第7章-固体成像器件-王珊

1、1，7.1电荷耦合器，7.2电荷耦合器分类，7.3 CCD相机分类，7.4 CCD的性能参数，7章固体成像设备，7.5自扫描光电二极管阵列，7.6固体相机开发和应用，为了与真空成像设备区别，固体成像设备在真空玻璃机壳内使用目标完成光学图像转换，然后使用电子束按顺序扫描视频信号与真空成像设备不同，固体成像设备本身可以执行光学图像转换、信息存储和顺序输出(称为自扫描)视频信号的全过程。1970年：美国贝尔研究所发现的电荷耦合器件(CCD)原理，将图像传感器的发展带到了新的阶段。使图像传感器从真空电子束扫描方式发展到固体自扫描输出方式。高锝光纤之父，博伊尔自扫描光电二极管阵列(SSPD，又称MOS图

2、像传感器)。展示线性CCD装置的实际外观，如图所示。固体成像设备与真空摄像设备相比具有以下优点：体积小，重量轻，功耗低。耐冲击，可靠性高，寿命长；没有韩元烧伤、失真、电磁场干扰；SSPD的光谱响应范围为0 . 251 . 1米，对近红外线敏感，CCD也对红外线敏感。像素尺寸精度优于1m，分辨率高。您可以执行非接触位移测量。默认情况下不保留重影(真空摄影机管的15%重影)。视频信号和微机接口很容易。电荷耦合器的显著特征是以电荷为信号，而不是以电流或电压为信号。7.1电荷耦合器，CCD特征以电荷为信号。CCD的基本功能电荷存储和电荷转移。CCD基本操作过程信号电荷的生成、存储、传输和检测过程。CC

3、D的基本结构包括传输电极结构、传输通道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单位是MOS容量或光电二极管。徐璐非常接近的一系列MOS电容器是用相同的半导体衬底制成的，衬底可以是P型或N型材料，上面生长着均匀的连续氧化层，徐璐在氧化层表面绝缘，排列着距离非常小的金属化电极(栅极)。Metal、Oxide、Semiconductor和CCD由规则金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor，MOS)容量阵列组成。7.1.1电荷耦合器的结构，CCD，光信息，电脉冲，脉冲反映了一个光敏源的光状态，脉冲宽度的高低反映了这个光敏源的光强弱，输出脉冲的顺序反

4、映了光敏源的位置，图像检测，7CCD的工作原理，特征：以电荷为信号，基本功能：电荷的存储和传输，基本名词：，1，输入部分，输入部分的作用是将信号电荷引入CCD第一传输门下的势阱中。引进有两种方法：电注入和光注入。电注入机制由输入二极管和一个或多个输入栅极组成，将信号电压从势阱转换为相应的电荷包。电注入：在输入网格上施加适当的电压，在半导体表面形成耗尽层。此时，如果将较高的电压应用于紧挨着输入门的第一个传输门，则在它下面形成更深的耗尽层。该耗竭层相当于“通道”，由输入信号控制的电荷包通过输入二极管中“通道”流的第一传输门下的电位井完成输入过程。还可以将信号添加到网格中，通过信号调制控制门下的通道

5、注入信号。，CCD的输入方式包括场效应管输入、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)，电子孔对生成，孔门电压拒绝，此时输入二极管被感光元件取代。照相机时间照射在光敏面上，光子被光敏源吸收，电子形成空穴对，进入空穴耗尽区域外的衬底，然后通过接地消失，电子就从势阱中收集，成为信号电荷。当输入网格打开时，当第一传输网格施加时钟电压时，表示光信号的少数载体进入传输门下的电位井，完成光注入过程。光注入是照相机设备使用的唯一注入方法。2，信号传输部分，信号传输部分由紧密排列的MOS电容器组成，并且电荷总是按照最小比特能量方向移动的原理工作。信号电荷转移时，如果前电极的电压高，电极下的

6、电位井很深，则电荷继续向前运动。右图显示了三相时钟驱动的CCD时钟脉冲。信号电荷包工作的前方总是等待更深的电位陷阱，因此电荷包可以沿着电位陷阱的移动方向继续移动。在势阱中，电荷的容量由势阱的深度决定，势阱中电荷的存储时间必须大大小于势阱的散热时间，因此CCD是在不平衡状态下工作的功能装置。3，输出部分输出部分由输出二极管、输出栅极和输出耦合电路组成，用于从CCD上最后一个传输栅极下的势阱中引出信号电荷。最简单的输出电路通过二极管检出，输出栅格使用直流偏移。这种电路很简单，但噪音大，很少采用。浮点扩散放大器(FDA)的读出方法是最常用的CCD电荷输出方法之一。启用信号电荷和电压之间的转换，信号输

7、出振幅(数百毫伏)大，线性和低输出阻抗好。7.1.4电荷转移通道类型CD电荷转移沟渠有两种基本类型3360。一个是电荷包存储在半导体和绝缘体之间的接口，这种装置称为表面通道电荷耦合器(SCCD)。另一种是电荷包存储在半导体表面一定深度的体内，在半导体内部沿一定方向传输，称为体内沟或埋沟电荷耦合器(BCCD)。表面沟和体内沟的传输结构和性能差异如下。(1)SCCD大于BCCD的信号处理能力。(2)BCCD比SCCD的操作频率提高了一个以上。(3)BCCD大大提高了CCD的迁移效率。(4)对于两相BCCD，电荷存储在厚栅电极下，薄栅是传输栅。在SCCD中，电荷存储在薄栅电极下，厚栅是传输栅。(5)

8、 SCCD是消磁的，BCCD是多子的。CCD的结构和工作原理，为什么被称为电荷耦合器？电荷元件的信息以电荷的形式出现，与其他探测器的“电流”或“电压”不同，耦合元件内部信息的传递是通过权力井的莲藕实现的。与电子枪的“扫描输出”格式完全不同。7.2电荷耦合器件的分类、工作原理、电荷耦合照相机是照相机用的ICCD。线性CCD设备：将接收到的一维光信息直接转换为时间序列的电信号，从而获得一维图像信号。如何使用线性CCD获得二维图像信号？阵列CCD设备是将2D图像直接转换为视频信号输出的二维图像传感器。2048 2048阵列CCD、5000像素阵列CCD、CCD部件可以按结构分为两个主要类别：线性CC

9、D和面阵列CCD。7.2.1线性CCD，最简单的线性CCD由输入二极管(ID)、输入栅极(IG)、输出栅极(OG)和紧密对齐的MOS电容器组成。上述结构不适合照相机：(1)电极是金属的容易屏蔽。即使改用多晶硅，多层结构电极系统的入射光吸收、反射和干扰也很大，因此光强度损失大，杨紫效率低。，(2)在电荷包传输过程中，光积分继续进行，输出信号可以产生阴影。7.2.2阵列CCD，阵列CCD的典型基本类型是帧传输类型(FT)和行间传输类型(ILT)，也称为行内传输类型。成像区域，舞台区域，水平读取寄存器，帧传输区域CCD，成像区域，舞台区域，场前持续时间：场反转持续时间：光学图像，电荷包图像，电荷包图

10、像水平读取寄存器，行逆周期三件式结构是传统的相机方法，通过相机镜头和分光系统形成三种基本颜色：红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)，并将图像分别照射到三张CCD上。37，未光CCD，未光CCD是可在未光条件下拍摄的CCD部件。弱光条件下，场景对比度和清晰度很低，对CCD相机性能的要求很高，相机输出的信噪比必须大于特定值。微光照相技术的本质是在水镜和目镜(或显示器)之间放置微光图像增强器。在能量转换和信号处理后，在输出端转换为具有适当亮度、对比度和清晰度的可见目标图像。38、当前，微光CCD相机有两种类型：增强的CCD(ICCD)，包括两种操作模式： *等增强器和CCD芯片组合模式。*电子冲击(E

11、-BCCD)操作模式。时间延迟集成CCD(TDICCD) * TDICCD操作模式。微光CCD相机最大的缺点是不能全天候工作，在梅雨、浓雾等条件下应用限制。39，可以将焦平面红外阵列(IRCCD)、红外光学系统焦平面上放置，以创建与整个视野内风景中的每个像素和敏感元素相对应的多平面阵列红外探测器部件。红外探测器2D阵列可以将测量的图像成像2D阵列，并将其转换为电子图像，通过电子自扫描技术输出为视频信号。使用红外探测器阵列而不是可见光CCD的光敏部分来配置焦平面红外阵列(IRCCD)。40、X-张艺兴CCD，当前X-张艺兴CCD设备有两种类型：一个是用CCD相机直接拍摄X-张艺兴图像。另一种是安

12、装转换材料，即在每个光敏源中有隔离层的碘化溴晶体。碘化溴晶体是将X射线转换为可见光的高效转换材料，几乎能吸收照射的X射线。此结构可延长装置寿命，因为X射线不会直接暴露在感光元素阵列中。同时，光隔离技术减少了光干扰，提高了信噪比和系统分辨率。，41，7.4 CCD性能参数，7.4.2频谱响应率和干扰效果，7.4.3分辨率和调制传递函数，7.4.4动态范围，7.4.5暗电流和噪声将现有信号电荷设置为Q0，发送到下一电极的信号电荷为Q1，其比率称为传输效率。未迁移的电荷Q与原始信号电荷Q0的比率称为传输损失率。也就是说，(8-1)，(8-2)，43，显然，理想情况下，=1，但实际上，载荷总是小于1(

13、通常大于0.9999)，因为载荷在传输过程中总是丢失。电荷为Q0的电荷包，N次移动后剩下的电荷，(8-4)，(8-3)，44，光谱响应率和干扰效果，CCD背光的光谱响应曲线类似于光电二极管，如图中的曲线2所示。在背面镀上渗透膜可以减少反射损失，提高反应率(见图3)。45，在正面照射时，CCD的正面放置了很多电极，因此射线被电极反射和散射多次，降低响应率，而多次反射产生的干扰效果使光谱响应曲线起伏(见上图中的曲线1)。为了减少短波定向多晶硅的吸收，用SnO2薄膜代替多晶硅薄膜作为电极，可以减少起伏宽度。46，分辨率和调制传递函数，CCD由多个单独的光敏单元组成。根据奈奎斯特定律，极限分辨率是空间

14、采样频率的一半。如果一个方向的像素间距为P，则此方向的像素空间频率为1/p lp/mm，极限分辨率小于1/2P LP/。以TVL(电视线)表示，一定方向上的像素数是极限TVL数，TVL数的一半与CCD光敏面高度大小的比率是相应的线对/毫米数。47，如果将CCD的图像传输特性评估为调制传递函数(MTF)，则CCD的总MTF取决于由元素结构(例如，元宽度、间隔)确定的几何MTF1、由载波侧扩散衰减确定的MTFD以及由传输效率确定的MTFT。总MTF是这三个的乘积，总MTF随着空间频率的增加而减少。48、动态范围、动态范围表征装置可以在多少照度范围内正常工作。CCD最小照度受噪音限制，最大照度受电荷处理容量限制。通常定义的动态范围是输出饱和电压与暗场噪声的最大电压之比。具有10005000动态范围的良好CCD设备。增加动态范围的方法是降低暗电流值。尤其是控制暗电流峰值。非均匀暗电流和峰值均形成图像噪声，影响图像噪声，影响动态范围。