光电子第五章_3

1、光电成像系统光电成像系统n可见光（含微光）光电成像系统可见光（含微光）光电成像系统n紫外光光电成像系统紫外光光电成像系统n红外光光电成像系统红外光光电成像系统 光电成像器件是光电成像系统的核心光电成像器件是光电成像系统的核心， 新型光电成像器件的不断涌新型光电成像器件的不断涌现，推动了光电成像系统的迅速发展。现，推动了光电成像系统的迅速发展。光电成像系统涉及的信号传递过程：光电成像系统涉及的信号传递过程：光源光源物体物体（信号源）（信号源）传输介质传输介质光学系统光学系统（信号分析器）（信号分析器）光电成像器件光电成像器件（信号变换器）（信号变换器）显示器显示器人眼人眼光光信信号号光光信信号号

2、光光信信号号信信号号信信号号背背景景噪噪声声背背景景噪噪声声噪噪声声噪噪声声近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进行近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进行光学图像处理与测量已成为现代光学仪器、测控技术光学图像处理与测量已成为现代光学仪器、测控技术的重要发展方向。的重要发展方向。广泛应用于遥感、遥测技术、图形图像测量技术广泛应用于遥感、遥测技术、图形图像测量技术和监控工程等，成为现代科学技术的重要组成部分。和监控工程等，成为现代科学技术的重要组成部分。光电成像器件的发展：光电成像器件的发展：光电成像器件的发展：光电成像器件的发展：n1934年研制出光电像管，应用于广播电视摄像。它的灵年研制

3、出光电像管，应用于广播电视摄像。它的灵敏度相当低，要达到现在图像信噪比的要求，需要不低于敏度相当低，要达到现在图像信噪比的要求，需要不低于10000 lx的照度，应用范围受到很大限制。的照度，应用范围受到很大限制。n1947年超正析摄像管面世，使最低照度降至年超正析摄像管面世，使最低照度降至2000 lx。n1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成本低、体积年灵敏度较高的视像管投入市场。其成本低、体积小、灵敏度和分辨率都较高，但不是适用于高速场合和彩小、灵敏度和分辨率都较高，但不是适用于高速场合和彩色应用。色应用。光电成像器件的发展：光电成像器件的发展：n1965年，氧化铅管成功代替正析摄像

4、管，广泛应用于彩年，氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩色电视广播摄像机的发展产生了一色电视摄像机。它使彩色电视广播摄像机的发展产生了一个飞跃。个飞跃。n1976年前后，又相继出现灵敏度更高、成本更低的硒像年前后，又相继出现灵敏度更高、成本更低的硒像管和硅靶管。管和硅靶管。n1970年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器件（年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器件（CCD）原）原理，从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶段理，从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶段CCD固体摄像器件的发展阶段。固体摄像器件的发展阶段。光电成像器件的类型：光电成像器件的类型：n扫描型：扫描型：又称为

5、摄像器件。这种器件通过电子束扫描或自扫描又称为摄像器件。这种器件通过电子束扫描或自扫描方式将景物经光学系统成像在器件光敏面上的二维图像转变为一方式将景物经光学系统成像在器件光敏面上的二维图像转变为一维时序电信号输出出来。这种运载图像信息的一维时序信号称为维时序电信号输出出来。这种运载图像信息的一维时序信号称为视频信号。视频信号。 真空电子束扫描型：真空电子束扫描型： 光电型：光电导式和光电发射式光电型：光电导式和光电发射式 热电型：热释电摄像管热电型：热释电摄像管 固体自扫描型：固体自扫描型：电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件光电成像器件的类型：光电成像器件的类型：n非扫描型：非扫描型：直视型电

6、真空像管直视型电真空像管变相管：变相管： 红外变像管、紫外变像管红外变像管、紫外变像管 、X射线变像管射线变像管像增强管：串联式像增强管、级联式像增强管、微通道板式像增强管：串联式像增强管、级联式像增强管、微通道板式 像增强管、负电子亲和势阴极摄像管像增强管、负电子亲和势阴极摄像管把光学图象转换为电信号，即把入射到探测器光敏面上按空间分布把光学图象转换为电信号，即把入射到探测器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外光等），转换为按时序串行输出的电信号的光强信息（可见光、红外光等），转换为按时序串行输出的电信号视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图象。视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射

7、图象。固体光电成像器件的功能：固体光电成像器件的功能：固体光电成像器件的分类：固体光电成像器件的分类：电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件CCDCharge Coupled Device互补金属氧化物半导体图象互补金属氧化物半导体图象探测器探测器CMOSComplementary Metal- Oxide-Semiconductor电荷注入器件电荷注入器件CIDCharge Injection Device电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD Charge Coupled Device）电电荷荷耦耦合合器器件件n20世纪世纪70年代由贝尔实验室的年代由贝尔实验室的 W.S. Doyle和和G. Sm

8、ith发明。发明。n特点：结构简单、集成度高、制造特点：结构简单、集成度高、制造工序少、功耗低、信噪比好。工序少、功耗低、信噪比好。CCD的基本功能：的基本功能：电荷存储和电荷转移电荷存储和电荷转移CCD的工作过程：的工作过程：信号电荷的产生、存储、信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。传输和检测的过程。CCD器件不同于其它器件的突出特点：器件不同于其它器件的突出特点：以电荷作为信号以电荷作为信号，即信息用电荷量（称为，即信息用电荷量（称为电荷包）代表，而其它器件则都是以电压电荷包）代表，而其它器件则都是以电压或电流作为信号的或电流作为信号的电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）的组成的组成n

9、MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）光敏元光敏元n电荷转移栅电荷转移栅n移位寄存器移位寄存器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）将光信息转换成电脉冲信号，每个脉冲只将光信息转换成电脉冲信号，每个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱，输出脉高低反映该光敏元受光照的强弱，输出脉冲的顺序反映光敏元的位置，起到图象传冲的顺序反映光敏元的位置，起到图象传感的作用。感的作用。MOSMOS光敏元的工作原理光敏元的工作原理当金属电极上施加正向电压时，当金属电极上施加正向电压时，在电场作用下，电极下在电场作用下，电极下

10、P型区型区域里的多子（空穴）被排斥、域里的多子（空穴）被排斥、驱赶，形成一个驱赶，形成一个“耗尽区耗尽区”。少子（电子）：电场吸引它到电极的耗尽区。耗尽区对电子而言是一个势少子（电子）：电场吸引它到电极的耗尽区。耗尽区对电子而言是一个势能很低的区域，称为能很低的区域，称为“势阱势阱”。MOSMOS光敏元的工作原理光敏元的工作原理有光线入射：在光子的作有光线入射：在光子的作用下，产生用下，产生e-h对，光生对，光生电子被附近的势阱收集，电子被附近的势阱收集，空穴被电场排斥出耗尽区。空穴被电场排斥出耗尽区。u 势阱内吸收的光生电子数与入射到势阱附近的光强成正比。势阱内吸收的光生电子数与入射到势阱附

11、近的光强成正比。u MOS结构单元就称为光敏元或一个像素。结构单元就称为光敏元或一个像素。u 一个势阱所收集的若干个光生电荷称为一个一个势阱所收集的若干个光生电荷称为一个“电荷包电荷包”。MOSMOS光敏元的工作原理光敏元的工作原理如果此时照在这些光敏单元上是如果此时照在这些光敏单元上是一幅明暗起伏的图像，则这些光一幅明暗起伏的图像，则这些光敏单元就会产生出一幅与光照强敏单元就会产生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，因而度相对应的光生电荷图像，因而得到了影像信号。得到了影像信号。通常在通常在Si上制作成千上万个相互上制作成千上万个相互独立的独立的MOS光敏单元（如光敏单元（如M行行N列）。

12、如果在金属电极上加上正列）。如果在金属电极上加上正电压，则在硅片上形成成千上万电压，则在硅片上形成成千上万个相互独立的势阱。个相互独立的势阱。移位寄存器移位寄存器每三个电极（如每三个电极（如a1、b1、c1）组成一个组成一个传输单元传输单元，对应于一个光敏元。在，对应于一个光敏元。在三个电极上分别加上三相脉冲电压三个电极上分别加上三相脉冲电压Ua、Ub、Uc。p 结构：也是结构：也是MOS结构，由金属电极、氧化物介质、半导体组成。结构，由金属电极、氧化物介质、半导体组成。p 与与MOS光敏元的区别：不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。光敏元的区别：不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。移

13、位寄存器移位寄存器三相脉冲电压波形三相脉冲电压波形移位寄存器移位寄存器t=t1：Ua=U, Ub=0，Uc=1/2U。金属电极上所金属电极上所加正电压越大，金属电极下的电场越强，多加正电压越大，金属电极下的电场越强，多子（空穴）被排斥的耗尽层越厚，对少子子（空穴）被排斥的耗尽层越厚，对少子（电子）则势阱越深。（电子）则势阱越深。也即：也即：a1、a2、an极上的电压最高，势阱极上的电压最高，势阱最深。最深。b1、b2、bn上的电压为零，不产生上的电压为零，不产生势阱。势阱。c1、c2、 、cn势阱介于两者之间。势阱介于两者之间。移位寄存器移位寄存器t=t2：原来在原来在a1、a2、an处势阱变

14、处势阱变浅，浅，b1、b2、 、bn处的势阱变为最深。处的势阱变为最深。原来在原来在a1、a2、an处的电子移向势处的电子移向势阱最深的阱最深的b1、b2、bn处，即电子朝处，即电子朝右方向移动。右方向移动。t=t3：b1、b2、 、bn处势阱变浅，处势阱变浅， 而而c1、c2、 、cn处处的势阱变为最深。原来在的势阱变为最深。原来在b1、b2、 、bn处的电子移向势阱最深的处的电子移向势阱最深的c1、c2、 、cn处，即电子又朝右方向移动。处，即电子又朝右方向移动。移位寄存器移位寄存器t=t4：c1、c2、 、cn处的势阱变浅，电子移向势阱最深的处的势阱变浅，电子移向势阱最深的a2、 、an

15、处。处。移位寄存器移位寄存器信号信号电子传输后必须有一个信号输出装置。电子传输后必须有一个信号输出装置。移位寄存器移位寄存器从从t t1 1到到t t4 4为脉冲电压的一个周期：为脉冲电压的一个周期：原来在原来在a1极下的电子移向极下的电子移向a2极，原来在极，原来在a2极下的电子移向极下的电子移向a3极，依次类推。极，依次类推。n 在最右电极的一侧扩散一个在最右电极的一侧扩散一个n区作为收集区，与衬底形成区作为收集区，与衬底形成PN结，并处于反偏状态。如果结，并处于反偏状态。如果有电子传到最后一个电极有电子传到最后一个电极cn下面，就被收集，在电阻下面，就被收集，在电阻R上有电流流过，并转换

16、成电压的变上有电流流过，并转换成电压的变化，输出一个脉冲。化，输出一个脉冲。n 输出脉冲的幅值，依次与原来存储于输出脉冲的幅值，依次与原来存储于an、an-1、a2、a1势阱中的电子数成正比，是属势阱中的电子数成正比，是属于串行输出。而电子数又与光照强度成正比。于串行输出。而电子数又与光照强度成正比。移位寄存器移位寄存器光敏元中的电荷如何向移位寄存器转移？光敏元中的电荷如何向移位寄存器转移？p 光敏区中产生的电荷，由转移栅（或称转移门、转移电极）光敏区中产生的电荷，由转移栅（或称转移门、转移电极）Z控制转移至控制转移至a1、a2、 、an极下的势阱。极下的势阱。p 光敏区中的光敏单元数与移位寄

17、存器的传输单元数相等，而转移电极光敏区中的光敏单元数与移位寄存器的传输单元数相等，而转移电极Z只有一个。只有一个。电荷转移栅电荷转移栅转移栅的作用：转移栅的作用：控制控制光敏元势阱中的信号光敏元势阱中的信号电荷向移位寄存器中电荷向移位寄存器中转移。转移。光敏元中的电荷如何向移位寄存器转移？光敏元中的电荷如何向移位寄存器转移？电荷转移栅电荷转移栅A-A截面的电极类似于一个传输单元截面的电极类似于一个传输单元a1、b1、c1。如果。如果a1、Z、a1上分别加上电压上分别加上电压Ua、Uz、Ua，则从则从t0到到t2光敏元光敏元a1中的电荷已转移至中的电荷已转移至a1极下的势阱。极下的势阱。同理，同

18、理，光敏元光敏元a2 an中的电中的电荷同时转移至荷同时转移至a2.an极下的势阱。极下的势阱。电荷转移栅电荷转移栅光敏元中的电荷如何向移位寄存器转移？光敏元中的电荷如何向移位寄存器转移？t3以后以后：光敏单元又重新进行光积累。在光积累的过程中，移位寄存器光敏单元又重新进行光积累。在光积累的过程中，移位寄存器a1、b1、c1；a2、b2、c2；an、bn、cn等进行移位（电荷传输），各自执行自己的任务。等进行移位（电荷传输），各自执行自己的任务。t2以后以后：转移电极转移电极Z上电压恢复为上电压恢复为0，把光敏区和移，把光敏区和移位寄存器之间的位寄存器之间的“门门”阻塞。阻塞。CCD的电极结构

19、按所加脉冲电压的相数分为：的电极结构按所加脉冲电压的相数分为：三相系统三相系统二相系统二相系统三相系统：三相系统：势阱对称，电荷可以向左或向右传输（通过改变时钟脉冲电势阱对称，电荷可以向左或向右传输（通过改变时钟脉冲电 压的时序关系）压的时序关系）二相二相CCD系统系统：信号电荷总是向一个方向传输。：信号电荷总是向一个方向传输。采用梯度氧化层（采用梯度氧化层（SiO2层厚度分台层厚度分台阶）。厚度大的阶）。厚度大的SiO2层下的势阱浅，层下的势阱浅，这样可实现非对称的势阱分布。这样可实现非对称的势阱分布。电荷耦合摄像器件：线阵电荷耦合摄像器件：线阵CCD、面阵面阵CCDn线阵线阵CCD：只有一

20、列光敏单元，只能监测一维变量。只有一列光敏单元，只能监测一维变量。n面阵面阵CCD：MOS光敏单元排成二维形式。光敏单元排成二维形式。线阵线阵CCD线阵线阵CCD器件的构成：器件的构成：光敏区的光敏区的N个光敏元排成一列。个光敏元排成一列。N位位CCD与与N个光敏元一一对齐，每一位个光敏元一一对齐，每一位CCD有两相。最靠近输出端的那位有两相。最靠近输出端的那位CCD称为第一位，对应的光敏元为第一个光敏元。称为第一位，对应的光敏元为第一个光敏元。线阵线阵CCD工作原理：工作原理：当一行的当一行的N个信号全部读完，产生一个触发信号，使转移个信号全部读完，产生一个触发信号，使转移栅变为高电压，将新

21、一行的栅变为高电压，将新一行的N个光信号电荷包并行转移到个光信号电荷包并行转移到CCD中，开始中，开始新一行信号传输和读出，周而复始。新一行信号传输和读出，周而复始。面阵面阵CCD面面阵阵CCDCCD摄像机摄像机p 黑白黑白CCD：直接用面阵直接用面阵CCD，CCD输出信号按电视制式输出信号按电视制式要求进行处理。要求进行处理。p 彩色彩色CCD：三片式、单片式三片式、单片式 3CCD：适用于电视台和专业影视制作单位。画面具有层次丰富、色彩：适用于电视台和专业影视制作单位。画面具有层次丰富、色彩还原自然、动态范围大和清晰度好等优点，但价格高。还原自然、动态范围大和清晰度好等优点，但价格高。 单

22、片单片CCD：适用于家用。彩色重现能力较差，层次不太丰富，价格便宜。：适用于家用。彩色重现能力较差，层次不太丰富，价格便宜。 CCD摄像机：摄像机：CCD摄像机摄像机三片式彩色三片式彩色CCD摄像机：摄像机：用分色棱镜将入射光分成红（用分色棱镜将入射光分成红（R）、）、绿（绿（G）、）、蓝（蓝（B）三基色。然后由配置在后面的三基色。然后由配置在后面的CCD器件转换成电信号。器件转换成电信号。特点：特点：能独立记录每个成像点的三原色数据而不相互干扰。但是：会增加成像系能独立记录每个成像点的三原色数据而不相互干扰。但是：会增加成像系统的体积和复杂程度，并且直接导致造价飙升。统的体积和复杂程度，并且

23、直接导致造价飙升。CCD摄像机摄像机单片式彩色单片式彩色CCD摄像机：摄像机：在在CCD前置一片特前置一片特殊结构的滤色器，使透过滤色器的红、绿、蓝三色信殊结构的滤色器，使透过滤色器的红、绿、蓝三色信号按某种规律照射在不同的号按某种规律照射在不同的CCD单元上，最后对单元上，最后对CCD输出信号进行特殊的处理，可得到彩色的全电视信号。输出信号进行特殊的处理，可得到彩色的全电视信号。 Bayer滤光片：滤光片：采用红绿滤光片间隔行和绿蓝滤光片间隔行循环交替的排采用红绿滤光片间隔行和绿蓝滤光片间隔行循环交替的排列方式，并不按照三原色平均分配。绿色滤光片的数量是其它两色的总和，因列方式，并不按照三原

24、色平均分配。绿色滤光片的数量是其它两色的总和，因为人类的视觉系统对三原色的敏感性并不一样，有必要包括更多的绿色像素信为人类的视觉系统对三原色的敏感性并不一样，有必要包括更多的绿色像素信息以便在人类的眼睛里能够感知到符合自己视觉系统的真彩色。息以便在人类的眼睛里能够感知到符合自己视觉系统的真彩色。CCD摄像机摄像机1.1.曝光：曝光：通过光学镜头成像在通过光学镜头成像在CCD上，使上，使CCD曝光，在曝光，在CCD上形成与上形成与光照强度相对应的光生电荷图象。光照强度相对应的光生电荷图象。CCD摄像机完成摄像需经历的过程：摄像机完成摄像需经历的过程：2.2.光生电荷平移到移位寄存器：光生电荷平移

25、到移位寄存器：完成曝光后，采用平移的方法，一完成曝光后，采用平移的方法，一次性将光生电荷转移到对应的移位寄存器中。次性将光生电荷转移到对应的移位寄存器中。3.3. 移位寄存器中光生电荷串行输出，转换成电压信号移位寄存器中光生电荷串行输出，转换成电压信号，时间，时间与曝光同步，即移位寄存器在串行输出上一幅图象的视频信号时，与曝光同步，即移位寄存器在串行输出上一幅图象的视频信号时，CCD正在曝光下一幅图象。正在曝光下一幅图象。4. 4. 形成全电视信号：形成全电视信号：将串行输出的视频信号，加上同步信号和消隐将串行输出的视频信号，加上同步信号和消隐信号，形成全电视信号，可录入磁盘，或通过信号，形成

26、全电视信号，可录入磁盘，或通过A/D转换成数字信号保存。转换成数字信号保存。数码相机数码相机数码相机：原理同数码相机：原理同CCD摄像机。摄像机。nCCD摄象机：采集连续的图象。摄象机：采集连续的图象。n数码相机：采集一幅图象。数码相机：采集一幅图象。数码相机的基本组成数码相机的基本组成 快门控制快门控制彩色液晶彩色液晶显示器显示器电源电路电源电路总控制电路总控制电路电池电池信号放大信号放大A/D转换转换数字信号数字信号处理处理数字图像数字图像存储存储输出接口输出接口快门快门CCD或或CMOSCCD摄像器件的主要特性摄像器件的主要特性像素数量像素数量CCD尺寸尺寸暗电流暗电流灵敏度灵敏度信噪比

27、信噪比主要评价指标主要评价指标n 转移特性：转移特性：电荷包从一个栅转移到下一个栅时，电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有有 部部分没有被转移（分没有被转移（ 称转移损失率），则一次转移效率称转移损失率），则一次转移效率 ： =1- 。n 一个电荷量为一个电荷量为Q0的电荷包，经过的电荷包，经过n次转移后的输出电荷量次转移后的输出电荷量应为：应为：CCD摄像器件的主要特性摄像器件的主要特性nnQQ0nnQQ/0总效率为：总效率为：CCD摄像器件的主要特性摄像器件的主要特性n 光电特性：光电特性：低照度下低照度下CCD输出的信号电压与入射光照输出的信号电压与入射光照度呈线性关系。当照度达上百勒克斯

28、后，输出信号达到度呈线性关系。当照度达上百勒克斯后，输出信号达到饱和状态。饱和状态。n 光谱特性：光谱特性：光谱响应基本上由光敏元材料决定，也与光光谱响应基本上由光敏元材料决定，也与光敏元结构尺寸差异、电极材料和器件转移效率不均匀等敏元结构尺寸差异、电极材料和器件转移效率不均匀等因素有关。因素有关。CCD器件对蓝光和黄光的灵敏度较低。器件对蓝光和黄光的灵敏度较低。CCD摄像器件的主要特性摄像器件的主要特性暗电流：暗电流：由于热激发产生少数载流子使系统趋向平衡（势由于热激发产生少数载流子使系统趋向平衡（势阱平衡）。即使没有光照和电注入，也存在不希望有的暗电阱平衡）。即使没有光照和电注入，也存在不

29、希望有的暗电流。使一幅清晰完整的产生某些流。使一幅清晰完整的产生某些“亮条亮条”或或“亮点亮点”。噪声：噪声：CCD摄象器件是一种低噪声器件。引起的原因：转摄象器件是一种低噪声器件。引起的原因：转移损失；移损失；SiO2- Si的界面态和预放器中的热噪声；信号电流中的界面态和预放器中的热噪声；信号电流中的杂散噪声；外加脉冲。的杂散噪声；外加脉冲。CCD摄像器件的主要特性摄像器件的主要特性分辨率：分辨率：指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力。主要指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力。主要由水平和垂直方向的像素总数决定。还受到传输效率的影响。由水平和垂直方向的像素总数决定。还受到传输效率的影响。像

30、素和分辨率：像素和分辨率：像素：像素：CCD上上MOS光敏元的数目。像素的多少直接关系着光敏元的数目。像素的多少直接关系着所射照片的清晰度，像素越多则图像越清晰。所射照片的清晰度，像素越多则图像越清晰。 CCD摄像器件的主要特性摄像器件的主要特性图像的分辨率有图像的分辨率有3种表示方法：种表示方法：l 像素的总数目像素的总数目l 像素像素/英寸（英寸（ppi）l 点点/英寸（英寸（dpi） 像素和分辨率：像素和分辨率：CCD摄像器件的主要特性摄像器件的主要特性n彩色电视：彩色电视：320 525，总像素：总像素：16.8万左右；万左右；n人眼：人眼：11000 11000，总像素：总像素：12

31、亿左右；亿左右；n传统感光胶卷的像素：传统感光胶卷的像素：2百万以上；百万以上；n目前高档商用数码像机：总像素达到了目前高档商用数码像机：总像素达到了800万以上。万以上。 像素和分辨率：像素和分辨率：CCD摄像器件的主要特性摄像器件的主要特性采用软件插值运算的方法来提高像素和分辨率：降低产品的采用软件插值运算的方法来提高像素和分辨率：降低产品的成本。成本。原理：原理：用两个相邻的像素进行运算得到一个新的像素，从而用两个相邻的像素进行运算得到一个新的像素，从而提升分辨率（实际上在计算机中通过一些图像处理软件可以提升分辨率（实际上在计算机中通过一些图像处理软件可以很容易的实现这一功能）。很容易的

32、实现这一功能）。像素和分辨率：像素和分辨率：CCD摄像器件的主要特性摄像器件的主要特性插值运算的原理插值运算的原理特点：虽然提高了分辨率，特点：虽然提高了分辨率，但通过软件生成的像素并不但通过软件生成的像素并不能真正反映真实的色彩，在能真正反映真实的色彩，在图像中不同色彩的边界往往图像中不同色彩的边界往往会产生色差和明显的锯齿。会产生色差和明显的锯齿。所以，特别注意标称的像素所以，特别注意标称的像素是是CCDCCD的分辨率还是通过软件的分辨率还是通过软件提升得到的像素。提升得到的像素。像素和分辨率：像素和分辨率：CCD制造工艺制造工艺 制作性能优越的制作性能优越的CCD，要求：精确设计；具备良

33、好的设，要求：精确设计；具备良好的设施和工艺制作条件；人为因素。施和工艺制作条件；人为因素。 CCD是在硅集成电路上制作而成的，其工艺基本组成包是在硅集成电路上制作而成的，其工艺基本组成包括清洗、氧化、扩散、光刻、刻蚀、离子注入、括清洗、氧化、扩散、光刻、刻蚀、离子注入、LPCVD、等离子生长和中测单项工艺，等离子生长和中测单项工艺，CCD的制造就是将这些单项的制造就是将这些单项工艺以不同数目和次序加以组合而成。工艺以不同数目和次序加以组合而成。CCD制造工艺制造工艺氧化：氧化：是是CCD制造中的关键工艺之一，氧化生成的制造中的关键工艺之一，氧化生成的SiO2膜膜在在CCD 中有着重要的作用，

34、主要表现为：中有着重要的作用，主要表现为： (1) 作为作为CCD的保护和钝化膜。的保护和钝化膜。n 在在Si上热生长上热生长SiO2可以束缚硅的悬挂键，降低可以束缚硅的悬挂键，降低CCD的表的表面态密度，起到表面钝化作用，同时防止面态密度，起到表面钝化作用，同时防止CCD电性能退电性能退化并减少由于潮湿、离子或其它外部污染物引起的漏电化并减少由于潮湿、离子或其它外部污染物引起的漏电流。流。n SiO2是坚硬和无孔是坚硬和无孔(致密致密)的材料，保护的材料，保护Si表面不被镊子划表面不被镊子划伤以及后期工序中可能带来的工艺损伤。伤以及后期工序中可能带来的工艺损伤。n SiO2层可以将层可以将S

35、i表面的电活性污染物表面的电活性污染物(可动离子沾污可动离子沾污)束缚束缚在其中。在其中。CCD制造工艺制造工艺氧化：氧化： (2) 作为作为CCD 中栅氧的电介质。中栅氧的电介质。CCD中最主要的是中最主要的是MOS管，因为管，因为SiO2具有高电介质具有高电介质强度强度(107V/cm) 和高的电阻率和高的电阻率(约约1017cm)，可以作为，可以作为CCD中中MOS的栅氧化层。的栅氧化层。CCD中栅氧层影响电流的流动和电荷转移效率。因中栅氧层影响电流的流动和电荷转移效率。因此，要求栅氧化层致密、膜厚均匀、无杂质，任何使栅氧此，要求栅氧化层致密、膜厚均匀、无杂质，任何使栅氧结构退化的沾污都

36、必须严格控制。结构退化的沾污都必须严格控制。CCD制造工艺制造工艺氧化：氧化： (3)可以作为多晶硅薄膜之间的隔离层可以作为多晶硅薄膜之间的隔离层。隔离多晶硅的隔离多晶硅的SiO2层的质量将直接影响层的质量将直接影响CCD的电路的电路的性能的性能，SiO2能防止上层多晶硅和下层多晶硅间短路能防止上层多晶硅和下层多晶硅间短路，就就像电线上的绝缘体可以防止短路一样像电线上的绝缘体可以防止短路一样。同时同时，氧化物要求氧化物要求无针孔和空隙无针孔和空隙。在在CCD 制造中，较多采用干氧制造中，较多采用干氧湿氧湿氧干氧结合的氧化方式干氧结合的氧化方式.CMOS: Complementary Metal

37、 Oxide Semiconductor互补金属氧化物半导体互补金属氧化物半导体nCMOS技术：技术：可以将光电摄像器件阵列、驱动和控可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模制电路、信号处理电路、模/数转换器、全数字接口电数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片系统（路等完全集成在一起，可以实现单芯片系统（SOC）。）。CMOS的结构：的结构：无源像素型（无源像素型（PPS）和有源像素型（）和有源像素型（APS）无源像素型：无源像素型：n 由反向偏置的光电二极管（由反向偏置的光电二极管（PD）和）和开关管（开关管（TX）组成。）组成。n 当该像素被选中激活时，当

38、该像素被选中激活时，TX选通，选通，PD中由于光照产生的信号电荷通过中由于光照产生的信号电荷通过TX到达列总线输出；到达列总线输出；n 在列总线下端有一个电荷积分放大器，在列总线下端有一个电荷积分放大器，将信号电荷转换为电压输出。将信号电荷转换为电压输出。无源像素型无源像素型特点：特点：n 结构简单；结构简单；n 像素填充率高；像素填充率高；n 量子效率比较高；量子效率比较高；n 由于传输线电容较大，读出噪声较高，而且随着像素数由于传输线电容较大，读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。有源像素型：有源像素型：在像元内引入在像

39、元内引入缓冲器或放大器缓冲器或放大器可以改善像元的可以改善像元的性能。像元内有性能。像元内有有源放大器有源放大器的传感器称为有源像素传感器。的传感器称为有源像素传感器。光电二极管型有源像素（光电二极管型有源像素（PP-APS）结构：）结构：n 由光电二极管（由光电二极管（PD）、）、RST、T 和和RS组成。组成。n 光照射到光照射到PD产生信号电荷，这些电荷产生信号电荷，这些电荷通过通过T缓冲输出；缓冲输出；n 当当RS选通时，电荷通过列总线输出，选通时，电荷通过列总线输出，RS关闭时，关闭时，RST打开对打开对PD复位。复位。有源像素型有源像素型特点：特点：p 由于每个放大器仅在读出器件被

40、激发，功耗比较小。由于每个放大器仅在读出器件被激发，功耗比较小。p 填充系数小，其设计填充系数典型值为填充系数小，其设计填充系数典型值为2030。CMOS 器件的总体结构：器件的总体结构：外界光照射像素阵列，外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通产生信号电荷，行选通逻辑单元根据需要选通逻辑单元根据需要选通相应的行像素单元，行相应的行像素单元，行像素内的信号电荷通过像素内的信号电荷通过各自所在列的信号总线各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号传输到对应的模拟信号处理器（处理器（ASP）及）及A/D变变换器，转化成相应的数换器，转化成相应的数字图像信号输出。字图像信号输出。CMOS最主要的优势最主要的优势n非常省电。非常省电。nCMOS 电路几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通电路