固態(tài)圖像傳感器

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1、 圖 像 傳 感 器 ： 利 用 光 電 器 件 的 光 電 轉 換 功 能 ，將 其 感 光 面 上 的 光 像 轉 換 為 與 光 像 成 相 應 比 例 關系 的 電 信 號 “ 圖 像 ” 的 一 種 功 能 器 件 ， 固 態(tài) 圖 像 傳 感 器 ： 在 同 一 半 導 體 襯 底 上 布 設 的 若干 光 敏 單 元 與 移 位 寄 存 器 構 成 的 集 成 化 、 功 能 化的 光 電 器 件 。 光 敏 單 元 簡 稱 為 “ 像 素 ” 或 “ 像點 ” 。 特 點 ： 集 成 度 高 、 尺 寸 小 、 電 壓 低 （ DC7 12V） 、功 耗 小 。 該 技 術 的

2、發(fā) 展 促 進 了 各 種 視 頻 裝 置 的 普 及 和 微 型化 ， 應 用 遍 及 航 天 、 遙 感 、 天 文 、 通 訊 、 工 業(yè) 、 農業(yè) 、 軍 用 等 各 個 領 域 。 u固 態(tài) 圖 像 傳 感 器 由 光 敏 元 件 陣 列 和 電 荷 轉移 器 件 集 合 而 成 。u敏 感 元 件 主 要 有 三 大 類 ： 電 荷 耦 合 器 件 （ Charge Coupled Device， 即CCD） 互 補 金 屬 氧 化 物 半 導 體 圖 像 傳 感 器 （ 即 CMOS） 電 荷 注 入 器 件 （ Charge Injenction Device， 即 CID）

3、CCD基 本 結 構 分 兩 部 分 ： MOS（ 金 屬 氧 化 物 半 導 體 ） 光 敏 元 陣 列 ） 。 電 荷 耦 合 器件 是 在 半 導 體 硅 片 上 制 作 成百 上 千 （ 萬 ） 個 光 敏 元 ， 一個 光 敏 元 又 稱 一 個 像 素 ， 在半 導 體 硅 平 面 上 光 敏 元 按 線陣 或 面 陣 有 規(guī) 則 地 排 列 。 讀 出 移 位 寄 存 器 。 13.1 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 1.CCD基 本 結 構 CCD結 構 示 意 圖 顯 微 鏡 下 的 MOS元 表 面 6 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 特 點 以 電 荷 作 為

4、 信 號 。 CCD的 基 本 功 能 電 荷 存 儲 和電 荷 轉 移 。 CCD工 作 過 程 信 號 電 荷 的產 生 、 存 儲 、 傳 輸 和 檢 測 的 過 程 。 7 一 系 列 彼 此 非 常 接 近 的 MOS電 容 用 同 一 半 導 體 襯 底制 成 ， 襯 底 可 以 是 P型 或 N型 材 料 ， 上 面 生 長 均 勻 、 連 續(xù)的 氧 化 層 ， 在 氧 化 層 表 面 排 列 互 相 絕 緣 而 且 距 離 極 小 的 金屬 化 電 極 （ 柵 極 ） 。1.CCD工 作 原 理(1)MOS的 結 構 2.CCD工 作 原 理(2)電 荷 存 儲 原 理 ： 當

5、 金 屬 電 極 上 加 正 電 壓 時 ， 由 于 電 場 作 用 ， 電 極 下P型 硅 區(qū) 里 空 穴 被 排 斥 入 地 成 耗 盡 區(qū) 。 對 電 子 而 言 ， 是一 勢 能 很 低 的 區(qū) 域 ， 稱 “ 勢 阱 ” 。 有 光 線 入 射 到 硅 片上 時 ， 光 子 作 用 下 產 生電 子 空 穴 對 ， 空 穴 被 電場 作 用 排 斥 出 耗 盡 區(qū) ， 而電 子 被 附 近 勢 阱 （ 俘 獲 ） ，此 時 勢 阱 內 吸 的 光 子 數(shù) 與光 強 度 成 正 比 。 一 個 MOS光 敏 元 結 構 一 個 MOS結 構 元 為 MOS光 敏 元 或 一 個 像 素

6、 ；把 一 個 勢 阱 所 收 集 的 光 生 電 子 稱 為 一 個 電 荷 包 ； CCD器 件 內 是 在 硅 片 上 制 作 成 百 上 千 的 MOS元 ，每 個 金 屬 電 極 加 電 壓 ， 就 形 成 成 百 上 千 個 勢 阱 ； 如 果 照 射 在 這 些 光 敏 元 上 是 一 幅 明 暗 起 伏 的 圖 象 ，那 么 這 些 光 敏 元 就 感 生 出 一 幅 與 光 照 度 響 應 的 光 生電 荷 圖 像 。 這 就 是 電 荷 耦 合 器 件 的 光 電 物 理 效 應 基本 原 理 。2.CCD工 作 原 理(2)電 荷 存 儲 原 理 ： 265 180133

7、 90 66 4533 22分 辨 率 （ MOS元 多 少 ） 不 同 的 圖 象 比 較2.CCD工 作 原 理 (3)電 荷 轉 移 原 理 （ 讀 出 移 位 寄 存 器 ） 光 敏 元 上 的 電 荷 需 要 經 過 電 路 進 行 輸 出 ， CCD電 荷 耦 合 器 件 是 以 電 荷 為 信 號 而 不 是 電 壓 電 流 。 讀 出 移 位 寄 存 器 也 是 MOS結 構 ， 由 金 屬 電 極 、 氧 化 物 、半 導 體 三 部 分 組 成 。 它 與 MOS光 敏 元 的 區(qū) 別 在 于 ， 半 導 體底 部 覆 蓋 了 一 層 遮 光 層 ， 防 止 外 來 光 線

8、 干 擾 。由 三 個 十 分 鄰 近 的 電 極 組 成 一 個 耦 合 單 元 ； 在 三 個 電 極 上 分 別 施 加 脈 沖 波 三 相 時 鐘 脈 沖 1 2 3。 2.CCD工 作 原 理 電 荷 轉 移 的 控 制 方 法 ， 非 常 類 似 于 步 進 電 極 的 步 進 控 制 方 式 。也 有 二 相 、 三 相 等 控 制 方 式 之 分 。 下 面 以 三 相 控 制 方 式 為 例 說 明控 制 電 荷 定 向 轉 移 的 過 程 。 見 圖 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P 1 P1 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1 P1P2 P2P

9、3 P3(a) 123 t0 t1 t2 t3 t (b)電 荷 轉 移 過 程t=t0t=t1t=t2t=t3 0l三 相 控 制 是 在 線 陣 列 的 每 一 個 像 素 上 有 三 個 金 屬 電 極 P1,P2,P3,依 次在 其 上 施 加 三 個 相 位 不 同 的 控 制 脈 沖 1， 2， 3， 見 圖 （ b） 。lCCD電 荷 的 注 入 通 常 有 光 注 入 、 電 注 入 和 熱 注 入 等 方 式 。 圖 (b)采用 電 注 入 方 式 。 P1 P2 l當 P1極 施 加 高 電 壓 時 ， 在 P1下 方 產 生 電 荷 包 （ t=t0） ；l當 P2極 加

10、 上 同 樣 的 電 壓 時 ， 由 于 兩 電 勢 下 面 勢 阱 間 的 耦 合 ，原 來 在 P1下 的 電 荷 將 在 P1、 P2兩 電 極 下 分 布 （ t=t1） ；l當 P1回 到 低 電 位 時 ， 電 荷 包 全 部 流 入 P2下 的 勢 阱 中（ t=t2） 。l然 后 ， p3的 電 位 升 高 ， P2回 到 低 電 位 ， 電 荷 包 從 P2下 轉 到P3下 的 勢 阱 （ t=t3） ， 以 此 控 制 ， 使 P1下 的 電 荷 轉 移 到 P3下 。l隨 著 控 制 脈 沖 的 分 配 ， 少 數(shù) 載 流 子 便 從 CCD的 一 端 轉 移 到最 終

11、端 。 終 端 的 輸 出 二 極 管 搜 集 了 少 數(shù) 載 流 子 ， 送 入 放 大 器處 理 ， 便 實 現(xiàn) 電 荷 移 動 。 P 1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P3 P3 t=t0t=t1 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1 P1P2 P2P3 P3 t=t2t=t3 P2 P1 （ 4） 光 信 號 的 注 入 CCD的 電 荷 注 入 方 式 有 電 信 號 注 入 和 光 信 號 注入 兩 種 ， 在 光 纖 系 統(tǒng) 中 ， CCD接 收 的 信 號 是 由 光 纖傳 來 的 光 信 號 ， 即 采 用 光 注 入 CCD。 當 光 照 到 CCD時 ，

12、在 柵 極 附 近 的 耗 盡 區(qū) 吸 收 光 子產 生 電 子 -空 穴 對 ， 在 柵 極 電 壓 的 作 用 下 ， 多 數(shù) 載 流子 （ 空 穴 ） 流 入 襯 底 ， 少 數(shù) 載 流 子 （ 電 子 ） 被 收 集在 勢 阱 中 ， 存 儲 起 來 。 這 樣 能 量 高 于 半 導 體 禁 帶 的光 子 ， 可 以 用 來 建 立 正 比 于 光 強 的 存 儲 電 荷 。光 注 入 的 方 式 常 見 的 有 ： 正 面 照 射 和 背 面 照 射 方 式 。 u CCD信 號 電 荷 的 輸 出 的 方 式 主 要 有 電 流 輸 出 、 電 壓 輸出 兩 種 。u 以 電 壓

13、 輸 出 型 為 例 ： 有 浮 置 擴 散 放 大 器 （ FDA） 、浮 置 柵 放 大 器 （ FGA） 。 浮 置 柵 放 大 器 （ FGA） 應 用最 廣 。(5)信 號 輸 出 方 式 CCD器 件 的 物 理 性 能 可 以 用 特 性 參 數(shù) 來 描 述內 部 參 數(shù) ： 描 述 的 是 CCD存 儲 和 轉 移 信 號 電荷 有 關 的 特 性 ,是 器 件 理 論 設 計 的 重 要 依 據(jù) ；外 部 參 數(shù) ： 描 述 的 是 與 CCD應 用 有 關 的 性 能指 標 主 要 包 括 以 下 內 容 ： 電 荷 轉 移 效 率 、 轉 移損 失 率 、 工 作 頻 率

14、 、 電 荷 存 儲 容 量 、 靈 敏 度 、分 辨 率 等 。 3.CCD的 特 性 參 數(shù) 17 3.CCD的 特 性 參 數(shù) 18 3.CCD的 特 性 參 數(shù) 19 20 3.CCD的 特 性 參 數(shù) 21 3.CCD的 特 性 參 數(shù) 22 CCD固 態(tài) 圖 像 傳 感 器u線 陣 CCD型u面 陣 CCD型 13.2 CCD固 態(tài) 圖 像 傳 感 器 （ 1） 線 型 CCD圖 像 傳 感 器 線 型 CCD圖 像 傳 感 器 是 由 一 列 MOS光 敏 元 和 一 列 移 位 寄 存 器 并行 構 成 。 光 敏 元 和 移 位 寄 存 器 之 間 有 一 個 轉 移 控 制

15、 柵 ,如 圖 所 示 。轉 移 控 制 柵 光 積 分 單 元不 透 光 的 電 荷 轉 移 結 構 光 積 分 區(qū)輸 出(a) (b)線 型 CCD圖 像 傳 感 器 輸 出 在 每 一 個 光 敏 元 件 上 都 有 一 個 梳 狀 公 共 電 極 ,由 一 個 P型 溝 阻 使其 在 電 氣 上 隔 開 。 當 入 射 光 照 射 在 光 敏 元 件 陣 列 上 ,梳 狀 電 極 施 加 高電 壓 時 ,光 敏 元 件 聚 集 光 電 荷 ,進 行 光 積 分 ,光 電 荷 與 光 照 強 度 和 光 積分 時 間 成 正 比 。 在 光 積 分 時 間 結 束 時 ,轉 移 柵 上

16、的 電 壓 提 高 (平 時 低電 壓 ),與 CCD對 應 的 電 極 也 同 時 處 于 高 電 壓 狀 態(tài) 。 然 后 ,降 低 梳 狀 電極 電 壓 ， 各 光 敏 元 件 中 所 積 累 的 光 電 電 荷 并 行 地 轉 移 到 移 位 寄 存 器中 。 當 轉 移 完 畢 ,轉 移 柵 電 壓 降 低 ,梳 妝 電 極 電 壓 回 復 原 來 的 高 電 壓狀 態(tài) ,準 備 下 一 次 光 積 分 周 期 。 同 時 ,在 電 荷 耦 合 移 位 寄 存 器 上 加 上時 鐘 脈 沖 ,將 存 儲 的 電 荷 從 CCD中 轉 移 ,由 輸 出 端 輸 出 。 這 個 過 程 重

17、復 地 進 行 就 得 到 相 繼 的 行 輸 出 ,從 而 讀 出 電 荷 圖 形 。 轉 移 柵 光 積 分 單 元不 透 光 的 電 荷 轉 移 結 構 光 積 分 區(qū)輸 出轉 移 柵 (a)(b)線 型 CCD圖 像 傳 感 器 輸 出 目 前 ， 實 用 的 線 型 CCD圖 像 傳 感器 為 雙 行 結 構 ， 如 圖 （ b） 所 示 。 單 、雙 數(shù) 光 敏 元 件 中 的 信 號 電 荷 分 別 轉 移 到上 、 下 方 的 移 位 寄 存 器 中 ， 然 后 ， 在 控制 脈 沖 的 作 用 下 ， 自 左 向 右 移 動 ， 在 輸出 端 交 替 合 并 輸 出 ， 這

18、樣 就 形 成 了 原 來光 敏 信 號 電 荷 的 順 序 。 （ 2） 面 型 CCD圖 像 傳 感 器 面 型 CCD圖 像 傳 感 器 由 感 光 區(qū) 、 信 號 存 儲 區(qū)和 輸 出 轉 移 部 分 組 成 。 目 前 存 在 三 種 典 型 結 構形 式 。 二 相 驅 動 視 頻 輸 出 行掃描發(fā)生 器 輸出寄存器檢 波 二 極 管二 相 驅 動感 光 區(qū)(a)圖 (a)所 示 結 構 由 行 掃 描 電 路 、垂 直 輸 出 寄 存 器 、 感 光 區(qū) 和 輸 出二 極 管 組 成 。 行 掃 描 電 路 將 光 敏元 件 內 的 信 息 轉 移 到 水 平 （ 行 ）方 向

19、上 ， 由 垂 直 方 向 的 寄 存 器 將信 息 轉 移 到 輸 出 二 極 管 ， 輸 出 信號 由 信 號 處 理 電 路 轉 換 為 視 頻 圖像 信 號 。 這 種 結 構 易 于 引 起 圖 像模 糊 。 溝 阻P1 P2P3P 1 P2P3P1 P2P3 感 光 區(qū) 存 儲 區(qū)析 像 單 元 視 頻 輸 出輸 出 柵 串 行 讀 出(b) 圖 （ b） 所 示 結 構 增 加 了 具有 公 共 水 平 方 向 電 極 的 不 透 光的 信 息 存 儲 區(qū) 。 在 正 常 垂 直 回掃 周 期 內 ， 具 有 公 共 水 平 方 向電 極 的 感 光 區(qū) 所 積 累 的 電 荷

20、同樣 迅 速 下 移 到 信 息 存 儲 區(qū) 。 在垂 直 回 掃 結 束 后 ， 感 光 區(qū) 回 復到 積 光 狀 態(tài) 。 在 水 平 消 隱 周 期內 ， 存 儲 區(qū) 的 整 個 電 荷 圖 像 向下 移 動 ， 每 次 總 是 將 存 儲 區(qū) 最底 部 一 行 的 電 荷 信 號 移 到 水 平讀 出 器 ， 該 行 電 荷 在 讀 出 移 位寄 存 器 中 向 右 移 動 以 視 頻 信 號輸 出 。 當 整 幀 視 頻 信 號 自 存 儲移 出 后 ， 就 開 始 下 一 幀 信 號 的形 成 。 該 CCD結 構 具 有 單 元 密 度 高 、 電 極 簡 單 等 優(yōu) 點 ， 但

21、增加 了 存 儲 器 。 光 柵 報 時 鐘二 相 驅 動 輸 出 寄 存 器 檢 波 二 極 管 視 頻 輸 出垂 直 轉 移寄 存 器感 光 區(qū)二 相 驅 動(c) 圖 (c)所 示 結 構 是 用 得 最 多 的 一 種 結 構 形 式 。 它 將 圖 (b)中 感 光 元 件 與 存 儲 元 件 相 隔 排 列 。 即 一 列 感 光 單 元 ，一 列 不 透 光 的 存 儲 單 元 交 替 排 列 。 在 感 光 區(qū) 光 敏 元 件積 分 結 束 時 ， 轉 移 控 制 柵 打 開 ， 電 荷 信 號 進 入 存 儲 區(qū) 。隨 后 ， 在 每 個 水 平 回 掃周 期 內 ， 存 儲

22、 區(qū) 中 整 個電 荷 圖 像 一 次 一 行 地 向上 移 到 水 平 讀 出 移 位 寄存 器 中 。 接 著 這 一 行 電荷 信 號 在 讀 出 移 位 寄 存器 中 向 右 移 位 到 輸 出 器件 ， 形 成 視 頻 信 號 輸 出 。這 種 結 構 的 器 件 操 作 簡單 ， 但 單 元 設 計 復 雜 ，感 光 單 元 面 積 減 小 ， 圖像 清 晰 。 CCD產 品13.3 固 態(tài) 圖 像 傳 感 器 應 用 實 例 1： 測 量 拉 絲 過 程 中 絲 的 線 徑 、 軋 鋼 的 直 徑 、 機 械 加 工的 軸 類 或 桿 類 的 直 徑 等 等 。這 里 以 玻 璃

23、 管 直 徑 與 壁 厚 的 測 量 為 例 。 玻璃管CCD 視頻信號 測 量 原 理 : 在 熒 光 燈 的 玻 璃 管 生 產 過 程 中 ， 總 是 需 要 不 斷 測量 玻 璃 管 的 外 圓 直 徑 及 壁 厚 ， 并 根 據(jù) 監(jiān) 測 結 果 對 生產 過 程 進 行 調 整 ， 以 便 提 高 產 品 質 量 。 玻 璃 管 的 平 均 外 徑 12mm,壁 厚 1.2mm,要 求 測 量精 度 為 外 徑 0.1mm,壁 厚 0.05mm。 利 用 CCD配 合適 當 的 光 學 系 統(tǒng) ， 對 玻 璃 管 相 關 尺 寸 進 行 實 時 監(jiān) 測 ， 用 平 行 光 照 射 玻

24、 璃 管 ， 成 像 物 鏡 將 尺 寸 影 像 投 影在 CCD光 敏 像 元 陣 列 面 上 。 由 于 玻 璃 管 的 透 射 率 分 布 的 不 同 ， 玻 璃 管 成 像的 兩 條 暗 帶 最 外 邊 界 距 離 為 玻 璃 管 外 徑 大 小 ， 中 間亮 帶 反 映 了 玻 璃 管 內 徑 大 小 ， 而 暗 帶 則 是 玻 璃 管 的壁 厚 像 。 成 像 物 鏡 的 放 大 倍 率 為 ， CCD相 元 尺 寸 為 t，上 壁 厚 、 下 壁 厚 分 別 為 n1、 n2 ， 外 徑 尺 寸 的 脈 沖數(shù) （ 即 像 元 個 數(shù) ） 為 N， 測 量 結 果 有 ： 1 12 2 /d ntd n tD N t n1-上 壁 厚n2-下 壁 厚D-外 徑 尺 寸 。 線 陣 CCD進 行 工 件 尺 寸 測 量實 例 2：