弱，从而说明图像的明暗程度。于是，这种反映光的强弱，从而说明图像的明暗程度。于是，这种MOS电容器实现了光信号电容器实现了光信号向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时

12、加上向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上VG，整个图像的光信号将同时变为，整个图像的光信号将同时变为电荷包阵列。当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的电荷包阵列。当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的增加而减小（由于电子的屏蔽作用，在一定光强下一定时间内势阱会被电子充增加而减小（由于电子的屏蔽作用，在一定光强下一定时间内势阱会被电子充满），所以收集电子的量要调整适当。满），所以收集电子的量要调整适当。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.2 电荷转移原理电荷转移原理设想在驱动脉冲的作用下，将电荷包阵列一个一个自扫描并从同一输出端输设想在驱动脉冲的

13、作用下，将电荷包阵列一个一个自扫描并从同一输出端输出，形成图像时，域脉冲串，即每一电荷包信号不断向邻近的光敏元转移，间距出，形成图像时，域脉冲串，即每一电荷包信号不断向邻近的光敏元转移，间距为为15m20m。若两个相邻。若两个相邻MOS光敏元所加的栅压分别为光敏元所加的栅压分别为VG11，电子的静电位能，电子的静电位能-q2-q10，则，则VG2吸引电子能力强，形成的势阱深，即吸引电子能力强，形成的势阱深，即1中的电子有向中的电子有向2中下中下移的趋势。若串联很多光敏元，且使移的趋势。若串联很多光敏元，且使VG1VG2 VGN，则可形成一个输运，则可形成一个输运电子的路径，从而实现电子的转移。

14、电子的路径，从而实现电子的转移。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.3 CCD的工作原理的工作原理由前面的分析可知，由前面的分析可知，MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相。由于二同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相。由于二相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化层相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化层厚度或掺杂浓度来实现电荷的存储和转移，这两者都使工艺复杂化。厚度或掺杂浓度来实现电荷的

15、存储和转移，这两者都使工艺复杂化。下图为三相三位下图为三相三位N沟沟CCD器件，其中，器件，其中，Ip（图中未画出）为输入电极，（图中未画出）为输入电极，IG（图中未画出）为输入控制极，（图中未画出）为输入控制极，OG为输出控制极，为输出控制极，OP为输出极，为输出极，1、2、3为为3个驱动脉冲，它们的顺序脉冲（时钟脉冲）为个驱动脉冲，它们的顺序脉冲（时钟脉冲）为1231，且，且3个脉个脉冲的形状完全相同，彼此间有相位差（差冲的形状完全相同，彼此间有相位差（差1/3周期）。周期）。1驱动驱动1、4电极，电极，2驱动驱动2、5电极，电极，3驱动驱动3、6电极。电极。传感器与检测技术传感器与检测技

16、术13.1.3 CCD的工作原理的工作原理由前面的分析可知，由前面的分析可知，MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相。由于二同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相、三相和四相。由于二相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化层相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化层厚度或掺杂浓度来实现电荷的存储和转移，这两者都使工艺复杂化。厚度或掺杂浓度来实现电荷的存储和转移，这两者都使工艺复杂化。三相三位三相三位N沟沟CCD

17、器件的结构、驱动和转移示意图器件的结构、驱动和转移示意图 传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.3 CCD的工作原理的工作原理t1时刻：时刻：1=l，2=3=0；l、4势阱最深，势阱最深，2、5和和3、6势阱为势阱为0。t2时刻：时刻：1=l/2，2=1，3=0；1、4势阱变为势阱变为1/2，2、5势阱变为势阱变为l，1、4势阱中的电子会向势阱中的电子会向2、5势阱中移动。势阱中移动。t3时刻：时刻：1=0，2=1，3=0；1电极下的电子全部转移至电极下的电子全部转移至2电极下电极下的的2、5势阱中。势阱中。t4时刻：时刻：1=0，2=l2，3=1；2电极下电极下2、5势阱中的电子向势阱中

18、的电子向3电电极下的极下的3、6势阱中转移。势阱中转移。t5时刻：时刻：1=0，2=0，3=1，2电极下的电子全部转移至电极下的电子全部转移至3电极下电极下的的3、6势阱中。势阱中。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.3 CCD的工作原理的工作原理如此通过脉冲电压的变化，在半导体表面形成不同存贮电子的势阱，且右边如此通过脉冲电压的变化，在半导体表面形成不同存贮电子的势阱，且右边产生更深势阱，左边形成阻挡电势势阱，使电荷自左向右作定向运动，以至电荷产生更深势阱，左边形成阻挡电势势阱，使电荷自左向右作定向运动，以至电荷包直接输出。包直接输出。由于在传输过程中持续的光照会产生电荷，使信号电荷发

19、生重叠，在显示器由于在传输过程中持续的光照会产生电荷，使信号电荷发生重叠，在显示器中出现模糊现象。因此在中出现模糊现象。因此在CCD摄像器件中有必要把摄像区和传输区分开，并且在摄像器件中有必要把摄像区和传输区分开，并且在时间上保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。时间上保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器CCD图像传感器从结构上可分为线阵型和面阵型两种。图像传感器从结构上可分为线阵型和面阵型两种。线阵型线阵型CCD图像传感器是由一列图像传感器是由一列MOS光敏单元和一列光敏单元和一列CCD

20、移位寄存器构成移位寄存器构成的，光敏单元和寄存器之间有一个专以控制栅，基本接口如下图所示。转移控制的，光敏单元和寄存器之间有一个专以控制栅，基本接口如下图所示。转移控制栅控制光电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于光积分时间。在光栅控制光电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于光积分时间。在光几分周期里，各个光敏源中所积累的光电荷与该光敏原上所接收的光照强度和光几分周期里，各个光敏源中所积累的光电荷与该光敏原上所接收的光照强度和光积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅关闭时，积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅关闭时，MOS光敏元阵列又开

21、始下一行的光电荷积累。同时，在移位寄存器上施加时钟脉冲，光敏元阵列又开始下一行的光电荷积累。同时，在移位寄存器上施加时钟脉冲，将已转移到将已转移到CCD移位寄存器内的上一行的信号电荷由一位寄存器串行输出，如此移位寄存器内的上一行的信号电荷由一位寄存器串行输出，如此重复上述过程。重复上述过程。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器线阵型线阵型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法。线阵型频信号输出，为了得到整个二维

22、图像的视频信号，就必须用扫描的方法。线阵型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别等领域。图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别等领域。面阵型面阵型CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输3种。下面分别给以介绍。种。下面分别给以介绍。线阵型线阵型CCD图像传感器图像传感器 传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器（）行传输（）行传输（LT）面阵型）面阵型CCD下图下图(a)给出了给出了L

23、T面阵面阵CCD的结构。它由选址电路、感光区、输出寄存器组成。的结构。它由选址电路、感光区、输出寄存器组成。当感光区光积分结束后，由行选址电路分别一行行地将信号电荷通过输出寄存器转移当感光区光积分结束后，由行选址电路分别一行行地将信号电荷通过输出寄存器转移到输出端。行传输的缺点是需要选址电路，结构较复杂，且在电荷转移过程中，必须到输出端。行传输的缺点是需要选址电路，结构较复杂，且在电荷转移过程中，必须加脉冲电压，与光积分同时进行，会产生加脉冲电压，与光积分同时进行，会产生“拖影拖影”，故较少采用。，故较少采用。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器2）帧传输（

24、）帧传输（FT）面阵型）面阵型CCD图图(b)给出了帧传输给出了帧传输CCD面阵型图像传感器的结构图，它可以简称为面阵型图像传感器的结构图，它可以简称为FT-CCD，由，由感光区、暂存区和输出寄存器感光区、暂存区和输出寄存器3部分组成。感光区由并行排列的若干电荷耦合沟道组部分组成。感光区由并行排列的若干电荷耦合沟道组成，各沟道之间用沟阻隔开，水平电极条横贯各沟道。假设有成，各沟道之间用沟阻隔开，水平电极条横贯各沟道。假设有M个转移沟道，每个沟个转移沟道，每个沟道有道有N个感光单元，则整个感光区有个感光单元，则整个感光区有MN个单元。它一般采用三相时钟驱动，如图个单元。它一般采用三相时钟驱动，如

25、图13-6所示，感光区的三相时钟为，所示，感光区的三相时钟为，I1、I2、I3。暂存区的三相时钟为。暂存区的三相时钟为S1、S2、S3。读出寄存器的三相时钟为。读出寄存器的三相时钟为R1、R2、R3。暂存区的结构与感光区相同，用。暂存区的结构与感光区相同，用覆盖金属遮光。设置暂存区是为了消除覆盖金属遮光。设置暂存区是为了消除“拖影拖影”，以提高图像的清晰度并与电视图像，以提高图像的清晰度并与电视图像的扫描制式相匹配。的扫描制式相匹配。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器帧传输结构的工作过程是：感光区在积分期积累起一帧电荷包，积分期结束后，感光帧传输结构的工作

26、过程是：感光区在积分期积累起一帧电荷包，积分期结束后，感光区和暂存区加频率为区和暂存区加频率为fcv1的驱动时钟，感光区的信号电荷包向下转移，至暂存区；然的驱动时钟，感光区的信号电荷包向下转移，至暂存区；然后感光区进人下一个积分期，暂存区内电荷图像在频率为后感光区进人下一个积分期，暂存区内电荷图像在频率为fcv2的时钟驱动下向读出寄的时钟驱动下向读出寄存器转移。读出寄存器以频率为存器转移。读出寄存器以频率为fCH的时钟驱动，使电荷包一个一个输出，（的时钟驱动，使电荷包一个一个输出，（fCH大大于于Mfcv2）。为了减小电荷包在感光区转移时的光子拖影，频率）。为了减小电荷包在感光区转移时的光子拖

27、影，频率fcv1需较高，为了降需较高，为了降低输出寄存器的驱动率低输出寄存器的驱动率fCH，必须适当降低，必须适当降低fcv2。而。而fcv1必须与感光区的积分期相适必须与感光区的积分期相适应（大于应（大于Nfcv2)。所以，实际中应该选择适当的频率以达到最佳图像质量。所以，实际中应该选择适当的频率以达到最佳图像质量。为了减少图像的闪烁，帧传输型面阵图像传感器一般采用隔行扫描的方式，即在每个为了减少图像的闪烁，帧传输型面阵图像传感器一般采用隔行扫描的方式，即在每个帧周期中显示两场，第一场显示所有的奇数行，第二场显示偶数行。实现这种扫描方帧周期中显示两场，第一场显示所有的奇数行，第二场显示偶数行

28、。实现这种扫描方式，帧传输图像传感器本身的结构不需改变，只需改变感光区各相电极时序脉冲。帧式，帧传输图像传感器本身的结构不需改变，只需改变感光区各相电极时序脉冲。帧传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器传输图像传感器的主要优点是分辨率高、弥散性低、噪声小。缺点是由于设置暂存区，传输图像传感器的主要优点是分辨率高、弥散性低、噪声小。缺点是由于设置暂存区，器件面积增加了器件面积增加了50%。帧传输驱动结构帧传输驱动结构 传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器上图上图 (c)给出了行间传输面阵型给出了行间传输面阵型CCD图像传感器的

29、结构。它的光敏单元彼此分开，图像传感器的结构。它的光敏单元彼此分开，如下图所示，每列光敏单元的右侧是垂直转移寄存器。各个光敏单元的信号电荷包通如下图所示，每列光敏单元的右侧是垂直转移寄存器。各个光敏单元的信号电荷包通过转移栅转移到遮光的垂直转移寄存器中，然后再按顺序从各行的转移寄存器转移到过转移栅转移到遮光的垂直转移寄存器中，然后再按顺序从各行的转移寄存器转移到水平读出寄存器中。这种传输方式的时钟电路较复杂，但调制转移函数（水平读出寄存器中。这种传输方式的时钟电路较复杂，但调制转移函数（MTF）较好。）较好。ILT-CCD的单元平面结构如右下图所示，光敏元件的单元平面结构如右下图所示，光敏元件

30、1产生并积累信号电荷；产生并积累信号电荷；3用于排泄用于排泄过量的信号电荷；过量的信号电荷； 2是上述两个环节的控制栅，是上述两个环节的控制栅，2与与3的作用是共同避免过量载流子沿的作用是共同避免过量载流子沿信道从一个势阱溢汇到另一个势阱，从而造成再生图像的光学拖影与弥散；信道从一个势阱溢汇到另一个势阱，从而造成再生图像的光学拖影与弥散；4是光敏是光敏元件元件1两侧的沟阻（两侧的沟阻（CS），它的作用是将相邻的两个像素隔离开；光生信号电荷在控），它的作用是将相邻的两个像素隔离开；光生信号电荷在控制栅制栅5和寄存控制栅和寄存控制栅6的双重作用下进入转移寄存器；然后，在转移栅的控制下，沿垂的双重作

31、用下进入转移寄存器；然后，在转移栅的控制下，沿垂直转移寄存器直转移寄存器7的体内信道，依次移向水平转移寄存器转移。的体内信道，依次移向水平转移寄存器转移。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器行间传输面型行间传输面型CCD图像传感器图像传感器 LT-CCD的单元平面结构的单元平面结构 传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器用来全面评价用来全面评价CCD传感器件的主要参数有转移效率、不均匀度、暗电流、响应率、传感器件的主要参数有转移效率、不均匀度、暗电流、响应率、光谱响应、噪声、动态范围、线性度、调制传递函数、功耗及分辨能力等。

32、不同的应光谱响应、噪声、动态范围、线性度、调制传递函数、功耗及分辨能力等。不同的应用场合，对特性参数的要求也各不相同。用场合，对特性参数的要求也各不相同。（1）转移效率）转移效率当当CCD中的电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若中的电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移一次后的电荷为转移一次后的电荷量，量，Q0为原始电荷量，则转移效率定义为：为原始电荷量，则转移效率定义为：若转移损耗定义为：若转移损耗定义为：则光信号电荷进行则光信号电荷进行N次转移后，总转移效率为：次转移后，总转移效率为：由于由于CCD中的每个电荷在传送的过程中要进行成百上千次的转移，因此要求转移中的每个电荷在传送

33、的过程中要进行成百上千次的转移，因此要求转移效率必须达到效率必须达到99.9999.999。 01QQ 1NNNQQ10传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器用来全面评价用来全面评价CCD传感器件的主要参数有转移效率、不均匀度、暗电流、响应率、传感器件的主要参数有转移效率、不均匀度、暗电流、响应率、光谱响应、噪声、动态范围、线性度、调制传递函数、功耗及分辨能力等。不同的应光谱响应、噪声、动态范围、线性度、调制传递函数、功耗及分辨能力等。不同的应用场合，对特性参数的要求也各不相同。用场合，对特性参数的要求也各不相同。（2) 分辨能力分辨能力分辨能力是图像传感器最

34、重要的特性，用调制转移函数分辨能力是图像传感器最重要的特性，用调制转移函数MTF来表征。当光强以正来表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化关系为调制转移弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化关系为调制转移函数函数MTF。一般光像的空间频率的单位用线对毫米表示（。一般光像的空间频率的单位用线对毫米表示（1个线对是两个相邻光强个线对是两个相邻光强度最大值之间的间隔），图像传感器电极的间隔用空间频率度最大值之间的间隔），图像传感器电极的间隔用空间频率f0（单元数毫米）表示，（单元数毫米）表示，通常光像的空间频率通常光像的空间频率f用用f /

35、f0归一化。例如，假设传感器上光像的最大强度间隔为归一化。例如，假设传感器上光像的最大强度间隔为传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器300m，传感器的单元间隔为，传感器的单元间隔为30m，则归一化空间频率为，则归一化空间频率为0.1。分辨能力是指其分辨。分辨能力是指其分辨图像细节的能力，主要取决于感光单元之间的距离。根据奈奎斯特采样定理，图像传图像细节的能力，主要取决于感光单元之间的距离。根据奈奎斯特采样定理，图像传感器的最高分辨率感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率等于它的空间采样频率f0 （即每毫米中的线对）的一半，即（即每毫米中的线对）的一半，即0

36、21ffm(3) 暗电流暗电流暗电流起因于热激发产生的电子暗电流起因于热激发产生的电子-空穴对，是缺陷产生的主要原因。光信号电荷的空穴对，是缺陷产生的主要原因。光信号电荷的积累时间越长，其影响就越大。同时暗电流的产生不均匀，在图像传感器中出现固定积累时间越长，其影响就越大。同时暗电流的产生不均匀，在图像传感器中出现固定图形，暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围，在大暗电流或小暗电流处，多数会出图形，暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围，在大暗电流或小暗电流处，多数会出现暗电流尖峰。暗电流与温度密切相关，温度每降低现暗电流尖峰。暗电流与温度密切相关，温度每降低10，暗电流约减小一半。对于，暗电流约减

37、小一半。对于传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器其中的每个器件，产生暗电流尖峰的缺陷总是出现在相同位置的单元上，利用信号其中的每个器件，产生暗电流尖峰的缺陷总是出现在相同位置的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存储在处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存储在PROM（可编程只读存储器）中，单独读（可编程只读存储器）中，单独读取相应单位的信号值，就能消除暗电流尖峰的影响。取相应单位的信号值，就能消除暗电流尖峰的影响。(4) 灵敏度灵敏度图像传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即图像传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间

38、、单位面积发射的电量，即式中，式中，H为光像的发射照度；为光像的发射照度；A为单位面积，为单位面积，Ns为为t时间内收集的载流子数；时间内收集的载流子数；q为电数；为电数；单位为单位为mA/W。发射量与测量值的转换关系为。发射量与测量值的转换关系为1W（2856k）=20lm。HAtqNSs传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器光从表面照射传感器时，通过多晶硅层，使蓝光的灵敏度下降。从背面照射时，器光从表面照射传感器时，通过多晶硅层，使蓝光的灵敏度下降。从背面照射时，器件的厚度必须减薄到约为件的厚度必须减薄到约为10m。另外，在图像传感器表面上加上多层涂层，使

39、之具。另外，在图像传感器表面上加上多层涂层，使之具有光学透镜一样的性能时，则更为有效。灵敏度有时用平均量子效率表示。如下图所有光学透镜一样的性能时，则更为有效。灵敏度有时用平均量子效率表示。如下图所示，设硅的吸收波长在示，设硅的吸收波长在400nm1100nm范围，平均量子效率的理论值为范围，平均量子效率的理论值为100，而，而对应的量子效率用百分比表示。对应的量子效率用百分比表示。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4 CCD图像传感器图像传感器(5) 噪声噪声噪声是图像传感器的主要参数。噪声是图像传感器的主要参数。CCD是低噪声器件，但由于其他因素产生的噪声叠是低噪声器件，但由于其他

40、因素产生的噪声叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移受到干扰。噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、加到信号电荷上，使信号电荷的转移受到干扰。噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输出噪声等。散粒噪声虽然不是主要的噪声源，但是在其他几种噪电注入噪声、信号输出噪声等。散粒噪声虽然不是主要的噪声源，但是在其他几种噪声可以采用有效措施来降低或消除的情况下，散粒噪声就决定了图像传感器的噪声极声可以采用有效措施来降低或消除的情况下，散粒噪声就决定了图像传感器的噪声极限值。在低照度、低反差的情况下应用时，更为显著。限值。在低照度、低反差的情况下应用时，更为显著。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.5

41、 线阵线阵CCD摄像系统摄像系统另外还可以利用拼接技术将多个线阵另外还可以利用拼接技术将多个线阵CCD图像传感器连接在一起，图像传感器连接在一起，组成复合线阵组成复合线阵CCD图像传感器系统，使成像系统分辨率产生突破性进展，图像传感器系统，使成像系统分辨率产生突破性进展，这个复合系统可成为遥感技术和图像处理中最主要、最先进的获取信息这个复合系统可成为遥感技术和图像处理中最主要、最先进的获取信息的工具。的工具。线阵线阵CCD摄像系统摄像系统 传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.5 线阵线阵CCD摄像系统摄像系统下图所示为一个线阵下图所示为一个线阵CCD摄像系统。图中由光学系统将图像聚集到摄

42、像系统。图中由光学系统将图像聚集到CCD光敏元上，光敏元将光强分布变成与之成正比的电荷强度分布，然光敏元上，光敏元将光强分布变成与之成正比的电荷强度分布，然后由脉冲电路按时序取样，使其变成串行的图像电信号，经放大后再将后由脉冲电路按时序取样，使其变成串行的图像电信号，经放大后再将图像信号送入图像显示器或记录器。线阵图像信号送入图像显示器或记录器。线阵CCD只能完成一维扫描（行扫只能完成一维扫描（行扫描），与之垂直的另一维扫描（帧扫描）需要用机械方法实现，所以线描），与之垂直的另一维扫描（帧扫描）需要用机械方法实现，所以线阵阵CCD摄像系统适用于航空、航天飞行器上的一维扫描，也可用于文件摄像系统

43、适用于航空、航天飞行器上的一维扫描，也可用于文件阅读或计算机的图像输入，这时文件或图像是在转鼓的带动下作匀速运阅读或计算机的图像输入，这时文件或图像是在转鼓的带动下作匀速运动，即文件或图像本身的运动可以算作一维扫描（帧扫描）。动，即文件或图像本身的运动可以算作一维扫描（帧扫描）。传感器与检测技术传感器与检测技术13.2.1 MOS线阵型固态图像传感器线阵型固态图像传感器13.2 MOS图像传感器图像传感器MOS图像传感器与图像传感器与CCD图像传感器一样也可分为线阵型和面阵型图像传感器一样也可分为线阵型和面阵型 两种。两种。下图所示是下图所示是MOS单通道线阵型固态图像传感器的结构示意图，它由

44、感光区和传单通道线阵型固态图像传感器的结构示意图，它由感光区和传输区两部分组成。感光区由一列光敏单元（光积分单元）组成，传输区由转移栅及输区两部分组成。感光区由一列光敏单元（光积分单元）组成，传输区由转移栅及一列移位寄存器组成。光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏二极管中，接通转一列移位寄存器组成。光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏二极管中，接通转移栅后，信号电荷流人传输区。传输区是遮光的，以防因光生噪声电荷干扰而导致移栅后，信号电荷流人传输区。传输区是遮光的，以防因光生噪声电荷干扰而导致图像模糊。图像模糊。MOS单通道线阵型固态图像传感器的结构单通道线阵型固态图像传感器的结构传感器与检测技

45、术传感器与检测技术13.2.1 MOS线阵型固态图像传感器线阵型固态图像传感器由光敏二极管与由光敏二极管与MOS晶体管组成的线阵型固态图像传感器的结构及其输出信号晶体管组成的线阵型固态图像传感器的结构及其输出信号如下图所示。光敏二极管将入射光转变成电信号，由如下图所示。光敏二极管将入射光转变成电信号，由MOS场效应晶体管组成选址电场效应晶体管组成选址电路，与每个光敏二极管相对应。路，与每个光敏二极管相对应。MOS场效应晶体管的栅极连接到移位寄存器的各级场效应晶体管的栅极连接到移位寄存器的各级输出端上。光敏二极管使作开关用的输出端上。光敏二极管使作开关用的MOS场效应晶体管的源极浮置，使用同衬底

46、构场效应晶体管的源极浮置，使用同衬底构成的成的PN结。从图中分析光敏二极管结。从图中分析光敏二极管D2，一旦，一旦S2接通，将在反向偏置的接通，将在反向偏置的PN结电容上结电容上充电直至电荷饱和。经过一个时钟周期后，充电直至电荷饱和。经过一个时钟周期后，S2断开，断开，D2的一端浮置。在这种状态的一端浮置。在这种状态下，若光照射不到光敏二极管下，若光照射不到光敏二极管D2上，则在下一个扫描周期中，即使上，则在下一个扫描周期中，即使S2再次接通也再次接通也没有充电电流流过，但若此时有光照射在没有充电电流流过，但若此时有光照射在PN结上，在光子的作用下将产生电子结上，在光子的作用下将产生电子-空空

47、穴对，在穴对，在D2上将有放电电流流过，上将有放电电流流过，D2中存贮的电荷将与入射光量成比例地减少。中存贮的电荷将与入射光量成比例地减少。也就是说，到下一次也就是说，到下一次S2接通为止的一个扫描周期内，失去的电荷量与入射光量成接通为止的一个扫描周期内，失去的电荷量与入射光量成传感器与检测技术传感器与检测技术13.2.1 MOS线阵型固态图像传感器线阵型固态图像传感器比例。为了弥补上述的电荷损失，在比例。为了弥补上述的电荷损失，在S2下一次接通时，将有充电电流流过，这充电下一次接通时，将有充电电流流过，这充电电流将成为正比于入射光量的视频信号。这样，光敏二极管在一个扫描周期内将入电流将成为正

48、比于入射光量的视频信号。这样，光敏二极管在一个扫描周期内将入射光积分变成视频信号。这种模式称为电荷存贮模式。射光积分变成视频信号。这种模式称为电荷存贮模式。MOS线阵型固态图像传感器的结构及其输出信号线阵型固态图像传感器的结构及其输出信号 下图所示为双通道线阵型固态图像传感器的结构和双通道结构，其总转移效率下图所示为双通道线阵型固态图像传感器的结构和双通道结构，其总转移效率比单通道型高，且比单通道型高，且MTF特性也较好。它有两个平行的配置在感光区两侧的移位寄存特性也较好。它有两个平行的配置在感光区两侧的移位寄存传感器与检测技术传感器与检测技术13.2.1 MOS线阵型固态图像传感器线阵型固态

49、图像传感器器。当光生信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移栅器。当光生信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移栅XA和和XB。信号电荷就转移到。信号电荷就转移到移位寄存器，奇数光敏单元转移到移位寄存器，奇数光敏单元转移到A寄存器，偶数光敏单元转移到寄存器，偶数光敏单元转移到B寄存器。寄存器。256单单元的器件在元的器件在5V时钟脉冲驱动下，工作频率为时钟脉冲驱动下，工作频率为10MHz时，总的转移效率可达时，总的转移效率可达95。传感器与检测技术传感器与检测技术13.2.1 MOS线阵型固态图像传感器线阵型固态图像传感器扫描电路一般用扫描电路一般用MOS移位寄存器构成，这种构造往往会混入脉冲噪声。该噪声移位

50、寄存器构成，这种构造往往会混入脉冲噪声。该噪声会在再生图像上形成固定形状的会在再生图像上形成固定形状的“噪声图像噪声图像”，采用外电路差分放大器可以消除这，采用外电路差分放大器可以消除这种噪声。另外，种噪声。另外，MOS场效应晶体管的漏区与光敏二极管的空间距离很近，当光照射场效应晶体管的漏区与光敏二极管的空间距离很近，当光照射到漏区时，衬底内也会形成光生电荷并且向各处扩散，因而会在再生图像上出现纵到漏区时，衬底内也会形成光生电荷并且向各处扩散，因而会在再生图像上出现纵线状光学拖影。当光足够强时，由于光点的扩展又会造成再生图像的弥散现象。在线状光学拖影。当光足够强时，由于光点的扩展又会造成再生图

51、像的弥散现象。在光敏二极管和光敏二极管和MOS场效应晶体管之间加一隔离层，可以防止寄生电流的扩散。场效应晶体管之间加一隔离层，可以防止寄生电流的扩散。传感器与检测技术传感器与检测技术13.2.2 CMOS有源像素图像传感器有源像素图像传感器CMOS技术可以将图像传感器阵列、驱动电路、信号处理电路、控制电路、模技术可以将图像传感器阵列、驱动电路、信号处理电路、控制电路、模拟拟-数字转换器、改进的界面完全集成在一起，能够满足低成本、高性能、高集成度、数字转换器、改进的界面完全集成在一起，能够满足低成本、高性能、高集成度、灵巧的单芯片数字成像系统的应用需要。灵巧的单芯片数字成像系统的应用需要。下图所

52、示为下图所示为CMOS图像传感器的典型结构，由光敏单元陈列、信号处理电路、图像传感器的典型结构，由光敏单元陈列、信号处理电路、定时和控制电路、译码器、计数器、门闩电路等单元构成，高级的定时和控制电路、译码器、计数器、门闩电路等单元构成，高级的CMOS图像传感图像传感器还集成有模拟器还集成有模拟-数字转换器等单元。器件采用单一的数字转换器等单元。器件采用单一的5V电源供电。光敏单元将光电源供电。光敏单元将光信号转换为电信号，经过信号处理后，以模拟或数字信号输出。器件在编程工作模信号转换为电信号，经过信号处理后，以模拟或数字信号输出。器件在编程工作模式下时，可以随机读取像元阵列中感兴趣的图像信息。起始脉冲和平行数据输出命式下时，可以随机读取像元阵列中感兴趣的图像信息。起始脉冲和平行数据输出命令限制了积分时间和窗口参数令限制了积分时间和窗口参数。传感器与检测技术传感器与检测技术13.2.2 CMOS有源像素图像传感器有源像素图像传感器CMOS图像传感器的典型结构图像传感器的典型结构 传感器与检测技术传感器与检测技术13.3 CCD器件的应用器件的应用13.3.1