CMOS摄像器件和红外焦平面器

1、1.3、CMOS摄像器件,1990s，CMOS技术用于图像传感器，其优点结构简单，耗电量是普通CCD的1/3，制造成本比CCD低，可将处理电路等完全集成,1、CMOS像素结构,无源像素结构，1967，Weckler,无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大,无源像素型（PPS）和有源像素型（APS,由一反向偏置光敏二极管和一个开关管构成，开关管开启，二极管与垂直列线连通，信号电荷 读出,有源像素结构APS（Active Pixel Structure,光电二

2、极管型有源像素（PPAPS）1994，哥伦比亚大学,在像元内引入缓冲器或放大器，可改善像元性能，称为有源像素传感器。功耗小，量子效率高。每个像元有3个晶体管。大多数中低性能的应用,光栅型有源像素结构（GPAPS,光栅型有源像素型CMOS每个像素5个晶体管，采用0.25um CMOS工艺允许达到5um像素间距，浮置扩散电容的典型值为10-14F量级，产生20uV/e的增益，读出噪声可达5-20均方根电子。成像质量高,工作过程： 光生信号电荷积分在光栅PG下，浮置扩散节点A复位（电压VDD）；然后改变光栅脉冲，收集在光栅下的信号电荷 转移到扩散节点。复位电压水平与信号电压水平之差即传感器的输出信号

3、,1997年，东芝公司研制成功640*640像素光敏二极管型CMOS APS，像素尺寸5.6um*5.6um，具有彩色滤色膜和微透镜阵列。 2000年，美国Foveon公司和美国国家半导体公司采用0.18umCMOS工艺研制成功4096*4096像素CMOS APS，像素尺寸5um*5um，管芯尺寸22mm*22mm，是集成度最高，分辨率最高的CMOS固体摄像器件,微透镜改善低光特性,CMOS APS图像传感器的功耗较小。但与PPS相比，有源像素结构的填充系数小，典型值为20%-30%。像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低，采用滤色片和在CMOS上制作微透镜组合以及CMOS工艺的优势，前景好于

4、CCD,外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元选通相应的行像素单元，单元内信号电荷通过各自所在列总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。 行选通单元扫描方式：逐行扫描和隔行扫描。 隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。 行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息,2、CMOS摄像器件的总体结构,MOS 摄像器件的工作原理,3、CMOS与CCD器件的比较,CCD摄像器件 灵敏度高、噪声低、像素面积小 难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用相对高的工作电压，制造成本比较高,

5、CMOS摄像器件 集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低 需进一步提高器件的信噪比和灵敏度,CMOS与CCD器件的对比,CCD vs. CMOS,Integration Power Consumption Resolution Image Quality Speed Cost,Excellent 20-50 mW Up to 12 Mpix Being improved Up to thousands frame/s,Poor 2-5 W Up to 14 Mpix Historically best Usually up to 100 frame/s,Nik

6、on D100 $2,500,Canon 300D $800,1.4、红外焦平面器件,第三代红外热像技术,Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA,红外热像仪的基本结构,红外热像仪的核心-红外焦平面器件,克服了主动红外夜视需要依靠人工热辐射，并由此产生容易自我暴露的缺点； 克服了被动微光夜视完全依赖于环境自然光和无光不能成像的缺点; 穿透烟雾和尘埃的能力很强； 目标伪装困难； 远距离、全天候观察； 有很高的温度灵敏度和较高的空间分辨能力,热成像技术的优势,由于这类器件工作是一般安放在成像透镜的焦面上，所以它们又被叫做红外焦平面器件（IRFPA,红外焦平面器件结构,1

7、、IRFPA的工作条件,IRFPA通常工作于13um、35um和812um的红外波段并多数探测300K背景中的目标; 红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为0.1K的目标; 随波长的变长，背景辐射的光子密度增加,由普朗克定律计算出红外波段300K背景的光谱辐射光子密度,通常光子密度高于1013/cm2s的背景称为高背景条件， 辐射对比度背景温度变化1K所引起光子通量变化与整个光子通量的比值，它随波长增长而减小。 IRFPA工作条件：高背景、低对比度,1、IRFPA的工作条件,2 、IRFPA的分类,按照结构可分为单片式和混合式 按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型 按照读出电路可分为

8、CCD、MOSFET和CID等类型 按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型,13m波段 代表材料HgCdTe碲镉汞 35m波段 代表材料HgCdTe、InSb锑化铟、 PtSi硅化铂 812m 波段 代表材料HgCdTe,按照响应波段与材料可分为,表：一些典型的各波段探测器,3、 IRFPA的结构,目前没有能同时很好地满足二者要求的材料 IRFPA结构多样性,单片式IRFPA,非本征硅（P型）单片式IRFPA， 缺点：需制冷、响应度均匀性差,主要有三种类型,本征单片式IRFPA ， 缺点：转移效率低、响应均匀性差，存储容量较小,肖特基势垒单片式IRFPA， 响应均匀性好，但量子效率较低,混合式IR

9、FPA,直接注入方式 是将探测器阵列与转移部分直接用导线相连。 特点：结构简单、功耗低，有直流成分。 间接注入方式 是通过缓冲级（有源网络）进行连接。 改善探测器阵列同转移部分的匹配性能。增加器件功耗，增大尺寸和工艺复杂性,探测器阵列采用窄禁带本征半导体材料制成，电荷转移部分用硅材料。如何建立联系,电学连接方式,探测器阵列与转移部分的连接：倒装式,互连技术：每个探测器与多路传输器对准配接,采用背照方式,4、典型的IRFPA,InSb是一种比较成熟的中波红外探测器材料。 InSb IRFPA是在InSb光伏型探测器基础上，采用多元器件工艺制成焦平面阵列，然后与信号处理电路进行混合集成。 采用前光

10、照结构的132、1128、1256、1512的线列IRFPA和背光照结构的5862、128128、256256、640480、10241024的面阵IRFPA,InSb IRFPA,Hg1-xCdxTe IRFPA,通常HgCdTe IRFPA是由HgCdTe光伏探测器阵列和CCD或MOSFET读出电路通过铟柱互连而组成混合式结构。 HgCdTe IRFPA的像素尺寸目前可作到1818um2,HgCdTe材料是目前最重要的红外探测器材料，研制与发展HgCdTe IRFPA是目前的主要方向,基本结构,用于空间成像光谱仪的10241024短波(12.5um) HgCdTe IRFPA； 用于战术导

11、弹寻的器和战略预警、监视系统的640480的中波(35um ) HgCdTe IRFPA； 应用十分广泛的长波(812um) HgCdTe IRFPA； 目前4N系列（4288、4480、4960）的扫描型和6464、128128、640480凝视型的HgCdTe IRFPA已批量生产,主要类别,硅肖特基势垒IRFPA,已实现了256256、512512、640480、10241024、19681968等多种型号的器件 硅肖特基势垒IRFPA的像素目前可作到1717um2,硅肖特基势垒IRFPA目前已被广泛应用于近红外与中红外波段的热成像，目前唯一利用已成熟的硅超大规模集成电路技术制造的红外传感器,非制冷IRFPA,热释电探测器阵列 测辐射热计阵列，热释电氧化钒、非晶硅等,多量子阱（MQW）IRFPA,先进的晶体材料外延工艺，在一定的衬底材料上，用这两种工艺交替地淀积两种不同半导体薄层，周期性结构，薄层厚度从几个到几十个原子层，形成一种全新的材料，称为超晶格材料，性质取决于A和B的性质及它们的层厚，性能也与原来大不相同。分I、II、III类三种超晶格材料。