第6章電荷耦合器件

1、第6章電荷耦合器件6.1 圖像傳感器簡介 6.1.1 圖像傳感器發(fā)展 完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器光電圖像傳感器。光電圖像傳感器的發(fā)展歷史悠久，種類很多。 早在1934年就成功地研制出光電攝像管光電攝像管（Iconoscope），用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。但是，它的靈敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000lx的照度才能獲得較為清晰的圖像。使它的應(yīng)用受到限制。 1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico），的靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2 000lx以上。 1954年投放市場的高靈敏視像管（Vidicon）基本具有了成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡單的特點，使

2、廣播電視事業(yè)和工業(yè)電視事業(yè)有了更大的發(fā)展。 1965年推出的氧化鉛視像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，發(fā)展了彩色電視攝像機，使彩色廣播電視攝像機的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。然而，氧化鉛視像管抗強光的能力低，余輝效應(yīng)影響了它的采樣速率。 1976年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管和硅靶管。不斷滿足人們對圖像傳感器日益增長的需要。 1970年，美國貝爾實驗室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（Charge Coupled Device,簡稱CCD) 的原理，使圖像傳感器的發(fā)展進入了一個全新的階段，使圖像傳感器從真空電子束掃描方式發(fā)展成為固體自掃描輸出方式固體自掃描輸出方式。 CCD本身就能完成光

3、學圖像轉(zhuǎn)換、信息存貯和按順序輸出（稱自掃描）視頻信號的全過程。 它的自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性失真。即CCD圖像傳感器的輸出信號能夠不失真地將光學圖像轉(zhuǎn)換成視頻電視圖像。此外，與真空攝像器件相比此外，與真空攝像器件相比,CCD還有以下優(yōu)點：還有以下優(yōu)點： (1) 體積小，重量輕，功耗低；耐沖擊，可靠性高，壽命長； (2) 無象元燒傷、扭曲，不受電磁場干擾； (3) 象元尺寸精度優(yōu)于1m,分辨率高； (4) 基本上不保留殘象（真空攝像管有15%20%的殘象）。 (5) 視頻信號與微機接口容易。6.1.2 圖像傳感器的基本原理 CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的

4、主流產(chǎn)品。其應(yīng)用研究成為當今高新技術(shù)的主流課題。它的發(fā)展推動了廣播電視、工業(yè)電視、醫(yī)用電視、軍用電視、微光與紅外電視技術(shù)的發(fā)展，帶動了機器視覺的發(fā)展，促進了公安刑偵、交通指揮、安全保衛(wèi)等事業(yè)的發(fā)展。 在光照射下或自身發(fā)光的景物經(jīng)成像物鏡成像在圖像傳感器的光敏面上，形成二維空間光強分布的光學圖像，光電圖像傳感器完成將光學圖像轉(zhuǎn)變成二維“電氣” 圖像的工作。 掃描型圖像傳感器輸出的視頻信號可經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（或稱其為數(shù)字圖像信號），存入計算機系統(tǒng)，并在軟件的支持下完成圖像處理、存儲、傳輸、顯示及分析等功能。 本章主要討論從光學圖像到視頻信號的轉(zhuǎn)換原理，即圖像傳感器的基本工作原理和典型應(yīng)用問題

5、 。 組成一幅圖像的最小單元稱為像素或像元像素或像元，像元的大小或一幅圖像所包含的像元數(shù)決定了圖像的分辨率，分辨率越高，圖像的細節(jié)信息越豐富，圖像越清晰，圖像質(zhì)量越高。即將圖像分割得越細，圖像質(zhì)量越高。 CCD圖像傳感器用光敏單元分割。被分割后的電氣圖像經(jīng)掃描才能輸出一維時序信號。1 電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)6.2 CCD的工作原理CCD的特點是以電荷作為信號，不是以電流或電壓作為信號。 在P型或N型硅單晶的襯底上生長一層厚度約為0.1-0.2微米的SiO2層，然后按一定次序沉積N個金屬電極作為柵極，柵極間的間隙約2.5m，電極的中心距離1520m ，于是每個電極與其下方的SiO2

6、和半導(dǎo)體間構(gòu)成了一個金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，即即MOS結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。CCD線陣列CCD單元這種結(jié)構(gòu)再加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了N位CCD。 CCD（Charge Coupled Devices，電荷耦合器件）圖像傳感器主要有兩種基本類型兩種基本類型，一種為信號電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面進行轉(zhuǎn)移的器件，稱為表面溝道CCD（簡稱為SCCD）器件；另一種為信號電荷包存儲在距離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移的器件，稱為體溝道或埋溝道器件（簡稱為BCCD）。下面以SCCD為例討論CCD的基本工作原理。 構(gòu)成CCD的基本單元是MOS結(jié)構(gòu)。如圖8-15（a）所示，

7、當金屬電極加上正電壓時，接近半導(dǎo)體表面的空穴被排斥，電子增多，在表面下一定范圍內(nèi)只留下受主離子，形成耗盡區(qū)(圖8-15（b）所示)。該區(qū)域?qū)﹄娮觼碚f是一個勢能很低的區(qū)域，也稱勢阱勢阱。加在柵極上的電壓愈高，表面勢越高，勢阱越深；若外加電壓一定，勢阱深度隨勢阱中電荷量的增加而線性下降。2.2.電荷耦合原理與電極結(jié)構(gòu)電荷耦合原理與電極結(jié)構(gòu)電荷包形成電荷包形成：當有光照時，光生電子被收集到勢阱中，形成電荷包。 一個MOS單元是一個光敏元電荷耦合：電荷耦合： 設(shè)t=t1時，已有信號電荷存貯在偏壓為+10V的號電極下的勢阱里. 當t=t2時，電極和電極均加有+10V電壓，所形成的勢阱就連通，電極下的部分

8、電荷就流入電極下的勢阱中。 當t=t3時，電極上的電壓由+10V變?yōu)?2V，下面的勢阱由深變淺，勢阱內(nèi)電荷全部移入電極下的深勢阱中。 由此，從t1t3 ，深勢阱從電極下移動到下面，勢阱內(nèi)的電荷也向右轉(zhuǎn)移了一位。如果不斷地改變電極上的電壓，就能使信號電荷可控地一位一位地順序傳輸。CCDCCD的電極結(jié)構(gòu)：的電極結(jié)構(gòu)： CCD中電荷的存貯和傳輸是通過改變各電極上所加電壓實現(xiàn)的。按照加在電極上的脈沖電壓相數(shù)來分，電極的結(jié)構(gòu)可分為二相、三相、四相等結(jié)構(gòu)形式。 三相電阻海結(jié)構(gòu)三相電阻海結(jié)構(gòu)二相硅二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)鋁交疊柵結(jié)構(gòu)四電極結(jié)構(gòu)：3.3.電荷的注入和檢測電荷的注入和檢測 光注入光注入：正面和背面光

9、照式Qin=qNeoAtc式中：為材料的量子效率；q為電子電荷量； Neo為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；tc為光的注入時間。 CCD工作過程分三部分:信號輸入、電荷轉(zhuǎn)移和信號輸出部分。 輸入部分輸入部分的作用是將信號電荷引入到CCD的第一個轉(zhuǎn)移柵下的勢阱中。引入的方式有兩種：光注入和電注入。 在濾波、延遲線和存儲器應(yīng)用情況攝像應(yīng)用 電注入電注入機構(gòu)由一個輸入二極管和一個或幾個輸入柵構(gòu)成，它可以將信號電壓轉(zhuǎn)換為勢阱中等效的電荷包。 輸入柵施加適當?shù)碾妷?，在其下面半?dǎo)體表面形成一個耗盡層。如果這時在緊靠輸入柵的第一個轉(zhuǎn)移柵上施以更高的電壓，則在它下面便形成一個更深的耗盡層。這個耗盡

10、層就相當于一個“通道”，受輸入信號調(diào)制的電荷包就會從輸入二極管經(jīng)過“通道”流人第一個轉(zhuǎn)移柵下的勢阱中，完成輸入過程。 輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS的關(guān)系 Qs=Iddt (8-10) (8-10) 輸出部分輸出部分由輸出二極管、輸出柵和輸出耦合電路組成，作用是將CCD最后一個轉(zhuǎn)移柵下勢阱中的信號電荷引出。 浮置擴散放大器(FDA)的讀出方法是一種最常用的CCD電荷輸出方法。它包括兩個MOSFET，并兼有輸出檢測和前置放大的作用，它可實現(xiàn)信號電荷與電壓之間的轉(zhuǎn)換，具有大的信號輸出幅度(數(shù)百毫伏)，以及良好的線性和較低的輸出阻抗。 6.3 電荷耦合器件的分類CCD器件按結(jié)構(gòu)可分為兩大類

11、：線陣CCD和面陣CCD。 最簡單的線陣CCD是由一個輸入二極管(ID)、一個輸入柵(IG)、一個輸出柵(OG)、一個輸出二極管(OD)和一列緊密排列的MOS電容器構(gòu)成，如下圖所示。1 1 線陣線陣CCDCCD （1）電極是金屬的容易蔽光，即使是換成多晶硅，由于多層結(jié)構(gòu)電極系統(tǒng)對入射光吸收、反射和干涉比較嚴重，因此光強損失大，量子效率低。 （2）電荷包轉(zhuǎn)移期間，光積分在繼續(xù)進行，使輸出信號產(chǎn)生拖影。 將光敏區(qū)和轉(zhuǎn)移區(qū)分開，構(gòu)成單邊傳輸結(jié)構(gòu)和雙邊傳輸結(jié)構(gòu)。 單排傳輸結(jié)構(gòu)是光敏區(qū)通過其一側(cè)轉(zhuǎn)移柵與CCD移位寄存器相連。光敏元與CCD轉(zhuǎn)移單元一一對應(yīng)，二者之間設(shè)有轉(zhuǎn)移柵，移位寄存器上覆蓋有鋁遮光，光

12、敏區(qū)像元由光柵控制，如左下圖所示。 雙排傳輸結(jié)構(gòu)是將兩列CCD移位寄存器平行地配置在光敏區(qū)兩側(cè)，如右上圖所示。 比單邊結(jié)構(gòu)型CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)少近一半，它的總轉(zhuǎn)移效率亦大大提高，所以一般在大于256像素以上的線陣CCD攝像器件中，均采用雙排傳輸結(jié)構(gòu)。 2.2.面陣面陣CCDCCD 面陣CCD常見有兩種：幀轉(zhuǎn)移型(FT)和行間轉(zhuǎn)移型(1LT) 幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)包括光敏區(qū)、暫存區(qū)、水平讀出寄存器和讀出電路4個部分。 其結(jié)構(gòu)特征是光敏區(qū)與暫存區(qū)分開，光敏區(qū)由并行排列垂直的電荷耦合溝道組成。各溝道之間用溝阻隔離，水平電極條覆蓋在各溝道上。光敏區(qū)與暫存區(qū)CCD的列數(shù)、位數(shù)均相同，不同之處是光敏區(qū)面積略大于暫存區(qū)

13、的面積。 讀出寄存器的每一個轉(zhuǎn)移單元與垂直列電荷耦合溝道一一對應(yīng)，如下圖所示。 FTCCD 行間轉(zhuǎn)移(內(nèi)線轉(zhuǎn)移)結(jié)構(gòu)采用了光敏區(qū)與轉(zhuǎn)移區(qū)相間排列方式。相當于將若干個單邊傳輸?shù)木€陣CCD圖像傳感器按垂直方向并排，底部設(shè)置一個水平讀出寄存器，其單元數(shù)等于垂直并排的線陣CCD圖像傳感器的個數(shù)，如下圖所示。 ILTCCDILTCCD 幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)和行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點。幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高；行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)適合于低光強，“拖影”小。 6.4 CCD的性能參數(shù)1 1 電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率 電荷轉(zhuǎn)移效率是表征CCD器件性能好壞的一個重要參數(shù)。設(shè)原有的信號電荷為 ，轉(zhuǎn)移到下一個

14、電極下的信號電荷 ，其比值 0Q1Q%01QQ稱為轉(zhuǎn)移效率沒有被轉(zhuǎn)移的電荷Q與原信號電荷之比0QQ稱為轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移效率與損失率的關(guān)系為 1 影響轉(zhuǎn)移效率的因素很多，其中最主要因素還是表面態(tài)對信號電荷的俘獲。 為此，采用“胖零”工作模式，所謂“胖零”工作模式就是讓“零”信號也有一定的電荷來填補陷阱，這就能提高轉(zhuǎn)移效率和速率。 一個CCD器件如果總轉(zhuǎn)移效率太低，就失去實用價值。 當信號電荷轉(zhuǎn)移n個電極后的電荷為 時，總轉(zhuǎn)移效率為 nQnnnneQQ)1 (0 CCD受光照的方式有正面受光正面受光和背面受光背面受光兩種。 背面光照的光譜響應(yīng)曲線與光電二極管相似，如下圖中曲線2。如果在背面鍍以增

15、透膜減少反射損失而使響應(yīng)率有所提高，如圖中曲線3。 正面照射時，由于CCD的正面布置著很多電極，光線被電極多次反射和散射，一方面使響應(yīng)率減低，另一方面多次反射產(chǎn)生的干涉效應(yīng)使光譜響應(yīng)曲線出現(xiàn)起伏，如圖中曲線1所示。2 2 光譜響應(yīng)率和干涉效應(yīng)光譜響應(yīng)率和干涉效應(yīng) 為了減小在短波方向多晶硅的吸收，用SnO2薄膜代替多晶硅薄膜做電極，可以減小起伏幅度。 CCD由很多分立的光敏單元組成，根據(jù)奈奎斯特定律，它的極限分辨率為空間采樣頻率的一半，如果某一方向上的象元間距為p，則在此方向上象元的空間頻率為1/p(線/毫米)，其極限分辨率將小于1/2p（線對/毫米）。 若用調(diào)制函數(shù)來評價CCD的圖像傳遞特性，

16、那么，CCD的總調(diào)制函數(shù)MTF取決于器件結(jié)構(gòu)（象元寬度、間距）所決定的幾何MTF1 、載流子橫向擴散衰減決定的MTFD 和轉(zhuǎn)移效率決定的MTFT ，總的MTF等與三者的乘積。并且總MTF隨空間頻率的提高而下降。 3 3 分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)（分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTFMTF）4 4 動態(tài)范圍動態(tài)范圍 動態(tài)范圍表征器件能在多大照度范圍內(nèi)正常工作。一般定義動態(tài)范圍是輸出飽和電壓和暗場時噪聲的峰值電壓之比。 一個好的CCD器件，其動態(tài)范圍可達： 10005000。 熱噪聲：熱噪聲：是由于固體中載流子的無規(guī)則運動引起的，這里指的是信號電荷注人及輸出時引起的噪聲，它相當于電阻熱噪聲和電容的總寬帶噪聲之和。 三種噪聲的源是獨立無關(guān)的，所以CCD的總噪聲功率應(yīng)是它們的均方和。 轉(zhuǎn)移噪聲：轉(zhuǎn)移噪聲：轉(zhuǎn)移噪聲是由轉(zhuǎn)移損失及界面態(tài)