典型光电检测器件.ppt

1 光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件 光电检测器件分为两大类 光子 光电子 检测器件热电检测器件 2 光电效应 光照射到物体表面上使物体发射电子 或导电率发生变化 或产生光电动势等 这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应光电效应包括外光电效应和内光电效应 3 外光电效应 物体受光照后向外发射电子 多发生于金属和金属氧化物内光电效应 物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部 多发生在半导体内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应 4 2 外光电元件 紫外管 当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时 电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面 形成电子发射 紫外管多用于紫外线测量 火焰监测等 紫外线 5 光电管光电管的阴极受到从光窗透进的光照射后 向真空发射光电子 这些光电子向阳极作加速运动 形成空间电子流 光电流的数值取决于阴极的灵敏度与光强 停止光照 外电路将无电流输出 6 K为光电阴极 A为光电阳极 D1 D2 D3 等若干个光电倍增极 又称二次发射极 涂有光敏物质 光电倍增管光电倍增管的电流是逐级增加的 由于光电倍增管具有放大作用 因此适用做灵敏的弱光探测器 7 2 内光电效应当光照在物体上 使物体的电导率发生变化 或产生光生电动势的现象 分为光电导效应和光生伏特效应 光伏效应 8 光敏电阻 当光敏电阻受到光照时 阻值减小 9 大面积光电池 10 红外发射 接收对管外形 红外发射管 红外接收管 11 光热效应 光热效应 材料受光照射后 光子能量与晶格相互作用 振动加剧 温度升高 材料的性质发生变化 热释电效应 介质的极化强度随温度变化而变化 引起电荷表面电荷变化的现象 辐射热计效应 入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象 温差电效应 由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势 回路中产生电流 12 13 光电检测器件 光子器件 热电器件 真空器件 固体器件 光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管 光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCDCMOS 热电偶 热电堆热辐射计 热敏电阻热释电探测器 14 CCD ChargeCoupledDeviceCMOS ComplementaryMetal OxideSemiconductorCIS 接触式图像传感器 典型的光电探测器 15 提到CCD与CMOS 不得不说到数码相机 与传统相机相比 传统相机使用 胶卷 作为其记录资讯的载体 而数码相机的 胶卷 就是其成像感光器件 而且是与相机一体的 是数码相机的心脏 感光器是数码相机的核心 也是最关键的技术 数码相机的发展道路 可以说就是感光器的发展道路 目前数码相机的核心成像部件有两种 一种是广泛使用的CCD 电荷耦合 元件 另一种是CMOS 互补金属氧化物半导体 器件 16 数码相机vs胶卷式相机 1 经过镜头光聚焦在CCD CMOS 上2 CCD CMOS 将光转换成电信号3 经处理器加工 记录在记忆体上4 显示器输出或打印 1 经过镜头光聚焦在胶片上2 胶片上的感光剂随光发生化学变化3 变化了的感光剂胶片经显影液显像4 呈现在相纸上 17 相机 成像 原理 18 19 20 21 数码相机的 视网膜 CCD ChargeCoupledDevice 电荷耦合元件CMOS ComplementaryMetal OxideSemiconductor 互补性氧化金属半导体 可记录光线变化的半导体 22 CCD ChargeCoupledDevice 电荷耦合元件 C 上感光元件的表面具有储存电荷的能力 以百万像素 megapixel 为单位 光电转换 当其表面感受到光线时 会将电荷反应在元件上 23 电荷耦合器件 ChargeCoupleDevice 是一种大规模金属氧化物半导体 MOS 集成电路光电器件 它以电荷为信号 具有光电信号转换 存储 转移和读出信号电荷的功能 CCD自1970年问世以来 由于其独特的性能而发展迅速 广泛应用于航天 遥感 工业 农业 天文及通讯等军用及民用领域信息存储及信息处理等方面 尤其适用以上领域中的图像获取 24 25 1 CCD的结构及工作原理CCD是由若干个电荷耦合单元组成的 其基本单元是MOS 金属 氧化物 半导体 电容器 它以P型 或N型 半导体为衬底 上面覆盖一层厚度约120nm的SiO2 再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件 这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素 将MOS阵列加上输入 输出结构就构成了CCD器件 26 27 CCD的突出特点 是以电荷作为信号 而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号 它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体 构成具有自扫描功能的图像传感器 是一种金属氧化物半导体 MOS 集成电路器件 基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出 28 主要由三部分组成 信号输入 电荷转移 信号输出 输入部分 将信号电荷引入到 的第一个转移栅极下的势阱中 称为电荷注入 光注入 用于摄像机 用光敏元件代替输入二极管 当光照射CCD硅片时 在栅极附近的半导体体内产生电子 空穴对 其多数载流子被栅极电压排开 少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷 的工作原理 29 在 栅极上施加按一定规律变化 大小超过阈值的电压 则在半导体表面形成不同深浅的势阱 势阱用于存储信号电荷 其深度同步于信号电压变化 使阱内信号电荷沿半导体表面传输 最后从输出二极管送出视频信号 为了实现电荷的定向转移 在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构 一位CCD中含的MOS个数即为CCD的像素 30 A 势阱的产生MOS的金属电极加正压 电极下的P型硅区域内空穴被赶尽 留下带负电荷的负离子 其中无导电的载流子 形成耗尽层 它是电子的势阱 势阱的深浅取决于U的大小 31 B 电荷的存储势阱具有存储电荷的功能 势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比 CCD器件将物体的光像形成对应的电像时 就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量 32 C 电荷的输出 在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管 二极管加反压 在PN结形成耗尽层 输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区 作为二极管的少数载流子形成反向电流输出 输出电流的大小与电荷大小成正比 通过负载变为电压输出 33 势阱的概念 MOS电容存储信号电荷的容量Q COX UG A 34 电荷耦合 三相CCD中电荷的转移过程 35 三相CCD中电荷的转移过程 36 三相CCD中电荷的转移过程 37 三相CCD中电荷的转移过程 38 三相CCD中电荷的转移过程 39 三相CCD中电荷的转移过程 40 CCD的特点 体积小 可靠性高 寿命长 空间分辨率高 可以获得很高的定位和测量精度 灵敏度高 动态范围大 红外敏感性强 信噪比高 高速扫描 基本上不保留残象集成度高可用于非接触精密尺寸测量系统 无像元烧伤 扭曲 不受电磁干扰 有数字扫描能力 像元的位置可由数字代码确定 便于与计算机结合接口 41 CCD的特性参数 像素数量 CCD尺寸 最低照度 信噪比等像素数是指CCD上感光元件的数量 44万 768 576 100万 1024 1024 200万 1600 1200 600万 2832 2128 信噪比 典型值为46分贝感光范围 可见光 红外 42 的类型 线阵 光敏元排列为一行的称为线阵 像元数从128位至5000位不等 由于生产厂家像元数的不同 市场上有数十种型号的器件可供选用 面阵CCD 器件像元排列为一平面 它包含若干行和列的结合 目前达到实用阶段的像元数由25万至数百万个不等 按照片子的尺寸不同有1 3英寸 l 2英寸 2 3英寸以至1英寸之分 43 线阵CCD 一行 扫描 体积小 价格低 面阵CCD 整幅图像 直观 价格高 体积大 44 线阵CCD 每次只拍摄图像的一条线 这种CCD精度高 速度慢 无法用来拍摄移动的物体 也无法使用闪光灯 传真机或扫描仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影 45 其他CCD 柯达DSC系列 46 彩色CCD CCD的像素本身只会对光的强度有反应 对光的色彩则完全没有分辨能力 所以单纯CCD本身 只能拍得灰度的影像 如果要拍到彩色的影像 便要在CCD的每一个像素前加上三原色的滤镜 使每一个光电体也只能接收和量度其中一种原色的光度强弱 R滤镜可让红光通过 G滤镜只让绿光通过 B滤镜则只准蓝光通过 47 CCD的三层结构 上 增光镜片中 色块网格下 感应线路 48 面阵CCD处理色彩方法有二种 1 G R G B 红 绿 红 绿 2 C Y G M 青一黄一绿一洋红 49 CCD分别获得了影像的三原色光度数据 但每格像素也只记录著其中一种原色的讯号 所以要靠相机内的 彩色插值 系统 利用旁边其他的像素 为每个原色像素计算出其余两色的资料 50 光敏元件 放大器 A D转换器 存储器 数字信号处理器 计算机接口电路 CMOS图像传感器 二 CMOS图像传感器 结构简单 处理功能多 成品率高 价格低廉 特点 1969年 ComplementaryMetalOxideSemiconductor CMOS 51 SEM ImagingSystemPipeline 52 图像传感器从目标光通量到输出电压的信号路径 这种变换接近线性的 并且由三个主要的参数控制 即外量子效率 积分时间 t 和转化增益 53 CMOS 互补金属氧化物半导体 图像传感器出现于1969年 它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件 放大器 A D转换器 存储器 数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件 它结构简单 处理功能多 成品率高和价格低廉 有着广泛的应用前景 54 1 CMOS传感器原理 55 56 57 2 CMOS传感器特性 1 光照特性 CMOS传感器的主要应用也是图像的采集 也要求能够适应更宽的光照范围 因此也必须采用非线性的处理方法和自动调整曝光时间与自动增益等处理方法 结果与CCD相机一样损失了光电转换的线性 正因为此项 它也受限于灰度的测量 58 2 输出特性 CMOS图像传感器的突出优点在于输出特性 它可以部分输出任意区域范围内的图像 并非所有CMOS传感器都具有这个功能 这个特性在跟踪 寻的 搜索及室外拍照等的应用前景非常之好 也是CCD传感器所无法办到的 59 3 光谱响应 光谱响应受半导体材料限制 同种硅材料的光谱响应基本一致 与CCD的光谱响应基本一致 4 光敏单元的不均匀性 光敏单元的不均匀性是CMOS图像传感器的弱项 因为它的光敏单元不像CCD那样严格的在同一硅片上用同样的制造工艺严格制造 因此远不如CCD的光敏单元的一致性好 但是它内部集成单元多 处理能力强能够弥补这个缺陷 60 一种集成电路制程 可在硅晶圆上制作出PMOS P channelMOSFET 和NMOS N channelMOSFET 元件 由于PMOS与NMOS在特性上为互补性 因此称为CMOS CMOS具有只有在电晶体需要切换启动时才需耗能的优点 因此非常省电且发热少 61 CMOS图像传感器 CMOS分为两种 PassivePixelSensor PPSActivePixelSensor APS 62 CMOS成像器件的像敏单元结构 像敏单元结构指每个成像单元的电路结构 是CMOS图像传感器的核心组件 像敏单元结构有两种类型 即 被动像敏单元结构 PPS主动像敏单元结构 APS 63 PPS的像素包括一个光敏二极管和一个行选择MOS管 PPS PassivePixelSensor 读取器以错列 旋转快门 的方式每次执行一行 64 在积分结束时 电荷经由列阵的电荷 电压放大器读取 然后行阵中的放大器和光敏二极管在下行读出开始之前重置 PPS的主要的优势是它较小的像素尺寸 缺点 其列读取器读取速度很慢 并且容易受到噪声和干扰的影响 65 APS ActivePixelSensor 漏极跟随器T2 复位管T1 选通管T3 FD FloatingDiffusion 66 3 TAPS的像素 场效应管T1构成光电二极管的负载 它的栅极接在复位信号线上 当复位脉冲到来时 T1导通 光电二极管被瞬时复位 复位晶体管 源极跟随器晶体管 行选择晶体管 而当复位脉冲消失后 T1截止 光电二极管开始积分光信号 T2为源极跟随器 它将光电二极管的高阻抗输出信号进行电流放大 T3用做选址模拟开关 当选通脉冲到来时 T3导通 使被放大的光电信号输送到列总线上 67 而4 TAPS结构使用了一个铰接二极管 它较3 TAPS的像素的基本结构增加了一个传输门和一个悬浮式的扩散 FD 节点 在积分结束时 光敏二极管上的积聚电荷被转移到FD节点 然后被转移的电荷与3 T结构一样以电压的方式读取 光栅型有源像素结构 68 PassivePixelSensor 由单个MOS管构成列的选择开关 让位于每一行末端的放大器 能够读取行 列交会处的画素所积存的电子讯号 优点 电路简单 不会占掉太多感光面积而影响到感测器的灵敏度 sensitivity 缺点 讯号输出线路阻抗高 容易产生随机噪声 randomnoise 使影像品质不佳 69 PPS 70 ActivePixelSensor 电路是由二个或二个以上的MOS管构成具有放大功能的放大器 电荷信号在像素所在的地方 即被放大器转换成电压信号 同时被放大后输出至器件外部 解决了随机噪声的问题 不过由于放大器的线路会占用像素的感光面积 使器件的灵敏度降低 另外 像素上的放大器特性不容易做得严格一致 因此会产生所谓的固定图案噪声 fixedpatternnoise 时下大部分产品所用的CMOS为ActivePixelSensor 71 APS 72 CanonEOS350D数码相机上CMOS元件 73 CCD与CMOS感光元件结构 所有CMOS CCD阵列晶片都安装了红外线滤光镜 74 CCD与CMOS感光元件结构透视 CCD CMOS分为三个区域 一个资料集结区 一条私家通路 一条公家通路 75 在资料集结区之上有一块聚焦透镜 76 影像聚焦在资料集结区之后 资料会先送到私家通路 77 再由私家通路送到公家通路 输送至CPU作运算影像 78 CCDvsCMOS CCD CMOS图像传感器都是利用硅光二极管 photo diode 进行光 电的转换 在相同解析度下 CMOS价格比CCD便宜 但是CMOS器件产生的图像品质相比CCD来说要低一些 79 先天构造不同两种图像传感器也有不同特点CCD 在信号处理的技术上 是在快门关闭之后像素进行转移动作 能顺序地将每个像素的电荷信号传入缓冲器中 并由底端的线路输出至CCD旁的放大器进行放大 串行由ADC输出 图像处理过程较为复杂 CMOS 影像处理概念就比较简单 是以像素连接到ADC 光电转化后直接将信号放大 再经由总线移动至ADC中转换成数字信号 80 CMOS制程 量产良品率上优于CCD与CCD相比之下 CMOS属于半导体中常用的CMOS制程 容易实现逻辑电路在内的SoC技术 CCD则是采用电荷传递的方式输出信号 需要较为复杂的制造工艺 CCD有较好的感光度及画质解析度CMOS特性 因为在每一个画素中都含有个A D转换电路 A DConverter 及ADC放大器 因此 便影响到像素感光区域表面积的大小 如果以同样尺寸的传感器 大小一样的像素 CCD感光度就优于CMOS表现 81 噪声干扰是CMOS最大缺点 CCD耗电量还须努力CMOS所产生的噪声比较多 影像画面效果就稍差一些 CCD电源设计是属于被动输出电压方式 为了使像素中电荷能在平顺移动的状态下能让图像顺利输出 必须要外加12伏特 V 以上的电压 82 83 CMOS与CCD技术相比之下 有几方面是十分出色的 1 低耗电量使电池使用时间增长2 低热量可增长曝光时间 同时可使电子组件损耗减低3 内置感测快门可处理动态影像4 摄取速度较CCD快 84 对于CMOS来说 具大规模生产 且速度快 成本较低 CCD的停滞不前