传感器原理b11.ppt

1、第11章 固态图像传感器 11.1 电荷耦合图像传感器 11.2 其它类型的图像传感器 11.3 固态图像传感器的应用,图像传感器又称为成像器件或摄像器件，是现代视觉信息获取的一种基础器件 ，可实现可见光、紫外光、X射线、近红外光等的探测。 因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次、多内容的可视图像信息，图像传感器在现代科学技术中得到越来越广泛的应用。,固态图像传感器是在同一块半导体衬底上布设若干光敏单元与移位寄存器而构成的器件，是一种集成化、功能化的光电器件。 光敏单元又称为“像素”或“像点”， 不同的光敏单元在空间上、电气上彼此独立。 每个光敏单元将自身感受到的

2、光强信息转换为电信号，众多的光敏单元一起工作，即把入射到传感器整个光敏面上按空间分布的光学图像转换为按时序输出的电信号“图像”，这些电信号经适当的处理，能再现入射的光辐射图像。,固态图像传感器主要有五种类型：电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）、电荷注入器件CID（Charge Injection Device）、金属氧化物半导体(MOS)、电荷引发器件 CPD（Charge Priming Device）和叠层型摄像器件。,11.1.1 CCD的基本工作原理 CCD（Charge Couple Devices，电荷耦合器件）可以把光信号转换成电脉冲信号，每一个脉冲

3、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的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到了图象传感器的作用。 突出特点：以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。 基本功能：电荷的存储和电荷的转移。 主要问题：信号电荷的产生、存储、传输和检测。,11.1 电荷耦合图像传感器,CCD按电荷转移信道划分有两种基本类型，一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD（简称SCCD）；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）。,1.CCD的MOS

4、结构及电荷存贮原理 (1)结构 CCD是MOS（ Metal Oxide Semiconductor ）电容的一种应用，它是按照一定规律排列的MOS电容器阵列组成的移位寄存器。其基本单元的MOS电容结构如下图所示。,它具有一般电容所不具有的耦合电荷的能力。,在P型硅衬底上生长一层SiO2,再在 SiO2层上沉积金属铝作为栅极构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。,MOS电容上没加电压时，半导体的能带结构如图（a）所示，从界面层到内部能带都是一样的，即所谓平带条件。,对P型半导体来说，若在金属半导体间加正电压，金属电极板上就会充上一些正电荷，电极下的P型硅区域内的多数载流子（空穴）便会受

5、到排斥，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，这样在硅表面处就会形成一个耗尽区。,与此同时，氧化层与半导体界面处的电动势发生变化，在耗尽层中电子能量从体内到界面由高向低弯曲，如图b所示。这时只呈现出一般耗尽状态，耗尽区厚度正比于外加电场；当栅压增大超过某特征值U th时，能带进一步向下弯曲，以至使半导体表面处的费米能级高于禁带中央能级，MOS器件处于深耗尽状态，在相交点与界面之间逐渐形成一个反型层。如图c所示。把U th称为 MOS管的阈值电压。,这时若有信号电荷(电子)注入，则可贮存在深耗尽区域内，这种能贮存电子的区域称为电子“势阱”,势阱具有存储电子（电荷）的功能,每一个加正电压的电极

6、下就是一个势阱。表面势阱中的自由电荷称为电荷包。势阱的深度取决于正电压U的大小,势阱的宽度取决于金属电极的宽度。若U增加，栅极上充的正电荷数目增加， P型硅区域内的负离子数目相应增加，耗尽区的宽度增加，表面势阱加深。,(2)电荷存储原理 当一束光照射到MOS电容上时，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量产生电子跃迁，形成电子空穴对，电子空穴对在外加电场的作用下，分别向电极两端移动，这就是光生电荷。这些光生电荷将储存在电极形成的势阱中，形成信号电荷存储起来。 势阱能够储存的最大电荷量又称之为势阱容量，它与所加栅压近似成正比。 势阱容纳的电荷多少和该处照射光的强弱成正比，于是，图像景物的不同明暗程

7、度，便转变成CCD中积累电荷的多少。,2、电荷转移工作原理 1）电荷的定向转移 若两个相邻MOS 光敏元所加的栅压不同，则栅压高的形成的势阱深，且浅势阱中的电子有向深势阱中下移的趋势。 当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅，实现电荷的存储和转移。 要求： 多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。 金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。,控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，让MOS电容间的排列足够紧密，使相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合，就可使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处，实现信号电荷的转移。 为

8、了让信号电荷按规定的方向转移，在MOS电容阵列上加满足一定相位要求的驱动时钟脉冲电压，这样在任何时刻，势阱的变化总朝着一个方向。 为了实现这种定向的转移，在 CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同的电极上，此共同电极称为相线。 通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。二相脉冲的两路脉冲相位相差180，三相脉冲及四相脉冲的相位差分别为120及90。当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。,三相时钟脉冲驱动的电荷转移, 2）三相

9、CCD电极的结构 MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120时钟脉冲驱动,如下图所示。 在三相结构CCD中,三个电极 组成一个单元,形成一个像素。 三个不同的脉冲驱动电压按 下图(b)的时序提供,以保证形 成空间电荷区的相对时序。,设在某时刻t1第一相处于高电压, 处于低电压,则在1电极下,形成较深的势阱,如图(a)所示。,若此时有光线入射到硅片上,在光子的激发下硅片上就会产生电子-空穴对。由于光扩散效应,其中的空穴被排斥到硅基体顶,光生电子则被势阱所收集。势阱所收集的光生电子数量和入射到势阱附近的光强成正比。此时,在栅压作用下,CCD器件上位于下若干互相独立的MOS元

10、就会形成众多相互独立的势阱。若照射在这些光敏元上是一幅明暗不同的图像,那么这些光敏元就会感生出一幅光照强度相应的光生电荷图像,一幅光图像就转变成了电图像。 为了读出存放在CCD中的电图像,在顺序排列的电极上施加交替变化的三相时钟脉冲驱动电压。,CCD电荷转移工作原理,3.电荷的注入 CCD中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。 CCD用作光学图像传感器时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入。光注入方式又可分为正面照射式和背面照射式。 当CCD用作信号处理或存贮器件时，电荷采用电注入方式，即CCD通过输入结构对信号电压或电流采样，并转换为信号电荷。常用的输入结构为二极管或几个控制输入栅

11、来实现电输入。,4. 电荷的检测（输出方式 ） CCD的输出结构的作用是将信号电荷转换为电流或电压的输出。目前，CCD的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出，通常采用的是浮置栅放大器输出法。浮置扩散输出法的原理如图所示。,输出机构包括输出栅 、输出反偏二极管D、复位管T1 和输出放大器T2组成。,每检测一个电荷包，在输出端就得到一个负脉冲，其幅度正比于信号电荷包的大小。不同信号电荷包的大小转换为信号对脉冲幅度的调制，即CCD输出调幅信号脉冲列。,+,导通,反偏,Ucc,复位电平,CCD输出信号具有以下几个特点： 1.每个像元输出的信号浮置在一个正的直流电平（约78V）上

12、，信号电平在几十至几百mV范围内变化，呈单极性负向变化。 2.输出信号随时间轴，按离散形式出现，每个电荷包对应着一个像元，中间由复位电平隔离，要准确检测出像元信号，必须清除复位脉冲干扰。 3.输出信号US与CCD输出的电荷量Q成正比，与输出结电容CS成反比 故放大器输出信号电压为 4.禁止CCD输出端对地短路。 综上所述，CCD图像传感器既具有光电转换功能，又具有信号电荷的存贮、转移和检测功能，它能把一幅空间域分布的光学图像变换成为一列按时间域分布的离散的电信号“图像”。,11.1.2 线阵与面阵CCD图像传感器 电荷耦合图像传感器从结构讲可以分为两类，一类是用于获取线图像的，称为线阵CCD；

13、线阵CCD目前主要用于产品外部尺寸非接触检测、产品表面质量评定、传真和光学文字识别技术等方面；另一类用于获取面图像，称为面阵CCD；面阵CCD主要应用于摄像领域。,1.线阵CCD图像传感器 对于线阵CCD，它可以直接接收一维光信息，为了得到整个二维图像的输出，就必须用扫描的方法来实现。 线阵CCD传感器由光敏区、转移栅、模拟移位寄存器、偏置电荷电路、输出栅和信号读出（检测）电路等几部分组成。线阵CCD图像传感器有两种基本形式，即单沟道线阵CCD图像传感器和双沟道线阵图像传感器。,（1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中，光像变为电像电荷包。（光积分

14、） （2）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器并行输出。 （3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。,转移栅关闭时，光敏单元势阱收集光信号电荷，经过一定的积分时间，形成与空间分布的光强信号对应的信号电荷图像。积分周期结束时，转移栅打开，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器的相应单元中。转移栅关闭后，光敏单元开始对下一行图像信号进行积分。而已转移到移位寄存器内的上一行信号电荷，通过移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。,2.面阵CCD图像传感器 面阵CCD图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。由

15、于传输与读出方式不同，面阵图像传感器有许多类型，常见的传输方式有行传输、帧传输和行间传输三种。,1）行传输（LT）面阵CCD 行传输（LT）面阵CCD的结构如图所示，它由选址电路、感光区、输出寄存器（即普通结构的CCD）组成。,当感光区光积分结束后，由行选址电路分别一行行地将信号电荷通过输出寄存器转移到输出端。这种结构的缺点是需要选址电路，结构较复杂，且在电荷转移过程中，光积分还在进行，会产生“拖影”。,2） 帧传输（FT）面阵CCD,帧传输（FT）面阵CCD的结构如右图所示，它是由感光区、暂存区、输出寄存器组成。感光区和暂存区分开，感光区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期结束后

16、，利用时钟脉冲将整帧信号转移到暂存区。然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出。这种结构时钟电路简单，拖影问题比行传输小。,3）行间传输图像传感器 行间传输图像传感器结构如下图所示，其特点是感光区和暂存区行与行相间排列，即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。其优点是不存在拖影问题，但这种结构不适宜光从背面照射。,11.1.3 CCD图像传感器的特性

17、参数,一、光电转换特性 如下图所示，X轴表示曝光量，Y轴表示输出信号幅值，QSAT表示饱和输出电荷，QDARK表示暗电荷输出，ES表示饱和曝光量。,QSAT,Y,QDARK,ES,由图可见，输出电荷和曝光量之间有一线性工作区， QDARK为无光照时CCD的输出电荷，称为暗输出电荷。特性曲线的拐点 G所对应的曝光量ES称为饱和曝光量，所对应的输出电荷QSAT称为饱和输出电荷。曝光量高于ES后，CCD输出信号不再增加，可见，CCD图像传感器在非饱和区的光电转换特性接近于线性，因此，应将CCD的工作状态控制在非饱和区。,二、灵敏度,图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，

18、即,实际上，上图曲线的斜率就是器件的灵敏度，即,SQSAT/ES,三、光谱响应特性,CCD图像传感器具有很宽的感光光谱范围，其感光光谱可延伸至红外区域，利用此特性，可以在夜间无可见光照明的情况下，用辅助红外光源照明，也能使CCD图像传感器清晰地成像。 CCD的光谱响应范围 CCD器件的光谱响应范围宽于人眼的视觉范围，一般在0.21.1m的波长范围内。特种材料的红外CCD 的波长响应可扩展到几微米，即CCD 的光谱响应范围从远紫外，近紫外，可见光到近红外区，甚至到中红外区。 人眼的视觉范围 光波的波长范围从几纳米到1 mm，即10-9 10-3m，而人眼的感光范围只在0.380.78 m的范围。

19、,四、暗电流,暗电流起因于热激发产生的电子空穴对，是缺陷产生的主要原因。暗电流的大小与温度的关系极为密切，温度每降低100度，暗电流约减少一半。 CCD器件暗电流越小越好。,五、分辨率,CCD图象传感器的分辨率表示能够分辨图像中明暗细节的能力,通常用极限分辨率和调制传递函数MTF来表征。 极限分辨率fm 极限分辨率fm 是指人眼能够分辨的最细线条数，通常用每毫米线对数来表示（一黑一白线条为一线对）。CCD是离散采样器件，根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0的一半，即 如果某一方向上的像元间距为，则该方向上的空间采样频率为1/（线对/mm）。,五、分辨率,

20、调制传递函数MTF 当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调制转移函数MTF。可表示为输出调制度Mout与输入调制度Min之比。,六、转移效率 当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，则转移效率定义为,若转移损耗定义为,则电荷进行N次转移时，总转移效率为,要求转移效率必须达到99.9999.999%,七、信噪比 表示在图像信号中包含噪声成分的指标。在显示的图像中，表现为不规则的闪烁细点。噪声颗粒越小越好。信噪比的数值以分贝（DB）表示。,11.2 其它类型的图像传感器,11.2.1 电荷注入器件（ CID ）

21、CID是一种电荷注入器件（Charge-Injected Device），其基本结构与CCD相似，也是一种MOS结构，当栅极上加上电压时，表面形成少数载流子（电子）的势阱，入射光子在势阱邻近被吸收时，产生的电子被收集在势阱里，其积分过程与CCD一样。,11.2 其它类型的图像传感器,CID与CCD的主要区别在于读出过程，在CCD中，信号电荷必须经过转移，才能读出，信号一经读取即刻消失。而在CID中，信号电荷不用转移，是直接注入体内形成电流来读出的。即每当积分结束时，去掉栅极上的电压，存贮在势阱中的电荷少数载流子（电子）被注入到体内，从而在外电路中引起信号电流，这种读出方式称为非破坏性读取（No

22、n-Destructive Read Out）,简称：NDRO。CID的NDRO特性使它具有优化指定波长处的信噪比（S/N）的功能。 同时CID可寻址到任意一个或一组象素，因此可获得如“相板”一样的所有元素谱线信息。,下图为MOS单通道线型固态图像传感器的结构示意图，由感光区和传输区两部分组成，感光区由一列光敏单元组成，传输区由转移栅及一列移位寄存器组成。光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏二极管中，接通转移栅后，信号电荷流入传输区，传输区是遮光的，以防因光生噪声电荷干扰导致的图像模糊。,11.2.2 MOS图像传感器 MOS图像传感器又称自扫描光电二极管阵列（Self Scanned Pho

23、todiode Array，简称SSPA）。,11.3 固态图像传感器的应用 固态图像传感器的应用主要在以下几方面： 1.计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺陷的非接触在线检测、距离测定等。 2.光学信息处理：光学文字识别、标记识别、图形识别、传真、摄像等。 3.生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、自动搬运机、监视装置等。 4.军事应用：导航、跟踪、侦查（带摄像机的无人驾驶飞机、卫星侦查）。,1.尺寸自动检测 对于尺寸较小的物体目标（230mm），可以采用平行光成像法，如下图所示。 不难看出，此种测试方法的精度取决于平行光的准直程度和CCD像元尺寸的大小。当然，平行光源要作得十

24、分理想是有一定困难的，且随准直度的提高成本增加，光源的体积也要加大。在实际应用中常常通过计算机处理，对测量值进行修正，以使测量结果更接近于实际，这在一定程度上降低了对光源的苛求。,对于较大的尺寸测量，可采用光学成像方法。在前面或背面光照射下，被测物经透镜在CCD上成像，像尺寸与被测尺寸成正比。设 T为像尺寸，K为比例系数，则被测尺寸S可用下式表示 式中 K表示每个像元所代表的物方尺寸，它与光学系统的放大倍率、CCD工作频率和像元尺寸等因素有关； T对应于像尺寸的脉宽,当以像元时钟对像尺寸T的宽度进行计数时，其计数值表示像尺寸所占的像元数，因而可得 式中 N 计数脉冲即像元数； T0 像元时钟周期，当知道N和T0值时，则可求得T，代入式即可得到被测物尺寸，K值的大小可通过系