传感器的课件哈工大版.ppt

固体图像传感器也称电荷耦合器件（ChargeCoupledDevices）20世纪60年代末，美国贝尔实验室W.S.波涅尔，G.E.史密斯等人发现了电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合概念和一维CCD器件模型。1975年美国RCA公司的（513320）象素面阵CCD摄像机首先问世，根据不同用途的需要，目前已经研制出多种类型的线阵CCD器件并向高灵敏度、高速度和高光谱响应方向发展。CCD是一种高性能光电图像传感器件，由许多个光敏象素组成，用集成电路工艺制成，每个象素就是一个MOS电容器。以电荷包的形式存储和传输，主要由光敏单元、输入结构和输出结构等部分组成。CCD可以实现光电转换、信号存储、转移、输出、处理以及电子快门等一系列功能。,CCD分为线阵和面阵两种。光敏单元排列为行的称为线阵CCD；面阵CCD器件象素排列为一个平面，又分为彩色和黑白两种。线阵CCD主要用于传真、工业自动检测、定向探测等领域，现在具有高灵敏度的CCPD已经取代了原来的普通MOS型CCD。面阵CCD主要用于转配轻型摄像机供工业监视和民用。图像传感器的象素数最高已达到百万以上。线阵CCD器件型号性能表,面阵硅CCD参数,一、CCD结构与原理,1、CCD的单元结构CCD的单元部分是由金属氧化物半导体组成的电容器，简称MOS结构，如图1所示。,在栅极施加正偏压UG之前，P型半导体中的空穴(多数载流子)的分布是均匀的。当栅极施加正偏压UG(此时UG小于P型半导体的阈值电压Uth)后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图2所示。UG继续增加，耗尽区将进一步向半导体体内延伸。,金属层,氧化物,P型半导体,UGUth时，半导体与绝缘体界面上的电势增大，以致于将半导体体内的电子吸引到表面，形成一层极薄的(约10-2m)但电荷浓度很高的反型层，如图3所示。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。然而，当栅极电压由零突变到高于阈值电压时，半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反型层。在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸。而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上。如果此时有光线入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅片上就产生电子和空穴，光生电子被附近的势阱俘获，而同时光生空穴则被电场排斥出耗尽区。此时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。势阱中所收集的光生电荷称为一个电荷包。,2、电荷包的存储每一个CCD单元都是一个电容器，因此它可以存储电荷。但是当有电荷包注入时，因为它要保持极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷与负离子之和，势阱深度随之变浅。每个极板下的势阱中所能存储的最大信息电荷量为QCoxUGACox为单位面积的氧化层的电容；A为极板面积。3、电荷包的转移CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。读出移位寄存器是电荷图像的输出电路，它也是MOS结构，即由金属电极、氧化物和半导体三部分组成。它与MOS光敏单元区别为：半导体的底部覆盖上一层遮光层，防止外界光的干扰；由三组（或二组、四组等）邻近的电极组成一个耦合单元，即三相CCD。,3,U,U,U,T/3,T,t,t,t,1,2,3,t0,t1,t2,t3,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,1,2,t0,t1,t2,t3,三相CCD电荷包转移,读出移位寄存器工作过程在三个电极上分别施加脉冲信号1、2、3，如上图所示，在t0时刻，第一相时钟1处于高电平，2、3处于低电平。此时，第一组电极下形成深势阱，信息电荷存储其中。在t1时刻，1、2处于高电平，3处于低电平，电极1、2下都形成势阱。由于两个电极靠得很近，电荷从电极1耦合到电极2下。t2时刻，1电压减小，极板下的势阱减小，2处的电压升高，势阱增大，信息电荷从第一组电极下面向第二组转移。t3时刻，2为高电平，1、3为低电平，电荷全部转移到第二组电极下面。完成一次电荷转移。这样，在三相脉冲的控制下，电荷不断向右转移，直到最后位依次不断向外输出。根据输出先后可以辨别出电荷是属于哪个光敏元的。,4、电荷包的输出机构CCD电荷包输出机构的形式很多，其中最简单的是利用二极管的输出机构，如图所示。图中，与1、2、3相连的电极称为栅极，与OG相连的电极称为输出栅，输出栅的右边是输出二极管。输出栅与其它栅极一样，加正电压时也会产生势阱（介于3的势阱和输出二极管耗尽区之间），将二者连通起来，通过改变OG上的电压控制其下面的通道。例如，电荷包已由2转入3，当3下的势阱由深变浅的同时，OG下的势阱也比较深，此时3中的电荷包就能够通过OG下的势阱流入输出二极管的耗尽区。因为二极管是反向偏置的，内部有很强的自建电场，因此二极管耗尽区中的电荷,会很快输出，成为输出回路的电子流。在没有电荷包输出时，a点为高电平，而有电荷包输出时，因为电子流通过负载电阻产生电压降，a点为低电平，a点电压降低的程度正比于电荷包所携带的电量，即电压的变化就是输出信号。,二、线阵电荷耦合器件,线阵CCD是光敏元排列成直线的器件，它由MOS光敏元列阵、转移栅和读出移位寄存器组成。,在光敏元进行曝光（光积分）时，金属极板上施加正电压脉冲P，光敏元的势阱吸收附近的光生电荷。在光积分行将结束时，在转移栅上施加转移脉冲t，将转移栅打开，此时每个光敏元所俘获的光生电荷就通过转移栅耦合到各自对应的移位寄存器极下，这是一次并行转移的过程。接着转移栅关闭，1、2、3三相脉冲开始工作，读出移位寄存器的输出端依次输出各位的信息，直至最后一位的信息为止，这是一次串行输出的过程。CCD器件输出信息是一个个脉冲，脉冲的幅度取决于对应光敏元上所受的光强，而输出脉冲的频率则和驱动脉冲1等的频率一致，因此只要改变驱动脉冲的频率就可以改变输出脉冲的频率。工作频率的下限受光生电荷的寿命制约，上限与界面俘获电荷的时间有关。,三、面阵电荷耦合器件,光敏区是由CCD阵列构成，其作用是光电变换和在自扫描正过程时间内进行光积分。存储区是由遮光的CCD构成的，它的位数和光敏区一一对应，在自扫描逆过程时间内，迅速地将光敏区内整帧的电荷包转移到存储区。然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而存储区利用这个时间，将电荷包一次一行转移给移位寄存器，串行输出。,四、CCD的主要参数,1.转移效率和损耗率电荷包从一个势阱向另一个势阱转移，不是立即的和全部的，而是有一个过程。在一定的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为Q0，转移到下一个势阱时电荷包的电量为Q1，则转移效率为Q1/Q0损耗率为（Q0Q1）/Q0引起电荷包损耗的主要原因为表面态对电子的俘获和时钟频率过高。为了减小损耗，提高转移效率，常采用偏置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。这样，即使零信息电荷，势阱中也有一定量的电荷。这种技术称为“胖零”技术。,2.时钟频率的上下限CCD是利用极板下半导体表面势阱的变化来存储和转移电荷的。时钟频率过低，热生载流子就会混入道信息电荷包中，引起失真；时钟频率过高，电荷包来不及完全转移，势阱形状就变了，这样，留在原势阱中的电荷就必然多，损耗率增大。必须对时钟频率的上下限进行估计。时钟频率的下限f下f下取决于非平衡载流子的平均寿命，因此电荷转移时间t应小于，即t1/3时钟频率的下限f上f上取决于电荷包的转移损耗率，即电荷包的转移需要足够的时间，对于三相CCD,f上-1/3Dln0D为CCD势阱中的电量因热扩散作用衰减的时间常数；0为要求的最大转移损耗率。3.光谱特性CCD中的感光元都是用半导体硅材料制成的，所以灵敏范围为0.41.15m左右，峰值波长为0.650.9m左右。,相对灵敏度,0.1,0.2,0.5,1.0,0.3,0.3,0.5,0.6,0.9,1.1,/m,4.光电特性在低照度下，CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过100lx后，输出有饱和现象。,1,10,100,1000,1,10,100,1000,照度/lx,输出电压/mv,五、应用CCD时注意的几个问题,1.饱和输出电压（VSAT）当CCD处于饱和曝光量时，所得到的输出电压叫饱和输出电压。这时再增加曝光量，输出电压将不会增加，但这并不意味象素中不再产生信号电荷。存储再象素势阱中的信号电荷超过了势阱容量，多出的信号电荷将会溢出势阱，并扩散到邻近的象素中去，给邻近的线索带来了“污染”，产生假信号输出。由于溢出电荷不会随入射光的减小而在CCD中立即消失，这种信号“污染”将会延迟数个光积分周期，这期间CCD处于不正常的工作状态下。可以在CCD中增加抗弥散结构，使溢出电荷进入衬底。一般曝光量控制在80饱和曝光量以下。,2.光响应非均匀性（PRNU）CCD光响应的非均匀性是指CCD的各个象素在均匀光源照射下，输出不相等的信号电压的现象。光响应非均匀性不仅与器件的制造工艺有关，而且还与入射光的波长和衬底的材料性能有关。由于近红外光在硅中穿透能力较强，所以用近红外光所测得的PRNU还包含了衬底材料性能对不均匀性的影响。一般来说，CCD的象素越多，不均匀性越严重。高精度应用时，必须进行实际测量，加以补偿。,3.分辨率CCD的分辨率是指对物象中明暗细节的分辨能力。目前国际上一般用“调制传递函数”（MTF）表示，也可以用空间分辨率表示。,CCD实质上是由空间上分立的光敏单元对光学图像进行采样。光敏元一般呈周期性排列，因此可以用空间频率（某方向上每毫米中单元数）表示。一个CCD的分辨率能够分辨的最高频率等于其空间采样频率的一半。,4.噪声CCD的噪声源有散粒噪声、暗电流噪声和转移噪声三种。（1）散粒噪声光注入光敏区产生信号电荷的过程可以看作独立、均匀连续发生的随机过程。单位时间内光产生的信号电荷数目并非绝对不变，而是在一个平均值上作微小波动，形成散粒噪声。散粒噪声与CCD工作频率无关，有均匀的功率分布，即白噪声。,（2）暗电流噪声暗电流产生的噪声分为两部分：一是耗尽层热激发产生，是随机过程，可用泊松分布描述；二是暗电流产生的最为严重的是复合产生中心非均匀分布，特别在某些单元位置上缺陷密集而形成暗电流尖峰。（3）转移噪声转移噪声是由于转移损失引起的噪声，界面俘获引起的噪声和体态俘获引起的噪声。,5.光晕、条纹及拖影由于CCD结构设计的局限性、制造工艺的不完善及材料的缺陷等原因，在重构图像中往往出现光晕、条纹、拖影和斑点等假信号。光晕（弥散）是指物象中存在亮点，而在重构图像中对应点有明显增大的现象。当某光敏单元积累的光生电荷超,过信号处理能力时，会出现过载现象，过量的光生电荷能够通过体内扩散到邻近势阱，