新型固態(tài)光電傳感器及圖像CCD

1、 第第2章章 新型固態(tài)光電傳感器新型固態(tài)光電傳感器 Page 2這一章有哪些內(nèi)容？這一章有哪些內(nèi)容？象限探測器（普通光敏器件陣列）象限探測器（普通光敏器件陣列）自掃描光電二極管陣列（自掃描光電二極管陣列（SSPD）電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）CCD器件在測量中的應(yīng)用器件在測量中的應(yīng)用光電傳感器的一些應(yīng)用光電傳感器的一些應(yīng)用光電位置敏感器件（光電位置敏感器件（PSD） Page 3第一節(jié)第一節(jié) 普通光敏器件陣列普通光敏器件陣列一、象限探測器一、象限探測器 利用光刻技術(shù)，將一個整塊的圓形或方形光敏器件敏感面利用光刻技術(shù)，將一個整塊的圓形或方形光敏器件敏感面分隔成若干個面積相等、形狀相同、位

2、置對稱的區(qū)域，而背分隔成若干個面積相等、形狀相同、位置對稱的區(qū)域，而背面仍為整體，各分隔區(qū)引出導(dǎo)線，構(gòu)成象限探測器。象限探面仍為整體，各分隔區(qū)引出導(dǎo)線，構(gòu)成象限探測器。象限探測器可以用來確定光電在二維平面上的位置坐標(biāo)。測器可以用來確定光電在二維平面上的位置坐標(biāo)。 Page 4象限探測器種類、電路形式象限探測器種類、電路形式典型器件：四象限光電二極管、四象限硅光電池、四象限光典型器件：四象限光電二極管、四象限硅光電池、四象限光電倍增管及二象限的硅光電池和光敏電阻等。電倍增管及二象限的硅光電池和光敏電阻等。 若采用四象限探測器來確定光斑的中心位置，則根據(jù)探測器若采用四象限探測器來確定光斑的中心位置

3、，則根據(jù)探測器坐標(biāo)軸線和測量系統(tǒng)基準(zhǔn)線間的安裝角度不同，可采用不同的坐標(biāo)軸線和測量系統(tǒng)基準(zhǔn)線間的安裝角度不同，可采用不同的數(shù)據(jù)運算電路。數(shù)據(jù)運算電路。 象限探測器用來確定光點在二維平面上的位置坐標(biāo)，一象限探測器用來確定光點在二維平面上的位置坐標(biāo)，一般用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤等方面。般用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤等方面。Page 5象限探測器種類、電路形式象限探測器種類、電路形式1.1.直差電路形式直差電路形式輸出偏移量為：輸出偏移量為：直差形式：電路簡單，靈敏度不高直差形式：電路簡單，靈敏度不高 器件的坐標(biāo)線和基準(zhǔn)線間成器件的坐標(biāo)線和基準(zhǔn)線間成4545度角安裝，這種布置形式度角安裝，這種布置形式直接形成直

4、接形成x x，y y軸各自具有兩個軸各自具有兩個對稱的光電器件，分別兩兩獨對稱的光電器件，分別兩兩獨立地計算坐標(biāo)值。立地計算坐標(biāo)值。BDxABCDACyABCDUUUKUUUUUUUKUUUU Page 6象限探測器種類、電路形式象限探測器種類、電路形式2.和差電路形式和差電路形式Page 7象限探測器種類、電路形式象限探測器種類、電路形式2.和差電路形式和差電路形式 式中，式中， 代表四個探測器經(jīng)放大后的輸出代表四個探測器經(jīng)放大后的輸出電電壓值；壓值；K為電路放大系數(shù)，它與光斑直徑和功率有關(guān)；為電路放大系數(shù)，它與光斑直徑和功率有關(guān)；分別表示光束在分別表示光束在x方向和方向和y方向偏離四象限探

5、測器中心點的情況。方向偏離四象限探測器中心點的情況。ABCDUUUU、xyUU、Page 8象限探測器種類、電路形式象限探測器種類、電路形式3.象限探測器的缺點象限探測器的缺點1）需要分割，會產(chǎn)生死區(qū)，尤其當(dāng)光斑很小時，死區(qū)的影響明）需要分割，會產(chǎn)生死區(qū)，尤其當(dāng)光斑很小時，死區(qū)的影響明顯。顯。2）被測光斑全部落入某象限時，輸出電信號無法正確表示光斑）被測光斑全部落入某象限時，輸出電信號無法正確表示光斑位置，因此測量和控制范圍都有限。位置，因此測量和控制范圍都有限。3）測量精度與光強變化及漂移密切相關(guān)，因此分辨率和精度受）測量精度與光強變化及漂移密切相關(guān)，因此分辨率和精度受到限制。到限制。 Pa

6、ge 9光敏管陣列光敏管陣列二、光敏管陣列二、光敏管陣列 各光電管的同一極端連接在一起，另一端各自單獨引出。各光電管的同一極端連接在一起，另一端各自單獨引出。陣列的每一個光電管稱作像元，各像元以直線方式并列分布，陣列的每一個光電管稱作像元，各像元以直線方式并列分布，每個像元各自分開，引線獨立。每個像元各自分開，引線獨立。 Page 10 外形結(jié)構(gòu)有可靠性高的多引線金屬封裝或者雙列直插式外形結(jié)構(gòu)有可靠性高的多引線金屬封裝或者雙列直插式陶瓷封裝。各像元的外圍信號處理電路可根據(jù)普通光敏管的陶瓷封裝。各像元的外圍信號處理電路可根據(jù)普通光敏管的電路設(shè)計方法加以設(shè)計和計算。電路設(shè)計方法加以設(shè)計和計算。光敏

7、光陣列光敏光陣列圖2-5 光敏元件陣列的信號引出 Page 11第二節(jié)第二節(jié) 自掃描光電二極管陣列（自掃描光電二極管陣列（SSPD） SSPD器件內(nèi)部集成了數(shù)字移位寄存器等電路，其工作器件內(nèi)部集成了數(shù)字移位寄存器等電路，其工作方式為電荷存儲方式。方式為電荷存儲方式。一、電荷存儲工作原理一、電荷存儲工作原理 Page 12a）、預(yù)充電）、預(yù)充電 柵極柵極Ug接高電平，開關(guān)接高電平，開關(guān)VT閉合。偏置電源對二極管結(jié)電容充電，閉合。偏置電源對二極管結(jié)電容充電，穩(wěn)定時，穩(wěn)定時，SSPDdCQC Ub）、曝光過程）、曝光過程 柵極柵極Ug接低電平，開關(guān)接低電平，開關(guān)VT斷開。結(jié)電容通光電流和暗電流放電。

8、斷開。結(jié)電容通光電流和暗電流放電。()PPDSSQIITI TcdCdQUUC Page 13SSPDc）、循環(huán)充電過程）、循環(huán)充電過程 柵極柵極Ug再次再次接高電平，開關(guān)接高電平，開關(guān)VT閉合。閉合。 輸出的峰值電壓反映了光電二極管的光生電信號的大小。輸出的峰值電壓反映了光電二極管的光生電信號的大小。max/LccddUUUQ C Page 14SSPDMOS場效應(yīng)管周期性地通斷，電路將會不斷重復(fù)場效應(yīng)管周期性地通斷，電路將會不斷重復(fù)“放電放電充充電電放電放電”的過程，負(fù)載上定期地輸出信號，反映該時間像的過程，負(fù)載上定期地輸出信號，反映該時間像元的光照度大小。元的光照度大小。maxPSPSL

9、ddI TS ETUCC輸出信號的最大值輸出信號的最大值 與入射光的輻照度與入射光的輻照度 和積分時間和積分時間 的乘積（即曝光量的乘積（即曝光量 ）成正比，與結(jié)電容）成正比，與結(jié)電容 成反比。成反比。因此增加積分時間或減小結(jié)電容均可提高器件的靈敏度。因此增加積分時間或減小結(jié)電容均可提高器件的靈敏度。maxLUESTSHETdCmaxmax()dCSPC UHETS Page 15二、線陣二、線陣SSPD器件器件SSPD1）感光部分由）感光部分由N個光電二極管個光電二極管（VD1VDn）等間距直線排列組成）等間距直線排列組成（線陣），所有（線陣），所有N端連在一起，組端連在一起，組成成COM。

10、每個光電管電氣特性完全。每個光電管電氣特性完全相同，包括受光面積相同，包括受光面積A和結(jié)電容和結(jié)電容Cd。2）多路開光：由）多路開光：由N個個MOS管管（VT1VTn）組成，源極分別于對）組成，源極分別于對應(yīng)的二極管應(yīng)的二極管P端相連。所有漏極接端相連。所有漏極接在一起，組成視頻輸出線（即在一起，組成視頻輸出線（即Uo）。）。3）移位寄存器：移位寄存器提供各路）移位寄存器：移位寄存器提供各路MOS管的柵極掃描控制信號（負(fù)脈沖）。管的柵極掃描控制信號（負(fù)脈沖）。 Page 16當(dāng)用一個幀起始脈沖當(dāng)用一個幀起始脈沖S啟動后，掃描開始，時鐘信號啟動后，掃描開始，時鐘信號 使移位寄存器的使移位寄存器的

11、端依次輸出延遲一拍的負(fù)脈沖采樣掃描信號。移位寄存器順序輸出的控制信號使端依次輸出延遲一拍的負(fù)脈沖采樣掃描信號。移位寄存器順序輸出的控制信號使多路開關(guān)多路開關(guān)VT1VTn按順序依次閉合、斷開，從而依次把光電二極管按順序依次閉合、斷開，從而依次把光電二極管VD1VDn上的上的光電信號從視頻線上輸出，形成輸出信號光電信號從視頻線上輸出，形成輸出信號Uo。光電信號幅度隨不同位置上的光照。光電信號幅度隨不同位置上的光照度大小而改變，形成一幀反映光敏區(qū)上光學(xué)圖像特性的電圖像輸出信號。度大小而改變，形成一幀反映光敏區(qū)上光學(xué)圖像特性的電圖像輸出信號。1BBNUUSSPD Page 17SSPD2、面陣、面陣S

12、SPD器件器件 同樣由感光、多路開關(guān)和移位寄同樣由感光、多路開關(guān)和移位寄存器三部分構(gòu)成，移位寄存器分水平存器三部分構(gòu)成，移位寄存器分水平和垂直掃描兩塊，感光部分以二維陣和垂直掃描兩塊，感光部分以二維陣列分布。水平掃描電路輸出的掃描信列分布。水平掃描電路輸出的掃描信號號H1HM控制控制MOS開關(guān)開關(guān)VT1VTn的的通斷，垂直掃描電路輸出的掃描信號通斷，垂直掃描電路輸出的掃描信號U1UN控制每一像素內(nèi)的控制每一像素內(nèi)的MOS開關(guān)的開關(guān)的柵極，從而把按二維空間分布照射在柵極，從而把按二維空間分布照射在面陣上的光強信息轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信面陣上的光強信息轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，從視頻線上串行輸出：號，從視頻線

13、上串行輸出：XY尋址方尋址方式。式。 Page 18SSPD3、開關(guān)噪聲及其補償、開關(guān)噪聲及其補償MOS開關(guān)在采樣脈沖出現(xiàn)的瞬間，會出現(xiàn)微分狀尖脈沖，并串入視頻線開關(guān)在采樣脈沖出現(xiàn)的瞬間，會出現(xiàn)微分狀尖脈沖，并串入視頻線上，在輸出信號中產(chǎn)生較大的開關(guān)噪聲，使信噪比降低。上，在輸出信號中產(chǎn)生較大的開關(guān)噪聲，使信噪比降低。陣列補償：在陣列補償：在SSPD內(nèi)增加一列補償陣列，使用同樣的內(nèi)增加一列補償陣列，使用同樣的MOS開關(guān)，同時用開關(guān)，同時用鋁膜蓋住陣列中的光電管，使之不產(chǎn)生光電信號，只輸出和視頻線上相同鋁膜蓋住陣列中的光電管，使之不產(chǎn)生光電信號，只輸出和視頻線上相同的開關(guān)噪聲，把噪聲和視頻輸出信

14、號送入差放，就可以基本抵消開關(guān)噪聲。的開關(guān)噪聲，把噪聲和視頻輸出信號送入差放，就可以基本抵消開關(guān)噪聲。 Page 19SSPD臨近位相關(guān)法：用同一掃描信號控制兩個臨近位相關(guān)法：用同一掃描信號控制兩個MOS開關(guān)，分別與相鄰兩位二開關(guān)，分別與相鄰兩位二極管相連，兩個極管相連，兩個MOS開關(guān)的漏極分別接噪聲輸出線和視頻輸出線。對某開關(guān)的漏極分別接噪聲輸出線和視頻輸出線。對某位采樣時前一位二極管電容剛充滿電荷，如果同時采樣基本上只輸出開關(guān)位采樣時前一位二極管電容剛充滿電荷，如果同時采樣基本上只輸出開關(guān)噪聲信號。同樣采用差分方式，可去掉視頻信號中的噪聲成分。噪聲信號。同樣采用差分方式，可去掉視頻信號中的

15、噪聲成分。 Page 20三、三、SSPD的主要特性參數(shù)的主要特性參數(shù)SSPD1、光電特性、光電特性 在電荷存儲工作方式下的在電荷存儲工作方式下的SSPD器件，其器件，其光照引起的二極管輸出電荷光照引起的二極管輸出電荷 正比于曝光正比于曝光量，存在一個線性工作區(qū)。當(dāng)曝光量達到某量，存在一個線性工作區(qū)。當(dāng)曝光量達到某一值一值Hmax（飽和曝光量）（飽和曝光量）后，輸出電荷就達后，輸出電荷就達到最大值到最大值Qmax（飽和電荷），不再增加。（飽和電荷），不再增加。Q最小允許起始脈沖周期最小允許起始脈沖周期Tsmin （由最高多路掃描頻率決定）（由最高多路掃描頻率決定）飽和照度飽和照度Es=Hmax

16、 /Tsmin Page 21SSPD2、暗信號、暗信號 SSPD器件的暗信號主要有：器件的暗信號主要有：1）積分暗電流）積分暗電流 2）開關(guān)噪聲）開關(guān)噪聲 3）熱噪聲）熱噪聲 在室溫下，光電二極管的暗電流典型值小于在室溫下，光電二極管的暗電流典型值小于1pA。與溫度密切相關(guān)，。與溫度密切相關(guān)，溫度每升高溫度每升高7攝氏度，暗電流約增加一倍。隨器件溫度升高，最大允許的攝氏度，暗電流約增加一倍。隨器件溫度升高，最大允許的積分時間縮短。如果降低器件的工作溫度，例如采用液氮或半導(dǎo)體致冷，積分時間縮短。如果降低器件的工作溫度，例如采用液氮或半導(dǎo)體致冷，可使積分時間大大延長。這樣便可以探測非常微弱的信號

17、?？墒狗e分時間大大延長。這樣便可以探測非常微弱的信號。 熱噪聲是隨機的、非重復(fù)性的波動，疊加在暗電平上，屬于極限噪聲，熱噪聲是隨機的、非重復(fù)性的波動，疊加在暗電平上，屬于極限噪聲，典型幅值為典型幅值為0.1%飽和電平，對大多數(shù)應(yīng)用影響不大。飽和電平，對大多數(shù)應(yīng)用影響不大。3、動態(tài)范圍、動態(tài)范圍 SSPD器件的動態(tài)范圍為輸出飽和信號與暗場噪聲信號之比值。器件的動態(tài)范圍為輸出飽和信號與暗場噪聲信號之比值。 Page 22應(yīng)用：輸液監(jiān)測中的光電傳感器應(yīng)用：輸液監(jiān)測中的光電傳感器光電式液滴傳感器光電式液滴傳感器一、液滴的光學(xué)特性一、液滴的光學(xué)特性2222(1)rl rrnrnr 2 =2.53mmr一

18、般無液滴滴落時，光線直接投無液滴滴落時，光線直接投射到光敏元件的敏感面上；射到光敏元件的敏感面上；有液滴滴落時，光敏元件則有液滴滴落時，光敏元件則接收到點光源的部分光線，接收到點光源的部分光線，兩種情況下，接收到光強度兩種情況下，接收到光強度不同，產(chǎn)生光電流也不同。不同，產(chǎn)生光電流也不同。 Page 23應(yīng)用：輸液監(jiān)測中的光電傳感器應(yīng)用：輸液監(jiān)測中的光電傳感器設(shè)光源為均勻發(fā)光光源，光強度為設(shè)光源為均勻發(fā)光光源，光強度為 ，光源所產(chǎn)生的平行光完全為光，光源所產(chǎn)生的平行光完全為光敏元件所接收；而經(jīng)液滴會聚所產(chǎn)生的點光源敏元件所接收；而經(jīng)液滴會聚所產(chǎn)生的點光源 相對于光敏元件光敏面相對于光敏元件光敏

19、面錐角為錐角為 的錐體的光束被光敏元件所接收；的錐體的光束被光敏元件所接收；0O322DD223112 22() ()DrxDrDD21212 22(2)DxxrrD Page 24應(yīng)用：輸液監(jiān)測中的光電傳感器應(yīng)用：輸液監(jiān)測中的光電傳感器 根據(jù)上述分析根據(jù)上述分析,設(shè)計出下圖所示的傳感器。傳感器由一對光電管構(gòu)成，設(shè)計出下圖所示的傳感器。傳感器由一對光電管構(gòu)成，發(fā)光二極管發(fā)出平行光束，穿過茂菲式滴管到達光電二極管。發(fā)光二極管發(fā)出平行光束，穿過茂菲式滴管到達光電二極管。二、光電式液滴傳感器二、光電式液滴傳感器 Page 25應(yīng)用：輸液監(jiān)測中的光電傳感器應(yīng)用：輸液監(jiān)測中的光電傳感器三、信號調(diào)理電路三

20、、信號調(diào)理電路26休息一會兒！休息一會兒！CCD及圖像傳感器28CCD及圖像傳感器 現(xiàn)代人類生活中，人們迫切需要獲取信息，而人類獲取的現(xiàn)代人類生活中，人們迫切需要獲取信息，而人類獲取的總信息量的總信息量的8080以上是通過視覺器官得到的。所以圖像傳感器以上是通過視覺器官得到的。所以圖像傳感器(Imaging Sensor ,(Imaging Sensor ,縮寫為縮寫為IS IS，又稱成像器件、攝像器件，又稱成像器件、攝像器件) )作為作為現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件，因其能實現(xiàn)信息的獲取、現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件，因其能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展( (光

21、譜拓寬、靈敏度范圍擴大光譜拓寬、靈敏度范圍擴大) )，能給出，能給出直觀、真實、層次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息，所以在直觀、真實、層次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息，所以在現(xiàn)代社會中得到了越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代社會中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。29 圖像傳感器的功能是把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號，即把入射圖像傳感器的功能是把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號，即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息( (可見光和非可見光可見光和非可見光) )、轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號 視頻信號，而視頻信號視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。把空間圖像

22、轉(zhuǎn)換為按時序變化的電能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。把空間圖像轉(zhuǎn)換為按時序變化的電信號的過程稱為掃描。信號的過程稱為掃描。CCD及圖像傳感器 光輻射圖像 I S 視頻信號 圖像處理 30 50 50年代前，攝像的任務(wù)主要都是用各種電子束攝像管年代前，攝像的任務(wù)主要都是用各種電子束攝像管( (如光導(dǎo)如光導(dǎo)攝像管、飛點掃描管等攝像管、飛點掃描管等) )來完成。來完成。6060年代后期，隨著半導(dǎo)體集成電年代后期，隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，特別是路技術(shù)，特別是MOSMOS集成電路工藝的成熟，各種固體圖像傳感器集成電路工藝的成熟，各種固體圖像傳感器得到迅速發(fā)展，到得到迅速發(fā)展，到7070年代末期。已有一系列產(chǎn)品在

23、軍事、民用各年代末期。已有一系列產(chǎn)品在軍事、民用各方面得到廣泛使用。方面得到廣泛使用。 CCD及圖像傳感器31CCD及圖像傳感器線陣固體圖像感器的發(fā)展曲線線陣固體圖像感器的發(fā)展曲線 （CCPD: CCPD: 電荷耦合光電二極管列陣）電荷耦合光電二極管列陣）32 固體圖象傳感器固體圖象傳感器(Solid State Imaging Sensor (Solid State Imaging Sensor 縮寫縮寫為為SSIS)SSIS)主要有三大類型、一種是電荷耦合器件主要有三大類型、一種是電荷耦合器件(Charge (Charge Coupled DeviceCoupled Device簡稱簡稱C

24、CD)CCD)，第二種是，第二種是MOSMOS圖象傳感器，又圖象傳感器，又稱自掃描光電二極管列陣稱自掃描光電二極管列陣(Self Scanned Photodiode Array(Self Scanned Photodiode Array，簡稱簡稱SSPA)SSPA)，第三種是電荷注入器件，第三種是電荷注入器件(Charge Injection (Charge Injection DeviceDevice，簡稱，簡稱CID)CID)。目前，前兩種用得比較多。目前，前兩種用得比較多。CCD及圖像傳感器33 同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有以下顯著優(yōu)點：同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有以下

25、顯著優(yōu)點： (1) (1)全固體化，體積很小，重量輕，工作電壓和功耗都很全固體化，體積很小，重量輕，工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性好可靠性高，壽命長。低；耐沖擊性好可靠性高，壽命長。 (2) (2)基本上不保留殘象基本上不保留殘象( (電子束攝象管有電子束攝象管有15201520的殘象的殘象) )，無象元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。無象元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。 (3) (3)紅外敏感性。硅的紅外敏感性。硅的SSPASSPA光譜響應(yīng)：光譜響應(yīng)：0.201.00.201.0；CCDCCD可可作成紅外敏感型；作成紅外敏感型；CIDCID主要用于光譜響應(yīng)大于主要用于光譜響應(yīng)大于3535的紅外敏感的紅

26、外敏感器件。器件。 (4) (4)象元尺寸的幾何位置精度高，因而可用于不接觸精密象元尺寸的幾何位置精度高，因而可用于不接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。尺寸測量系統(tǒng)。 (5) (5)視頻信號與微機接口容易視頻信號與微機接口容易CCD及圖像傳感器34 主要應(yīng)用領(lǐng)域：小型化黑白主要應(yīng)用領(lǐng)域：小型化黑白/ /彩色彩色TVTV攝象機；傳真通攝象機；傳真通訊系統(tǒng)；光學(xué)字符識別（訊系統(tǒng)；光學(xué)字符識別（OCR: Optical Character OCR: Optical Character RecognitionRecognition）；工業(yè)檢測與自動控制；醫(yī)療儀器；多）；工業(yè)檢測與自動控制；醫(yī)療儀器；多光譜機載和星

27、載遙感；天文應(yīng)用；軍事應(yīng)用。光譜機載和星載遙感；天文應(yīng)用；軍事應(yīng)用。 CCD及圖像傳感器35 一、一、CCDCCD器件的結(jié)構(gòu)器件的結(jié)構(gòu) CCD及圖像傳感器 CCDCCD攝像器件由光敏（光積分）單元和電荷轉(zhuǎn)移單元（讀攝像器件由光敏（光積分）單元和電荷轉(zhuǎn)移單元（讀出移位寄存器）組成，每個光敏單元對應(yīng)一個象素如下圖所示。出移位寄存器）組成，每個光敏單元對應(yīng)一個象素如下圖所示。 36 一、一、CCDCCD器件的結(jié)構(gòu)器件的結(jié)構(gòu) CCD及圖像傳感器 各單元的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示，各單元的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示，由金屬、絕緣層、半導(dǎo)體構(gòu)成。由金屬、絕緣層、半導(dǎo)體構(gòu)成。VGVG加正向偏壓后在半導(dǎo)體內(nèi)形成加正向偏壓后

28、在半導(dǎo)體內(nèi)形成“電子勢阱（耗盡區(qū)）電子勢阱（耗盡區(qū)）”，勢阱，勢阱的深度由的深度由VGVG的大小來控制。電子的大小來控制。電子勢阱可以用來存放電子，這些電勢阱可以用來存放電子，這些電子的注入方式既可用子的注入方式既可用“光注入光注入”（光敏單元采用光注入），也可（光敏單元采用光注入），也可以用以用“電注入電注入”（轉(zhuǎn)移電荷時采（轉(zhuǎn)移電荷時采用電注入）。用電注入）。 37 一、一、CCDCCD器件的結(jié)構(gòu)器件的結(jié)構(gòu) CCD及圖像傳感器 對于光敏單元，當(dāng)受到光線照射對于光敏單元，當(dāng)受到光線照射時，在光子的作用下，半導(dǎo)體內(nèi)時，在光子的作用下，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，空穴被排斥，產(chǎn)生電子空穴對，空穴被排

29、斥，電子被電子勢阱俘獲。這種光生電子被電子勢阱俘獲。這種光生電子作為反映光強的載體電子作為反映光強的載體電電荷包被收集，成為光電荷注入，荷包被收集，成為光電荷注入，這就是這就是CCDCCD攝像器件的光電變換攝像器件的光電變換過程。勢阱內(nèi)電荷包的大小與光過程。勢阱內(nèi)電荷包的大小與光照強度和光照時間成正比。照強度和光照時間成正比。光線光線38 一、一、CCDCCD器件的結(jié)構(gòu)器件的結(jié)構(gòu) CCD及圖像傳感器 光敏單元電子勢阱的電荷包光敏單元電子勢阱的電荷包可以通過轉(zhuǎn)移柵的作用并行地轉(zhuǎn)可以通過轉(zhuǎn)移柵的作用并行地轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器（電荷轉(zhuǎn)移移到讀出移位寄存器（電荷轉(zhuǎn)移單元）中，讀出移位寄存器在讀單元）中

30、，讀出移位寄存器在讀出脈沖（三相或四相脈沖）的作出脈沖（三相或四相脈沖）的作用下把各個來自光敏單元的電荷用下把各個來自光敏單元的電荷包讀出，從而獲得各個像素的亮包讀出，從而獲得各個像素的亮度值。度值。 光線光線39 一、一、CCDCCD器件的結(jié)構(gòu)器件的結(jié)構(gòu) CCD及圖像傳感器 讀出移位寄存器的讀出移位寄存器的工作原理工作原理是依是依靠靠MOSMOS電容與其電子勢阱的存儲電荷電容與其電子勢阱的存儲電荷作用，以及改變柵壓高低可以使勢阱作用，以及改變柵壓高低可以使勢阱內(nèi)電荷包逐個勢阱轉(zhuǎn)移的效應(yīng)。當(dāng)內(nèi)電荷包逐個勢阱轉(zhuǎn)移的效應(yīng)。當(dāng)MOSMOS電容柵壓電容柵壓VGVG增高時，在半導(dǎo)體增高時，在半導(dǎo)體內(nèi)部被

31、排斥的電荷數(shù)也增加，耗盡層內(nèi)部被排斥的電荷數(shù)也增加，耗盡層厚度增加，半導(dǎo)體內(nèi)電勢越低，電子厚度增加，半導(dǎo)體內(nèi)電勢越低，電子則向耗盡層移動、存儲象對電子的陷則向耗盡層移動、存儲象對電子的陷阱一樣，稱為電子勢阱。電子勢阱可阱一樣，稱為電子勢阱。電子勢阱可以用來存放電子。其特點是：當(dāng)以用來存放電子。其特點是：當(dāng)VGVG增加，勢阱變深；當(dāng)增加，勢阱變深；當(dāng)VGVG減小，勢阱減小，勢阱變淺，電子向勢阱深處移動。變淺，電子向勢阱深處移動。40CCD及圖像傳感器 對于二維對于二維CDDCDD（面列陣）（面列陣）電荷的轉(zhuǎn)移方式主要有電荷的轉(zhuǎn)移方式主要有2 2種：種： “ “幀間轉(zhuǎn)移式幀間轉(zhuǎn)移式(FT)(FT)

32、”； “ “幀行間轉(zhuǎn)移式幀行間轉(zhuǎn)移式(FIT)(FIT)” 。 41CMOS圖像傳感器 CMOSCMOS圖像傳感器從原理可分為：圖像傳感器從原理可分為：1 1）無源像素傳感器）無源像素傳感器PPS(Passive-Pixel Sensor)PPS(Passive-Pixel Sensor)2)2)有源像素傳感器有源像素傳感器APS(Active- Pixel Sensor)APS(Active- Pixel Sensor) 從結(jié)構(gòu)上講，主要包括光敏二極管型無源、有源像素圖像從結(jié)構(gòu)上講，主要包括光敏二極管型無源、有源像素圖像傳感器和光電柵型有源像素圖像傳感器。傳感器和光電柵型有源像素圖像傳感器。

33、 42 光敏單元 行 線 列 線 CMOS圖像傳感器43一、光敏二極管型一、光敏二極管型CMOSCMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)圖像傳感器結(jié)構(gòu) 在光敏二極管型無源圖像傳感器中，光敏二極管受光照將光子變成電子在光敏二極管型無源圖像傳感器中，光敏二極管受光照將光子變成電子，通過行選擇開關(guān)將電荷讀到列輸出線上；在光敏二極管型有源，通過行選擇開關(guān)將電荷讀到列輸出線上；在光敏二極管型有源CMOSCMOS圖像圖像傳感器中，則通過復(fù)位開關(guān)和行選擇開關(guān)將放大后的光生的電荷讀到感光陣傳感器中，則通過復(fù)位開關(guān)和行選擇開關(guān)將放大后的光生的電荷讀到感光陣列外部的信號放大電路。無源像素圖像傳感器僅僅是一種具有行選擇開關(guān)的列外部的

34、信號放大電路。無源像素圖像傳感器僅僅是一種具有行選擇開關(guān)的光電二極管，通過控制行選擇開關(guān)把光生的電荷信號傳送到像素陣列外的放光電二極管，通過控制行選擇開關(guān)把光生的電荷信號傳送到像素陣列外的放大器；有源像素圖像傳感器的每個像元內(nèi)部都包含一個有源單元，即包含由大器；有源像素圖像傳感器的每個像元內(nèi)部都包含一個有源單元，即包含由一個或多個晶體管組成的放大電路在像元內(nèi)部先進行電荷放大再被讀出到外一個或多個晶體管組成的放大電路在像元內(nèi)部先進行電荷放大再被讀出到外部電路。部電路。 44二、光電柵型有源像素圖像二、光電柵型有源像素圖像CMOSCMOS傳感器傳感器 光電柵型光電柵型APS CMOSAPS CMO

35、S像素單元框圖像素單元框圖如右圖所示。像素單元包括光電柵如右圖所示。像素單元包括光電柵PGPG（PhotogatePhotogate）、浮置擴輸出）、浮置擴輸出FD(Flcating Diffusion)FD(Flcating Diffusion)、傳輸電柵、傳輸電柵TX(Transfer Gate)TX(Transfer Gate)、復(fù)位晶體管、復(fù)位晶體管MR(Reset Transistor)MR(Reset Transistor)、作為源極跟隨、作為源極跟隨器的輸入晶體管器的輸入晶體管MINMIN、以及行晶體管、以及行晶體管MXMX，實際上，每個像元內(nèi)部就是一個，實際上，每個像元內(nèi)部就是一個小小的表面溝道小小的表面溝道CCDCCD。每列單元共用一個讀出電路，它包括第一源極跟隨器的負(fù)載晶體管