第6章-光电成像系统PPT推荐.ppt
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,6.1光电成像概述,6.2固体摄像器件分类及性能,固体摄像器件的功能:
光学图像电信号把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息(可见光、红外辐射等),转换为按时序串行输出的电信号视频信号。
其视频信号能再现入射的光辐射图像。
固体摄像器件主要有三大类:
电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,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(ChargeInjenctionDevice,即CID)目前,前两种用得较多,我们这里主要分析CCD一种。
6.2固体摄像器件分类及性能,CCD图像传感器的优势,具有固体器件所有优点;
自扫描输出方式消除了电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真,体积、重量、功耗和制造成本是电子束摄像管无法达到的。
CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为广泛应用图像传感器的新时代。
6.2固体摄像器件分类及性能,Fig.1贝尔实验室GeorgeSmith和WillardBoyle将可视电话和半导体存储技术结合发明了CCD原型,2009年诺贝尔奖物理学奖得主,6.2固体摄像器件分类及性能,瑞典皇家科学院6日宣布,美国科学家威拉德博伊尔和乔治史密斯因发明电荷耦合器件(CCD)图像传感器而与“光纤之父”高锟一同获得2009年诺贝尔物理学奖。
评委会赞扬博伊尔与史密斯1969年第一次成功地发明了数字成像技术,工作于贝尔实验室的他们设计了一种影像传感器,可以将光在短时间内转化为像素,为摄影技术带来“革命化”变革。
“没有CCD,数码相机的发展将更为缓慢。
没有CCD,我们就不会看到哈勃太空望远镜拍摄的令人诧异的图片,也不会看到我们的邻居火星上的红色沙漠图像。
”评委会说。
12,6.2固体摄像器件分类及性能,1969年,由美国的贝尔研究室所开发出来的。
同年,日本的SONY公司也开始研究CCD。
1973年1月,SONY中研所发表第一个以96个图素并以线性感知的二次元影像传感器8H*8V(64图素)FT方式三相CCD。
1974年6月,彩色影像用的FT方式32H*64VCCD研究成功了。
1976年8月,完成实验室第一支摄影机的开发。
1980年,SONY发表全世界第一个商品化的CCD摄影机(编号XC-1)。
1981年,发表了28万个图素的CCD(电子式稳定摄影机MABIKA)。
1983年,19万个图素的IT方式CCD量产成功。
1984年,发表了低污点高分辨率的CCD。
1987年,1/2inch25万图素的CCD,在市面上销售。
同年,发表2/3inch38万图素的CCD,且在市面上销售。
1990年7月,诞生了全世界第一台V8。
CCD发展史,6.2固体摄像器件分类及性能,6.2.1电荷耦合摄像器件,CCD(ChargeCoupledDevice),是70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。
30多年来,CCD技术已广泛的应用于信号处理、数字存储及影像传感等领域。
其中,CCD技术在影像传感中的应用最为广泛,已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的领域之一。
CCD的特点:
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。
6.2.1电荷耦合摄像器件,1、CCD的基本结构:
(1)输入部分:
输入二极管(ID/Inputdiaode)、输入栅(IG/InputGrid),一、电荷耦合器件的基本原理,
(2)MOS结构部分:
a.以P型或N型硅半导体为衬底。
(本文以P型硅为例)b.在衬底上生长一层厚度为零点几个微米的二氧化硅层。
6.2.1电荷耦合摄像器件,c.然后按一定的次序沉淀N个金属电极或多晶硅电极,作为栅极。
(栅极间的间距为2.5个微米,中心距离为15-20个微米)于是,每个电极与其下方的二氧化硅和半导体之间就构成了一个金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构,即MOS结构。
6.2.1电荷耦合摄像器件,(3)输出部分:
将电荷信号转换为电压或电流信号输出栅(OG/Outputdiaode)输出二极管(OD/OutputGrid),6.2.1电荷耦合摄像器件,图6.3CCD的结构简图,6.2.1电荷耦合摄像器件,)的输入部分()电注入:
当用于信息存储或信息处理时,通过输入端注入与信号成正比的电荷。
有两种方式,电流注入法和电压注入法。
如图.()所示为电流注入法结构,如图.()所示为电压注入法结构。
6.2.1电荷耦合摄像器件,()光注入:
当用于拍摄光学图像时,把按照照度分布的光学图像通过光电转换转化为电荷分布,然后由输入部分注入。
相机采用的就是光注入,如图.所示。
6.2.1电荷耦合摄像器件,式中,为材料的量子效率;
为电子电荷量;
为入射光的光子流速率;
为光敏单元的受光面积;
为光的注入时间。
图6.6MOS的基本结构,6.2.1电荷耦合摄像器件,)结构部分电容器是构成的最基本单元,它是金属氧化物半导体()器件中结构最为简单的。
以衬底为型硅构成的电容为例。
在半导体型硅为衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度为的二氧化硅(),再在二氧化硅表面蒸镀一层金属(如铝),在衬底和金属电极间加上偏置电压,就构成了一个电容器。
结构如图.所示。
三、CCD的基本功能包括:
电荷的产生、存储、转移和输出。
1、电荷的产生:
电荷的产生方法主要分为:
光注入和电注入。
(1)电注入:
当CCD用作信息存贮或信息处理时,通过输入端注入与信号成正比的电荷。
(2)光注入:
当CCD用作拍摄光学图像时,把按照照度分布的光学图像通过光电转换成为电荷分布,然后由输入部分注入。
CCD相机就是采用光注入。
6.2.1电荷耦合摄像器件,2、电荷存储,以衬底为P型硅构成的MOS电容为为例。
(1)当向栅极施加一定较小的正向电压时,P型硅中的空穴被排斥,产生耗尽区。
(2)当栅极的正向电压大于半导体的域值电压时,半导体与绝缘体界面上的电势变高,以致于将半导体体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成有一定宽度的可存储电子的势阱。
6.2.1电荷耦合摄像器件,当有电荷注入时,耗尽层的深度将随电荷的增加而减少。
在电子逐渐填充势阱的过程中,势阱中能容纳多少电子,取决于势阱的“深浅”,即表面势的大小。
而表面势的大小又依栅极电压大小而定。
6.2.1电荷耦合摄像器件,当有电荷注入时,耗尽层的深度将随电荷的增加而减小。
而表面势的大小又依栅极电压大小而定,它们的关系曲线如图-所示。
6.2.1电荷耦合摄像器件,图.所示为栅极电压不变的情况下,表面势与反型层电荷密度之间的关系。
由图.可以看出,表面势随反型层电荷密度的增加而线性减小。
依据图.与图.所示的关系曲线,很容易用半导体物理中的“势阱”概念来描述。
电子所以被加有栅极电压的结构吸引到半导体与氧化层的交界面处,是因为那里的势能最低。
在没有反型层电荷时,势阱的“深度”与栅极电压的关系恰如与的关系,如图.()所示空势阱的情况。
6.2.1电荷耦合摄像器件,的工作波长主要由电容器的材料性质决定。
能否产生光生电荷由入射光子能量与半导体禁带宽度的关系决定:
6.2.1电荷耦合摄像器件,式中,为保证产生光生电荷的最长波长,单位为;
为半导体禁带宽度。
3、电荷转移,通过按照一定的时序在电极上施加高低电压,使电荷在相邻的势阱间进行转移。
通常把CCD的电极分为几组,每一组称为一相,并施加同样的时钟脉冲。
按相数可分为:
二相CCD、三相CCD、四相CCD等。
对于单层金属化电极结构,为了保证电荷的定向转移,至少需要三相。
这里以三相表面沟道CCD为例。
6.2.1电荷耦合摄像器件,表面沟道器件,即SCCD(SurfaceChannelCCD)转移沟道在界面的CCD器件。
6.2.1电荷耦合摄像器件,t1:
时钟驱动线1为高电平,由外界注入的信号电荷被存储于1电极下表面的势阱中;
t4:
时钟驱动线1为低电平,时钟驱动线2为高电平,信号电荷被存储于2电极下表面的势阱中从而使信号电荷可控地一位一位地按顺序传输,这就是所谓的电荷藕荷。
6.2.1电荷耦合摄像器件,4、电荷的输出的输出部分由输出栅(,)和输出二极管(,)组成,是指在电荷转移通道的末端,将电荷信号转换为电压或电流信号输出。
电荷输出结构有多种形式,如电流输出结构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构等。
浮置栅输出结构应用最广。
6.2.1电荷耦合摄像器件,()电流输出结构。
如图.所示,由反向偏置二极管收集信号电荷来控制点电位的变化,直流偏置的输出栅极用来使漏扩散和时钟脉冲之间退耦,由于二极管反向偏置,形成一个深陷落信号电荷的势阱,转移到电极下的电荷包越过输出栅极,流入到深势阱中。
6.2.1电荷耦合摄像器件,()浮置扩散放大器输出结构。
如图.所示,复位管在下的势阱未形成前,在端加复位脉冲,使复位管导通,把浮置扩散区剩余电荷抽走,复位到;
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。
6.2.1电荷耦合摄像器件,二、电荷耦合摄像器件的工作原理,CCD的电荷存储、转移的概念+半导体的光电性质CCD摄像器件按结构可分为线阵CCD和面阵CCD按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD,6.2.1电荷耦合摄像器件,
(1)线阵CCD线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构。
6.2.1电荷耦合摄像器件,两种结构的工作原理相仿,但性能稍有差异。
单沟道线阵转移次数多,效率低,只适用于像素单元较少的成像器件。
双沟道线阵转移次数减少一半,它的总转移效率也提高为原来的两倍。
线阵每次扫描一条线,为了得到整个二维图像的视频信号,就必须用扫描的方法实现。
(2)面阵CCD分类:
帧转移CCD和行间转移CCD.目前比较常用的形式是帧转移结构。
光敏区是由光敏阵列构成的,其作用是光电变换和在自扫描正程时间内进行光积分,暂存区是由遮光的构成的,它的位数和光敏区一一对应,其作用是在自扫描逆程时间内,迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移到它里面暂存起来,如图.所示。
6.2.1电荷耦合摄像器件,图.帧转移面阵,然后,光敏区开始进行第二帧的光积分,而暂存区则利用这个时间,将电荷包一次一行地转移给移位寄存器,变为串行信号输出。
当移位寄存器将其中的电荷包输出完了以后,暂存区里的电荷包再向下移动一行给移位寄存器。
当暂存区中的电荷包全部转移完毕后,再进行第二帧转移,如图.所示。
6.2.1电荷耦合摄像器件,帧转移面阵的优点是电极结构简单,感光区面积可以很小。
缺点是需要面积较大的暂存区。
行间转移结构采用了光敏区域转移区相间排列的方式。
它的结构相当于将若干个单沟道传输的线阵图像传感器按垂直方向并排,再在
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