图像传感与检测

图像传感与检测图像传感器的发展图像传感器的基本概念CCD图像传感器6.16.26.3CMOS图像传感器图像传感器应用实例6.46.56.1图像传感器的发展图像检测的基础是图像传感器。图像传感器的目的是将所拍摄的图像转换为电信号。最早提出图像传感器的设计时，晶体管类固态元件尚未出现，电信号的放大是通过真空管来完成的。1933年，美国物理学家兹沃里金(V.K.Zworykin)发明了光电摄像管。光电摄像管的基本构造如图6.1.1所示，其中，在真空管中放置了一块云母板，云母板表面涂覆具有光电效应的铯(Cs)。光线经镜头后在云母板上成像，由光电效应所产生的电荷经从灯丝放出的电子束扫描而成为输出信号电流。在此之后，移像正析摄像管、光导摄像管、硒砷碲摄像管、雪崩倍增靶摄像管等改良感光度的摄像管相继被发明，用于产生电视图像。图6.1.1光电摄像管的基本构造6.1图像传感器的发展到了晶体管发明10年之后，固态图像传感器(固态图像元件)在集成多数晶体管的集成电路出现后才得以诞生。用于晶体管或集成电路的硅等半导体具有将所接收到的光转换为电的性质，但如何正确而有效地获取产生的电信号，则是图像传感器固态化的最大问题。6.1图像传感器的发展最早出现的可以产生图像、像素平面排列的固态图像传感器，具有与目前的电荷耦合元件(chargecoupleddevice，CCD)不同的构造。例如，由M.A.Schuster与G.Strull于1966年将光敏晶体管按平面排列而得的图像传感器；P.K.Wiener等在1967年提出将光电二极管以平面矩阵方式排列，通过扫描脉冲和MOS晶体管，按XY地址的方式读取信号，即MOS型图像传感器的原型。该方法虽然得到了实用化，但在与CCD的开发竞争中失败，目前已经不用。6.1图像传感器的发展

1969年，贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith发明了CCD。由于CCD具有存储信号电荷后进行传输的功能，因此可广泛应用于内存、显示器、延迟元件等。用于天文摄像及某些专业级摄像机的帧转移CCD(frametransferCCD，FT-CCD)图像传感器也由贝尔实验室于1971年公开。6.1图像传感器的发展与CCD同年问世的戽链器件(bucketbrigadedevice，BBD)具有与CCD相同的功能，基于BBD的图像传感器也于1970年公开。尽管BBD与CCD的功能相同，但BBD就原理而言，信号电荷的传输并不完全，导致信号严重劣化，不适于图像传感器的应用。自CCD发明以来，为使其实用化，开发人员进行了众多研究。早期的研究主要针对FT-CCD方式进行。此外，决定图像传感器感光度的电荷检测技术中的FD(floatingdiffusion)构造，以及目前使用最为广泛的行间转移CCD(interline-transferCCD，IT-CCD)构造等，也相对较早地公开了原理。6.1图像传感器的发展在信号处理技术的相关方面，M.H.White在1974年开发出抑制CCD图像传感器信号中的噪声的相关双采样(correlateddoublesampling，CDS)电路；越智成之发明了对应于电视机隔行扫描方式的场读出方式；可以明显减少图像噪声的掩埋型光电二极管，以及有助于减小像素尺寸和实现电子快门的垂直溢出构造光电二极管，也是CCD实用化之前的重要研究成果。1983年提出的片上微镜头可以弥补像素尺寸减小时感光度的下降，促进了摄影机的小型化与普及。6.1图像传感器的发展除CCD图像传感器外，还提出了基于XY地址方式的MOS型图像传感器、电荷注入器件(chargeinjectiondevice，CID)、电荷引发器件(chargeprimingdevice，CPD)及属于CCD一类的电荷扫描器件(chargesweepdevice，CSD)等。但尽管提出了各式各样的图像传感器，真正实现实用化且应用于照相机则是在CCD发明10余年后，而且真正实用化了的图像传感器也只有MOS型图像传感器与CCD图像传感器而已。使用MOS型图像传感器的摄影机于1981年实现实用化，而CCD图像传感器产品紧随其后，在1982年登场。先出现的MOS型图像传感器尽管具有信号动态范围广的特点，但噪声多，感光度低。随着图像传感器小型化与高性能化的趋势，以及摄影机的普及，MOS型图像传感器在与感光度高、画质优良的CCD图像传感器的竞争中败北，并最终撤出市场。CCD图像传感器的时代最终来临。6.1图像传感器的发展

CCD图像传感器正式实用化后，仍不断有各种技术被提出以用于提高画质、拓展画幅大小等方面。例如，在1986年开发的电子快门几乎用于所有的CCD图像传感器，缺少了此项技术，摄影机的快门速度就几乎无法控制。1990年开发的电子式手震校正技术，能够帮助拍摄出专业级的稳定图像。1993年出现的适用于静态图像的全像素读出方式，虽然最早的目的是提高摄影机的分辨率，但当数码照相机开始实用化后，却更适用于数码相机，促进了数码相机的普及。从20世纪80年代后半期开始，CCD图像传感器开始了高分辨率化的发展过程，而随着1995年数码相机的出现，开始了静态图像用的CCD的研制，而CCD图像传感器分辨率的竞赛也随之展开。不过，直到进入21世纪后，像素尺寸才终于降到了3μm的水平。6.1图像传感器的发展另一类主要的图像传感器——互补金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor，CMOS)图像传感器的诞生，一般认为是1990年出现的ASICImageSensor，它使用CMOSLSI制造工艺。不过不同于如今主流的主动像素传感器(activepixel-sensor，APS)，即像素单元具有信号电荷放大功能的图像传感器，ASICImageSensor是被动像素传感器(passivepixelsensor，PPS)，即它的像素不具有信号放大功能。虽然以光电二极管或MOS晶体管构成的APS分别早在1968年与1969年就已出现，但本质上符合CMOS制造工艺的APS图像传感器直至1993年才正式公开。而直到2002年出现的VMIS，不仅以CMOSLSI制造工艺为基础，而且具有像素小型化的可能性，才使得CMOS图像传感器广受瞩目。6.1图像传感器的发展

CMOS图像传感器技术的研究主要集中于提高画质，以尽可能接近高画质的CCD图像传感器。由于CMOS图像传感器本身的工作原理，其固定模式噪声(fixedpatternnoise，FPN)较大，因此CMOS研究的一个主要部分就是对其电路进行改进，以抑制因像素放大功能导致的FPN。目前，FPN的问题基本已经得到解决，研究重心转移到实现高画质的制造工艺技术开发。6.1图像传感器的发展利用CMOSLSI制造工艺，近年来已开发出了具有片上系统(system-on-chip，SoC)、功能各异的图像传感器，包括以单芯片完成数字照相机功能的片上照相机(camera-on-a-chip)与人工视网膜芯片等。由于CMOS图像传感器集成度高，因此尺寸小，价格较低，功耗较低，同时画质也不断提高，因而目前CMOS图像传感器已经占据了包括数字照相机与摄影机、手机摄影头、网络视频会议系统等典型应用在内的大部分低端市场。但在高性能科学级摄影应用如天文摄影、卫星成像、高分辨率数字照片、大部分科学与医学摄像等高端应用领域，CCD仍然因其高画质与高灵活性而占据主导地位。CMOS图像传感器与CCD图像传感器之间的竞争在可预见的将来仍将继续。6.1图像传感器的发展6.2图像传感器的基本概念图像传感器成像的原理与一般的摄影成像类似，从某种意义上而言更接近于人眼的成像。来自被摄对象的光线经镜头(水晶体)与光圈(虹膜)，在胶卷(视网膜)或图像传感器的摄影面上成像。对于一般的照相机而言，成像是通过光的化学效应完成的；对于图像传感器而言，成像过程利用了光电效应，输出的电信号反映了对应的光的强弱；而人眼中的视网膜细胞在光线的刺激下产生生物电信号，并经视神经输出至大脑处理。图6.2.1图像传感器的成像过程6.2图像传感器的基本概念受光1.6.2图像传感器的基本概念信号的读取2.6.2图像传感器的基本概念图6.2.2信号的读取方式6.2图像传感器的基本概念实际中图像传感器信号的读取都是通过扫描的方式完成。例如，如图6.2.3所示的摄像管信号的读取，是通过真空中由电子枪发出的电子束，经电磁场控制下的偏向，逐行扫过摄影面，并使得扫过位置的信号电荷形成信号电流输出；而CCD图像传感器的扫描则是利用电子可沿CCD的半导体表面移动的特性，通过若干垂直与水平CCD来完成的。图6.2.3摄像管信号的读取6.2图像传感器的基本概念6.3CCD图像传感器电荷存储1.

CCD的基本工作原理6.3.1构成CCD的基本单元是金属氧化物-半导体(MOS)结构。如图6.3.1所示，当栅极G上未施加电压UG时，P型半导体中的空穴(P型半导体的多数载流子)呈均匀分布。当在栅极上施加一个不超过P型半导体阈值电压Uth的正电压UG时，P型半导体中的空穴将开始被排斥，并在半导体中产生如图6.3.1(b)所示的耗尽区。随着UG继续增加，耗尽区将继续向内延伸。当UG大于Uth后，耗尽区深度与UG成正比。若将半导体与氧化物绝缘体界面上的电势记为表面势ΦS，则ΦS将随UG的增加而增加。图6.3.1CCD栅极电压对耗尽层的影响6.3CCD图像传感器如图6.3.2所示为半导体掺杂浓度为1021cm-3，氧化层厚度分别为0.1μm、0.3μm、0.4μm和0.6μm时，不存在反型层电荷的情况下ΦS与UG的关系曲线。由图6.3.2可见，氧化层越薄，曲线的直线性越好，在同样的栅极电压UG的作用下，表面势ΦS也越高，即耗尽层越深。图6.3.2表面势与栅极电压的关系6.3CCD图像传感器当半导体中存在作为信号电荷的电子时，由于正的表面势ΦS对于电子而言是势能最低点，形成了电子的势阱，因此电子将被加有正栅极电压UG的栅极吸引并停留在半导体与氧化物绝缘体的界面上，形成半导体表面的反型层。当栅极电压UG不变时，表面势ΦS与反型层电荷密度Qinv之间的关系如图6.3.3所示，可见ΦS随Qinv的增加而线性减小。图6.3.3表面势ΦS与反型层电荷密度Qinv之间的关系6.3CCD图像传感器因此，当正栅极电压UG造成的势阱中没有信号电荷积累时，ΦS最高，势阱的深度最深；随着信号电荷积累，反型层形成，且其中的电荷不断增加，ΦS随之降低，即势阱被逐渐填充；当反型层电荷足够多时，ΦS将下降到一个最小值，此时ΦS将不再能够束缚更多的信号电荷，即势阱被填满，信号电荷将发生溢出。该过程如图6.3.4所示。图6.3.3表面势ΦS与反型层电荷密度Qinv之间的关系6.3CCD图像传感器由上可见，表面势ΦS可作为势阱深度的量度。表面势与栅极电压和氧化层厚度有关，即与MOS电容的容量Cox和栅极电压UG的乘积有关。势阱的横截面积取决于金属栅极的面积，而MOS电容中能够存储的信号电荷的容量为Q=CoxUG(6.3.1)6.3CCD图像传感器耦合电容2.当相邻的MOS电容彼此足够接近时，各自的栅极电压所造成的势阱将合并为一，而势阱中存储的信号电荷也将变为联合势阱中的共有电荷而为两个MOS电容器所共有，即发生了信号电荷的耦合。利用电荷耦合，可使信号电荷发生转移。6.3CCD图像传感器图6.3.5三相CCD的电荷转移6.3CCD图像传感器如图6.3.5(a)所示，在开始时刻，栅极电压为10V的电极①下的深势阱中存储了一定量的信号电荷，而其他电极上施加的电压均不超过阈值电压；到t1时刻时，电极②的栅极电压也变为10V，从而在电极②下也形成势阱。由于电极①与电极②足够接近，因此它们的势阱将合并在一起，而原来存储在电极①势阱中的信号电荷也会重新分布成为电极①与电极②的联合势阱所共有，如图6.3.5(b)和图6.3.5(c)所示；到t2时刻时，电极①的栅极电压被置为2V，其下的势阱也随之消失，信号电荷因而全部转移到电极②下面的深势阱中，如图6.3.5(d)和图6.3.5(e)所示。至此，信号电荷包在栅极电压的控制下转移到了相邻位置。6.3CCD图像传感器由此可见，通过将按照一定规律变化的电压加到CCD的各电极上，就能控制电极下的电荷包沿半导体表面按一定方向移动。通常将CCD的电极分为若干组，每组称为一相，并施加同样的时钟驱动脉冲。CCD正常工作所需要的相数由其内部结构所决定。图6.3.5中的结构需要波形如图6.3.5(f)所示的三相时钟脉冲，这样的CCD称为三相CCD，它的电荷必须在三相交叠驱动脉冲的作用下，才能按一定的方向逐单元转移。需要强调的是，CCD电极间的间隙必须足够小，才能使电荷不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。如果间隙过大，则相邻电极的势阱将被势垒分割，无法合并，而电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移。该间隙的最大值一般由具体的电极结构、表面态密度等因素决定。理论计算与实验证明，电极间隙不应超过3μm。对于绝大多数CCD而言，1μm的间隙就已足够。6.3CCD图像传感器图6.3.5三相CCD的电荷转移6.3CCD图像传感器以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称N型CCD；以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD，简称P型CCD。由于电子的迁移率(单位场强下的运动速度)远大于空穴的迁移率，因此N型CCD具有比P型CCD高出许多的工作频率。6.3CCD图像传感器电荷的注入3.

CCD的电荷注入方法可分为光注入和电注入两类。CCD图像传感器的光敏单元即为光注入方式。当光照射到CCD硅衬底上时，在栅极附近的半导体内产生电子空穴对，空穴被栅极电压排斥，而电子则被收集在势阱中成为信号电荷。光注入方式又可分为正面照射式和背面照射式。光注入电荷的量为Qin=ηqNeoAtc(6.3.2)式中，η为材料的量子效率；q为电子电荷量；Neo为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积；tc为光的注入时间。6.3CCD图像传感器当CCD确定后，η，q及A均为常数，因此注入势阱的信号电荷量Qin与入射光的光子流速率及注入时间成正比。注入时间tc由CCD驱动器的转移脉冲周期Tsh决定，若驱动器能够保证注入时间稳定不变，则Qin仅与入射光的光子流速率成正比。对于单色入射光而言，光子流速率Neo与入射光谱辐射通量Φe,λ的关系为(6.3.3)式中，h，v均为常数，因此Neo与Φe,λ成正比。6.3CCD图像传感器电荷的检测4.电流输出方式的电路如图6.3.6所示，它由检测二极管、二极管偏置电阻R、源极放大器和复位场效应管VR等单元构成。信号电荷在转移脉冲CR1、CR2的驱动下向右转移到最末一级转移电极(图中的CR2电极)下的势阱中，当CR2电极上的电压由高变低时，信号电荷将通过加有恒定电压的输出栅下的势阱进入反向偏置的二极管(图中的N+区)中。由电源UD、电阻R、衬底P和N+区构成的输出二极管反向偏置电路，对于电子来说相当于一个很深的势阱。进入反向偏置的二极管中的电荷(电子)将产生电流Id，其大小与注入二极管中的信号电荷量QS成正比。6.3CCD图像传感器图6.3.6电流输出方式的电路6.3CCD图像传感器由于Id的存在，使得A点的电位发生变化。注入二极管中的电荷量QS越大，Id也越大，A点电位下降得越低。因此，可以通过A点的电位来检测注入输出二极管中的电荷QS。隔直电容将A点的电位变化提取，并通过场效应放大器的OS端输出。在实际的器件中，常用绝缘栅场效应管取代隔直电容，并兼有放大器的功能。6.3CCD图像传感器复位场效应管VR用于对检测二极管的深势阱进行复位。其主要作用是在一个读出周期中，注入输出二极管深势阱中的信号电荷通过偏置电阻R放电。R太小，则信号电荷很容易被放掉，输出信号的持续时间短，不利于检测；R增大，则输出信号的持续时间长，在转移脉冲CR1周期内，信号电荷被释放掉的数量不大，有利于信号检测，但下一个信号到来时，未被放掉的电荷将与新到来的电荷叠加，破坏后续的信号。为此，引入复位场效应管VR，使没来得及放掉的信号电荷通过复位场效应管卸放。复位场效应管在复位脉冲RS的作用下导通，其动态电阻远小于R的阻值，使得输出二极管中的剩余电荷能迅速流入电源，从而使A点电位恢复到起始的高电平，为接收新的信号电荷做好准备。6.3CCD图像传感器三相CCD电极的结构1.

CCD电极的结构6.3.2

1)三相单层铝电极的结构CCD衬底一般采用轻度掺杂的硅，其电阻率约为103Ω·cm-1，氧化层厚度通常为0.1μm左右。三相单层金属电极的结构如图6.3.7所示，其特点是工艺简单，存储密度较高，存储1“位”信息的一个单元只有3个排列紧密的电极，面积可以做得很小。6.3CCD图像传感器图6.3.7三相单层金属电极的结构6.3CCD图像传感器在常规工艺条件下，CCD移位寄存器的存储单元面积可以做得比MOS移位寄存器的单元面积小。不过，要在金属氧化层上刻出宽度为2～3μm、总长达到厘米级的间隙，在光刻工艺上有相当难度。为解决这一问题，可采用“照相腐蚀技术”。但不管使用何种工艺制造，这种结构存在一个明显缺点，即电极间隙处的氧化物直接裸露于周围环境中，使得其下的表面势不稳定，影响转移效率。正是由于这个缺点，三相单层金属电极结构很少在实用器件中采用。6.3CCD图像传感器2)三相电阻海结构为避免三相单层金属电极结构成品率较低和电极间隙氧化物裸露的问题，并保持结构简单的优点，在多晶硅沉积和扩散工艺成熟后，引入了一种简单的硅栅结构，如图6.3.8所示。图6.3.8三相电阻海结构6.3CCD图像传感器在氧化物上先沉积一层连续的高阻多晶硅，然后对电极区域进行选择掺杂，形成低阻区(转移电极)被高阻区所间隔的结构。由于整个转移电极与绝缘机构都采用多晶硅制造，因此可比喻为电阻的海洋，故称之为电阻海结构。包括交叉天桥在内的引线及区焊点都附加在一层铝上形成。这种电极结构的成品率高，性能稳定，不易受环境因素影响。但其缺点在于单元尺寸较大，因为每个单元沿电荷转移沟道的长度包括3个电极与3个间隙，它们受光刻和多晶硅局部掺杂工艺的限制而无法做得很窄。因此，电阻海结构不宜用于制造大型器件。6.3CCD图像传感器3)三相交叠栅结构制造电极间隙极窄、转移沟道封闭的CCD的方法之一是采用交叠栅结构。对于三相器件来说，最常见的三层多晶硅交叠栅结构如图6.3.9所示。图6.3.9三层多晶硅交叠栅结构6.3CCD图像传感器6.3CCD图像传感器两相CCD的电极结构2.1)两相硅-铝交叠栅结构图6.3.10两相硅-铝交叠栅结构6.3CCD图像传感器第一层电极采用低电阻率多晶硅。在进行电极上热生长绝缘氧化物的过程中，没有被多晶硅覆盖的栅氧区厚度也将增加。第二层电极采用铝栅下绝缘物，厚度与硅栅下不同，因而在相同的栅压下形成势垒。相邻的一个铝栅(表面电极)和一个硅栅(氧化硅中的电极)并联构成一相电极。相对于硅栅，铝栅下是一个势垒，它可以将各个信号电荷包隔离，并限制电荷转移的方向。在图6.3.10中，电荷将处于势阱较深的右部，由于厚氧化区下方势垒的阻挡不能向左移动，只能向右转移。6.3CCD图像传感器2)梯状氧化物结构阶梯状氧化物结构是用一次金属化过程形成不对称势阱，实现两相CCD电极结构。在400nm的厚栅氧上覆盖100nm的Al2O3，在Al2O3上刻出图形作为掩膜，将未被遮掩的厚栅氧区腐蚀至约100nm。腐蚀过程中，被Al2O3掩蔽的区域边缘会出现横向铝蚀，形成Al2O3的凸出部。当金属沉积时，在凸出部分会出现断条，从而使相邻电极隔离。图6.3.9三层多晶硅交叠栅结构6.3CCD图像传感器采用离子注入技术可以在电极下的不对称位置上设置注入势垒区，如图6.3.12所示。离子注入技术容易制成较高的势垒，而且当注入的离子就集中在界面附近时，势垒高度受电极电势的影响较小。3)注入势垒两相结构图6.3.12注入势垒两相结构6.3CCD图像传感器图6.3.13四相CCD的电极结构四相CCD的电极结构3.6.3CCD图像传感器如图6.3.14所示为四相CCD在转移过程中某一时刻的表面势分布。相比于两相和三相器件，四相器件的操作方式更能适应时钟频率很高(如100MHz)、波形接近正弦波的驱动脉冲。图6.3.14四相CCD的表面势分布6.3CCD图像传感器上面介绍的CCD均为SCCD，信号电荷只在贴近界面的极薄衬底内运动。由于界面处硅晶体的缺陷，可能存在陷阱，导致信号电荷的转移受到影响，降低了器件的工作速度与转移效率。为减轻或避免这些问题，可在半导体体内设置信号的转移沟道。这类器件称为体沟道CCD(BCCD)。BCCD的转移沟道中进行了离子注入(对于P型衬底的CCD而言，通过离子注入在表面附近形成局部的N型区域)，使得电极下势能的最小点离开了界面，而进入到半导体体内一定深度的位置，从而使信号电荷的存储与转移得以避开界面的缺陷处。体沟道原则上可用外延生长法形成，但在控制薄外延层的掺杂浓度和降低缺陷密度方面有一定困难。体沟道CCD4.6.3CCD图像传感器电荷转移效率和电荷转移损失率1.

CCD的特性参数6.3.3电荷转移效率(η)是表征CCD性能优劣的重要参数。在一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与转移前原势阱中电荷量之比称为转移损失率(ε)。6.3CCD图像传感器设在起始时注入某电极下的电荷量为Q(0)。在时刻t，大多数电荷转移至相邻电极，而残留在原电极下的电荷量为Q(t)，则电荷转移效率为

因此，电荷转移效率与电荷转移损失率之间的关系为

ε=1-η(6.3.6)6.3CCD图像传感器转移效率η的高低是CCD是否实用的关键。因为实际情况中η总小于1，而电极下的电荷通常都需要经过多次转移才能到达输出部分，因此随着转移次数n的增加，信号电荷将以指数形式减少，即Q(n)=Q(0)ηn(6.3.7)假设η=0.99，则经过24次转移后，Q(n)=0.79Q(0)；经过192次转移后，Q(n)=0.15Q(0)。一般η都达到了0.9999以上。6.3CCD图像传感器影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。为克服这一不利因素，常采用胖0工作模式，即让信号0也具有一定的电荷量。如图6.3.15所示为P沟道线阵CCD在两种不同驱动频率下电荷转移损失率ε与胖0电荷Q0之间的关系。图中，C为转移电极的有效电容量，Q1代表1信号电荷。图6.3.15电荷转移损失率与胖0电荷的关系6.3CCD图像传感器驱动频率2.1）驱动频率的下限在信号电荷的转移过程中，为避免由于热激发少数载流子而对注入信号电荷的干扰，注入信号电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t必须小于少数载流子的平均寿命τi，即t<τi。在正常工作条件下，对于三相CCD而言，t=T/3=1/3f，因此有f>1/3τi(6.3.8)可见，CCD驱动脉冲频率的下限与少数载流子的平均寿命有关，而载流子的平均寿命与器件的工作温度有关。工作温度越高，热激发少数载流子的平均寿命越短，驱动脉冲频率的下限越高。6.3CCD图像传感器2）驱动频率的上限当驱动频率升高时，驱动脉冲驱使电荷由一个电极转移到另一个电极的时间t应大于电荷在电极间转移的固有时间τg，即t>τg，以保证电荷完全转移。否则，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，会使转移效率大为降低。因此有f<1/3τg(6.3.9)这就是电荷自身转移时间对驱动脉冲频率上限的限制。由于电荷转移的快慢与载流子迁移率、电极长度、沉底杂质浓度和温度等因素有关。因此，对于相同的结构设计，N沟道CCD比P沟道CCD的工作频率高。6.3CCD图像传感器

SCCD驱动脉冲频率的上限为10MHz，一旦高于此频率，CCD的转移损失率将急剧增加。一般而言，BCCD的驱动频率要高于SCCD的驱动频率。随着半导体材料科学和制造工艺的发展，更高速度的线阵BCCD的最高驱动频率已达到数百赫兹。驱动频率上限的提高为CCD在高速成像系统中的应用打下了基础。图6.3.16驱动频率与电荷转移损失率的关系6.3CCD图像传感器工作原理1.

CCD图像传感器6.3.4

CCD图像传感器就是用于摄像或像敏(光敏)的CCD，简称ICCD。CCD图像传感器的功能是将二维光学图像信号转变为一维视频输出时间信号。ICCD分为线型和面型两大类，两者都需要光学成像系统将景物图像成像于CCD的像敏面上。像敏面将入射到每个像敏单元上的光照度分布信号Ex,y转变为少数载流子的密度分布信号Nx,y，并存储在像敏单元(MOS电容)中。再通过驱动脉冲的驱动使信号电荷包从CCD的移位寄存器中转移出来，形成时序的视频信号。6.3CCD图像传感器线阵CCD图像传感器可以直接将接收到的一维光信号转换为时序的电信号输出，获得一维图像信号。要用线阵CCD图像传感器获得二维图像信号，必须使之相对二维图像做扫描运动。因此，用线阵CCD图像传感器对匀速运动物体进行扫描成像十分方便。现代的扫描仪、传真机、高档复印机和航空图像扫描系统等均采用线阵CCD图像传感器。面阵CCD图像传感器是二维图像传感器，可以直接将二维图像转变为视频输出。6.3CCD图像传感器三相单沟道线阵CCD由光敏阵列、转移栅、CCD模拟移位寄存器和输出放大器等单元构成。光敏阵列一般由光栅控制的MOS光积分电容或PN结光电二极管构成，通过转移栅与CCD模拟移位寄存器相连。转移栅既可以将像敏区与移位寄存器分隔，又可以将像敏区与模拟移位寄存器沟通，使像敏区的信号电荷转移到模拟移位寄存器中。1)线阵CCD图像传感器6.3CCD图像传感器6.3CCD图像传感器图6.3.17三相单沟道线阵CCD的结构图6.3CCD图像传感器(2)双沟道线阵CCD。如图6.3.18所示为双沟道线阵CCD图像传感器，它具有两列CCD模拟移位寄存器A与B，分列于像敏阵列两侧。当转移栅A与B为高电平(对于N沟道器件)时，像敏阵列势阱内积存的信号电荷将按箭头所指的方向分别转移至相应的模拟移位寄存器中，然后在驱动脉冲的作用下分别向右转移，最后经输出放大器输出为视频信号。显然，对于同样的像敏单元，双沟道线阵CCD的转移次数仅为单沟道线阵CCD转移次数的一半，总转移效率大为提高。6.3CCD图像传感器图6.3.18双沟道线阵CCD的结构图6.3CCD图像传感器在要求CCD具有高工作速度和转移效率的情况下，常采用双沟道的方式。双沟道器件的奇、偶信号分别通过A，B模拟移位寄存器和两个输出放大器输出，由于两个模拟移位寄存器和两个输出放大器的参数无法完全一致，因此将造成奇、偶输出信号的不均匀性。所以，如果对像敏单元的一致关系特性要求较高，有时在多像敏单元的情况下也采用单沟道结构。6.3CCD图像传感器2）面阵CCD图像传感器6.3CCD图像传感器图6.3.19帧转移三相面阵CCD图像传感器6.3CCD图像传感器图像经物镜成像于成像区后，在场正程期间(光积分时间)，成像区某一相的电极(如ICR1)加有适当的偏压(高电平)，光生电荷将被收集到这些电极下方的势阱中。光积分周期结束即进入场逆程。此时，加到成像区和存储区电极上的时钟脉冲将成像区积累的信号电荷迅速转移到暂存区。场逆程结束后又进入下一场正程期。6.3CCD图像传感器暂存区与水平读取寄存器在场正程器件按行周期工作。在行逆程期间，暂存区的驱动脉冲使暂存区的信号电荷按行产生向下一行的平移，并使图6.3.19中最底行的信号电荷转移至水平移位寄存器中。在行正程期间，暂存区的电位不变，水平读出寄存器在水平读取脉冲的作用下输出一行视频信号。这样一来，在场正程器件，通过若干个行周期，水平移位寄存器逐行输出整个场图像信号。当前场的信息正在被读取的同时，下一场的信息正通过光积分被收集进入像敏区的势阱中。一旦当前场的信号被全部读出，下一场的信号便马上被送入寄存器，从而按帧连续获得图像信号。6.3CCD图像传感器6.3CCD图像传感器图6.3.20隔列转移型面阵CCD的结构6.3CCD图像传感器隔列转移型面阵CCD工作在PAL电视制式下，按电视制式的时序工作。在场正程期间，像敏区进行光积分，在此期间转移栅为低电平，转移栅下的势垒将像敏单元的势阱与读出寄存器的变化势阱隔开。像敏区在进行光积分的同时，移位寄存器在垂直驱动脉冲的驱动下，逐行将各列的信号电荷向水平移位寄存器转移。场正程结束后，进入场逆程，其间转移栅上加上一个正脉冲，在转移控制脉冲的作用下将像敏区的信号电荷并行转移至垂直寄存器中。转移过程结束后，光敏单元与读出寄存器又被隔开，而转移到读出寄存器的光生电荷在读出脉冲的作用下逐行向水平读出寄存器中转移。水平读出寄存器迅速将其中的信号电荷经输出放大器输出，在输出端逐行得到图像信号。6.3CCD图像传感器CCD图像传感器的基本特性2.1）光电转换特性存储于CCD像敏单元中的信号电荷是由入射光子在硅衬底上经内光电效应所产生的少数载流子，其光电转换特性良好，光电转换因子γ可达99.7%以上。此外，由式(6.3.2)和式(6.3.3)可知

(6.3.10)式中，tc为CCD的光积分时间，可以设为常数；当CCD的材料和设计确定后，η和A为常数；ν对于单色光为常数；h和q为物理常量。因此，CCD的光电转换特性对于光通量呈线性关系。6.3CCD图像传感器2）光谱效应

CCD接受光照的方式有正面光照与背面光照两种。由于CCD的正面布置了许多电极，电极的反射和散射作用使得正面光照的光谱灵敏度比背面照射时低。即使是透明的多晶硅电极，也会因为电极的吸收及在整个硅二氧化硅界面上的多次反射而引起某些波长的光产生干涉，出现若干明暗条纹，使得光谱响应曲线出现多个峰与谷，即发生起伏。因此，ICCD常采用背面照射的方法。6.3CCD图像传感器采用硅衬底的ICCD，其光谱响应范围为0.3～1.1μm，平均量子效率为25%，绝对响应K值为0.1～0.2A/W。另外，读出结构也可以使量子效率进一步降低。例如，在垂直隔列传输结构中，转移沟道必须遮光，以免产生拖影，使量子效率降低。6.3CCD图像传感器3）动态范围CCD图像传感器的动态范围定义为像敏单元的势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比。(1)势阱可存储的最大信号电荷量。CCD势阱可容纳的最大信号电荷量取决于CCD的电极面积和器件结构、时钟驱动方式及驱动脉冲电压幅度等因素。对于SCCD，势阱中可存储的电荷量Q可近似表示为Q=CoxUGA(6.3.11)6.3CCD图像传感器设硅材料的杂质浓度为1015cm-3，二氧化硅膜的厚度为0.1μm，电极面积为10×20μm2，栅极电压为10V，则电极下的势阱中可存储的电荷量为0.6pC或等价的3.7×106个电子。BCCD中电荷的存储容量计算较为复杂，且随着沟道深度的增加，容量将会减少。对于其他条件与上述SCCD相同的BCCD，若相当于沟道深度的外延层厚度为21μm，则SCCD的存储容量约为BCCD容量的4.5倍。对于两相驱动的情况，因为实际能够容纳电荷的电极面积为整个电极面积的一半，因此，势阱中能够存储的电荷量要比三相交叠栅转移电极结构的CCD少一半。6.3CCD图像传感器

(2)噪声等效电荷。CCD图像传感器中有如下几种噪声源：电荷注入器件时因电荷量的起伏而引起的噪声；电荷在转移过程中电荷量变化引起的噪声；检测电荷时常常需要复位检测二极管，复位脉冲将导致信号的检测噪声。这些噪声都可以折算为等效电荷量。①光子噪声。光子发射是随机过程，因而势阱中收集的光电荷也是随机的，这就引入了噪声。由于此种噪声与CCD传感器无关，而是取决于光子的性质，因而成为图像传感器的基本限制因素。这种噪声主要对低光强下的摄像有影响。6.3CCD图像传感器6.3CCD图像传感器④俘获噪声。SCCD中存在着界面缺陷或界面态，BCCD中也存在着体缺陷或体内能态，这些能态将会俘获传输过程中的电荷并随机释放它们，从而产生俘获噪声。由于半导体体内的能态总是小于半导体表面的能态，因此BCCD的俘获噪声小于SCCD的俘获噪声。⑤输出噪声。这种噪声是由于输出电路复位过程中产生的热噪声，将其换算为均方根值就可以与CCD的噪声相比较。此外，器件的单元尺寸不同或间隔不同也会成为噪声源，通过改进光刻技术可使之减小。6.3CCD图像传感器4）暗电流暗电流是大多数摄像器件共有的特性，是判断摄像器件优劣的重要标准，特别是当暗电流在整个摄像区域不均匀时。产生暗电流的原因主要有以下几点：耗尽的硅衬底中电子从价带向导带的本征跃迁；少数载流子在中性体内的扩散；硅二氧化硅界面引起的暗电流。在大多数情况下，第三种原因所产生的暗电流占主导地位。可以计算出，在室温下硅二氧化硅界面引起的暗电流密度约为5nA·cm-2。但由于半导体体内存在杂质而形成可以引发暗电流的能带间复合中心，因此许多器件中的室温暗电流密度可达102nA·cm-2级。通过采用缺陷更少的晶体与减少污染可以降低暗电流。此外，暗电流还与温度有关，温度越高，热激发产生的载流子越多，暗电流就越大。温度每降低10℃，暗电流可降低50%左右。6.3CCD图像传感器5）分辨率分辨率是图像传感器的重要特性，常用调制模传递函数MTF来评价。线阵CCD图像传感器的像敏单元位数越多，分辨率越高。现已有256×1，1024×1，2048×1，2160×1，2700×1，5000×1，5340×1，7500×1，2700×3，5340×3和10500×3等多种分辨率。当用于测量物体尺寸时，高分辨率的线阵CCD传感器可以达到更高的测量精度。结合机械扫描装置，也可以用线阵CCD图像传感器获得二维图像的信号，此时所得二维信号的分辨率取决于扫面速度、CCD像敏单元高度等因素。6.3CCD图像传感器6.3CCD图像传感器6.4CMOS图像传感器MOS场效应管的基本结构1.

MOS场效应管6.4.1

MOS场效应管(MOSFET)是一种具有表面场效应作用的单极性半导体器件，它主要由衬底、源极S、漏极D和栅极G组成。MOSFET的半导体工艺结构如图6.4.1所示。衬底为轻掺杂的P型硅，其上用扩散或离子注入的工艺生成N+型源区S和N+型漏区D；再用氧化或淀积的方法在源、漏极间生成一层薄的二氧化硅绝缘层，在绝缘层上再蒸镀金属(铝)电极作为栅极G；最后，在S和D上用蒸发或合金工艺制成S、D电极，制成场效应三极管。两个N+型区之间的部分称为沟道，因此此种场效应管又称为N沟道场效应管。图6.4.1MOSFET的半导体工艺结构6.4CMOS图像传感器

MOSFET的结构如图6.4.2所示，在源极与漏极之间加电压Uds，在栅极上加控制电压Ug。图6.4.2MOSFET的结构6.4CMOS图像传感器当Ug=0时，由于两个N+P结按相反的方向排列，因此无论Uds的极性如何，都不会有电流流过；当Ug>0时，在栅层中将出现由电极至衬底的电场，从而在衬底表面会感应出电子，空穴也会减少；随着Ug的增大，感应电荷不断增加，空穴不断减少，直至空穴耗尽而出现反型层；当Ug超过阈值电压Uth后，形成了强反型层，如图6.4.3所示，在漏极下也出现了耗尽层。图6.4.3导电沟道6.4CMOS图像传感器1）阈值电压场效应管的主要性能参数2.6.4CMOS图像传感器

MOSFET的伏安特性指漏极电流Id与源、漏极间电压Uds的特性关系，它取决于栅、源极间的电压Ugs、阈值电压Uth及器件的结构和材料的性质。显然，栅、源极间电压Ugs越大，沟道越宽，绝缘栅电容Cox越大，反型层中电子迁移率越大，则Id也越大。MOSFET的伏安特性如图6.4.4所示。2）伏安特性图6.4.4MOSFET的伏安特性6.4CMOS图像传感器图6.4.4中的曲线是在Ugs固定的情况下获得的。通过改变Ugs可以得到一族伏安特性曲线，如图6.4.5所示。可见，随着Ugs的增大，Id(Uds)曲线上移，饱和电压Udsat和击穿电压也均随之增大。图6.4.5MOSFET的伏安特性曲线族6.4CMOS图像传感器3)频率特性

MOSFET的频率特性主要取决于沟道中载流子的迁移速度、沟道长度和寄生电容的容量。如图6.4.6所示为MOSFET的电容分布，包括栅/源极间的分布电容Cgs、栅/漏极间的分布电容Cgd、衬底与漏极间的电容Cbd及衬底与源极间的电容Cbs。图6.4.6MOSFET的电容分布6.4CMOS图像传感器由图6.4.6可见，当栅极电位随输入交流信号Ugs变化时，表面反型层电荷的厚度随之变化，沟道导电能力也相应改变，因此产生的漏电流为id=gmUgs，其中，gm为栅、漏间的跨导，它随频率而改变，影响MOSFET的高频特性。6.4CMOS图像传感器由图6.4.6还可看出，由于器件的输入端存在栅源电容Cgs与沟道等效电阻Rgs，二者属串联关系。在低频段，Cgs的阻抗很大，Ugs主要落在Cgs上，能够控制沟道中的电流，使输出信号跟随输入信号变化；但在高频段，Cgs的阻抗随频率升高而不断降低，沟道电流随之减小，输出信号也因而变弱。根据Rgs和Cgs的电子电路特性，可以得到MOSFET输出/输入的频率特性为(6.4.5)式中，k为与频率ω无关的常数。6.4CMOS图像传感器截止频率fT是MOSFET频率特性的重要参数。当频率升高时，流过栅、源之间的电容Cgs的电流也随之增大，当这一电流正好等于交流电路的短路输出电流时所对应的角频率ωT即给出了截止频率fT。截止频率可由式(6.4.6)给出。

ωT=2πfT=gm(0)/Cgs(6.4.6)6.4CMOS图像传感器4)开关特性在CMOS图像传感器中使用了大量MOS开关管用于寻址控制与读出控制。MOSFET开关电路如图6.4.7所示。图6.4.7MOSFET开关电路6.4CMOS图像传感器当输入为高电平时，MOS管导通，电源电压主要落在RL上，输出电压接近于0；当输入为低电平时，MOS管截止，输出为高电平。在实际的集成电路中，RL用MOSFET(V2)取代，其栅极和漏极短接，V2工作于饱和状态，等效于一个阻值确定的电阻，如图6.4.8所示。图6.4.8MOSFET负载6.4CMOS图像传感器由于输出端存在对地电容Cg，上述的开关作用不可能为实变。MOSFET的开关特性曲线如图6.4.9所示。图6.4.9MOSFET的开关特性曲线6.4CMOS图像传感器6.4CMOS图像传感器5）主要噪声(1)热噪声。MOSFET中的热噪声是由导电沟道电阻产生的。电子在热运动过程中会引起沟道电势出现起伏，致使栅极电压发生波动，导致漏极电流的涨落，形成热噪声。

(2)诱生栅极噪声。电子在导电沟道内做热运动，所形成的沟道电势分布的起伏会通过栅极电容耦合到栅极上，从而产生栅极噪声，并通过漏极或源极传输出去。由于该噪声是由栅极电容耦合造成的，因此称为诱生栅极噪声。诱生栅极噪声随工作频率的增高而明显增大。6.4CMOS图像传感器(3)电流噪声。该噪声主要与MOSFET的表面状态有关。载流子在沟道中运动时会被界面态俘获，有时又被释放，从而形成电流噪声。电流噪声为1/f噪声，并与界面电荷密度成正比。6.4CMOS图像传感器CMOS图像传感器的组成1.图6.4.10CMOS图像传感器的原理框图CMOS图像传感器主要组成部分是像敏单元阵列和MOSFET集成电路，且两部分均集成于同一硅片上。像敏单元阵列实际上是一个光电二极管阵列，也有线阵与面阵之分。

CMOS图像传感器的原理结构6.4.26.4CMOS图像传感器6.4CMOS图像传感器6.4CMOS图像传感器图6.4.11CMOS图像传感器阵列原理图6.4CMOS图像传感器6.4CMOS图像传感器CMOS图像传感器的像敏单元结构2.像敏单元结构实际上指每个成像单元的电路结构，它是CMOS图像传感器的核心组件。CMOS图像传感器的像敏单元结构有两种类型：被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。CMOS被动像敏单元结构如图6.4.12所示，它只包含光电二极管和地址选通开关。图6.4.11CMOS图像传感器阵列原理图6.4CMOS图像传感器像敏单元图像信号的读出时序如图6.4.13所示。首先，复位脉冲起动复位操作，光电二极管的输出电压被置0；然后光电二极管开始光积分；积分结束后，选址脉冲起动选址开关，光电二极管中的信号传输到列总线，进而经公共放大器放大后输出。图6.4.9MOSFET的开关特性曲线6.4CMOS图像传感器在CMOS图像传感器的同一芯片中，还可设置其他数字处理电路，如自动曝光处理、非均匀性补偿、白平衡处理、γ校正、黑电平控制等，甚至可以与具有运算和可编程功能的DSP器件制作在一起，形成具有多种功能的器件。

为了改善CMOS图像传感器的性能，在许多实际的器件中，常将像敏单元与放大器制作为一体，以提高灵敏度和信噪比。6.4CMOS图像传感器6.4CMOS图像传感器图6.4.14CMOS主动像敏单元结构的基本电路6.4CMOS图像传感器6.4CMOS图像传感器图6.4.154管式像敏单元结构6.4CMOS图像传感器如图6.4.16所示的5管结构比4管结构多了一个用于复位的开关管，从而克服了4管结构的缺点。此外，两个复位开关与一个存储开关的配合，可以实现更为完善的曝光控制。图6.4.165管式像敏单元结构6.4CMOS图像传感器图6.4.17不同光电二极管偏置方法和放大电路的主动式像敏元素结构6.4CMOS图像传感器图6.4.17不同光电二极管偏置方法和放大电路的主动式像敏元素结构6.4CMOS图像传感器光谱性能与量子效率1.

CMOS图像传感器的性能指标6.4.36.4CMOS图像传感器填充因子2.6.4CMOS图像传感器微透镜法是提高填充因子的一种有效的方法，如图6.4.18所示。在CMOS像敏面上方安装了一层矩形的微透镜面阵，它将照射到像敏面的入射光会聚到各个面积很小的光敏元件上，从而将填充因子提高到90%。此外，由于光敏元件面积减小，所以提高了灵敏度，降低了噪声，减小了结电容，提高了传感器的响应速度。图6.4.18微透镜法图示6.4CMOS图像传感器输出特性与动态范围3.

CMOS图像传感器有四种输出模式：线性输出模式、双斜率输出模式、对数输出模式和γ校正输出模式。各种模式下的动态范围相差很大，特性也有很大区别。如图6.4.19所示为这四种输出模式的输入(光强)输出(信号电压)曲线。图6.4.19CMOS的不同输出模式曲线6.4CMOS图像传感器

(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。其动态范围最小，信噪比在信号最大时最佳，而在小信号时信噪比很低。(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大；当信号很强时，采用短时间曝光，曲线斜率小，从而扩大了动态范围。为改善输出的平滑性，还可采用更多的曝光时间，得到的输出曲线将是更为平滑的多段折线。6.4CMOS图像传感器(3)对数输出模式。对数输出模式的动态范围很大，可达数个数量级。它无须控制曝光时间，也不必调节镜头的光圈，实现也很容易。由于人眼对光的响应也接近对数规律，因此这种输出模式具有良好的使用性能。(4)γ校正输出模式。γ校正模式的输出规律为U=keγE(6.4.7)式中，U为输出信号电压；E为输入光强；k为常数；γ为校正因子(γ<1)。该输出模式同样使得输出信号的增长速度随输入光强的增加而减小，从而能够扩大动态范围。6.4CMOS图像传感器噪声4.

CMOS图像传感器的噪声来源于像敏单元中的光电二极管、用于放大的场效应管和模拟开关场效应管，主要包括以下几种类型：(1)光敏器件的噪声。①热噪声。热噪声是电子在光敏器件中的热随机运动所引起的噪声。它是一种白噪声，随光敏器件工作温度的增加而增加。②散粒噪声。光敏器件的工作需要加入偏置电流。当电子运动时，会与晶格发生碰撞而改变方向，从而使得电子运动速度出现涨落，引起偏置电流的起伏。散粒噪声也是一种白噪声。减小偏置电流可以减小散粒噪声，但可能降低光电响应度，也可能增大非线性。6.4CMOS图像传感器③产生复合噪声。该噪声是由于光生载流子的寿命不同引起电流起伏所致，为光敏器件所特有。产生复合噪声不是白噪声。提高工作频率有利于降低产生复合噪声。④电流噪声。电流噪声是由于材料缺陷、结构损伤和工艺缺陷引起的。当电子运动于存在缺陷的器件中时，将会出现电流变化，从而引起噪声。电流噪声是1/f噪声。较高的工作频率有利于减小电流噪声。但由于CMOS图像传感器的帧频较低，因此其电流噪声常常不能忽略。6.4CMOS图像传感器工作原理1.

CCD图像传感器用于物体振动的非接触测量6.5.16.5图像传感器应用实例图6.5.1利用线阵CCD图像传感器测量铁轨振动的原理图工作原理1.图6.5.1利用线阵CCD图像传感器测量铁轨振动的原理图利用线阵CCD图像传感器测量铁轨振动的原理图如图6.5.1所示。铁轨外侧贴有特制的黑底白条图案(合作目标)，图案经光学成像物镜成像在线阵CCD上，在CCD的输出端可得到类似图6.5.2所示的输出信号波形图。

CCD图像传感器用于物体振动的非接触测量6.5.16.5图像传感器应用实例铁轨外侧贴有特制的黑底白条图案(合作目标)，图案经光学成像物镜成像在线阵CCD上，在CCD的输出端可得到类似图6.5.2所示的输出信号波形图。图6.5.2铁轨振动测量输出信号波形图6.5图像传感器应用实例在图6.5.2中，SH为线阵CCD的转移脉冲，用于完成CCD与计数器的同步控制。在驱动脉冲作用下，CCD输出Uo信号。Uo经二值化处理后得到图6.5.2所示的二值化方波脉冲输出。在当前测量时刻t，脉冲前沿对应于黑底进入白条的边沿位置N1(t)，而脉冲后沿对应于离开白条进入黑底的边沿位置N2(t)。因此，白条中心的位置N(t)对应于6.5图像传感器应用实例以白条中心作为铁轨垂直位置的参考点。设当轨道未受冲击时的初始位置为N(0)=N0。当轨道发生受迫振动时，轨道上的合作目标也将在CCD的像敏单元阵列上做上下运动。如果线阵CCD的积分时间远小于轨道振动周期，则每次由线阵CCD获得的输出信号就可以认为对应了该时刻瞬间的合作目标的位置。通过不断读取CCD的输出，并经过二值化处理和按式(6.5.1)的计算，就可以得到不同时刻轨道的成像位置。而轨道的实际位置S(t)可根据式(6.5.2)计算。式中，l为CCD两相邻像敏单元中心间的距离；β为光学成像系统的放大倍率。通过已知白条宽度的合作目标，可以随时对l和β进行标定。6.5图像传感器应用实例通过已知白条宽度的合作目标，可以随时对l和β进行标定。

(6.5.3)式中，N1和N2分别代表标定时刻的白条边沿成像位置。

根据以上公式便可得到一段时间内各时刻的S(t)值，进而绘出轨道振动波形图。6.5图像传感器应用实例振动测量的硬件电路原理图2.6.5图像传感器应用实例图6.5.3铁轨振动测量的硬件电路原理图

CCD的视频输出Uo经二值化处理后，得到的方波脉冲分两路送出：一路直接进入锁存器1的锁存输入端，另一路经反相器后进入锁存器2的锁存输入端。由于锁存器的锁存控制为上升沿有效，因此锁存器1锁存了二值化方波脉冲的前沿N1的值，而锁存器2锁存了二值化方波脉冲的后沿N2的值。锁存器的数据均来自于计数器，计数器的输入脉冲为驱动器输出的像敏单元采样脉冲SP，它在任意时刻的输出值等于该时刻线阵CCD输出的像敏单元位置数。计数器的复位由驱动器的行同步控制脉冲Fc完成。因此，一个行周期中计数器所得的最大数值Nmax大于等于CCD有效像敏单元数。在一个行周期中的任意时刻所计数得到的值为Ni，只要Ni小于有效的像敏单元数，Ni就对应了目标像的黑白交界在该时刻处于第Ni个像敏元素的位置上。6.5图像传感器应用实例细丝激光衍射原理1.

CCD图像传感器用于高精度细丝直径的测量6.5.26.5图像传感器应用实例图6.5.4细丝激光衍射测量系统的原理图氦氖激光器射出的激光束照射到被测细丝上，在距细丝一定距离处产生如图6.5.5所示的衍射条纹。CCD接收衍射条纹，并产生相应的输出信号，信号经低通滤波后放大，经A/D转换变为数字量后送入计算机进行计算和处理。图6.5.5细丝衍射条纹6.5图像传感器应用实例6.5图像传感器应用实例相对误差2.检测采用TCD1206SUP线阵CCD作为图像传感器，像敏元素尺寸为14μm×14μm，中心距为14μm，像敏区总长为30.24mm。由于线阵CCD的有效长度不足以覆盖衍射条纹，因此将CCD安装在阿贝比长仪的工作台上，通过移动工作台来移动CCD。如图6.5.5所示，获得关于衍射中心对称的左右第k条暗纹的间距Sk为Sk=2Xk=T+T1-T2=T+(N1k-N2k)l0(6.5.5)式中，T为阿贝比长仪工作台移动的距离；N1k和N2k分别为两次读得的左右第k条暗纹在CCD上成像的位置(以像敏单元数计算)；l0为CCD像敏单元中心距。6.5图像传感器应用实例L由一根经测长机标定后的端棒测量。最后将L和Xk代入式(6.5.4)，便可得到细丝的直径d。计算时要注意将线阵CCD的表面保护玻璃厚度及玻璃至CCD光敏表面的空气层厚度计入L中。6.5图像传感器应用实例数据处理3.对于获取的一维衍射条纹图像，常用的处理方法是使用一个固定阈值进行二值化处理，得到对应的方波脉冲，然后对脉冲进行计数以确定暗纹的位置。由于衍射光强函数的不对称性，使得读数产生误差。降低阈值虽然可以减小这一误差，但又使得线阵CCD的输出噪声所引起的误差增大。虽然利用平均的方法可以改善以上情况，但改善程度相对