CCD图像传感器.ppt

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高等教育教材编审委员会高等教育教材编审委员会高等教育教材编审委员会高等教育教材编审委员会 组编组编组编组编主编主编主编主编 邓长辉邓长辉邓长辉邓长辉主审主审主审主审 王福利王福利王福利王福利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光固固态态图图像像传传感感器器是是高高度度集集成成的的半半导导体体光光敏敏传传感感器器，以以电电荷荷转转移移为为核核心心，可可以以完完成成光光电电信信号号转转换换、存存储储、传传输输、处处理理，具具有有体体积积小小、重重量量轻轻、功功耗耗小小、成成本本低低等等优优点点，可可探探测测可可见见光光、紫紫外外光光、x射射线线、红红外外光光、微微光光和和电电子子轰轰击击等等，广广泛泛用用于于图图像像识识别别和和传传送送，例例如如摄摄像像系系统统、扫扫描描仪仪、复复印印机机、机机器器人人的的眼眼睛睛等等。固固态态图图像像传传感感器器按按其其结结构构可可分分为为三三种种：一一种种是是电电荷荷耦耦合合器件（器件（charge-CoupledDevices，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第二二种种是是MOS型型图图像像传传感感器器，又又称称自自扫扫描描光光电电二二极极管管阵阵列列（SelfScannedPhohodiodeArray，简简称称SSPA）；第第三三种种是是电电荷荷注注入入器器件件（chargeInjectionDevice，简简称称CID）。目目前前前前两两者者用用得得最最多多，CCD型型图图像像传传感感器器噪噪声声低低，在在很很暗暗的的环环境境条条件件下下性性能能仍仍旧旧良良好好；MOS型型图图像像传感器质量很高，可用低压电源驱动，且外围电路简单，下面分别介绍。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。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是是一一种种以以电电荷荷包包的的形形式式存存贮贮和和传传递递信信息息的的半半导导体体表表面面器器件件，是是在在MOS结结构构电电荷荷存存贮贮器器的的基基础础上上发发展展起起来来的的，所所以以有有人人将将其其称称为为“排排列列起起来来的的MOS电电容容阵阵列列”。一一个个MOS电电容容器器是是一一个个光光敏敏元元，可可以以感感应应一一个个像像素素点点，则则若若一一个个图图像像有有多多少少个个像像素素点点，就就需需要要同同样样多多个个光光敏敏元元，即即采采集集一一幅幅图图像像需需要要含含有许多有许多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13.1.1MOS光敏元的结构与原理光敏元的结构与原理下下图图给给出出了了P型型半半导导体体MOS光光敏敏元元的的结结构构图图，制制备备时时先先在在P-Si片片上上氧氧化化一一层层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其工工作作原原理理为为：在在栅栅极极上上突突然然加加一一个个VG正正脉脉冲冲（VGVT阈阈值值电电压压），金金属属电电极极板板上上就就会会充充上上一一些些正正电电荷荷，电电场场将将P-Si中中SiO2界界面面附附近近的的空空穴穴排排斥斥走走，在在少少数数电子还未移动到此区时，在电子还未移动到此区时，在SiO2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13.1.1MOS光敏元的结构与原理光敏元的结构与原理此此时时半半导导体体表表面面处处于于非非平平衡衡状状态态，表表面面区区有有表表面面电电势势s，若若衬衬底底电电位位为为0，则则表表面处电子的静电位能为面处电子的静电位能为-qs。在在半半导导体体空空间间电电荷荷区区，电电位位的的变变化化可可由由泊泊松松方方程程确确定定。设设半半导导体体与与SiO2界界面面为原点，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：式式中中V(x)为为距距离离表表面面x处处的的电电势势；E为为x处处的的电电场场；NA为为P-Si中中掺掺杂杂物物质质的的浓浓度；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：传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.1MOS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：因因为为s大大于于0，电电子子位位能能-qs小小于于0，则则表表面面处处有有贮贮存存电电荷荷的的能能力力，一一旦旦有有电电子子，这这些些电电子子就就会会向向耗耗尽尽层层的的表表面面处处运运动动，表表面面的的这这种种状状态态称称为为电电子子势势阱阱或或表表面面势势阱阱。若若VG增增加加，栅栅极极上上充充的的正正电电荷荷数数目目也也增增加加，在在SiO2附附近近的的P-Si中中形形成成的的负负离离子子数数目目相相应应增增加加，耗耗尽尽区区的的宽宽度度增增加加，表表面面势势阱阱加加深深。另另外外，若若形形成成MOS电电容的半导体材料是容的半导体材料是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中形成空穴势阱。中形成空穴势阱。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.1MOS光敏元的结构与原理光敏元的结构与原理当当光光照照射射到到MOS电电容容器器上上时时，半半导导体体吸吸收收光光子子能能量量，产产生生电电子子-空空穴穴对对，少少数数电电子子会会被被吸吸收收到到势势阱阱中中。光光强强越越大大，产产生生电电子子-空空穴穴对对越越多多，势势阱阱中中收收集集的的电电子子数数就就越越多多；反反之之，光光越越弱弱，收收集集的的电电子子数数越越少少。因因此此势势阱阱中中电电子子数数目目的的多多少少可可以以反反映映光光的的强强弱弱，从从而而说说明明图图像像的的明明暗暗程程度度。于于是是，这这种种MOS电电容容器器实实现现了了光光信信号号向向电电荷荷信信号号的的转转变变。若若给给光光敏敏元元阵阵列列同同时时加加上上VG，整整个个图图像像的的光光信信号号将将同同时时变变为为电电荷荷包包阵阵列列。当当有有部部分分电电子子填填充充到到势势阱阱中中时时，耗耗尽尽层层深深度度和和表表面面势势将将随随着着电电荷荷的的增增加加而而减减小小（由由于于电电子子的的屏屏蔽蔽作作用用，在在一一定定光光强强下下一一定定时时间间内内势势阱阱会会被被电电子子充充满满），所以收集电子的量要调整适当。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13.1.1MOS光敏元的结构与原理光敏元的结构与原理当当光光照照射射到到MOS电电容容器器上上时时，半半导导体体吸吸收收光光子子能能量量，产产生生电电子子-空空穴穴对对，少少数数电电子子会会被被吸吸收收到到势势阱阱中中。光光强强越越大大，产产生生电电子子-空空穴穴对对越越多多，势势阱阱中中收收集集的的电电子子数数就就越越多多；反反之之，光光越越弱弱，收收集集的的电电子子数数越越少少。因因此此势势阱阱中中电电子子数数目目的的多多少少可可以以反反映映光光的的强强弱弱，从从而而说说明明图图像像的的明明暗暗程程度度。于于是是，这这种种MOS电电容容器器实实现现了了光光信信号号向向电电荷荷信信号号的的转转变变。若若给给光光敏敏元元阵阵列列同同时时加加上上VG，整整个个图图像像的的光光信信号号将将同同时时变变为为电电荷荷包包阵阵列列。当当有有部部分分电电子子填填充充到到势势阱阱中中时时，耗耗尽尽层层深深度度和和表表面面势势将将随随着着电电荷荷的的增增加加而而减减小小（由由于于电电子子的的屏屏蔽蔽作作用用，在在一一定定光光强强下下一一定定时时间间内内势势阱阱会会被被电电子子充充满满），所以收集电子的量要调整适当。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设想想在在驱驱动动脉脉冲冲的的作作用用下下，将将电电荷荷包包阵阵列列一一个个一一个个自自扫扫描描并并从从同同一一输输出出端端输输出出，形形成成图图像像时时，域域脉脉冲冲串串，即即每每一一电电荷荷包包信信号号不不断断向向邻邻近近的的光光敏敏元元转转移移，间间距距为为15m20m。若若两两个个相相邻邻MOS光光敏敏元元所所加加的的栅栅压压分分别别为为VG11，电电子子的的静静电电位位能能-q2-q10，则则VG2吸吸引引电电子子能能力力强强，形形成成的的势势阱阱深深，即即1中中的的电电子子有有向向2中中下下移移的的趋趋势势。若若串串联联很很多多光光敏敏元元，且且使使VG1VG2 VGN，则则可可形形成成一一个个输输运运电子的路径，从而实现电子的转移。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13.1.3CCD的工作原理的工作原理由由前前面面的的分分析析可可知知，MOS电电容容的的电电荷荷存存储储和和转转移移原原理理是是通通过过在在电电极极上上施施加加不不同同的的电电压压实实现现的的。电电极极的的结结构构按按所所加加电电压压的的相相数数分分为为二二相相、三三相相和和四四相相。由由于于二二相相结结构构中中要要保保证证电电荷荷单单项项移移动动，必必须须使使电电极极下下形形成成不不对对称称势势阱阱，通通过过改改变变氧氧化化层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。下下图图为为三三相相三三位位N沟沟CCD器器件件，其其中中，Ip（图图中中未未画画出出）为为输输入入电电极极，IG（图图中中未未画画出出）为为输输入入控控制制极极，OG为为输输出出控控制制极极，OP为为输输出出极极，1、2、3为为3个个驱驱动动脉脉冲冲，它它们们的的顺顺序序脉脉冲冲（时时钟钟脉脉冲冲）为为1231，且且3个个脉脉冲冲的的形形状状完完全全相相同同，彼彼此此间间有有相相位位差差（差差1/3周周期期）。1驱驱动动1、4电电极极，2驱驱动动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术13.1.3CCD的工作原理的工作原理由由前前面面的的分分析析可可知知，MOS电电容容的的电电荷荷存存储储和和转转移移原原理理是是通通过过在在电电极极上上施施加加不不同同的的电电压压实实现现的的。电电极极的的结结构构按按所所加加电电压压的的相相数数分分为为二二相相、三三相相和和四四相相。由由于于二二相相结结构构中中要要保保证证电电荷荷单单项项移移动动，必必须须使使电电极极下下形形成成不不对对称称势势阱阱，通通过过改改变变氧氧化化层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13.1.3CCD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电极下的电极下的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电极下的电极下的3、6势阱中。势阱中。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.3CCD的工作原理的工作原理如如此此通通过过脉脉冲冲电电压压的的变变化化，在在半半导导体体表表面面形形成成不不同同存存贮贮电电子子的的势势阱阱，且且右右边边产产生生更更深深势势阱阱，左左边边形形成成阻阻挡挡电电势势势势阱阱，使使电电荷荷自自左左向向右右作作定定向向运运动动，以以至至电电荷荷包直接输出。包直接输出。由由于于在在传传输输过过程程中中持持续续的的光光照照会会产产生生电电荷荷，使使信信号号电电荷荷发发生生重重叠叠，在在显显示示器器中中出出现现模模糊糊现现象象。因因此此在在CCD摄摄像像器器件件中中有有必必要要把把摄摄像像区区和和传传输输区区分分开开，并并且且在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13.1.4CCD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。线线阵阵型型CCD图图像像传传感感器器是是由由一一列列MOS光光敏敏单单元元和和一一列列CCD移移位位寄寄存存器器构构成成的的，光光敏敏单单元元和和寄寄存存器器之之间间有有一一个个专专以以控控制制栅栅，基基本本接接口口如如下下图图所所示示。转转移移控控制制栅栅控控制制光光电电荷荷向向移移位位寄寄存存器器转转移移，一一般般使使信信号号转转移移时时间间远远小小于于光光积积分分时时间间。在在光光几几分分周周期期里里，各各个个光光敏敏源源中中所所积积累累的的光光电电荷荷与与该该光光敏敏原原上上所所接接收收的的光光照照强强度度和和光光积积分分时时间间成成正正比比，光光电电荷荷存存储储于于光光敏敏单单元元的的势势阱阱中中。当当转转移移控控制制栅栅关关闭闭时时，MOS光光敏敏元元阵阵列列又又开开始始下下一一行行的的光光电电荷荷积积累累。同同时时，在在移移位位寄寄存存器器上上施施加加时时钟钟脉脉冲冲，将将已已转转移移到到CCD移移位位寄寄存存器器内内的的上上一一行行的的信信号号电电荷荷由由一一位位寄寄存存器器串串行行输输出出，如如此此重重复复上述过程。上述过程。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4CCD图像传感器图像传感器线线阵阵型型CCD图图像像传传感感器器可可以以直直接接接接收收一一维维光光信信息息，不不能能直直接接将将二二维维图图像像转转变变为为视视频频信信号号输输出出，为为了了得得到到整整个个二二维维图图像像的的视视频频信信号号，就就必必须须用用扫扫描描的的方方法法。线线阵阵型型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。面面阵阵型型CCD图图像像器器件件的的感感光光单单元元呈呈二二维维矩矩阵阵排排列列，能能检检测测二二维维平平面面图图像像。按按传传输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13.1.4CCD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LT面阵面阵CCD的结构。它由选址电路、感光区、输出寄存器的结构。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，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，会产生必须加脉冲电压，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13.1.4CCD图像传感器图像传感器2）帧传输（）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，由感光区、暂存区和输出寄存器，由感光区、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M个转移沟道，每个沟道有个转移沟道，每个沟道有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。它一般个单元。它一般采用三相时钟驱动，如图采用三相时钟驱动，如图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，用覆盖金属遮光。设置暂存区是为了消除。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“拖影拖影”，以提高图像的清晰度并与电视图像的扫描制式相匹配。，以提高图像的清晰度并与电视图像的扫描制式相匹配。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4CCD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，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，感光区和暂存区加频率为感光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fcv2的时的时钟驱动下向读出寄存器转移。读出寄存器以频率为钟驱动下向读出寄存器转移。读出寄存器以频率为fCH的时钟驱动，使电荷包的时钟驱动，使电荷包一个一个输出，（一个一个输出，（fCH大于大于Mfcv2）。为了减小电荷包在感光区转移时的光子）。为了减小电荷包在感光区转移时的光子拖影，频率拖影，频率fcv1需较高，为了降低输出寄存器的驱动率需较高，为了降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应（大于必须与感光区的积分期相适应（大于Nfcv2)。所以，实际中应该。所以，实际中应该选择适当的频率以达到最佳图像质量。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13.1.4CCD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，器件面积增加了暂存区，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13.1.4CCD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图像传感器的结构。它的光敏单元彼图像传感器的结构。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水平读出寄存器中。这种传输方式的时钟电路较复杂，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（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，光敏的单元平面结构如右下图所示，光敏元件元件1产生并积累信号电荷；产生并积累信号电荷；3用于排泄过量的信号电荷；用于排泄过量的信号电荷；2是上述两个环节的是上述两个环节的控制栅，控制栅，2与与3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；阱，从而造成再生图像的光学拖影与弥散；4是光敏元件是光敏元件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；光生信号电荷在控制栅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，沿垂直转移寄存器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13.1.4CCD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13.1.4CCD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、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。不同的应用场合，对特性参数的要求也各不相同。力等。不同的应用场合，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为转移一次后的为转移一次后的电荷量，电荷量，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，因此要求转移效率必须达到求转移效率必须达到99.9999.999。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4CCD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、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。不同的应用场合，对特性参数的要求也各不相同。力等。不同的应用场合，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函数系为调制转移函数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率f0（单元数毫米）表示，通常光像的空间频率（单元数毫米）表示，通常光像的空间频率f用用f/f0归一化。例如，假设归一化。例如，假设传感器上光像的最大强度间隔为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13.1.4CCD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。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，图像传感器的最高分辨率定理，图像传感器的最高分辨率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（即每毫米中的线对）的一半，即对）的一半，即(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，多数会出现暗电流尖峰。暗电流与温度密切相关，温度每降低暗电流处，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10，暗电流约减小一半。对于，暗电流约减小一半。对于传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4CCD图像传感器图像传感器其其中中的的每每个个器器件件，产产生生暗暗电电流流尖尖峰峰的的缺缺陷陷总总是是出出现现在在相相同同位位置置的的单单元元上上，利利用用信信号号处处理理，把把出出现现暗暗电电流流尖尖峰峰的的单单元元位位置置存存储储在在PROM（可可编编程程只只读读存存储储器器）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。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。(4)灵敏度灵敏度图图像像传传感感器器的的灵灵敏敏度度是是指指单单位位发发射射照照度度下下，单单位位时时间间、单单位位面面积积发发射射的的电电量，即量，即式式中中，H为为光光像像的的发发射射照照度度；A为为单单位位面面积积，Ns为为t时时间间内内收收集集的的载载流流子子数数；q为电数；单位为为电数；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。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.4CCD图像传感器图像传感器光光从从表表面面照照射射传传感感器器时时，通通过过多多晶晶硅硅层层，使使蓝蓝光光的的灵灵敏敏度度下下降降。从从背背面面照照射射时时，器器件件的的厚厚度度必必须须减减薄薄到到约约为为10m。另另外外，在在图图像像传传感感器器表表面面上上加加上上多多层层涂涂层层，使使之之具具有有光光学学透透镜镜一一样样的的性性能能时时，则则更更为为有有效效。灵灵敏敏度度有有时时用用平平均均量量子子效效率率表表示示。如如下下图图所所示示，设设硅硅的的吸吸收收波波长长在在400nm1100nm范范围围，平平均均量量子子效率的理论值为效率的理论值为100，而对应的量子效率用百分比表示。，而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13.1.4CCD图像传感器图像传感器(5)噪声噪声噪噪声声是是图图像像传传感感器器的的主主要要参参数数。CCD是是低低噪噪声声器器件件，但但由由于于其其他他因因素素产产生生的的噪噪声声叠叠加加到到信信号号电电荷荷上上，使使信信号号电电荷荷的的转转移移受受到到干干扰扰。噪噪声声的的来来源源有有转转移移噪噪声声、散散粒粒噪噪声声、电电注注入入噪噪声声、信信号号输输出出噪噪声声等等。散散粒粒噪噪声声虽虽然然不不是是主主要要的的噪噪声声源源，但但是是在在其其他他几几种种噪噪声声可可以以采采用用有有效效措措施施来来降降低低或或消消除除的的情情况况下下，散散粒粒噪噪声声就就决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。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。传感器与检测技术传感器与检测技术13.1.5线阵线阵CCD摄像系统摄像系统另另外外还还可可以以利利用用拼拼接接技技术术将将多多个个线线阵阵CCD图图像像传传感感器器连连接接在在一一起起，组组成成复复合合线线阵阵CCD图图像像传传感感器器系系统统，使使成成像像系系统统分分辨辨率率产产生生突突破破性性进进展展，这这个个复复合合系系统统可可成成为为遥遥感感技技术术和和图图像像处处理理中中最最主主要要、最最先先进进的的获获取取信信息息的工具。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下图图所所示示为为一一个个线线阵阵CCD摄摄像像系系统统。图图中中由由光光学学系系统统将将图图像像聚聚集集到到CCD光光敏敏元元上上，光光敏敏元元将将光光强强分分布布变变成成与与之之成成正正比比的的电电荷荷强强度度分分布布，然然后后由由脉脉冲冲电电路路按按时时序序取取样样，使使其其变变成成串串行行的的图图像像电电信信号号，经经放放大大后后再再将将图图像像信信号号送送入入图图像像显显示示器器或或记记录录器器。线线阵阵CCD只只能能完完成成一一维维扫扫描描（行行扫扫描描），与与之之垂垂直直的的另另一一维维扫扫描描（帧帧扫扫描描）需需要要用用机机械械方方法法实实现现，所所以以线线阵阵CCD摄摄像像系系统统适适用用于于航航空空、航航天天飞飞行行器器上上的的一一维维扫扫描描，也也可可用用于于文文件件阅阅读读或或计计算算机机的的图图像像输输入入，这这时时文文件件或或图图像像是是在在转转鼓鼓的的带带动动下下作作匀匀速速运运动，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13.2.1MOS线阵型固态图像传感器线阵型固态图像传感器13.2MOS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。下下图图所所示示是是MOS单单通通道道线线阵阵型型固固态态图图像像传传感感器器的的结结构构示示意意图图，它它由由感感光光区区和和传传输输区区两两部部分分组组成成。感感光光区区由由一一列列光光敏敏单单元元（光光积积分分单单元元）组组成成，传传输输区区由由转转移移栅栅及及一一列列移移位位寄寄存存器器组组成成。光光照照产产生生的的信信号号电电荷荷存存贮贮于于感感光光区区的的光光敏敏二二极极管管中中，接接通通转转移移栅栅后后，信信号号电电荷荷流流人人传传输输区区。传传输输区区是是遮遮光光的的，以以防防因因光光生生噪噪声声电电荷荷干干扰扰而而导导致致图像模糊。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术传感器与检测技术13.2.1MOS线阵型固态图像传感器线阵型固态图像传感器由由光光敏敏二二极极管管与与MOS晶晶体体管管组组成成的的线线阵阵型型固固态态图图像像传传感感器器的的结结构构及及其其输输出出信信号号如如下下图图所所示示。光光敏敏二二极极管管将将入入射射光光转转变变成成电电信信号号，由由MOS场场效效应应晶晶体体管管组组成成选选址址电电路路，与与每每个个光光敏敏二二极极管管相相对对应应。MOS场场效效应应晶晶体体管管的的栅栅极极连连接接到到移移位位寄寄存存器器的的各各级级输输出出端端上上。光光敏敏二二极极管管使使作作开开关关用用的的MOS场场效效应应晶晶体体管管的的源源极极浮浮置置，使使用用同同衬衬底底构构成成的的PN结结。从从图图中中分分析析光光敏敏二二极极管管D2，一一旦旦S2接接通通，将将在在反反向向偏偏置置的的PN结结电电容容上上充充电电直直至至电电荷荷饱饱和和。经经过过一一个个时时钟钟周周期期后后，S2断断开开，D2的的一一端端浮浮置置。在在这这种种状状态态下下，若若光光照照射射不不到到光光敏敏二二极极管管D2上上，则则在在下下一一个个扫扫描描周周期期中中，即即使使S2再再次次接接通通也也没没有有充充电电电电流流流流过过，但但若若此此时时有有光光照照射射在在PN结结上上，在在光光子子的的作作用用下下将将产产生生电电子子-空空穴穴对对，在在D2上上将将有有放放电电电电流流流流过过，D2中中存存贮贮的的电电荷荷将将与与入入射射光光量量成成比比例例地地减减少少。也也就就是是说说，到下一次到下一次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13.2.1MOS线阵型固态图像传感器线阵型固态图像传感器比比例例。为为了了弥弥补补上上述述的的电电荷荷损损失失，在在S2下下一一次次接接通通时时，将将有有充充电电电电流流流流过过，这这充充电电电电流流将将成成为为正正比比于于入入射射光光量量的的视视频频信信号号。这这样样，光光敏敏二二极极管管在在一一个个扫扫描描周周期期内内将将入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下图图所所示示为为双双通通道道线线阵阵型型固固态态图图像像传传感感器器的的结结构构和和双双通通道道结结构构，其其总总转转移移效效率率比单通道型高，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13.2.1MOS线阵型固态图像传感器线阵型固态图像传感器器器。当当光光生生信信号号电电荷荷积积累累后后，时时钟钟脉脉冲冲接接通通转转移移栅栅XA和和XB。信信号号电电荷荷就就转转移移到到移移位位寄寄存存器器，奇奇数数光光敏敏单单元元转转移移到到A寄寄存存器器，偶偶数数光光敏敏单单元元转转移移到到B寄寄存存器器。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13.2.1MOS线阵型固态图像传感器线阵型固态图像传感器扫扫描描电电路路一一般般用用MOS移移位位寄寄存存器器构构成成，这这种种构构造造往往往往会会混混入入脉脉冲冲噪噪声声。该该噪噪声声会会在在再再生生图图像像上上形形成成固固定定形形状状的的“噪噪声声图图像像”，采采用用外外电电路路差差分分放放大大器器可可以以消消除除这这种种噪噪声声。另另外外，MOS场场效效应应晶晶体体管管的的漏漏区区与与光光敏敏二二极极管管的的空空间间距距离离很很近近，当当光光照照射射到到漏漏区区时时，衬衬底底内内也也会会形形成成光光生生电电荷荷并并且且向向各各处处扩扩散散，因因而而会会在在再再生生图图像像上上出出现现纵纵线线状状光光学学拖拖影影。当当光光足足够够强强时时，由由于于光光点点的的扩扩展展又又会会造造成成再再生生图图像像的的弥弥散散现现象象。在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13.2.2CMOS有源像素图像传感器有源像素图像传感器CMOS技技术术可可以以将将图图像像传传感感器器阵阵列列、驱驱动动电电路路、信信号号处处理理电电路路、控控制制电电路路、模模拟拟-数数字字转转换换器器、改改进进的的界界面面完完全全集集成成在在一一起起，能能够够满满足足低低成成本本、高高性性能能、高高集集成成度度、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。下下图图所所示示为为CMOS图图像像传传感感器器的的典典型型结结构构，由由光光敏敏单单元元陈陈列列、信信号号处处