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1、第十三章 CCD图像传感器,第十三章 CCD图像传感器,光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器，以电荷转移为核心，可以完成光电信号转换、存储、传输、处理，具有体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点，可探测可见光、紫外光、x射线、红外光、微光和电子轰击等，广泛用于图像识别和传送，例如摄像系统、扫描仪、复印机、机器人的眼睛等。固态图像传感器按其结构可分为三种：一种是电荷耦合器件（charge-Coupled Devices，简称CCD）；,第十三章 CCD图像传感器,第二种是MOS型图像传感器，又称自扫描光电二极管阵列（Self Scanned Phohodiode Array，简称SSPA）
2、；第三种是电荷注入器件（charge Injection Device，简称CID）。目前前两者用得最多，CCD型图像传感器噪声低，在很暗的环境条件下性能仍旧良好；MOS型图像传感器质量很高，可用低压电源驱动，且外围电路简单，下面分别介绍。,13.1 电荷耦合器件（CCD）,CCD是一种以电荷包的形式存贮和传递信息的半导体表面器件，是在MOS结构电荷存贮器的基础上发展起来的，所以有人将其称为“排列起来的MOS电容阵列”。一个MOS电容器是一个光敏元，可以感应一个像素点，则若一个图像有多少个像素点，就需要同样多个光敏元，即采集一幅图像需要含有许多MOS光敏元的大规模集成器件。,13.1.1 MO
3、S光敏元的结构与原理,下图给出了P型半导体MOS光敏元的结构图，制备时先在P-Si片上氧化一层SiO2介质层，其上再沉积一层金属Al作为栅极，在P-Si半导体上制作下电极。,半导体与SiO2界面的电荷分布,其工作原理为：在栅极上突然加一个VG正脉冲（VGVT阈值电压），金属电极板上就会充上一些正电荷，电场将P-Si中SiO2界面附近的空穴排斥走，在少数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,13.1.1 MOS光敏元的结构与原理,此时半导体表面处于非平衡状态，表面区有表面电势s，若衬底电位为0，则表面处电子的静电位能为-qs。,在半导体空间电荷区，电位的变化可
4、由泊松方程确定。设半导体与SiO2界面为原点，耗尽层厚度为xd，泊松方程及边界条件为：,式中V(x)为距离表面x处的电势；E为x处的电场；NA为P-Si中掺杂物质的浓度；0、S分别为真空和SiO2的介电常数。可解得：,13.1.1 MOS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x=0处的电位为 ：,因为s大于0，电子位能-qs小于0，则表面处有贮存电荷的能力，一旦有电子，这些电子就会向耗尽层的表面处运动，表面的这种状态称为电子势阱或表面势阱。若VG增加，栅极上充的正电荷数目也增加，在SiO2附近的P-Si中形成的负离子数目相应增加，耗尽区的宽度增加，表面势阱加深。另外，若形成MO
5、S电容的半导体材料是N-Si，则VG为负电压时，会在SiO2附近的N-Si中形成空穴势阱。,13.1.1 MOS光敏元的结构与原理,当光照射到MOS电容器上时，半导体吸收光子能量，产生电子-空穴对，少数电子会被吸收到势阱中。光强越大，产生电子-空穴对越多，势阱中收集的电子数就越多；反之，光越弱，收集的电子数越少。因此势阱中电子数目的多少可以反映光的强弱，从而说明图像的明暗程度。于是，这种MOS电容器实现了光信号向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上VG，整个图像的光信号将同时变为电荷包阵列。当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的增加而减小（由于电子的屏蔽作用，在一定光强下
6、一定时间内势阱会被电子充满），所以收集电子的量要调整适当。,13.1.1 MOS光敏元的结构与原理,当光照射到MOS电容器上时，半导体吸收光子能量，产生电子-空穴对，少数电子会被吸收到势阱中。光强越大，产生电子-空穴对越多，势阱中收集的电子数就越多；反之，光越弱，收集的电子数越少。因此势阱中电子数目的多少可以反映光的强弱，从而说明图像的明暗程度。于是，这种MOS电容器实现了光信号向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上VG，整个图像的光信号将同时变为电荷包阵列。当有部分电子填充到势阱中时，耗尽层深度和表面势将随着电荷的增加而减小（由于电子的屏蔽作用，在一定光强下一定时间内势阱会被电子充满），所
7、以收集电子的量要调整适当。,13.1.2 电荷转移原理,设想在驱动脉冲的作用下，将电荷包阵列一个一个自扫描并从同一输出端输出，形成图像时，域脉冲串，即每一电荷包信号不断向邻近的光敏元转移，间距为15m20m。若两个相邻MOS光敏元所加的栅压分别为VG11，电子的静电位能-q2-q10，则VG2吸引电子能力强，形成的势阱深，即1中的电子有向2中下移的趋势。若串联很多光敏元，且使VG1VG2 VGN，则可形成一个输运电子的路径，从而实现电子的转移。,13.1.3 CCD的工作原理,由前面的分析可知，MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相数分为二相
8、、三相和四相。由于二相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化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。,下图为三相三位N沟CCD器件，其中，Ip（图中未画出）为输入电极，IG（图中未画出）为输入控制极，OG为输出控制极，OP为输出极，1、2、3为3个驱动脉冲，它们的顺序脉冲（时钟脉冲）为1231，且3个脉冲的形状完全相同，彼此间有相位差（差1/3周期）。1驱动1、4电极，2驱动2、5电极，3驱动3、6电极。,13.1.3 CCD的工作原理,由前面的分析可知，MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上施加不同的电压实现的。电极的结构按所加电压的相
9、数分为二相、三相和四相。由于二相结构中要保证电荷单项移动，必须使电极下形成不对称势阱，通过改变氧化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。,三相三位N沟CCD器件的结构、驱动和转移示意图,13.1.3 CCD的工作原理,t1时刻：1=l，2=3=0；l、4势阱最深，2、5和3、6势阱为0。t2时刻：1=l/2，2=1，3=0；1、4势阱变为1/2，2、5势阱变为l，1、4势阱中的电子会向2、5势阱中移动。t3时刻：1=0，2=1，3=0；1电极下的电子全部转移至2电极下的2、5势阱中。t4时刻：1=0，2=l2，3=1；2电极下2、5势阱中的电子向3电极下的3、6势阱中转
10、移。t5时刻：1=0，2=0，3=1，2电极下的电子全部转移至3电极下的3、6势阱中。,13.1.3 CCD的工作原理,如此通过脉冲电压的变化，在半导体表面形成不同存贮电子的势阱，且右边产生更深势阱，左边形成阻挡电势势阱，使电荷自左向右作定向运动，以至电荷包直接输出。由于在传输过程中持续的光照会产生电荷，使信号电荷发生重叠，在显示器中出现模糊现象。因此在CCD摄像器件中有必要把摄像区和传输区分开，并且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。,13.1.4 CCD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。,线阵型CCD图像传感器是由一列MOS光敏单元和一
11、列CCD移位寄存器构成的，光敏单元和寄存器之间有一个专以控制栅，基本接口如下图所示。转移控制栅控制光电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于光积分时间。在光几分周期里，各个光敏源中所积累的光电荷与该光敏原上所接收的光照强度和光积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅关闭时，MOS光敏元阵列又开始下一行的光电荷积累。同时，在移位寄存器上施加时钟脉冲，将已转移到CCD移位寄存器内的上一行的信号电荷由一位寄存器串行输出，如此重复上述过程。,13.1.4 CCD图像传感器,线阵型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视频信号输出，为了得到整个二维图像的
12、视频信号，就必须用扫描的方法。线阵型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别等领域。,面阵型CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按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。,线阵型CCD图像传感器,13.1.4 CCD图像传感器,（）行传输（LT）面阵型CCD下图(a)给出了LT面阵CCD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，必须加脉冲电压，与光积分同时进行，会产生“拖影”，故较少采用。
13、,13.1.4 CCD图像传感器,2）帧传输（FT）面阵型CCD图(b)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FT-CCD，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N个感光单元，则整个感光区有MN个单元。它一般采用三相时钟驱动，如图13-6所示，感光区的三相时钟为，I1、I2、I3。暂存区的三相时钟为S1、S2、S3。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“拖影”，以提高图像的清晰度并与电视图像的扫描
14、制式相匹配。,13.1.4 CCD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，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，使电荷包一个一个输出，（fCH大于Mfcv2）。为了减小电荷包在感光区转移时的光子拖影，频率fcv1需较高，为了降低输出寄存器的驱动率fCH，必须适当降低fcv2。而fcv1必须与感光区的积分期相适应（大于Nfcv2)。所以，实际中应该选择适当的频率以达到最佳图像质量。为了减少
15、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,13.1.4 CCD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。缺点是由于设置暂存区，器件面积增加了50%。,帧传输驱动结构,13.1.4 CCD图像传感器,上图 (c)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
16、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，但调制转移函数（MTF）较好。ILT-CCD的单元平面结构如右下图所示，光敏元件1产生并积累信号电荷；3用于排泄过量的信号电荷； 2是上述两个环节的控制栅，2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阱，从而造成再生图像的光学拖影与弥散；4是光敏元件1两侧的沟阻（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5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7的体内信道，依次移向水平转移寄存器转移。,13.1.4 CCD图像传感器,行间传输面型CCD图像传感
17、器,LT-CCD的单元平面结构,13.1.4 CCD图像传感器,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、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。,（1）转移效率当CCD中的电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷量，则转移效率定义为：若转移损耗定义为：则光信号电荷进行N次转移后，总转移效率为：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，因此要求转移效率必须达到99.9999.999。,13.1.4 CCD图像传感器,用来全面评价CCD传感
18、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MTF。一般光像的空间频率的单位用线对毫米表示（1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率f0（单元数毫米）表示，通常光像的空间频率f用f /f0归一化。例如，假设传感器上光像的最大强度间隔为,13.1.4 CCD图像传感器,300m，传
19、感器的单元间隔为30m，则归一化空间频率为0.1。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。根据奈奎斯特采样定理，图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0 （即每毫米中的线对）的一半，即,(3) 暗电流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,13.1.4 CCD图像传感器,其中的每个器件，产生暗电流尖峰的缺陷总
20、是出现在相同位置的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存储在PROM（可编程只读存储器）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。,(4) 灵敏度图像传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即式中，H为光像的发射照度；A为单位面积，Ns为t时间内收集的载流子数；q为电数；单位为mA/W。发射量与测量值的转换关系为1W（2856k）=20lm。,13.1.4 CCD图像传感器,光从表面照射传感器时，通过多晶硅层，使蓝光的灵敏度下降。从背面照射时，器件的厚度必须减薄到约为10m。另外，在图像传感器表面上加上多层涂层，使之具有光学透镜一样的性能时，则
21、更为有效。灵敏度有时用平均量子效率表示。如下图所示，设硅的吸收波长在400nm1100nm范围，平均量子效率的理论值为100，而对应的量子效率用百分比表示。,13.1.4 CCD图像传感器,(5) 噪声噪声是图像传感器的主要参数。CCD是低噪声器件，但由于其他因素产生的噪声叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移受到干扰。噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输出噪声等。散粒噪声虽然不是主要的噪声源，但是在其他几种噪声可以采用有效措施来降低或消除的情况下，散粒噪声就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。,13.1.5 线阵CCD摄像系统,另外还可以利用拼接
22、技术将多个线阵CCD图像传感器连接在一起，组成复合线阵CCD图像传感器系统，使成像系统分辨率产生突破性进展，这个复合系统可成为遥感技术和图像处理中最主要、最先进的获取信息的工具。,线阵CCD摄像系统,13.1.5 线阵CCD摄像系统,下图所示为一个线阵CCD摄像系统。图中由光学系统将图像聚集到CCD光敏元上，光敏元将光强分布变成与之成正比的电荷强度分布，然后由脉冲电路按时序取样，使其变成串行的图像电信号，经放大后再将图像信号送入图像显示器或记录器。线阵CCD只能完成一维扫描（行扫描），与之垂直的另一维扫描（帧扫描）需要用机械方法实现，所以线阵CCD摄像系统适用于航空、航天飞行器上的一维扫描，也
23、可用于文件阅读或计算机的图像输入，这时文件或图像是在转鼓的带动下作匀速运动，即文件或图像本身的运动可以算作一维扫描（帧扫描）。,13.2.1 MOS线阵型固态图像传感器,13.2 MOS图像传感器,MOS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两种。,下图所示是MOS单通道线阵型固态图像传感器的结构示意图，它由感光区和传输区两部分组成。感光区由一列光敏单元（光积分单元）组成，传输区由转移栅及一列移位寄存器组成。光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏二极管中，接通转移栅后，信号电荷流人传输区。传输区是遮光的，以防因光生噪声电荷干扰而导致图像模糊。,MOS单通道线阵型固态图像传感器的结
24、构,13.2.1 MOS线阵型固态图像传感器,由光敏二极管与MOS晶体管组成的线阵型固态图像传感器的结构及其输出信号如下图所示。光敏二极管将入射光转变成电信号，由MOS场效应晶体管组成选址电路，与每个光敏二极管相对应。MOS场效应晶体管的栅极连接到移位寄存器的各级输出端上。光敏二极管使作开关用的MOS场效应晶体管的源极浮置，使用同衬底构成的PN结。从图中分析光敏二极管D2，一旦S2接通，将在反向偏置的PN结电容上充电直至电荷饱和。经过一个时钟周期后，S2断开，D2的一端浮置。在这种状态下，若光照射不到光敏二极管D2上，则在下一个扫描周期中，即使S2再次接通也没有充电电流流过，但若此时有光照射在
25、PN结上，在光子的作用下将产生电子-空穴对，在D2上将有放电电流流过，D2中存贮的电荷将与入射光量成比例地减少。也就是说，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,13.2.1 MOS线阵型固态图像传感器,比例。为了弥补上述的电荷损失，在S2下一次接通时，将有充电电流流过，这充电电流将成为正比于入射光量的视频信号。这样，光敏二极管在一个扫描周期内将入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,下图所示为双通道线阵型固态图像传感器的结构和双通道结构，其总转移效率比单通道型高，且MTF特性也较好。它有两个平行的配置在感光区两
26、侧的移位寄存,13.2.1 MOS线阵型固态图像传感器,器。当光生信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移栅XA和XB。信号电荷就转移到移位寄存器，奇数光敏单元转移到A寄存器，偶数光敏单元转移到B寄存器。256单元的器件在5V时钟脉冲驱动下，工作频率为10MHz时，总的转移效率可达95。,13.2.1 MOS线阵型固态图像传感器,扫描电路一般用MOS移位寄存器构成，这种构造往往会混入脉冲噪声。该噪声会在再生图像上形成固定形状的“噪声图像”，采用外电路差分放大器可以消除这种噪声。另外，MOS场效应晶体管的漏区与光敏二极管的空间距离很近，当光照射到漏区时，衬底内也会形成光生电荷并且向各处扩散，因而会在再生
27、图像上出现纵线状光学拖影。当光足够强时，由于光点的扩展又会造成再生图像的弥散现象。在光敏二极管和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。,13.2.2 CMOS有源像素图像传感器,CMOS技术可以将图像传感器阵列、驱动电路、信号处理电路、控制电路、模拟-数字转换器、改进的界面完全集成在一起，能够满足低成本、高性能、高集成度、灵巧的单芯片数字成像系统的应用需要。下图所示为CMOS图像传感器的典型结构，由光敏单元陈列、信号处理电路、定时和控制电路、译码器、计数器、门闩电路等单元构成，高级的CMOS图像传感器还集成有模拟-数字转换器等单元。器件采用单一的5V电源供电。光敏单元将光信
28、号转换为电信号，经过信号处理后，以模拟或数字信号输出。器件在编程工作模式下时，可以随机读取像元阵列中感兴趣的图像信息。起始脉冲和平行数据输出命令限制了积分时间和窗口参数。,13.2.2 CMOS有源像素图像传感器,CMOS图像传感器的典型结构,13.3 CCD器件的应用,13.3.1 CCD在汽车前照灯配光测试中的应用,汽车前照灯配光测试系统由工业用CCD摄像机、图像处理卡、监视器及计算机等构成，其结构框图如图下所示。本系统中的图像处理卡具有实时同步捕捉、快速A/D转换和采集存储等功能，如VC32彩色图像卡，有4份图像帧存储器，（5125128）bit帧的存储容量，以满足测量要求。摄像机采用彩
29、色摄像机，最低照度为0.1lux，水平清晰度为320410TVL。图像卡接收由CCD摄像机采集的汽车前照灯投射在幕布上的图像视频信号，经图像卡的A/D模拟转换电路转换成数字信号，数字信号值的大小对应于前照灯光线的强弱，并存储在帧存储器中，由显示逻辑将数字信号转换成视频信号输出到监视器显示，通过软件访问帧存储器并进行各种数据处理，结果可通过打印机输出。软件由以下几个子程序组成：,数据采集与计算模块：对图像视频信号进行采集，并将数据存储于帧存储器中。对采集的数据进行处理，并对指定数据进行计算。,（1）,13.3.1 CCD在汽车前照灯配光测试中的应用,数据动态修正模块：自动对数据进行修正。,（2）
30、,图像处理模块：实现车灯图像监视器显示。,（3）,测量结果输出模块：将测量结果通过显示器显示的同时，可通过打印机打印。,（4）,CCD汽车前照灯配光测试系统结构框图,13.3.2 CCD在光电精密测径系统中的应用,光电精密测径系统采用新型的光电器件CCD传感器检测技术，可以对工件进行高精度的自动检测，可用数字显示测量结果，并对不合格工件进行自动筛选，其测量精度可达0.003mm。光电精密测径系统主要由CCD传感器、测量电路系统和光学系统组成，工作原理框图如下图所示。,光电精密测径系统,被测工件被均匀照明后，经成像系统按一定倍率准确地成像在CCD传感器的光敏面上，在CCD传感器光敏面上形成了被测件的影像，这个影像反映了被测件的,13.3.2 CCD在光电精密测径系统中的应用,直径尺寸。被测件直径与影像之间的关系为：,因此，只要测出被测件影像的大小，就可以上由式求出被测件的直径尺寸。,除上述两个应用实例外，CCD图像传感器还广泛应用于摄像系统、扫描仪、复印机、机器人的眼睛等。,13.3.2 CCD在光电精密测径系统中的应用,谢谢！,
