第二章--影像获取技术-CCD-CMOS1

1、影像获取技术固体成像器件电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device, CCD)互补金属氧化物半导体 CMOS图像传感器（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）CCD立体相机前中后三层影像合成三维图片激光高度计(高度5m、分辨率1m)干涉成像光谱仪射线相机X射线相机微波探测仪(土壤厚度、氦-3)高能粒子探测器低能离子探测器元素探测探测地月间的环境电荷耦合器件CCD 线阵CCD 面阵CCD表面沟道CCD(SCCD),电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面转移。体沟道CCD(BCCD),电荷包存储在离半导体表面一定深度

2、的体内，并在半导体内沿一定方向转移CCD类型 1. 电荷耦合器件的工作原理1.1、CCD工作原理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特点：以电荷作为信号基本功能：电荷的存贮和转移CCD基本工作原理信号电荷的产生信号电荷的产生信号电荷的存贮信号电荷的存贮信号电荷的转移信号电荷的转移信号电荷的检测信号电荷的检测1.1 电荷存贮 CCD 是由规则排列的金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。 MetalOxideSemiconductor金属VG氧化

3、物（SiO2）半导体(PSi)电子势阱界面势如果有光入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导如果有光入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅产生电子空穴对，由此产生的光电子被表面的势体硅产生电子空穴对，由此产生的光电子被表面的势阱所吸收。而空穴被电场排斥出耗尽区。阱所吸收。而空穴被电场排斥出耗尽区。 当在金属电极上加正电压当在金属电极上加正电压V VG G时，时，在电场的作用下，电极下型在电场的作用下，电极下型区域里的多数载流子空穴被排区域里的多数载流子空穴被排斥、驱赶，形成了一个耗尽区。斥、驱赶，形成了一个耗尽区。而对于少数载流子电子，电场则吸引它到电极下的耗尽区。而对于少数载流子电子，

4、电场则吸引它到电极下的耗尽区。耗尽区对于带负电的电子来讲是一个势能很低的区域称为耗尽区对于带负电的电子来讲是一个势能很低的区域称为“势阱势阱”。势阱积累电子的容量取决于势阱的势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度深度”，而表面，而表面势的大小近似与栅压势的大小近似与栅压V VG G成正比。成正比。电荷存储栅电极G氧化层P型半导体耗尽区反型层uGuthuGuthuG=0n构成CCD的基本单元是MOS（金属氧化物半导体）结构。当栅极G施加正偏压UG之前（UG=0），P型半导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的；当栅极电压加正向偏压（UGUth时，半导体与绝缘体界面上的电势（表面势S）变得如此之高，

5、以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层，反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储电荷的功能。u010V10VUG=5VUG=10VUG=15V空势阱填充1/3势阱全满势阱电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低的氧化层与半导体地交界面处。MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=CoxUGA1.2 电荷转移（耦合）假定开始有一些电荷存储在偏压为20V的第二个电极下面的势阱里，其他电极上均加有大于阈值得较低电压（例如2V）。设a图为零时刻，经过一段时间后，各电极的电压发生变化，第二个电极仍保持10V，第三个电极上的电压由2V变为10V，因这两个电极靠的很近（

6、几个微米），它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。如图bc。若此后第二个电极上的电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下的势阱中，如图e。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。2V10V 2V2Va存有电荷的势阱b2V10V2V10V2V2V10V 10V 2V2V10V2V10V 2V2V2V10V 2Vcdef123n通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，并施加同样的时钟脉冲。如图f，为三相时钟脉冲，此种CCD称为三相CCD

7、。nCCD电极间隙必须很小，否则被电极间的势垒所间隔。n产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构，表面态密度等因素决定。间隙长度应小于3um。n以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD（工作频率高）,而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD。1.3 电荷的注入（1）光注入当光照射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。它有可分为正面照射式背面照射式。U+U+势垒P-Si背面照射式光注入（2）IDuINuIDN+IG1232P21.4 电荷的检测信号电荷在转移过程中与时钟脉冲无任何电容耦合，而在输出端需选择

8、适当地输出电路以减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的程度。（1）电流输出：如图a。由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化，直流偏置的输出栅极OG用来使漏扩散时钟脉冲之间退耦，由于二极管反向偏置，形成一个深陷落信号电荷的势阱，转移到2电极下的电荷包越过输出栅极，流入到深势阱中。UDRDRgAOG12放大P-Si图aN+OG12浮置扩散T1（复位管）T2（放大管）RgUDD(2)浮置扩散放大器输出：如图b.图b复位管在2下的势阱未形成前，在RG端加复位脉冲，使复位管导通，把浮置扩散区剩余电荷抽走，复位到UDD，而当电荷到来时，复位管截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管栅极电位变化。（

9、3）浮置栅放大器输出：如下图。浮栅T2UDD1321323T2的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接，而是与沟道上面的浮置栅相连。当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅上感应出镜像电荷，以此来控制T2的栅极电位。MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片光敏元显微照片 彩色彩色CCD显微照片（放大显微照片（放大7000倍）倍）3.3、CCD图象传感器的应用图象传感器的应用 CCD的七个应用领域的七个应用领域 ).小型化黑白、彩色TV摄像机 (面阵CCD应用最广泛的领域。 )2).传真通讯系统 用10242048像元的线阵CCD作传

10、真机，可在不到一秒钟内完成A4开稿件的扫描。 3).光学字符识别 代替人眼，把字符变成电信号，进行数字化，然后用计算机识别。 4). 广播TV 5). 工业检测与自动控制 这是CCD应用量很大的一个领域，统称机器视觉应用。 a. 在钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域作零件尺寸的动态检测，产品质量、包装、形状识别、表面缺陷或粗糙度检测。b. 在自动控制方面，主要作计算机获取被控信息的手段。 c. 还可作机器人视觉传感器。 6).可用于各种标本分析（如血细胞分析仪），眼球运动检测，X射线摄像，胃镜、肠镜摄像等。 a. 天文摄像观测b. 从卫星遥感地面 如：美国用5个2048位CCD拼接成10

11、240位长取代125mm宽侦察胶卷，作地球卫星传感器。c. 航空遥感、卫星侦察 如：1985年欧洲空间局首次在SPOT卫星上使用大型线阵CCD扫描，地面分辨率提高到10m。 还在军事上应用：微光夜视、导弹制导、目标跟踪、军用图象通信等。 7). 天文观测He-Ne信号读出信号处理时 钟 发 生 控制器计数显示器透镜细丝线阵CCDL、微小尺寸的检测微小尺寸的检测（10500um）用衍射的方法对细丝、狭缝、微小位移、微小孔等用衍射的方法对细丝、狭缝、微小位移、微小孔等进行测量。进行测量。 根据夫琅和费衍射公式根据夫琅和费衍射公式 :kdsinsin/kd 可以得到：可以得到：例：尺寸测量例：尺寸测

12、量d细丝直径；K衍射暗纹级次K=1,2,3；激光波长； L被测细丝到CCD光敏面的距离； 被测细丝到第K级暗纹的连线，与光线主轴的夹角； xk第K级暗纹到光轴的距离。 3012XkSdL当很小时（即L足够大时）Sintg= xk/L 代入 sin/kd sLkxLxLkdkk/得到：S暗纹宽度，S=XK/K是相等的，则测细丝直径d转化为用CCD测S SSLLSSLd2误差分析由于激光波长误差很小可忽略不计，则 例：He-Ne激光632.8nm, L=1000mm0.5mm, d=500m, )(265. 1mmdLs当CCD像元选用131mms10SSLLSd2测量误差：测量误差：umSSLL

13、Sd2 . 42丝越细，测量精度越高（丝越细，测量精度越高（d越小越小S越大），甚至可达到越大），甚至可达到d=10-2m. S的测量方法的测量方法 S=nspVn图象传感器图象传感器(IS)(IS)输出的视频信输出的视频信号经放大器号经放大器A放大，再经峰值保放大，再经峰值保持电路持电路PH和采样保持电路和采样保持电路S/H处理，变成箱形波，送到处理，变成箱形波，送到A/D转转换器进行逐位换器进行逐位A/DA/D转换，最后读转换，最后读入计算机内进行数据处理。判入计算机内进行数据处理。判断并确定两暗纹之间的像元数断并确定两暗纹之间的像元数n ns s，则暗纹宽度则暗纹宽度S=nS=ns sp (pp (p为图象传为图象传感器的像元中心距感器的像元中心距) )，代入，代入可以得到可以