第7章-固体成像器件-王珊分析.ppt

1,7.1电荷耦合器件,7.2电荷耦合器件分类,7.3CCD摄像机分类,7.4CCD的性能参数,第7章固体成像器件,7.5自扫描光电二极管列阵,7.6固体摄象器件发展及应用,为了区别于真空成像器件,将CCD称为固体成像器件。固体成像器件不需要在真空玻璃壳内用靶来完成光学图像的转换,再用电子束按顺序进行扫描获得视频信号;与真空成像器件不同,固体成像器件本身就能完成光学图像转换、信息存储和按顺序输出(称自扫描)视频信号的全过程。,1970年：美国贝尔实验室发现的电荷耦合器件（CCD）的原理使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。,高锟光纤之父,博伊尔自扫描光电二极管列阵(SelfScannedPhotodiodArray),简称SSPD,又称MOS图像传感器。如图所示为线阵CCD器件的实物外观。,固体成像器件与真空摄像器件相比,有以下优点:体积小,重量轻,功耗低;耐冲击,可靠性高,寿命长;无像元烧伤、扭曲,不受电磁场干扰;SSPD的光谱响应范围从0.251.1m,对近红外线也敏感,CCD也可做成红外敏感型;像元尺寸精度优于1m,分辨率高;可进行非接触位移测量;基本不保留残像(真空摄像管有15%20%的残像)。视频信号与微机接口容易。,电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号,而不是以电流或电压作为信号。,7.1电荷耦合器件,CCD特点以电荷作为信号。CCD的基本功能电荷存储和电荷转移。CCD基本工作过程信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。,CCD的基本结构包括：转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单元是MOS电容或光电二极管。,一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。,Metal,Oxide,Semiconductor,CCD是由规则排列的金属氧化物半导体（MetalOxideSemiconductor，MOS）电容阵列组成。,7.1.1电荷耦合器件的结构,CCD,光信息,电脉冲,脉冲只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,输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置,完成图像传感,7.1.2电荷耦合原理与电极结构,CCD,电荷存储,电荷转移,电荷注入,电荷输出,CCD的工作原理,特点：以电荷作为信号,基本功能：电荷的存储和转移,基本名词：,势阱,势阱,施加正电压,空穴耗尽区,电子的“陷阱”,基本名词：,势阱,栅极正向电压增加时，势阱变深。,改变UG，调节势阱深度,电荷耦合的原理,基本思想：调节势阱深度利用势阱耦合,势阱耦合,7.1.3电荷耦合器件的组成及其工作原理,CCD主要由三部分组成，信号输入部分、电荷转移部分和信号输出部分。,1、输入部分,输入部分的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式有两种：电注入和光注入。,电注入机构由一个输入二极管和一个或几个输入栅构成，它可以将信号电压转换为势阱中等效的电荷包。,电注入：当给输入栅施加适当的电压，在其下面半导体表面形成一个耗尽层。如果这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施以更高的电压，则在它下面便形成一个更深的耗尽层。这个耗尽层就相当于一个“通道”，受输入信号调制的电荷包就会从输入二极管经过“通道”流人第一个转移栅下的势阱中，完成输入过程。也可将信号加在栅上，通过信号调制控制栅下通道进行注入。,CCD的输入方式有场效应管输入、注入二极管输入、电势平衡法输入等。,光注入：,电子信号电荷（包）,产生电子空穴对,空穴栅极电压排斥,这时输入二极管由光敏元代替。摄像时光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收产生电子一空穴对，空穴进入耗尽区以外的衬底，然后通过接地消失，电子便被收集到势阱中成为信号电荷。当输入栅开启后，第一个转移栅上加以时钟电压时，这些代表光信号的少数载流子就会进入到转移栅下的势阱中，完成光注入过程。光注入是摄像器件采取的唯一的注入方法。,2、信号转移部分,信号转移部分由一串紧密排列的MOS电容器构成，根据电荷总是要向最小位能方向移动的原理工作的。信号电荷转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。,右图示出了三相时钟驱动的CCD时钟脉冲。在信号电荷包运行的前方总有一个较深的势阱处于等待状态，于是电荷包便可沿着势阱的移动方向向前连续运动。势阱中电荷的容量由势阱的深浅决定，电荷在势阱中存储的时间，必须远小于势阱的热弛豫时间，所以CCD是在非平衡状态工作的一种功能器件。,3、输出部分输出部分由输出二极管、输出栅和输出耦合电路组成，作用是把CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出。,最简单的输出电路是通过二极管检出，输出栅采用直流偏置。这种电路简单，但是噪声较大，很少采用。,浮置扩散放大器(FDA)的读出方法是一种最常用的CCD电荷输出方法。它可实现信号电荷与电压之间的转换，具有大的信号输出幅度(数百毫伏)，以及良好的线性和较低的输出阻抗。,7.1.4电荷转移沟道类型CD电荷转移沟道有两种基本类型:一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面,并沿界面传输,这类器件称为表面沟道电荷耦合器件(简称SCCD);另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内,并在半导体内沿一定方向传输,这类器件称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件(简称BCCD)。,表面沟道与体内沟道的转移结构和性能差别如下：(1)SCCD比BCCD的信号处理能力大；(2)BCCD比SCCD提高了一个数量级以上的工作频率;(3)BCCD大大提高了CCD的转移效率；(4)对于二相BCCD,电荷存储在厚栅电极下,薄栅是转移栅;而在SCCD中,电荷存储在薄栅电极下,厚栅是转移栅。(5)SCCD是少子器件，而BCCD是多子器件。,CCD的结构与工作原理,为什么称为电荷耦合器件？,电荷器件中的信息是以电荷形式出现的，不同于其他探测器的“电流”或“电压”,耦合器件内部信息的传递是通过势阱的藕合完成的，完全不同于电子枪的“扫描输出”形式,7.2电荷耦合器件的分类,工作原理,电荷耦合摄像器件就是用于摄像的CCD，又简称为ICCD,它的功能是把二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量的视频输出信号。,线阵CCD器件:直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号，获得一维的图像信号。如何用线阵CCD获得二维图像信号？,面阵CCD器件是二维的图像传感器，直接将二维图像转变为视频信号输出。,20482048面阵CCD,5000像元线阵CCD,CCD器件按结构可分为两大类：线阵CCD和面阵CCD。,7.2.1线阵CCD,最简单的线阵CCD是由一个输入二极管(ID)、一个输入栅(IG)、一个输出栅(OG)和一列紧密排列的MOS电容器构成。,上述结构不宜作摄像用：,（1）电极是金属的容易蔽光，即使是换成多晶硅，由于多层结构电极系统对入射光吸收、反射和干涉比较严重，因此光强损失大，量子效率低。,（2）电荷包转移期间，光积分在继续进行，使输出信号产生拖影。,7.2.2面阵CCD,面阵CCD常见的基本类型有两种，即帧转移型(FT)和行间转移型(ILT)，也叫内线转移型。,成像区,暂存区,水平读出寄存器,帧转移面阵CCD,成像区,暂存区,场正程期间：,场逆程期间：,光学图像,电荷包图像,电荷包图像,暂存区,场正程期间：,水平读出寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,暂存区,场正程期间：,水平读出寄存器,行逆程期间,暂存区的信号电荷产生一行平移,行正程期间,电荷包图像,暂存区,场正程期间：,水平读出寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,水平读出寄存器输出一行视频信号,暂存区,场正程期间：,水平读出寄存器,行逆程期间,暂存区的信号电荷产生一行平移,行正程期间,电荷包图像,暂存区,场正程期间：,水平读出寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,水平读出寄存器输出一行视频信号,暂存区,场正程期间：,水平读出寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,暂存区的信号电荷产生一行平移,暂存区,场正程结束时,水平读出寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,水平读出寄存器输出一行视频信号,工作过程：,面阵CCD摄像器件（小结）,成像区,暂存区,水平读出寄存器,场正程,场逆程,行逆程,行正程,结构：,图像电荷,成像区暂存区,场正程,电荷平移,输出信号,34,7.3CCD摄像机分类,7.3.1可见光CCD,返回,7.3.2焦平面红外阵列(IRCCD),7.3.3X射线CCD,35,7.3.1可见光CCD,2.微光CCD,1.彩色CCD,36,彩色CCD,按照电视摄像机的类型,彩色CCD摄像机可分为三片式、二片式和单片式3种类型。三片式结构是传统的摄像方式，该方式将景物经过摄像镜头和分光系统形成红(R)、绿(G)、蓝(B)3个基色,图像分别照射到3片CCD上。,37,微光CCD,微光CCD是指能在微光条件下进行摄像的CCD器件。在微光条件下,景物对比度和清晰度都极差,这就对CCD摄像机性能提出了更高的要求,要求摄像机输出的信噪比必须大于某一个定值;微光摄影技术的实质是在物镜与目镜(或显示器)之间放置一个微光像增强器。通过能量转换和信号处理后,在输出端变换成具有适当亮度、对比度和清晰度的可见的目标图像。,38,目前,微光CCD摄像器件共有两种类型,即增强型CCD(ICCD)，包括两种工作模式:*像增强器与CCD芯片耦合模式；*电子轰击(E-BCCD)工作模式。时间延迟积分型CCD(TDICCD)*TDICCD工作模式。微光CCD摄像机最大的不足就是不能全天候工作，在阴雨、浓雾等条件下应用受限制。,39,焦平面红外阵列(IRCCD),置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件。红外探测器二维阵列，可把被测图像成像于二维阵列上，并转换成电子图像，借助于电子自扫描技术以视频信号输出。用红外探测器阵列代替可见光CCD的光敏元部分，就构成焦平面红外阵列(IRCCD)。,40,X射线CCD,目前X射线CCD器件有两类，一类是直接用CCD像机拍摄X射线图像；另一类是用转换材料，即在每个光敏元上装置有带隔离层的碘化铯晶体，碘化铯晶体是一种能把X射线转换成可见光的高效转换材料，它几乎能把照射的X射线全部吸收。这种结构由于X射线不会直接照射到光敏元阵列上，因而可以延长器件使用寿命；同时，光隔离技术减少了光干扰，提高了信噪比和系统分辨力。,41,7.4CCD的性能参数,7.4.2光谱响应率和干涉效应,7.4.3分辨率和调制传递函数,7.4.4动态范围,7.4.5暗电流和噪声,7.4.1电荷转移效率和转移损失率,42,电荷转移效率和转移损失率,电荷转移效率是表征CCD器件性能好坏的一个重要参数。设原有的信号电荷量为Q0,转移到下一个电极下的信号电荷量为Q1,其比值,称为转移效率。而没有被转移的电荷量Q与原信号电荷Q0之比,称为转移损失率。即,(8-1),(8-2),43,显然,在理想情况下,=1,但实际上电荷在转移过程中总有损失,所以总是小于1的(常为0.9999以上)。一个电荷为Q0的电荷包,经过n次转移后,所剩下的电荷为,这样,n次转移前、后电荷量之间的关系为,(8-4),(8-3),44,光谱响应率和干涉效应,CCD受光照的方式有正面受光和背面受光两种。背面光照的光谱响应曲线与光电二极管相似,如图中曲线2所示。如果在背面镀以增透膜,会减少反射损失而使响应率有所提高,如图中曲线3所示。,45,正面照射时,由于CCD的正面布置着很多电极,光线被电极多次反射和散射,一方面使响应率减低,另一方面多次反射产生的干涉效应使光谱响应曲线出现起伏,如上图中曲线1所示。为了减小在短波方向多晶硅的吸收,用SnO2薄膜代替多晶硅薄膜做电极,可以减小起伏幅度。,46,分辨率和调制传递函数,CCD由很多分立的光敏单元组成,根据奈奎斯特定律,它的极限分辨率为空间采样频率的一半,如果某一方向上的像元间距为p,则在此方向上像元的空间频率为1/plp/mm,其极限分辨率将小于1/2plp/mm。如果用TVL(电视线)来表示,在某一方向的像元个数就是极限TVL数,显然TVL数的一半与CCD光敏面高度尺寸的比值就是相对应的线对/毫米数。,47,若用调制传递函数(MTF)来评价CCD的图像传递特性,则CCD的总MTF取决于器件结构(像元宽度、间距)所决定的几何MTF1、载流子横向扩散衰减决定的MTFD和转移效率决定的MTFT。总MTF是这三者的乘积,并且总MTF随空间频率的提高而下降。,48,动态范围,动态范围表征器件能在多大照度范围内正常工作。CCD最小照度受噪声限制,最大照度受电荷处理容量的限制。一般定义动态范围是输出饱和电压和暗场时噪声的峰值电压之比。一个好的CCD器件,其动态范围可达10005000。增大动态范围的途径是降低暗电流值,特别是控制暗电流尖锋,不均匀的暗电流及尖峰都会构成图像噪声,从而影响像质,也影响动态范围,49,暗电流和噪声,暗电流是指在既无光注入,又无电注入情况下输出的电流。暗电流主要来源有3个,即半导体衬底的热激发、耗尽区里产生-复合中心的热激发和耗尽区边缘的少子热扩散,其中耗尽区内产生复合中心的热激发是主要的。由于CCD各单元的暗电流大小不一致,当信号电荷转移时,暗电流的加入会引起噪声或干扰。,50,1散粒噪声在CCD中,无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数总有一定的不确定性,也就是围绕平均值上下变化,形成噪声。2.转移噪声转移噪声是由转移损失及界面态俘获引起的,具有两个特点：积累性,相关性。积累性指转移噪声是在转移过程中逐次积累起来的,与转移次数成正比;相关性是指相邻电荷包的转移噪声是相关的。,51,3.热噪声热噪声是由于固体中载流子的无规则运动引起的,所有有温度的半导体,无论其中有无外加电流流过,都有热噪声。这里指的是信号电荷注入及输出时引起的噪声,它相当于电阻热噪声和电容的总宽带噪声之和。上述所讨论的3种噪声,它们的源是独立无关的,所以CCD的总噪声功率应是它们的均方和。,52,7.5自扫描光电二极管阵列（SSPD）,7.5.1光电二极管阵列的结构形式和工作原理,返回,7.5.2SSPD线阵,7.5.3SSPD面阵,7.5.4SSPD的主要特性参数,7.5.5SSPD器件的信号读出及放大电路,53,7.5.1光电二极管阵列的结构形式和工作原理,1.光电二极管阵列的结构形式光电二极管有两种阵列形式：将N个光电二极管同时集成在一个硅片上,将其中的一端(N端)连接在一起,另一端各自单独引出。通常称它们为连续工作方式。自扫描光电二极管阵列SSPD,它在器件的内部还集成了数字处理电路,工作在电荷存储方式。,54,2.光电二极管阵列的工作原理,1)连续工作方式,返回,2)电荷存储工作方式,55,连续工作方式,如图所示是光电二极管中电荷存储的连续工作方式,当一束光照到光电二极管的光敏面上时,光电流为,式中:光电二极管的量子效率;A光电二极管光敏区面积;E入射光的照度。,(8-5),56,可见,光电二极管的光电流与入射光的照度和光敏区面积成正比。光一直照下去,负载上的电压一直输出。但是因光电二极管的面积很小,输出光电流是很微弱的。要读取图像信号,就要采用放大倍数非常高的放大器。此外,采用上述的连续工作方式,N位图像传感器至少应有N+1根信号引出线,且布线上也有一定的困难,所以连续工作方式一般只用于64位以下的光电二极管阵列中。,返回,57,电荷存储工作方式,光电二极管电荷存储工作方式的原理如图(a)所示。图中,VD为理想的光电二极管,Cd为等效结电容,Uc为二极管的反向偏置电源(一般为几伏),RL为等效负载电阻。工作步骤如下：,(1)准备过程,(2)曝光过程,(3)再充电过程,58,准备过程,闭合开关S,如图(a)。电源Uc通过负载电阻RL向光电二极管的结电容Cd充电,充电达到稳定后,PN结上的电压基本上为电源电压Uc。此时结电容Cd上的电荷为,(8-6),59,曝光过程,打开开关S,让光照在光电二极管上,如图(b)。由于光电流和暗电流的存在,结电容Cd将缓慢放电。若K断开的时间为Ts(电荷积分时间),那么在曝光过程Cd上所释放的电荷为,(8-7),60,室温下,光电二极管的暗电流为pA数量级,可以忽略。则可得,式中,Ip为平均光电流。结电容Cd上的电压因放电而下降到Ucd,它的值为,(8-9),(8-8),返回,61,再充电过程,经过时间Ts的积分后,再闭合开关S,如图(c)所示。结电容Cd再充电,直到Cd上的电压达到U。显然,补充的电荷等于曝光过程中Cd上所释放的电荷。再充电电流在电阻RL上的压降UR就是输出的信号。输出的峰值电压为,(8-10),62,将式(8-8)代入式(8-10),则,光电流信号的存储是在第(2)步中完成的。输出信号是在第(3)步再充电过程中取出的。若重复(2)、(3)两步,就能不断地从负载上获得光电输出信号,从而使列阵中的光电二极管能连续地工作。,63,与连续工作方式相比,在电荷存储工作方式下负载电阻上的输出光电流为,式中,=RLCd为电路的时间常数。定义增益,可见,电荷存储工作方式下的输出信号比连续工作方式下的信号大得多。,64,在实际的SSPD器件中,一般由MOS场效应晶体管(FET)控制光电二极管的电荷积分及再充电过程。如图所示,在场效应管T的栅极上加一控制信号e,当e为负电平时,管子T导通,起到开关S闭合的作用;当e为“0”电平时,T截止,相当于开关S断开。,65,SSPD线阵,根据相元排列方式的不同，SSPD可以分成线阵和面阵。线阵主要用于一维图像信号的测量，如光谱测量、衍射光强分布测量、机器视觉检测等；面阵能直接测量二维图像信号。,66,用半导体集成技术把N个光电二极管等间距地排列成一条直线,称为线阵。这些二极管上的电容Cd相同,它们的N(负)端连在一起,组成公共端COM。,(1)N位完全相同的光电二极管列阵,(2)N个多路开关由N个MOS场效应管VT1VTN组成,每个管子的源极分别与对应的光电二极管p(正)端相连。而所有的漏极连在一起,组成视频输出线UO。,67,(3)N位数字移位寄存器提供N路扫描控制信号e1eN(负脉冲)。每路输出信号与对应的MOS场效应管的栅极相连。,68,SSPD面阵,以34=12个像元的MOS型图像传感器为例,介绍面阵器件的工作原理。如图所示,SSPD面阵由光电二极管阵列、水平扫描电路、垂直扫描电路及多路开关4部分组成。右下角是每一像素的单元电路;,69,70,水平扫描电路输出的H1H4扫描信号控制MOS开关VTh1VTh4;垂直扫描电路输出的U1U3信号控制每一像素内的MOS开关的栅极,从而把按二维空间分布照射在面阵上的光强信息转变为相应的电信号,从视频线UO上串行输出,其工作原理和线阵完全相同。这种工作方式又称为XY寻址方式。,71,SSPD的主要特性参数,1.光电特性,2.暗电流,3.动态范围,72,光电特性,SSPD器件的输出电荷Q正比于曝光量(曝光量H=ETs)。如图所示,当曝光量达到某一值Hs后,输出电荷就达到最大值Qs。Hs称为饱和曝光量,而Qs为饱和电荷。若器件最小允许起始脉冲周期为Ts,min(由多路扫描频率决定),那么对应的照度Es=Hs/Ts,min称为饱和照度。SSPD一般有36个数量级的线性工作范围,73,暗电流,SSPD器件的暗电流主要由积分暗电流、开关噪声、热噪声组成。SSPD器件工作时的积分时间较长,所以暗电流不能忽视,温度每升高7,暗电流约增加1倍,因此随着器件温度升高,最大允许的积分时间将缩短。降低器件的工作温度(如采用液氮致冷),可使积分时间大大延长(几分钟乃至几小时),这样便可探测非常微弱的光强信号。,74,SSPD器件的开关噪声比较大。但开关噪声大部分是周期性的,可以用特殊的电荷积分和采样保持电路加以消除;剩下的是暗信号中的非周期性固定图形噪声,其典型值一般小于饱和电平的1%。热噪声是随机的、非重复性的波动,不容易通过信号处理去掉,其典型幅值为饱和电平的0.1%,对大多数应用影响不大。,返回,75,动态范围,SSPD器件的动态范围为输出饱和信号幅值与暗场噪声幅值之比。,式中:UOS饱和信号峰值;UN噪声暗态峰值。一般情况下,动态范围典型值为100:1。在要求很高的场合,可通过给SSPD线阵每个二极管附加电容器(漏电很小),使动态范围高达10000:1。,76,下表是图像传感器SSPD与CCD的性能比较表。,77,7.5.5SSPD器件的信号读出及放大电路,信号输出放大电路通常分为两种类型。(1)电流放大输出输出电路如图所示。输出信号为尖脉冲,优点是电路简单,工作速度