光电子器件ccd和.pptx

第第6 6章章 ccd ccd和和cmoscmos成像器件成像器件6.1 图像传感器简介 6.1.1 图像传感器发展历史图像传感器发展历史 完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。光电图像传感器的发展历史悠久，种类很多。早在1934年就成功地研制出光电摄像管（Iconoscope），用于室内外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000lx的照度才能获得较为清晰的图像。使它的应用受到限制。1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico），的灵敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2 000lx以上。1954年投放市场的高灵敏视像管（Vidicon）基本具有了成本低，体积小，结构简单的特点，使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。1965年推出的氧化铅视像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，发展了彩色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展产生一次飞跃。诞生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色摄像机。然而，氧化铅视像管抗强光的能力低，余辉效应影响了它的采样速率。1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。1970年，美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD）的原理使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器 从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。CCD图像传感器不但具有固体器件的所有优点，而且它的自扫描输出方式消除了电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真。即CCD图像传感器的输出信号能够不失真地将光学图像转换成视频电视图像。而且，它的体积、重量、功耗和制造成本是电子束摄像管根本无法达到的。CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为广泛应用图像传感器的新时代。利用CCD图像传感器人们可以近距离的实地观测星球表面的图像，可以观察肠、胃耳、鼻、喉等器官内部的病变图像信息，可以观察人们不能直接观测的图像（如放射环境的图像，敌方阵地图像等）。CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题。6.1.2 图像传感器的分类 CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题。它的发展推动了广播电视、工业电视、医用电视、军用电视、微光与红外电视技术的发展，带动了机器视觉的发展，促进了公安刑侦、交通指挥、安全保卫等事业的发展。图像传感器按其工作方式可分为扫描型两类和直视型。扫描型图像传感器件通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像转换成一维时序信号输出出来。这种代表图像信息的一维信号称为视频信号。视频信号可通过信号放大和同步控制等处理后，通过相应的显示设备（如监视器）还原成二维光学图像信号。视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则才能保证图像信息不产生失真，这种规则称为制式。例如广播电视系统中遵循的规则被称为电视制式。数字图像传输与处理过程中根据计算机接口方式的不同也规定了许多种类的制式。扫描型图像传感器输出的视频信号可经A/D转换为数字信号（或称其为数字图像信号），存入计算机系统，并在软件的支持下完成图像处理、存储、传输、显示及分析等功能。因此，扫描型图像传感器的应用范围远远超过直视型图像传感器的应用范围。直视型图像传感器用于图像的转换和增强。它的工作方式是将入射辐射图像通过外光电转化为电子图像，再由电场或电磁场的加速与聚焦进行能量的增强，并利用二次电子的发射作用进行电子倍增，最后将增强的电子图像激发荧光屏产生可见光图像。本章主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传感器的基本工作原理和典型应用问题。6.2 电荷耦合器件的结构和工作原理6.2.1mos结构特征CCD是一种半导体器件 图图9.7.1 MOS电容的结构电容的结构1金属金属 2绝缘层绝缘层SiO2上一页下一页返 回 CCDCCDCCDCCD的的的的MOSMOSMOSMOS结构结构结构结构P P P P型型型型SiSiSiSi耗尽区耗尽区耗尽区耗尽区电荷转移方向电荷转移方向电荷转移方向电荷转移方向12 2 2 23 3 3 3输出栅输出栅输出栅输出栅输入栅输入栅输入栅输入栅输入二极管输入二极管输入二极管输入二极管输出二极管输出二极管输出二极管输出二极管 SiOSiOSiOSiO2 2 2 2当当当当向向向向SiOSiOSiOSiO2 2 2 2表表表表面面面面的的的的电电电电极极极极加加加加正正正正偏偏偏偏压压压压时时时时，P P P P型型型型硅硅硅硅衬衬衬衬底底底底中中中中形形形形成成成成耗耗耗耗尽尽尽尽区区区区（势势势势阱阱阱阱），耗耗耗耗尽尽尽尽区区区区的的的的深深深深度度度度随随随随正正正正偏偏偏偏压压压压升升升升高高高高而而而而加加加加大大大大。其其其其中中中中的的的的少少少少数数数数载载载载流流流流子子子子（电电电电子子子子）被被被被吸吸吸吸收收收收到到到到最最最最高高高高正偏压电极下的区域内（如图中正偏压电极下的区域内（如图中正偏压电极下的区域内（如图中正偏压电极下的区域内（如图中1 1 1 1极下），形成电荷包（势阱）。极下），形成电荷包（势阱）。极下），形成电荷包（势阱）。极下），形成电荷包（势阱）。对于对于对于对于N N N N型硅衬底的型硅衬底的型硅衬底的型硅衬底的CCDCCDCCDCCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。平带条件下的能带平带条件下的能带 Ec导带底能量导带底能量Ei禁带中央能级禁带中央能级Ef费米能级费米能级Ev价带顶能量价带顶能量 平带条件：平带条件：当当MOS电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从体内到表面处是电中性的，因而能带体内到表面处是电中性的，因而能带(代表电子的能量代表电子的能量)从表面到从表面到内部是平的。内部是平的。上一页下一页返 回加上正电压加上正电压MOS电容的能带电容的能带 (a)栅压栅压UG较小时，较小时，MOS电容器处于耗尽状态。电容器处于耗尽状态。(b)栅压栅压UG增大到开启电压增大到开启电压 Uth时时,半导体表面的费米能级半导体表面的费米能级 高于禁带中央能极高于禁带中央能极,半导体表面上的电子层称为反型层。半导体表面上的电子层称为反型层。上一页下一页返 回有信号电荷的势阱有信号电荷的势阱当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。上一页下一页返 回2.2.电荷耦合电荷耦合原理原理 6.2.3电荷耦合原理 上一页下一页返 回6.2.4 CCD6.2.4 CCD的电极结构的电极结构 1.1.三相单层铝电极结构三相单层铝电极结构 2.2.三相电阻海结构三相电阻海结构 光学系统光学系统CCD2v3.3.三相交叠硅栅结构三相交叠硅栅结构v 4.二相硅-铝交叠栅结构 5.阶梯状氧化物结构阶梯状氧化物结构 被测物被测物光学系统光学系统2CCD2光学系统光学系统1重叠部分重叠部分v6.6.四相四相CCDCCD 6.2.56.2.5转移信道结构转移信道结构 体沟道体沟道CCD CCD（BCCD)BCCD)模拟信号模拟信号数字信号数字信号6.2.6 通道的横向限制如果电极间距较大，势阱形状将发生弯曲变化，会使信号电荷漏出，外面的电荷也会漏进来。为了限制势阱的横向范围，形成一个高势能的位垒，将沟道与沟道隔开。目前的横向限制工艺有沟阻扩散和氧化物台阶法。、加屏蔽电场：在屏蔽极上施以与栅极极性相反的电压，以吸收多子，造成多子在耗尽层内横向边界上的堆积，以限制耗尽层区的横向扩展。、氧化物台阶法：氧化物越厚，表面势越小，势阱越浅。使耗尽层以外的氧化层厚度加厚，保证它下面不会深耗尽，自动限制了势垒的高度、沟阻扩散法：利用掺杂浓度越高，表面势越小，势阱越浅，在同一珊压下，局部掺杂浓度不同。6.2.6.6.2.6.电荷的注入和检测电荷的注入和检测 v（1 1）光注入）光注入 Qin=qNeoAtc式中：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。l（2 2）电注入电注入 (1)电流注入法电流注入法 (2)电压注入法电压注入法 如图（a）所示为电流注入法结构如图（b）所示为电压注入法结构（3 3）电荷的检测）电荷的检测(输出方式输出方式)输出电流输出电流I Id d与注入到二极管中的电荷量与注入到二极管中的电荷量Q QS S的关系的关系 Q Qs s=I Id dd dt t 6.4 CCD6.4 CCD的特性参数的特性参数 （1 1）电荷转移效率电荷转移效率和电荷转移损失率和电荷转移损失率 电荷转移效率为 电荷转移损失率为 电荷转移效率与损失率的关系为（2 2）驱动频率驱动频率 驱动频率的下限驱动频率的下限 电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t，少数载流子的平均寿命为i 则 驱动频率的上限驱动频率的上限 电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间为g 则 6.5电荷耦合成像器件电荷耦合成像器件6.5.1 CCD6.5.1 CCD线列图像器件线列图像器件线列图像器件线列图像器件线型器件，它可以直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号输出，获得线型器件，它可以直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号输出，获得一维的图像信号。若想用线阵一维的图像信号。若想用线阵CCDCCD获得二维图像信号，必须使线阵获得二维图像信号，必须使线阵CCDCCD与二维图像作与二维图像作相对的扫描运动，所以用线阵相对的扫描运动，所以用线阵CCDCCD对匀速运动物体进行扫描成像是非常方便的。对匀速运动物体进行扫描成像是非常方便的。1CCD转移寄存器转移寄存器 2转移控制栅转移控制栅 3积蓄控制电极积蓄控制电极 4光敏区光敏区 SH转移控制栅输入端转移控制栅输入端 RS复位控制复位控制 VOD漏极输出漏极输出 OS图像信号输出图像信号输出 OG输出控制栅输出控制栅线线型型图图像像传传感感器器结结构构上一页下一页返 回线型线型线型线型CCDCCDCCDCCD图像传感器图像传感器图像传感器图像传感器工作过程工作过程工作过程工作过程 线型线型线型线型CCDCCDCCDCCD图像传感器由一列光敏元件与一列图像传感器由一列光敏元件与一列图像传感器由一列光敏元件与一列图像传感器由一列光敏元件与一列CCDCCDCCDCCD并行且对应的构成一个并行且对应的构成一个并行且对应的构成一个并行且对应的构成一个主体主体主体主体,在它们之间设有一个转移控制栅在它们之间设有一个转移控制栅在它们之间设有一个转移控制栅在它们之间设有一个转移控制栅,如图所示。在每一个光敏元件上都有一如图所示。在每一个光敏元件上都有一如图所示。在每一个光敏元件上都有一如图所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极个梳状公共电极个梳状公共电极个梳状公共电极,由一个由一个由一个由一个P P P P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上阵列上阵列上阵列上,梳状电极施加高电压时梳状电极施加高电压时梳状电极施加高电压时梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷光敏元件聚集光电荷光敏元件聚集光电荷光敏元件聚集光电荷,进行光积分进行光积分进行光积分进行光积分,光电荷与光光电荷与光光电荷与光光电荷与光照强度和光积分时间成正比。照强度和光积分时间成正比。照强度和光积分时间成正比。照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时在光积分时间结束时在光积分时间结束时在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高转移栅上的电压提高转移栅上的电压提高转移栅上的电压提高(平时低电压平时低电压平时低电压平时低电压),),与与与与CCDCCD对应的电极也同时对应的电极也同时对应的电极也同时对应的电极也同时处于高电压状态。然后处于高电压状态。然后处于高电压状态。然后处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕移到移位寄存器中。当转移完毕移到移位寄存器中。当转移完毕移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低转移栅电压降低转移栅电压降低转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态梳妆电极电压回复原来的高电压状态梳妆电极电压回复原来的高电压状态梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时准备下一次光积分周期。同时准备下一次光积分周期。同时准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从将存储的电荷从将存储的电荷从将存储的电荷从CCDCCD中转移中转移中转移中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图从而读出电荷图从而读出电荷图从而读出电荷图形。形。形。形。线型线型CCDCCD摄像器件的两种基本形式摄像器件的两种基本形式 v (1)(1)单沟道线阵单沟道线阵CCD CCD 图8-26所示为三相单沟道线阵CCD的结构图。(2)双沟道线阵CCD 图8-27为双沟道线阵CCD摄像器件。它具有两列CCD模拟移位寄存器A与B，分列在像敏阵列的两边。实实实实用用用用的的的的线线线线型型型型CCDCCDCCDCCD图图图图像像像像传传传传感感感感器器器器为为为为双双双双行行行行结结结结构构构构，如如如如图图图图（b b b b）所所所所示示示示。单单单单、双双双双数数数数光光光光敏敏敏敏元元元元件件件件中中中中的的的的信信信信号号号号电电电电荷荷荷荷分分分分别别别别转转转转移移移移到到到到上上上上、下下下下方方方方的的的的移移移移位位位位寄寄寄寄存存存存器器器器中中中中，在在在在控控控控制制制制脉脉脉脉冲冲冲冲的的的的作作作作用用用用下下下下，自自自自左左左左向向向向右右右右移移移移动动动动，在在在在输输输输出端交替合并输出，就形成了原来光敏信号电荷的顺序。出端交替合并输出，就形成了原来光敏信号电荷的顺序。出端交替合并输出，就形成了原来光敏信号电荷的顺序。出端交替合并输出，就形成了原来光敏信号电荷的顺序。(a)(b)线型线型CCD图像传感器图像传感器转移栅转移栅光积分单元光积分单元不透光的电荷转移结构不透光的电荷转移结构输出输出光积分区光积分区输出输出输出输出转移栅转移栅6.5.2面阵电荷耦合器件成像器件（ACCID)(a)x-y 选址选址 (b)行选址行选址 (c)帧场传输式帧场传输式 (d)行间传输式行间传输式上一页下一页返 回(1)帧转移面阵帧转移面阵CCD 图8-28为三相面阵帧转移摄像器的原理结构图。它由成像区(像敏区)、暂存区和水平读出寄存器等三部分构成。(2)(2)行间转移型面阵行间转移型面阵CCDCCD 隔列转移型面阵CCD的结构如图8-29(a)所示。图8-29（b）是隔列转移型面阵CCD的二相注入势垒器件的像敏单元和寄存器单元的结构图。(3)(3)线转移型面阵线转移型面阵CCD CCD 如图8-30所示，它与前面两种转移方式相比，取消了存储区，多了一个线寻址电路。.CMOS CMOS图像传感器图像传感器 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）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。CMOS图像传感器虽然比CCD出现还早一年，但在相当长的时间内，由于它存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率（有效像元与总面积之比）低（10%20%），响应速度慢等缺点，因此只能用于图像质量要求较低、尺寸较小的数码相机中，如机器人视觉应用的场合。1989年以后，出现了年以后，出现了“主动像元主动像元”（有源）结构。它不仅有光敏元件和像元寻址开（有源）结构。它不仅有光敏元件和像元寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围，使它的一些性能参数与围，使它的一些性能参数与CCD图像传感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方图像传感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于面要优于CCD图像传感器，所以应用越来越广泛。图像传感器，所以应用越来越广泛。1.CMOS成像器件的组成 CMOS成像器件的组成原理框图如图8-31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。像敏单元阵列实际上是光电二极管阵列，它也有线阵和面阵之分。图像信号的输出过程可由下图图像传感器阵列原理图更清楚地说明。2.CMOS成像器件的像敏单元结构 这种器件的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。前者只包含光电二极管和地址选通开关两部分，如图8-33所示。其中像敏单元的图像信号的读出时序如图8-34所示。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，当复位脉冲出现时，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。图中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；场效应管场效应管V2：源极跟随放大器，进行电流放大，：源极跟随放大器，进行电流放大，积分结束后，V3管导通，信号输出。.、CMOS与与CCD图像传感器性能比较图像传感器性能比较从技术的角度来比较两者主要存在的区别从技术的角度来比较两者主要存在的区别（a）信息读取方式不同）信息读取方式不同（b）速度有所差别（c）电源及耗电量 （d）成像质量（e）内部结构（传感器本身的结构）抗辐射性、成本、集成度等方面：性能指性能指标 CMOS CMOS图像像传感器感器 CCD图像传感器图像传感器暗电流（暗电流（PA/MPA/M2 2）电子电子-电压转换率电压转换率动态范围动态范围响应均匀性响应均匀性读出速度读出速度(Mpixels/sMpixels/s)偏置、功耗偏置、功耗工艺难度工艺难度信号输出方式信号输出方式集成度集成度应用范围应用范围性价比性价比1010100100大大略小略小较差差1000 1000 小小小小x xy y寻址可址可随随机采机采样高高低端、民用低端、民用高高1010略小略小大大好好7070大大大大顺序逐序逐个个像元像元输出出低低高端、高端、军用、用、研研究究略低略低lCCD与 CMOS图象传感器出货量（单位：百万颗）6.8、CMOS图像传感器的图像传感器的应用领域应用领域 国外芯片厂商国外芯片厂商：l生产生产CMOS图像传感器，比较著名的有：图像传感器，比较著名的有：Micron（美光）（美光）lOmni Vision（豪威）（豪威）lMitsubishi（三菱）（三菱）lKodak（柯达）等。柯达）等。l国内的CIS企业l 上海派视尔、上海格科微电子、北京思比科l 1.3MegaPixel与2MegaPixel产品。l 格科微电子采用的仍然是传统的图形架构，每个像素前面采用单色滤色片，但采用了该公司专利的架构技术，传统Bayer图形架构会造成的色彩干扰问题得以解决；并且这种架构还使图像的层次感较强、显示较为真实；另外在图像处理方面还进行了颜色纠正，保证色彩的充分还原。l 派视尔则在集成化方面大做文章。已经推出集成有自动调整聚焦控制器（AF）的200万像素级单芯片CIS。能够充分满足手机市场对图像质量、性能及易用性的要求，同时还能简化模块制造的组装过程。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。