第13章 ??固态图像传感器 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间 亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的 壁厚像。 成像物镜的放大倍率为β，CCD相元尺寸为t， 上壁厚、下壁厚分别为n1、n2 ，外径尺寸的脉冲 数（即像元个数）为N，测量结果有：      n1-上壁厚 n2-下壁厚 D-外径尺寸。  第13章 ??固态图像传感器 线阵CCD进行工件尺寸测量 实例2：  * 我国也能生产多到2000单元以上的线型图像传感器，国际水平达5732个单元。 线型图像传感器只能用于一维检测系统，为了能传送平面图像信息，必须增加自动扫描机构，或者直接使用面型CCD图像传感器。 第13章 ??固态图像传感器 图像传感器：利用光电器件的光－电转换功能，将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号“图像”的一种功能器件， 固态图像传感器：在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能化的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像点”。 特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC7～12V）、 功耗小。 该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型 化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农 业、军用等各个领域。 第13章 ??固态图像传感器 第13章 ??固态图像传感器 固态图像传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。 第13章 ??固态图像传感器 敏感元件主要有三大类：    电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD）    互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）    电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即CID）          第13章 ??固态图像传感器   CCD基本结构分两部分： MOS（金属—氧化物—半导体）   光敏元阵列）。电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。 读出移位寄存器。     13.1 电荷耦合器件（CCD） 1.CCD基本结构 CCD结构示意图  显微镜下的MOS元表面 *       电荷耦合器件（CCD）特点——以电荷作为信号。       CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移。          CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。  *        一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。 1.CCD工作原理 (1)MOS的结构 第13章 ??固态图像传感器 2.CCD工作原理 (2)电荷存储原理：    当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生 电子—空穴对，空穴被电 场作用排斥出耗尽区，而 电子被附近势阱（俘获）， 此时势阱内吸的光子数与 光强度成正比。 一个MOS光敏元结构  第13章 ??固态图像传感器  一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素； 把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；  CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元， 每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；  如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。 2.CCD工作原理 (2)电荷存储原理： 265×180 133×90 66×45 33×22 分辨率（MOS元多少）不同的图象比较 第13章 ??固态图像传感器 2.CCD工作原理 (3)电荷转移原理（读出移位寄存器）  光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，CCD电荷    耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。  读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。 由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；  在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲Φ1Φ2Φ3。  第13章 ??固态图像传感器 2.CCD工作原理 电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。见图  P1    P1   P2    P2   P3    P3   P1    P1    P2    P3    P3   P1    P1   P2    P2    P3    P3  P1  P1  P2  P2  P3  P3  (a)  Ф1  Ф2  Ф3 t0 t1  t2  t3  t  Ф  (b)  电荷转移过程 t=t0 t=t1 t=t2 t=t3 0 三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。 CCD电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图(b)采用电注入方式。   P1   P2  当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）； 当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）； 当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中（t=t2）。 然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势阱（t=t3），以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。 随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。  P1   P2    P2   P3    P3   P1    P1    P2    P3    P3  t=t0 t=t1  P1    P1   P2    P2    P3    P3  P1  P1  P2  P2  P3  P3  t=t2 t=t3  P2    P1  （4）光信号的注入         CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传来的光信号，即采用光注入CCD。      当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。 光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。 第13章 ??固态图像传感器 CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种。 以电压输出型为例：  有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA）。浮置栅放大器（FGA）应用最广。 (5)信号输出方式 第13章 ??固态图像传感器 CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述 内部参数：描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据； 外部参数：描述的是与CCD应用有关的性能指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率等。      3.CCD的特性参数 *     3.CC
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