第四章光电成像系统5.固体摄像器件

第五章光电成象系统本章内容：§5.1固体摄像器件

§5.2光电成像原理

§5.3～§5.5红外成像

§5.6微光像增强器件

§5.7纤维光学成象器件本章要求：1了解光电成像系统结构，明确光电成

像器件在其中的作用;2掌握CCD固体摄像器件结构和工作原

理（线阵、面阵）.成像器件成像器件光电成像器件是光电成像系统的核心。光电成像系统的结构

:

光(强,可见)物体(信号源)传输介质光学系统(信号分析器)摄像器件(信号变换器)显示器人眼光源光信号光信号光信号噪声噪声噪声噪声像管(增像管,变像管)

光纤成像器件

电信号光光(弱,不可见)(强,可见)光信号摄像器件的功能：

把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号——视频信号。而视频信号经显示器件能再现入射的光辐射图像。摄像器件真空摄像器件(如视象管)固体摄像器件电荷耦合器件（CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（CMOS）电荷注入器件（CID）一、电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件的基本单元是CCD（ChargeCoupledDevice）。CCD是以电荷作为信号,具有光电转换、信号存储和信号传输（自扫描）的功能，在图象传感，信息处理和信息存贮等方面应用广泛，因而发展非常迅速。面阵CCD线阵CCD

1CCD单元结构：由多个像素组成线阵或面阵,金属栅极是分立的，氧化物与半导体是连续的。PMOS结构单元－像素（1）电荷产生

入射光（图象）照在感光面上，由于光电效应，产生与入射光强度对应的电荷分布（在时间和空间的分布均与光强对应），这就是光学图象变成电荷图象的过程。

2CCD的基本原理：（2）电荷存储CCD的存储单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器。基本名词：势阱

势阱

施加正电压

空穴耗尽区电子的“陷阱”

基本名词：势阱栅极正向电压增加时，势阱变深。－－改变UG，调节势阱深度存储原理:

在金属电极(栅极)加电压

VG>0（P型衬底Si接地），

SiO2-Si界面的电势增加，

电子在该处的电势能较低，形象地说，在表面处形成了电子的势阱，可用来存储电子。。

VG越大，表面势越高，电子势阱越深，能容纳的电子就越多。

（3）电荷转移以三相表面沟道CCD为例（P163）

在t1时刻，1高电位，2、3低电位。1电极的势阱最深，电荷被存储其中。在t2时刻，1、2高电位，3低电位．1、2两个势阱的空阱深度相同，电荷从1向2转移。在t3时刻，2仍为高电位，3仍为低电位，而1由高变低。1势阱变浅，剩余电荷继续向2势阱转移。在t4时刻，2仍为高电位，3仍为低电位，1完全变成低电位。2下面的势阱最深，信号电荷全部转移到2下面的势阱中。电荷转移示意图

基本思想：－－调节势阱深度－－利用势阱耦合势阱耦合规律:当1完全变成低电位时，电荷包向右移至2(高电位)当2完全变成低电位时，电荷包向右移至3(高电位)当3完全变成低电位时,电荷包向右移至下一位的1(高电位)三相时钟脉冲依次延迟，电荷包不断前移，一个时钟周期T电荷移动三个电极（称为一位）——工作过程相当于一个位移寄存器。电荷转移动态示意图三相时钟脉冲电压按组（相）加到CCD各电极上

多采用“浮置扩散输出”结构：包括输出栅OG、浮置扩散区FD、复位栅R、复位漏RD、输出场效应管T.“浮置扩散”是P型衬底上扩散出一小块的N+区，当扩散区不被偏置，即处于浮置工作状态（即具有一定浮置电位）。（4）电荷检测R

VOG为一定值的正电压，在OG电扳下形成耗尽层，使3与FD之间建立导电N沟道。VRD为正十几伏的直流偏置电压，所以在RD的下面存在较深的势阱。在t1时刻，3为高电位，电荷包存储在3电极下面。电荷包的输出过程如下:

R在t2时刻，复位栅R加正复位脉冲R，使FD区与RD区沟通，因RD的下面存在较深的势阱，则FD区的电荷被RD区抽走。在t3时刻，复位正脉冲过去,FD区与RD区呈夹断状态，FD区具有一定的浮置电位。R

在t4~t5时刻，3转变为低电位，3下面的电荷包通过OG下的沟道转移到FD区。

FD区(即A点)的电位变化量为：VA=QFD/C，

QFD是信号电荷包的大小，C是与FD区有关的总电容(包括输出管T的输入电容、分布电容等)。

R3每变化一周期，电荷包就输出一个，A点的电位就变化一次，从负载上就获得一个电压脉冲输出。CCD输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度T；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。R3电荷耦合摄像器件的工作原理（1）线阵CCD摄像器件线阵CCD适用于逐行图像信息的摄取,如扫描仪,光谱测量、工件尺寸的自动检测,物体轮廓的动态测量等。按结构——线阵CCD、面阵CCD。按光谱——可见光CCD、红外CCD、X光CCD、紫外CCD黑白CCD、彩色CCD和微光CCD

移位寄存器与感光单元并行排列，两者间通过转移栅连接。转移栅是用来控制光敏元势阱中的信号电荷向移位寄存器转移。

（a）单沟道传输结构线阵CCD可分为单沟道传输与双沟道传输两种结构。爆光栅极VG转移栅VD

123滤波放大单沟道线阵CCD移位寄存器光图象MOS电容（b）双沟道传输结构

位移寄存器按奇、偶序号分别排在感光单元两侧。两侧均有转移栅把转移寄存器与感光单元连接起来。双沟道CCD的光敏元件的尺寸可以比单沟道CCD的小一半，所以双沟道CCD的空间分辨率比单沟道高一倍.双沟道线阵CCDVGVD123滤波放大VD123延时线阵CCD器件工作过程：(以两相单沟道线阵CCD为例)(1)N个光敏单元始终进行光积分;

转移栅VD=高电平时，1=高电平，光敏区和1下的势阱接通，N个光信号电荷包并行转移到所对应的那位CCD中。爆光栅极VG转移栅VD12滤波放大移位寄存器光图象(2)转移栅VD=低电平，将光敏区和1电极下的势阱隔断，进行下一行积分;N个电荷包在时钟脉冲的驱动下沿着CCD串行传输，每一个1周期，各信号电荷包向输出端方向转移一位，N个驱动周期后，一行的N个信号电荷包全部读完。得一行的输出信号。爆光栅极VG转移栅VD12滤波放大移位寄存器光图象(3)转移栅VD=高电平，将光敏区N个信号电荷包并行转移到CCD中，开始新一行信号传输和读取，周而复始。爆光栅极VG转移栅VD12滤波放大移位寄存器光图象

行间传输结构CCD中，光敏CCD列与暂存CCD列交替排列，一列光敏元和一列暂存CCD夹一个垂直转移栅(未画出)，组成一组。多个组水平排列，组间由高阻沟道隔开。垂直CCD和水平CCD间也夹一个水平转移栅(未画出)。

(a)行间传输结构CCD（2）面阵CCD摄像器件

面阵CCD为二维成像器件。常见的面阵CCD摄像器件有两种：行间转移结构与帧转移结构。行间传输工作过程：②曝光结束后，垂直转移栅加电压,光敏CCD中电荷包并列转移到各垂直CCD①光敏栅加电压,光敏列CCD曝光,形成二维电荷图象③开始新的曝光，同时，水

平转移栅加压，将垂直CCD

中的电荷包逐行转移进入水平CCD。④水平输出CCD以高频率输出各行信号,当把垂直CCD中所有电荷包输出后,结束CCD曝光,返回②,不断重复.应用：电荷转移时间短，图像串扰小，可用于高速图象摄取，如电视图像摄取。（b）帧传输结构帧传输结构分为三部分:光敏区、暂存区和水平读出区。两相帧传输结构CCD(遮光区)②光敏区和暂存区相同频

率的脉冲驱动下，电荷包并行地从光敏区全部移入移进暂存区中。帧传输工作过程：①光敏栅加电压,光敏区CCD曝光，形成二维电荷图象。③

开始新的曝光。同时，行输出栅加电压，控制暂存区中的电荷逐行输出到水平行CCD.④水平行CCD以较高的频率顺序把各行电荷包输出到放大器，当把暂存区中所有电荷包输出后,结束光敏区CCD曝光,返回②,不断重复.(遮光区)应用：帧转移时间较长，信号串扰较严重。只用于慢变化图象摄取，如工业电视。

是传统的彩色摄像方式，用分色棱镜将入射光分成红(R)绿(G)蓝(B)三基色。然后由配置在后面的CCD器件转换为电信号。三片式CCD成像质量好，主要用于电视台等高质量的摄像机。

目前主要有三片式和单片式两种.

（3）彩色CCD摄像器件采用先分色，再合成的办法，实现彩色摄像。

三片式彩色

CCD:拜尔(Bayer)滤色器：奇数场只有R、G信号，而偶数场有G、B信号，重现的彩色图像会引起黄、蓝闪烁。单片式彩色CCD:结构简单、价格较低，是目前工业、家用摄像机中占统治地位的彩色摄像器件。单片式彩色CCD的关键是滤色器阵列。

滤色单元与CCD光敏单元对应.行间排列滤色器:

红、绿、蓝色在各行都有。二、电荷耦合摄像器件的特性参数1.转移效率

电荷量为Q0的电荷包

，经过n个MOS电容(n次转移)后的输出电荷量为Qn,总效率为：

为电荷包从一个栅转移到下一个栅时的转移百分比.

爆光栅极VG转移栅VD12滤波放大移位寄存器光图象为电荷包转移百分比.

如:二相1024位器件，当=0.999时，总效率

总效率太低时，CCD就失去了实用价值。一定的值，限定了器件的最长位数。爆光栅极VG转移栅VD12滤波放大移位寄存器光图象2.不均匀度

包括光敏元的不均匀与CCD的不均匀，是由于工艺过程及材料不均匀引起，越是大规模的器件，均匀性问题越是突出，这往往是成品率下降的重要原因。3.暗电流CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流。暗电流的起因在于耗尽区的热激发。4.灵敏度（响应度）

指在一定光谱范围内，单位曝光量引起的输出信号电压（或电流）。单位为V/(J/m2)注：曝光量是指光强与光照时间之积，单位为[w/m2]s=J/m25.光谱响应CCD的光谱响应是指等能量相对光谱响应S（峰值波长max处S=100%，两侧截止波长处S=10%，两截止波长之差称光谱响应范围），与光敏元的材料有关。

线性度:

指在动态范围内，输出信号与曝光量的关系是否成直线关系。通常在弱信号及接近满阱信号时，线性比较差，在动态范围的中间区域，则为是直线关系。

7.动态范围与线性度

动态范围＝

6.噪声CCD的噪