光电检测技术(第五章光电成像检测器件)参考用

光电检测技术(第五章光电成像检测器件)参考用第一页，共137页。第六章：光电成像器件

光电成像器件包括非扫描成像器件与扫描成像器件。近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进行光学图像处理与图像测量已成为现代光学仪器，现代测控技术的重要发展方向。它广泛地应用于遥感、遥测技术，图形、图像测量技术和监控工程等。成为现代科学技术的重要组成部分。光电成像器件第二页，共137页。一、发展1、1934年成功地研制出光电像管，应用于室内外的广播电视摄像。它的灵敏度相当低，要达到现在图像信噪比的要求，需要不低于10000lx的照度。这就使它的应用范围受到很大的限制。2、1947年超正析像管面世，使最低照度降至2000lx3、1954年灵敏度较高的视像管投入市场。成本低，体积小，结构简单，灵敏度和分辨率都很高，但是在低照度情况严它具有相当大的惯性，使其不能适用于高速运动图像测量，不能取代超正析像管用于彩色广播电视摄像机，而主要用于电视电影；工业电视等。光电成像器件第三页，共137页。4、1965年氧化铅管成功地替代了超正析像管，广泛地应用于彩色电视摄像机。使彩色电视广播摄像机的发展产生了一个飞跃，5、1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管和硅靶管。6、1970年，美国贝尔电话实验室发表了电荷藕合器件原理，从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶段-CCD固体摄像器件的发展阶段。光电成像器件第四页，共137页。CCD体积更小，灵敏度更高，应用更灵活、更方便，它采用自扫描输出方式，排除了电子枪扫描带来的光电转换的非线性失真。CCDD摄像器件的横截面积可达到几平方毫米数量级，可将这样的摄像头送入入的胃、肠等器官内摄取图像信息，送入更小的管道、孔径中去检查故障。隐蔽起来对某一现场进行监视、监控。CCD摄像器件的响应速度更高，驱动方式更灵活，可用CCD摄像器件获取更快变化的图像。这在高速图像处理领域是非常重要的。CCD摄像器件只需要很低电压很小的功耗，这为便携式摄录像机的发展提供了条件。光电成像器件第五页，共137页。二、类型1、扫描型（又称摄像器件）通过电子束扫描或自扫描方式将被摄景物通过光学系统成像在器件光敏面上的二维图像转变为一维时序电信号输出出来。这种运载图像信息的一维时序信号成为视频信号。真空电子束扫描型光电型：光电导式和光电发射式热电型：热释电摄像管固体自扫描型：电荷耦合摄像器件光电成像器件第六页，共137页。2、扫描型（又称像管）变像管：完成光学图像光谱变换红外变像管紫外变像管

X射线变像管像增强管：图像强度的变换串联式像增强管级联式像增强管微通道板式像增强管负电子亲和势阴极摄像管光电成像器件第七页，共137页。二、光电成像器件的类型光电成像器件（成像原理）扫描型非扫描型真空电子束扫描固体自扫描：CCD光电型热电型：热释电摄像管光电发射式摄像管光电导式摄像管变像管（完成图像光谱变换）红外变像管紫外变像管X射线变像管像增强管（图像强度的变换）串联式级联式微通道板式负电子亲和势阴极常由像敏面，电子透镜＆显像面构成第八页，共137页。三、光电成像器件的基本特征1、光谱响应

光电成像器件的光谱响应取决于光电转换材料的光谱响应，其短波限有时受窗口材料吸收特性影响。外光电效应摄像管由光阴极材料决定；内光电效应的视像管由靶材料决定，CCD摄像器件由硅材料决定；热释电摄像管基于材料的热释电效应，它的光谱响应特性近似直线。光电成像器件第九页，共137页。相对灵敏度波长1231－多碱氧化物光阴极像管，属于外光电效应摄像管，光谱响应由光阴极材料决定；2－氧化铅摄像管，属于内光电效应的摄像管，光谱响应由靶材料决定；3－CCD摄像器件，光谱响应由硅材料决定；另热释电摄像管基于材料的热释电效应，光谱响应特性近似直线。第十页，共137页。2、转换特性（输出物理量/输入物理量）输入量：辐射量单位、光度量单位输出量：光度量单位参量：灵敏度(或响应度)、转换系数、亮度增益等。变像管：转换系数像增强管：亮度增益摄像器件：灵敏度输出量是电压或电流输入量是辐射量和光度量光电成像器件第十一页，共137页。变像管：转换系数C表示光通量辐通量像增强管：亮度转换增益GL来表示(lm/W)光出射度光照度无量纲亮度（cd/lm）第十二页，共137页。摄像器件：灵敏度S表示电视系统：光电导材料的γ值来表示视像管的信号电流常数视像管靶面照度γ<1，强光信号被压缩γ＝1，光信号无变化γ>1，弱光信号被提高灰度系数第十三页，共137页。3、分辨率能够分辨图像中明暗细节的能力两种方式来描述：极限分辨率：像管：每毫米线对数摄像管：水平分辨率垂直分辨率调制传递函数：输出调制度/输入调制度光电成像器件第十四页，共137页。3、分辨率（表示能够分辩图像中明暗细节的能力）极限分辨率（主观）：人眼观察分辩专门测试卡成像在靶面上且在荧光屏上显示出的最细线条数。调制传递函数（客观）：简称MTF，输出调制度与输入调制度之比。 MTF随频率增加而衰减，一般将MTF值为10％所对应的线数定为摄像管的极限分辨率。第十五页，共137页。第二节：光电成像原理与电视摄像制式一、成像原理光电成像系统由光学像系统、光电变换系统、图像分割、同步扫描和控制系统、视频信号处理系统、荧光屏显示系统等构成。光电成像器件同步扫描视频信号景物光学成像光电变换图像分割传送同步扫描视频解调图像再现摄像部分显像部分光电成像系统原理方框图第十六页，共137页。

在外界照明光照射下或自身发光的景物经成像物镜成像到光电成像器件的像敏面上形成二维光学图像。光电成像器件完成将二维光学图像转变成二维“电气”图像的工作。这里的二维电气图像由所用的光电成像器件决定，超正析像管为电子图像，视像管为电阻图像或电势图像，面阵CCD为电荷图像等。电气图像的电气量在二维空间的分布与光学图像的光强分布保持着线性对应关系。组成一幅图像的最小单元称作像素，像素单元的大小或一幅图像所含像素数决定了图像的清晰度。像素数愈多，或像素几何尺寸愈小，反映图像的细节愈强，图份愈清晰，图像质量愈高。这就是图像的分割。光电成像器件第十七页，共137页。1、图像的分割与扫描图像分割的目的是分割后的电气图像经过扫描才能输出一维时序信号。分割的方法：超正析像管利用扫描光电阴极分割像素、摄像管由电阻海颗粒分割、面阵CCD和CMOS图像传感器用光敏单元分割。扫描的方式：与图像传感器的性质有关。真空摄像管采用电子束扫描方式输出一维时序信号。具有自扫描功能的：面阵CCD采用转移脉冲方式将电荷包顺序转移出器件；CMOS图像传感器采用顺序开同行、列开关的方式完成信号输出。光电成像器件第十八页，共137页。

传统的扫描方式是基于电子束摄像管的电子束按从左到右、从上到下的扫描方式为场扫描。2、电视图像的扫描方式逐行扫描、隔行扫描，通过两种扫描方式将景物分解成一维视频信号，图像显示器将一维视频信号合成为电视图像，摄像机与图像显示器必须采用同一种扫描方式。光电成像器件第十九页，共137页。二、电视制式1、电视图像的宽高比：4：3或16：92、桢频与场频：电影画面重复频率不得低于每秒48次。电影采用每秒投影24幅画面，两副之间用遮光阀档一次。电视场采用隔行扫描，奇数场/偶数场，两场合为一桢。即场频50Hz，桢频25Hz。3、扫描行数与行桢：组成每桢图像的行数和行频。确定扫描行数，实际就是确定电子束在水平方向上的扫描速度，因为在场频一定时，行数越多，扫描速度就越快。光电成像器件第二十页，共137页。

我国现行电视制式（PAL制式），每桢画面625行，行频为15625行，行频为15625Hz。行正程52us，行逆程12us。此外还有NTSC制式和SECAM制式。光电成像器件第二十一页，共137页。第三节：真空摄像管按光敏面光电材料的光电效应分外光电效应：析像管、超正析像管、分流管、二次电子导电摄像管内光电效应：硫化锑视像管、氧化铅视像管光电成像器件第二十二页，共137页。一、氧化铅视像管结构光电导靶扫描电子枪管体1、原理当摄像管有光学图像输入时，则入射光子光电成像器件打到靶上。由于本征层占有靶厚的绝大部分，入射光子大部分被本征层吸收，产生光生载流子。且在强电场的作用下，光生载流子一旦产生，便被内电场拉开第二十三页，共137页。光电成像器件电子拉向N区，空穴被拉向P区。这样，若假定把曝光前本征型层两端加有强电场看作是电容的充电，则此刻由于光生载流子的漂移运动的结果相当于电容的放电。其结果，在一帧的时间内，在靶面上便获得了与输入图像光照分布相对应的电位分布，完成了图像变换和纪录的过程。第二十四页，共137页。2、靶结构

靶是视像管的光电转换元件。它安置在入射窗的内表面上，光学图像直接投射在靶面上。光电成像器件氧化铅光导靶是半导体异质结构靶。在入射窗的内表面首先蒸上一层极薄的SnO2透明导电膜，再蒸涂氧化铅本征型层，然后，氧化处理形成P型层。由于氧化铅与二氧化锡两者的接触面在交界面处形成n型薄层。这样就构成了NIP型异质结靶。其反偏电压主要加在本征层。第二十五页，共137页。二、其他视像管的靶结构简介图5-7为硅靶的结构示意图。左边是光的入射面，右边是电子束扫描面，靶的基体是N型单晶硅薄片。其上有大量微小的P型岛。由P型小岛与N型基底之间构成密集的光敏二极管(P—N结)阵列。并在P型岛之间的N型硅表面覆盖高绝缘的二氧化硅薄膜。另外在N型基底的外表面上形成一层极薄的N+层。在P型岛的外表面上形成一层半导体(如硫化镉)层称为电阻海。靶的总厚度约为20um。光电成像器件第二十六页，共137页。

硅靶的N+层为输出信号电极。工作时，其上加5—15v靶压。这样，硅光电二极管处于反向偏置工作状态。无光照时，反压将一直保持。当有光学图像输入时，N型硅将吸收光子产生电子空穴对。它们将在电场的作用作漂移运动。空穴通过PN结移到P岛。空穴的漂移在一帧的周期内连续进行，从而提高了P型岛的电位。其电位升高的数值正比于该点的曝光量。因此，靶面的P型岛上形成了积累的电荷图像。这时通过电子束扫描，即可得到视频信号。光电成像器件第二十七页，共137页。三、摄像管的性能参数1、光电转换特性光电成像器件曲线的斜率为管子的灰度系数γ。超正析像管在高光照时输出信号电流饱和，曲线弯曲。第二十八页，共137页。2、光谱响应光电成像器件第二十九页，共137页。3、时间响应特性光电成像器件在摄像管输入光照度突然截止后，取其第三场或第十二场衰减的输出信号电流占未截止光照时的输出信号电流的百分比值为表示摄像管滞后特性的指标。第三十页，共137页。4、输出信噪比光电成像器件输出信噪比取决于光阴极的量子噪声，靶噪声，扫描电子束噪声，二次电子倍增器以及前置放大器的噪声等。第三十一页，共137页。5、动态范围光电成像器件

其取决于摄像管的暗电流＆饱和电流。暗电流所引起的噪声决定了摄像管的最低输入照度，饱和电流决定了摄像管的最高入射照度。而最高入射照度与最低输入照度的比值为改摄像管的动态范围。第三十二页，共137页。6、图像传递特性光电成像器件

它用输出信号电流的调制度来表示。其取决于：移像区的电子光学系统的像差；靶的电荷图像像差以及扫描电子束的弥散＆滞后等因素。第三十三页，共137页。四、各种视像管主要性能比较靶类型硫化锑氧化铅硅靶硒化镉硒砷碲碲化锌镉特征低价格低惰性，低暗电流高灵敏度高灵敏度，低暗电流低惰性，低暗电流高灵敏度灵敏度低中高高中高分辨率高高一般高高高光动态好一般一般一般好一般光电转换特性0.6~0.711111惰性大小中中小中暗电流大小中小小小晕光小小小小小小用途一般广播电视工业电视工业电视广播电视工业电视第三十四页，共137页。第四节：电荷耦合器件（CCD）用电荷量来表示不同状态的动态移位寄存器，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化。实现电荷存储和传递电荷信息的固体电子器件。电荷耦合器件由美国贝尔实验室的W.S博伊尔和G.E史密斯于1969年发明。它由一组规则排列的金属-氧化物-半导体电容器阵列和输入、输出电路构成。传统的固体电子器件，信息的存在和表达方式，通常是电压或电流，而在CCD中，则是用电荷。因此CCD对信息的表达灵敏度较高。光电成像器件第三十五页，共137页。用途：固体成像、信息处理、大容量存储如：遥感、传真、摄像等CCD的基本功能：电荷的存储和电荷的转移本节要点：电荷怎样产生的？如何存储？如何转移（体内传输）？如何体外传输（检测）？CCD是一种电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。光电成像器件第三十六页，共137页。CCD的结构MOS光敏元：构成CCD的基本单元是MOS(金属—氧化物—半导体)结构。（Ｐ／Ｎ型层）电极第三十七页，共137页。MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片第三十八页，共137页。

彩色CCD显微照片（放大7000倍）第三十九页，共137页。CCD的分类：表面沟道CCD（SCCD）电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面进行转移的器件。体沟道或埋沟道CCD（BCCD）信号电荷包存储在距离半导体表面一定深度的半导体体内，并在体内沿一定方向转移的器件。光电成像器件第四十页，共137页。势阱：就是电子的势能图像类似一个波的形状，那么当电子处于波谷，就好像处在一个井里，比较稳定，很难跑出来。所以称为势阱。不单单是量子力学里有个势阱，任何形式的势只要具有这种样子，我们都可以称它为势阱，比如重力势阱。量子力学与经典物理在这里有一个小小的差别，就是量子力学里，电子具有某些概率穿过势阱跑出来，称之为隧道效应。隧道电子显微镜就是利用这个原理。光电成像器件第四十一页，共137页。CCD的基本工作原理一、电荷的存储图a：加正向偏压之前，载流子密度均匀分布。图b：加正向偏压，但UG<Uth产生耗尽区，界面上无电子产生。图c：UG>Uth，体内电子被吸引到界面上，形成一定密度的反型层，然后表面势有一定程度的下降。光电成像器件第四十二页，共137页。图5-15，表明表面势（半导体与绝缘体交面上的电势）与栅极电压近似成线性关系-空势阱的情况。光电成像器件第四十三页，共137页。

图5-16，栅极电压不变时，表面势与反型层电荷关系曲线。与图5-15不同，随着电荷密度的增大，表面势越低=>势阱越深=>电压越高。势阱越深，电荷从高势向低势流动。光电成像器件第四十四页，共137页。图5-17：MOS电容信号电荷容量公式：光电成像器件第四十五页，共137页。二、电荷耦合-CCD内部电荷的转移1、光电成像器件第四十六页，共137页。第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1μm的间隙长度是足够了。第四十七页，共137页。第四十八页，共137页。2、三相CCD

通过将一定能够规则变化的电压加到CCD各电极上去，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动，通常把CCD电极分成几组，并施加同样的时钟脉冲。如图f为三相时钟脉冲，此种CCD成为三相CCD3、CCD电极间隙必须很小，否则被电极间的势垒所间隔。4、产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构，表面态密度等因素决定。间隙长度应小于3um。5、以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD。光电成像器件第四十九页，共137页。三、电荷的注入和检测1、电荷的注入光注入和电注入2、电荷的检测（输出方式）电流输出、浮置扩散放大器输出、浮置栅放大器输出。电流输出：光电成像器件第五十页，共137页。ＣＣＤ主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。输入部分：将信号电荷引入到ＣＣＤ的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。ＣＣＤ的工作原理P-Si输入栅输入二极管输出二极管输出栅SiO2第五十一页，共137页。电荷的注入（1）光注入当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。它有可分为正面照射式＆背面照射式。其光注入电荷：材料的量子效率入射光的光子流速率光敏电压的受光面积光注入时间第五十二页，共137页。U+U+势垒P-Si背面照射式光注入第五十三页，共137页。（2）电注入：CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。电流注入法IDuINuIDN+IGФ1Ф2Ф3Ф2PID为源极，IG为栅极,而Ф2为漏极，当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为：经过Tc时间注入后，其信号电荷量为：第五十四页，共137页。IDIGФ2Ф1Ф3Ф2Ф3Ф1N+P-Si电压注入法与电流注入法类似，但输入栅极IG加与Ф2同位相的选通脉冲，在选通脉冲作用下，电荷被注入到第一个转移栅极Ф2下的势阱里，直到阱的电位与N+区的电位相等时，注入电荷才停止。往下一级转移前，由于选通脉冲的终止，IG的势垒把Ф2＆N+的势阱分开。电荷注入量与时钟脉冲频率无关。第五十五页，共137页。在ＣＣＤ栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。为了实现电荷的定向转移，在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构。一位CCD中含的MOS个数即为CCD的像数。以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD，简称为P型CCD。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。第五十六页，共137页。2、电荷的检测信号电荷在转移过程中与时钟脉冲无任何电容耦合，而在输出端需选择适当地输出电路以减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的程度。（1）电流输出：如图a。第五十七页，共137页。由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化，直流偏置的输出栅极OG用来使漏扩散＆时钟脉冲之间退耦，由于二极管反向偏置，形成一个深陷落信号电荷的势阱，转移到Ф2电极下的电荷包越过输出栅极，流入到深势阱中。UDRDRgAOGФ1Ф2放大P-Si图aN+第五十八页，共137页。OGФ1Ф2浮置扩散T1（复位管）T2（放大管）RgUDD(2)浮置扩散放大器输出：如图b.图b复位管在Ф2下的势阱未形成前，在RG端加复位脉冲，使复位管导通，把浮置扩散区剩余电荷抽走，复位到UDD，而当电荷到来时，复位管截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管栅极电位变化。第五十九页，共137页。（3）浮置栅放大器输出：如下图。浮栅T2UDDФ1Ф3Ф2Ф1Ф3Ф2Ф3T2的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接，而是与沟道上面的浮置栅相连。当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅上感应出镜像电荷，以此来控制T2的栅极电位。第六十页，共137页。四、CCD的特性参数1、转移效率＆转移损失率转移效率：一次转移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比。转移损失率：第六十一页，共137页。ε(t)Q(0)/C5MHz1MHz影响电荷转移效率的主要因素为界面态对电荷的俘获。为此，常采用“胖零”工作模式，即让“零信号”也有一定的电荷。第六十二页，共137页。2、工作频率f（1）下限：为避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须小于少数载流子的平均寿命，对于三相CCD,t为：t=T/3=1/3f,故，f>1/3ζ。（2）上限：当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间大于驱动脉冲使其转移地时间T/3,那么信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，使转移效率大大降低。故t≤T/3，即f≤1/3t。第六十三页，共137页。ε(t)驱动脉冲频率fQ(0)/C=2V5V10Vε驱动脉冲频率f实测三相多晶硅N沟道SCCD的关系曲线10MHz第六十四页，共137页。CCD的特点体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高。高速扫描，基本上不保留残象(电子束摄象管有15~20％的残象)集成度高可用于非接触精密尺寸测量系统。无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。第六十五页，共137页。CCD的特性参数像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等像素数是指CCD上感光元件的数量。44万（768*576）、100万（1024*1024）、200万（1600*1200）、600万（2832*2128）信噪比：典型值为46分贝感光范围—可见光、红外第六十六页，共137页。CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型

1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输

——表面沟道CCD(简称SCCD)。

2、电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，

——体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。ＣＣＤ的类型第六十七页，共137页。ＣＣＤ的类型线阵ＣＣＤ：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至5000位以至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。目前达到实用阶段的象元数由25万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有1／3英寸、l／2英寸、2／3英寸以至1英寸之分。第六十八页，共137页。线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低；

面阵CCD:

整幅图像；直观；价格高，体积大；面阵CCD芯片第六十九页，共137页。CCD在检测方面的应用几何量测量自动步枪激光模拟射击系统。光谱测量光谱仪输出信号测量。第七十页，共137页。五、电荷耦合摄像器件1、工作原理电荷耦合摄像器件是用于摄像或像敏的器件。简称为ICCD。它的功能是把二维光学图像信号转变为一维时序的视频信号输出。它有两大类型：线型和面型。二者都需要用光学成像系统将景物图像成在CCD的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元(MOS电容)中。然后，再转移到CCD的移位寄存器(转移电极下的势阱)中，在驱动脉冲作用下顺序地移出器件，成为视频信号。光电成像器件第七十一页，共137页。线型ICCD摄像器件：单沟道线型ICCD光电成像器件第七十二页，共137页。双沟道线型ICCD光电成像器件第七十三页，共137页。面阵ICCD帧转移面阵ICCD光电成像器件第七十四页，共137页。隔列转移型面阵ICCD光电成像器件第七十五页，共137页。线转移型面阵ICCD光电成像器件第七十六页，共137页。线阵CCD外形

第七十七页，共137页。面阵CCD

面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。

第七十八页，共137页。面阵CCD外形（续）200万和1600万像素的面阵CCD

第七十九页，共137页。面阵CCD外形（续）

第八十页，共137页。面阵CCD外形（续）

第八十一页，共137页。3、ICCD的基本特性参数（1）光电转换特性良好，光电转换因子可达到99.7%。（2）光谱响应ICCD常采用背面照射的受光方式，采用硅衬底的ICCD，其光谱响应范围为0.4~1.1um，平均量子效率为25％，绝对响应为0.1~0.2A*W-1。(3)动态范围：由势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比决定。第八十二页，共137页。（4）噪声：电荷注入噪声；电荷量变化引起的噪声（转移噪声）＆检测时产生的噪声（输出噪声）。（5）暗电流产生的主要原因：耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁；少数载流子在中性体内的扩散；来自SiO2表面（硅中缺陷＆杂质数目）引起的暗电流；Si-SiO2界面表面的晶体缺陷＆玷污等；温度，温度越高，暗电流越大。第八十三页，共137页。（6）分辨力MTFMTF2856K白炽光源单色光源频率频率600nm700nm800nm1000nm第八十四页，共137页。

线阵CCD在扫描仪中的应用

CCD图像传感器的应用第八十五页，共137页。线阵CCD在图像扫描中的应用

线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描第八十六页，共137页。线阵CCD用于字符识别第八十七页，共137页。CCD数码照相机

数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。

第八十八页，共137页。CCD用于图像记录第八十九页，共137页。数码相机的外形第九十页，共137页。三基色分离原理

CCD数码照相机的结构第九十一页，共137页。数码相机的结构解剖

（索尼F828）CCD第九十二页，共137页。CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片第九十三页，共137页。CCD数码摄像机

第九十四页，共137页。CMOS图像传感器

CMOS成像器件的原理结构

CMOS图像传感器出现于1969年,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。

本节将介绍CMOS成像器件的组成、像敏单元结构、工作流程和辅助电路，从中了解CMOS器件的结构与工作原理。第九十五页，共137页。CMOS成像器件的组成

CMOS成像器件的组成原理框图如图所示，它的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列由光电二极管阵列构成。

如图中所示的像敏单元阵列按X和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在X，Y各方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；输出信号送A/D转换器进行模数转换变成数字信号输出。第九十六页，共137页。

图像信号的输出过程可由图像传感器阵列原理图更清楚地说明。在Y方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关（图中标志的Si,j），信号将通过行开关传送到列线上，再通过X方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制，输送到放大器。

如图所示图像信号经Y方向地址译码器依次序接通每行像敏单元上的模拟开关Si,j，信号将通过行开关传送到列线上，再通过X方向地址译码器的控制，输送到放大器。由于信号经行与列开关输出，因此，可以实现逐行扫描或隔行扫描的输出方式。也可以只输出某一行或某一列的信号。第九十七页，共137页。使其按着与线阵CCD相类似的方式工作。

还可以选中所希望观测的某些点的信号输出，如图中所示的第i行、第j列的信号。在CMOS图像传感器的同一芯片中，还可以设置其他数字处理电路。例如，可以进行自动曝光处理、非均匀性补偿、白平衡处理、γ校正、黑电平控制等处理。甚至于将具有运算和可编程功能的DSP器件制作在一起形成多种功能的器件。CMOS成像器件的像敏单元结构

像敏单元结构指每个成像单元的电路结构，是CMOS图像传感器的核心组件。像敏单元结构有两种类型，即被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。第九十八页，共137页。

被动像敏单元结构只包含光电二极管和地址选通开关两部分，如图所示。其中像敏单元的图像信号的读出时序如图所示。

被动像敏单元结构的缺点是固定图案噪声（FPN）大、图像信号的信噪比较低。主动像敏单元结构是当前得到实际应用的结构。它与被动像敏单元结构的最主要区别是，在每个像敏单元都经过放大后，才通过场效应管模拟开关传输，所以固定图案噪声大为降低，图像信号的信噪比显著提高。第九十九页，共137页。主动式像敏单元结构的基本电路如图所示。从图可以看出，场效应管V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲到来时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。V2为源极跟随器，它将光电二极管的高阻抗输出信号进行电流放大。V3用做选址模拟开关，当选通脉冲到来时，V3导通，使被放大的光电信号输送到列总线上。第一百页，共137页。

实际的主动像敏单元结构形式很多，其主要差别是所用的MOS场效应管的数量或像素放大器的形式不同。按照应用MOS场效应管数量的不同，有3管、4管、5管或更多管等形式。

CMOS图像传感器的工作流程

CMOS图像传感器的功能很多，组成也很复杂。由像敏单元，行列开关，地址译码器，A/D转换器等许多部分组成较为复杂的结构。应使诸多的组成部分按一定的程序工作，以便协调各组成部分的工作。为了实施工作流程，还要设置时序脉冲，利用它的时序关系去控制各部分的运行次序；并用它的电平或前后沿去适应各组成部分的电气性能。

图所示为上述过程的时序图，其中，复位脉冲首先来到，V1导通，光电二极管复位；复位脉冲消失后，光电二极管进行积分；积分结束时，V3管导通，信号输出。

第一百零一页，共137页。CMOS图像传感器的典型工作流程图如图8-20所示。（1）初始化初始化时要确定器件的工作模式，如：输出偏压、放大器的增益、取景器是否开通，并设定积分时间。（2）帧读出（YR）移位寄存器初始化利用同步脉冲SYNC-YR，可以使YR移位寄存器初始化。SYNC-YR为行启动脉冲序列，不过在它的第一行启动脉冲到来之前，有一消隐期间，在此期间内要发送一个帧启动脉冲。

第一百零二页，共137页。（3）启动行读出

SYNC-YR指令可以启动行读出，从第一行（Y﹦0）开始，直至Y﹦Ymax止；Ymax等于行的像敏单元减去积分时间所占去的像敏单元。（4）启动X移位寄存器利用同步信号SYNC-X，启动X移位寄存器开始读数，从X﹦0起，至X﹦Xmax止；X移位寄存器存一幅图像信号。（5）信号采集

A/D转换器对一幅图像信号进行A/D数据采集。（6）启动下行读数读完一行后，发出指令，接着进行下一行读数。（7）复位帧复位是用同步信号SYNC-YL控制的，从SYNC-YL开始至第一百零三页，共137页。SYNC-YR出现的时间间隔便是曝光时间。为了不引起混乱，在读出信号之前应当确定曝光时间。（8）输出放大器复位用于消除前一个像敏单元信号的影响，由脉冲信号SIN控制对输出放大器的复位。（9）信号采样/保持为适应A/D转换器的工作，设置采样/保持脉冲，该脉冲由脉冲信号SHY控制。

图为CMOS图像传感器时序脉冲波形图，它的工作过程如下。

第一百零四页，共137页。①3个同步脉冲SYNC-YL，SYNC-YR和SYNC-X分别对器件中的3个移位寄存器进行初始化。其中SYNC-YL、SYNC-YR为分时操作的，由L/R信号的高、低电平控制。这些同步信号都是低电平有效。②时钟信号CLCK-Y用于启动下一行，该信号为下降沿有效。③时钟信号SIN用于使输出放大器复位，它是高电平有效的，在读数结束时起作用，将输出放大器复位。④复位以后，信号存储在输出放大器中，而后，SIN又重新回到低电平。⑤利用第一个复位脉冲使像敏单元复位。⑥SYNC-X启动，读出信号与时钟信号分别控制每个像敏单元信号的读出；读出结束后，SHY重新回到高电平。⑦时钟信号SHY控制信号的采样与保持，此信号为低电平时对信号进行采集。

第一百零五页，共137页。⑧若要进行曝光控制，则需要在行信号读出期间对像敏单元进行复位，采用第二个复位脉冲，帧初始至第二个复位脉冲的时间间隔便是曝光时间（光积分时间）。

CMOS成像器件的辅助电路

CMOS成像器件的重要优点是，在同一芯片可以集成很多电路，使得这种器件的功能多，但结构却很简单。

（1）偏置非均匀性校正电路在CMOS成像器件中，各像敏单元的偏置电压是不均匀的，可以在芯片中设置非均匀性校正电路进行校正，这对于弱信号场合特别有意义。例如，具有对数输出特性的器件，输出的每一数量级的电压仅为50mV左右，这与像敏单元的偏置非均匀在同一范围内，所以必须对其进行校正；而对于线性度要求高的场合，也要求校正非均匀性。第一百零六页，共137页。图8-22所示为采用硬件方法校正非均匀性的电路。

设置了EPROM，在其中存了CMOS图像传感器的偏压非均匀性数据，它经过D/A转换后输送到差分放大器中。图像传感器的输出信号减去EPROM中存储的信号，便消除了像敏单元偏置信号非均匀的影响。第一百零七页，共137页。（2）随机选址电路在光学检测、机器人等许多应用中，都可能只需要采集部分图像数据，以节省时间和减少数据处理量，因而要求能够对图像进行随机采样。例如，成像器件的像素为1024×1024，而有用图像仅仅是其中随机分布的200×200小区，若能随机采样出该小区图像，则有效数据量就只有总数据量的1/25，而帧频却可提高至25倍。可见此方法意义重大。

随机采样方法的原理如图所示。其中的微处理器用于控制随机采样，它内部包含有存储器，用于储存成像器件的地址和输出的图像数据；设有3个加法器，其中两个用于混合选址信号，一个用于启动A/D，用地址总线或微处理器来控制选址和读出数据。第一百零八页，共137页。（3）相关双采样电路

KTC噪声是一种频率较低的噪声，它在一个像敏单元信号的读出过程中变化很小。消除KTC噪声的常用方法是相关双采样（CDS）。它的工作原理如图所示，由于光电二极管的输出信号中既包含光电信号，也包含有复位脉冲电压信号，若在光电信号的积分开始t1时刻和积分结束t2时刻，分别对输出信号进行采样，并只提取二者的信号差且在t1~t2期间复位电压不变，式中不再包含复位电压，即消除了复位引起的噪声。第一百零九页，共137页。下面给出这种电路的频率特性，以便清晰地表明CDS有抑制低频信号的作用。U（t）被采样和保持后，其差值信号为

式中，、T为采样信号的周期。对U（t）进行傅里叶（Fourier）变换，即得的频谱为

式中，fn是奈奎斯特频率。上式说明，几项频谱叠加的结果会造成频谱混淆现象，需要用一个矩形滤波器将n=1以上的频谱滤掉。这样CDS的传递函数T（f）便为第一百一十页，共137页。T（f）的曲线如图所示，可见CDS对低频适用。在τ期间内，复位信号基本上不变，可作为直流信号。因此，将被CDS消除掉。另外，对于其他低频噪声，如1/f噪声，也有抑制作用。

（4）对数特性的电路

当信号光强变化很大时，可以采用具有对数特性的电路，以便满足动态范围的要求。但是这种结构对器件参数的变化很敏感，会因各像敏单元的偏置电流不同而增减固定图案噪声（EPN）。为了清除这种EPN，需要采用校正电路。

如图所示为一种具有对数运算功能的输出电路，它除具有一般主动像敏单元结构外，还增加有校正电流电路与选通开关电路。

第一百一十一页，共137页。8.3CMOS图像传感器的特性参数

CMOS图像传感器的特性参数与CCD的特性参数基本趋于一致；近年来，CMOS成像器件取得重大进展，已接近于CCD。1．光谱性能与量子效率

CMOS成像器件的光谱性能和量子效率取决于它的像敏单元（光电二极管）。图所示为CMOS图像传感器的光谱响应特性曲线。光谱范围为350～1100nm，峰值响应波长在700nm附近，峰值波长响应度已达到0.4A/W。第一百一十二页，共137页。2．填充因子

填充因子是光敏面积对全部像敏面积之比，它对器件的灵敏度、噪声、时间响应、模传递函数MTF等的影响很大。因为CMOS图像传感器包含有驱动、放大和处理电路，它将占据一定的表面面积，因而降低了器件的填充因子。被动像元结构的器件具有的附加电路少，填充因子会大些；大面积的图像传感器结构，光敏面积所占比例大一些。提高填充因子使光敏面积占据更大的表面面积是充分利用半导体制造大光敏面图像传感器的关键。一般来说，提高填充因子的方法有以下两种。（1）采用微透镜法

如图所示，CMOS成像器件的上方安装一层矩形的面阵微透镜，它将入射到像敏单元的光线会聚到各个面积很小的光敏单元，使填充因子能提高到90%。第一百一十三页，共137页。（2）采用特殊的像元结构

图所示为一种填充因子较高的CMOS像敏单元结构，它的表面为光电二极管和其他电路，二者是隔离的。在光电二极管的N+区下面增加了N区，用于接收扩散的光电子；而在N+的下面设置P+静电阻挡层，用于阻挡光电子进入其他电路。

图所示为像元两个截面的电位分布图。两个截面电位分布的差别主要在A截面的P+区和第一百一十四页，共137页。B截面对应的N区，前者的电位很低，将阻挡光电子进入，而后者的电位很高，对光电子有吸引作用。

在种结构的像元上，表层光电二极管、电路及其阻挡层均很薄，且透明，入射光透过后到达外延的光敏层，所产生的光电子几乎可以全部扩散到光电二极管中。尽管光电二极管表面积不大，但收集光的面积却为整个像元的表面积，因此，等效填充因子接近100%。3．输出特性与动态范围

CMOS器件有4种输出模式：线性模式、双斜率模式、对数特性模式和γ校正模式。它们的动态范围相差很大，特性也有较大的区别。图所示为4种输出模式的曲线。第一百一十五页，共137页。（1）线性输出模式线性输出模式的输出与光强成正比，适用于要求进行连续测量的场合。它的动态范围最小，而且在线性范围的最高端信噪比最大。在小信号时，因噪声的影响增大，信噪比很低。（2）双斜率输出模式

双斜率输出模式是一种扩大动态范围的方法。它采用两种曝光时间，当信号很弱时采用长时间曝光，输出信号曲线的斜率很大；而当信号很强后，用短时间曝光，曲线斜率便会降低，从而扩大动态范围。为了改善输出的平滑性，采用多种曝光时间模式，使输出曲线是由多段直线拟合而成，会平滑得多。（3）对数输出模式

对数输出模式的动态范围更大，可达几个数量级，无需对相机的曝光时间进行控制，也无需对镜头的光圈进行调节。此外，在CMOS器件中，很容易设计出具有对数响应的电路。另外，因为人眼对光的响应也接近对数关系，故，该模式具有良好的使用性能。第一百一十六页，共137页。（4）γ校正模式

γ校正模式的输出规律如下：式中，U为信号输出电压，E是输入光强，k为常数，而γ为校正因子。γ为小于1的系数，显然，它也使输出信号的增长速度逐渐减缓。4．噪声

CMOS图像传感器的噪声来源于光电二极管、放大器用的场效应管以及行、列选择等开关场效应管。这些噪声既有相似之处也有很大差别。5.空间传递函数

利用像素尺寸b和像素间隔S等参数，很容易推导出CMOS成像器件的理论空间传递函数，即第一百一十七页，共137页。式中，f是空间频率。T（f）=0的空间频率称为奈奎斯特（Nyquis）频率fN。从上式中可求得上式的曲线如图所示。由于CMOS成像器件中存在空间噪声和窜音，它实际的空间传递函数要降低些。6．CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较

这两种器件都采用硅（Si）材料制造，它们的光谱响应特性和量子效率等基本相同；二者的像敏单元尺寸和电荷的存储容量也相近。但是，由于二者的结构和工艺方法不同，二者的其他性能也有所差别。这两种图像传感器的性能差别如表所示。第一百一十八页，共137页。参数CMOS成像器件CCD1填充率接近100%

2暗电流（PA/M2）10~100103噪声电子数≤20≤504FPN（%）可在逻辑电路中校正＜15DRNU（%）＜101~106工艺难度小大7光探测技术

可优化8像元放大器有无9信号输出行、列开关控制，可随机采样CCD为逐个像元输出，只能按规定的程序输出10ADC在同一芯片中可设置ADC只能在器件外部设置ADC11逻辑电路芯片内可设置若干逻辑电路只能在器件外设置12接口电路芯片内可以设有接口电路只能在器件外设置13驱动电路同一芯片内设有驱动电路只能在器件外设置，很复杂表CMOS与CCD图像传感器的性能比较

上表说明，CMOS成像器件的功能多，工艺方法简单，成像质量也与CCD接近。因此，CMOS将获得愈来愈广泛的应用。第一百一十九页，共137页。CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，CMOS的各项技术指标有望超过CCD，它在图像传感器中的应用也将日趋广泛。