传感器的课件 哈工大版.ppt

1、固体图像传感器(CCD )、固体图像传感器也被称为电荷耦合器件(chargecoupleddevices )，六零年代终端、美国贝尔实验室W.S .博尔、G.E .斯米尔等发现电荷通过半导体势供水井转移的现象，提出了电荷耦合的概念。 1975年美国RCA公司的(513320 )像素面阵列CCD通用相机最初登场，根据用途，现在正在开发多种线CCD数据老虎钳，并向高灵敏度、高速、高光谱响应方向发展。 CCD为高性能光电图像传感器元件，由多个受光像素构成，通过IC集成电路工艺制作，各像素为MOS电容器。 作为电荷报文分组被积蓄传输，并主要由受光单元、输入结构、输出结构等的部分构成。 CCD能够实现光

2、电转换、信号储存、传输、输出、处理及电子快门优先等一系列功能。 通用相机分为线传感器和面排列2种。 受光单元在行中排列的被称为线传感器通用相机的区域阵列CCD数据老虎钳的像素排列为一个平面，分为彩色和黑白两种。 线性传感器通用相机主要用于传真、工业自动检测、方向性检测等领域，目前高灵敏度的通用相机已取代了传统的一般MOS型通用相机。 面阵CCD主要用于工业监测和民用传输轻量级通用相机。 图像传感器的像素数最高达到一百万以上。 线CCD老虎钳的型号性能表、面排列硅CCD残奥表、一、CCD的结构和原理、一、CCD的单元结构CCD的单元部分是由金属氧化物半导体构成的电容器，简称为MOS结构，如图1所

3、示。 在对男同性恋施加正偏置电压UG之前，p型半导体中的空孔(多数载流子)的分布是均匀的。 当对男同性恋施加正的偏置电压UG (此时UG小于p型半导体的门限电压Uth )时，如图2所示，空穴排斥，产生耗尽区域。 UG持续增加，耗尽区域进一步向半导体体内延伸。 在金属层、氧化物、p型半导体、UG Uth、耗尽区域、UG Uth的情况下，半导体与绝缘体的界面的电位上升，半导体体内的电子被吸引到表面，如图3所示，形成极薄(约10-2m )的电荷浓度高的反型层的反型层电荷的存在表示MOS结构蓄积电荷的功能然而，如果男同性恋电压从零突然改变到超过门限电压，则半导体中的少数载流子减少，并且不能立即产生反型

4、层。 在不存在反型层的情况下，耗尽区域进一步向体内延伸。 另外，男同性恋和基板间的电压的大部分下降到耗尽区域。 此时，当光入射到半导体硅晶片时，通过光子在半导体硅晶片中产生电子与空穴，光电子被附近的电势供水井捕获，光空穴通过电场从耗尽区域被云同步弹出。 此时电位供水井内吸收的光电子的数量与入射到电位供水井附近的光强度成比例。 收集到电位供水井的光电荷称为电荷报文分组。 2 .电荷报文分组的积蓄由于各CCD用针织面料为电容器，因此能够积蓄电荷。 但是，当存在电荷报文分组的注入时，由于使极板上的正电荷的总量始终保持为与电势供水井中的自由电荷和负络离子之和相等，所以电势供水井的深度变浅。 每个极板下

5、面的电位供水井能蓄积的最大信息电荷量是以QCoxUGA Cox为单位面积的氧化层的容量a是极板面积。 3 .电荷报文分组的传输CCD中的电子钱包的传输是由各极板下面的电势供水井不对称和电势供水井耦合实现的。 读出移位暂存器是电荷图像的输出电路，也是由金属电极、氧化物、半导体三部分构成的MOS结构。 与MOS受光单元的不同之处在于，由半导体的底部复盖遮光层，防止外部光的干扰作用；以及半导体的底部复盖遮光层，防止外部光的干扰作用的3组(或2组、4组等)相邻电极构成一个耦合针织面料，即三相CCD。/3，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u

6、，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u，u 3相CCD电荷分组转发、读出移位暂存器的动作过程，对三个电极分别施加脉冲信号1、2、3，如上图所示，在时刻t0，第1相时钟1为高电平，2、3为低电平。此时，在第1组电极下形成深井，蓄积信息电荷。 在时刻t 1，1和2变为高电平，3变为低电平，在电极1和2下形成电势供水井。 由于2个电极接近，所以电荷从电极1耦合到电极2下。 在t2时刻，1个电压减少，极板下的电势供水井减少，2个部位的电压上升，电势供水井增大，信息电荷从第1组的电极下面转移到第2组。 在时刻T3，2为高电平，1、3为低电平，电荷全部被传送到第2组电极下

7、。 完成一次电荷转移。 这样，在三相脉冲的控制下，电荷向右侧持续传输，依次向外部持续输出，直至最后的二进制位。 可以从输出的前后判别电荷属于哪个受光元件。 4、电荷报文分组的输出机构CCD电荷报文分组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。 在图中，将与1、2、3连接的电极称为男同性恋，将与OG连接的电极称为输出男同性恋，将输出男同性恋的右边称为输出二极管。 输出男同性恋与其他男同性恋相同，当施加正电压时，也会产生电势供水井(第3电势供水井和输出二极管耗尽区域之间)，将两者连接，通过改变OG上的电压来控制其下的沟道。 例如，电荷报文分组从2回到3，3以下的电势供水井变

8、深，并且OG以下的电势供水井也变深，此时3中的电荷报文分组通过OG以下的电势供水井，流入输出二极管的耗尽区域。 二极管被反向偏置，由于内部有强的自建构电场，二极管耗尽区域的电荷立即被输出，成为输出电路的电子流。 没有电荷报文分组输出时，a点为高电平，有电荷报文分组输出时，电子流因负载电阻而引起电压下降，因此a点为低电平，a点的电压下降程度成为电荷报文分组具有的电力量，即与电压的变化成比例的输出信号。 二、线电荷藕合器件、线CCD是受光元件呈直线状排列的元件，由MOS受光元件阵列、传输男同性恋和读出移位暂存器构成。 在受光元件曝光(光积分)时，对金属极板施加正电压脉冲p，受光元件的电位供水井吸收

9、附近的光产生电荷。 一旦结束光积分线，就将传输脉冲t施加于传输男同性恋，打开传输男同性恋，说唱乐到各受光元件的光电荷通过传输男同性恋分别耦合到对应的移位暂存器的极下，这是并行传输的过程。 接着，关断传送男同性恋，开始操作第一、第二和第三三相脉冲，从移位暂存器的输出端子顺序读出各个二进制位的信息并且输出到最后的二进制位的信息是串行输出的过程。 CCD解老虎钳的输出信息是一个脉冲，脉冲的宽度取决于对应的光接收元件接收的光的强度，但由于输出脉冲的频率与驱动脉冲1等的频率一致，因此仅通过改变驱动脉冲的频率就能够改变输出脉冲的频率。 工作频率的下限受到受光电荷的寿命制约，上限与界面上电荷被说唱乐的时间有

10、关。 三、面排列电荷藕合器件、受光区域由CCD阵列构成，用来在光电转换部和自扫描修正的处理时间内进行光积分。 面包车由被遮光的CCD构成，其二进制位数与受光区域一对一对应，在自扫描逆过程时间内，将受光区域内的信息帧整体的电荷报文分组迅速地向面包车传输。 然后，虽然受光区域开始第二信息帧的光积分，但是存储区域利用该时间，一次将一行的电荷报文分组传输到移位暂存器，并串行地输出。 四、CCD的主要残奥仪表有： 1、传输效率和丢失率的电荷报文分组从一个电位供水井向另一个电位供水井传输，不立即和全部，而是一个过程。 在一定的时钟脉冲驱动下，设电荷报文分组的原电量为Q0、向下一个电位供水井传输时的电荷报文

11、分组的电量为Q1，则传输效率为Q1/Q0损失率为(Q0Q1)/Q0时引起电荷报文分组损失的主要原因是基于表面态的电子捕获和时钟摇滾乐频率过高。 为了减少损失、提高传送效率，经常采用在接收信息电荷之前，按每个电位供水井输入一定量的背景电荷、满足表面态的偏置电荷技术。 由此，即使信息电荷为零，在电势供水井中也存在一定量的电荷。这项技术被称为“零胖”技术。 2 .时钟频率的上下限CCD利用极板下半导体表面势供水井的变化，将电荷积蓄传输。 如果时钟频率过低，热载波混入信道信息的电荷报文分组中，引起失真的时钟频率过高，则电荷报文分组不能完全传输，电位供水井的形状改变，残留在原来的电位供水井中的电荷必然变

12、多，丢失率增大。 有必要估算时钟频率的上下限。 在时钟频率的下限f依赖于非平衡载波的人口平均预期寿命，因此电荷传输时间t在t1/3时钟频率的下限f依赖于电荷报文分组的传输损失率，即电荷报文分组的传输需要一盏茶的时间，在三相CCD中，-1/3Dln0 D在CCD电位供水井中的电力量由于热扩散作用而衰减0是所要求的最大转移损失率。 3 .分光特性CCD中的受光元件都是用半导体硅材料制作的，所以灵敏度范围为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。 照度超过100lx时，输出有饱和现象。、1、10、10

13、0、1000、1、10、100、1000，照度/lx，输出电压/此时即使进一步增加曝光量输出电压也不增加，但这并不意味着在像素中不发生信号电荷。 当蓄积了再像素的电位供水井中的信号电荷超过电位供水井的容量时，多馀的信号电荷从电位供水井溢出，扩展到邻接的像素，给邻接的线索造成“污染”，产生伪信号输出。 由于向上溢出的电荷不会随着入射光的减少而在CCD中立即消失，因此该信号“污垢”使光积分周期延迟数次，在此期间CCD处于反常的动作状态。 可以在CCD上追加耐分布式结构，将向上溢出的电荷取入基板。 一般的曝光量控制在80饱和曝光量以下。 2 .光响应不均匀性(PRNU) CCD光响应的不均匀性是指C

14、CD的各个像素在均匀光源照射下输出不均匀的信号电压的现象。 光响应的不均匀性不仅与去老虎钳的制造工艺有关，还与入射光的波长和基板的材料性能有关。 由于近红外光在硅中透过能力强，因此在用近红外光测量的PRNU中，也包含了基材性能对不均匀性的影响。 一般来说，CCD的像素越多，不均匀性越大。 高精度应用时，必须进行实际测量并进行补偿。 3 .分辨率通用相机的分辨率是指对物体像中的明暗细节的极限分辨率。 当前，国际上一般用“调制传递函数”(MTF )表示，也可以用空间极限分辨率表示。 CCD在实质上空间上不同的受光针织面料中对光学像进行采样。 由于受光元件是周期性排列的，所以可以用空间频率(在某个方

15、向上每毫米的单元数)来表示。 一个CCD的极限分辨率能够识别的最大射频波数目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、传输噪声3种。 (1)将散粒噪声光注入到受光区域而产生信号电荷的过程能够看作独立且均匀地连续产生的随机的过程。 每单位时间产生光的信号电荷的数量绝对不变，以1个平均值微小变动，形成散粒噪声。 散粒噪声与CCD的工作频率无关，有均匀的功率分布、即光合十礼噪声。 (2)暗电流噪声暗电流导致的噪声分为两个部分：一个是耗尽层热激发产生，随机过程，可以用泊松分布描述的第二个是暗电流产生最严重的是复合产生中心的不均匀分布，特别是根据单元位置缺陷密集而形成暗电流的峰值。 (3)转移噪声转移噪声是转移损失引起的噪声、界面光说唱乐引起的噪声、体型说唱乐引起的噪声。5 .由于CCD结构设置修正的限制性、制造工艺的不完善以及材料的缺陷等原因，光晕、条纹和拖尾往往在重构图像上出现光晕、条纹、拖尾和斑点等假信号。 光晕(模糊)是指在物体像中存在亮点，但是在重构图像中对应点显着增大的现象。 当积蓄在某个光单元内的光电荷超过信号处理能力时，会出现过载现象，过剩的光电荷通过体内扩散到相邻的电位供水