第6章 光电成像系统..

背 景 噪 声
背 景 噪 声
光电成像系统的基本组成
电荷耦合器件的基本结构
演示
构成CCD的基本单元是 MOS(金属-氧化物-半导 体)电容器
电荷耦合器件（CCD）与其他器件相比，最突出的特点是以电荷为信号。 CCD的基本功能是电荷的存储和转移，CCD的工作过程就是电荷的产生、存储、 传输和检测的过程。
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DOS 2
光电 .... 二极管
转移栅 1 CCD 移位寄存器 1
22 SS
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
(2) 面阵CCD
常见的面阵CCD摄像器件有两种：行间转移结构与帧转移结构。 行间转移结构采用光敏区与转移 区相间排列方式，相当于将若干个单 沟道传输的线阵CCD图像传感器按垂 直方向并排，再在垂直阵列的尽头设 置一条水平CCD，水平CCD的每一位与 垂直列CCD一一对应、相互衔接。在 器件工作时，每当水平CCD驱动一行 信息读完，就进入行消隐，在行消隐 期间，垂直CCD向上传输一次，即向 水平CCD转移一行信号电荷，然后， 水平CCD又开始新的一行信号读出， 以此循环，直至将整个一场信号读完， 进入场消隐。在场消隐期间，又将新 的一场光信号电荷从光敏区转移到各 自对应的垂直CCD中。然后，又开始 新一场信号的逐行读出。
(3) 电荷转移 两相CCD结构及电荷转移
图示为“阶梯氧化层”两相结构。每一相电极下的绝缘层为阶梯状，由此 形成的势阱也为阶梯状。 在t1时刻…… 在t2时刻…… 在t3时刻……
表面沟道器件，SCCD(Surface Channel CCD) 体内沟道器件，BCCD(Bulk or Buried Channel CCD)
(a)单沟道传输结构
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
(1) 线阵CCD
线阵CCD分为双沟道传输与单沟道传输两种结构，两种结构的工作原理相仿，但 性能略有差别。 双沟道传输结构光敏单元在中间，其奇偶单元的信号电荷分别传送到上、下两列 移位寄存器后串行输出，最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。这种方案的优点 是光敏单元有较高的封装密度，转移次数减少一半，可提高转移效率，改善图像传感 器性能。
1. 电荷耦合器件的基本原理
(3) 电荷转移 三相CCD结构及电荷转移
演示
在t1时刻，1高电位， 2 、3低电位。此时1电极下的表面势最大，势 阱最深。假设此时己有信号电荷（电子）注入．则电荷就被存储在1电极下的 势阱中。 在t2时刻…… 在t3时刻…… 在t4时刻……
1. 电荷耦合器件的基本原理
两相时钟波形 电荷包的转移过程
1. 电荷耦合器件的基本原理
(4) 电荷检测
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
及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构应用最广泛。
“浮置扩散输出”原理结构: 输出结构包括输出栅OG、浮置扩散区FD、复 位栅R、复位漏RD以及输出场效应管T等。 当扩散区不被偏置，即处于浮置状态工作时，称作“浮置扩散区”。
1. 电荷耦合器件的基本原理
(1) 电荷产生
光辐射
1. 电荷耦合器件的基本原理
(2) 电荷存储
构成CCD的基本单元是MOS电容器，MOS电容器能够存储电荷。
表面势 开启电压 耗尽层 深度耗尽状态
1. 电荷耦合器件的基本原理
(2) 电荷存储
表面势 势阱
1. 电荷耦合器件的基本原理
(2) 电荷存储
第5章 光电成像系统
本章内容 • 电荷耦合摄像器件(CCD器件)
• CCD器件的性能参数
• CCD器件的应用
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• 电荷耦合摄像器件(CCD器件)
光源
光 信 号 传输介质
光 信 号 光学系统 (信号分析器)
光 信 号 光电摄像器件 (信号变换器)
信 号 显示器 噪 声
信 号 人眼 噪 声
物体 (信号源)
电荷耦合器件有多种分类方法：
按结构分线阵CCD和面阵CCD； 按光谱分为可见光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
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
(1) 线阵CCD
演示
线阵CCD分为双沟道传输与单沟道传输两种结构，两种结构的工作原理相仿，但 性能略有差别。 单沟道传输用于低位数CCD传感器。它的光敏单元与CCD移位寄存器SR分开，用转 移栅控制光生信号电荷向移位寄存器转移，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形。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 SR的响应单元内。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。
演示
势阱的功能：存储信号电荷 暗电流 电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。
1. 电荷耦合器件的基本原理
(3) 电荷转移 完成电荷转移的CCD主要有两类结构形式：三相CCD结构和两相CCD结构 典型的三相CCD结构,三相CCD是由每三个栅为一组的间隔紧密的MOS结构组 成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲； 三相时钟脉冲的波形
所谓“浮置扩散”’是指在p型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的n区域，
1. 电荷耦合器件的基本原理
(4) 电荷检测
电荷包输出过程： t1时刻 FD区电位变化量：VA t2时刻 t3时刻 t4时刻 t5时刻
QFD C
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
将CCD电荷存储、电荷转移的概念与半导体的光电性质相结合，导致了 CCD 摄像器件的出现。
演示
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
(2) 面阵CCD
演示
帧转移结构由三部对组成；光敏区、 存储区、水平读出区。这三部分都是CCD结 构，在存储区及水平区上面均由铝层涵盖， 以实现光屏蔽；光敏区与存储区CCD的列数 及位数均相同，而且每一列是相互衔接的。 不同之处是光敏区面积略大于存储区，当 光积分时间到后．时钟A与B均以同一速度 快速驱动．将光敏区的一场信息转移到存 储区。然后，光敏区重新开始另一场的积 分；时钟A停止驱动，一相停在高电平，另 一相停在低电平。同时，转移到存储区的 光信号逐行向wk.baidu.com平CCD转移，再由水平CCD 快速读出。光信号由存储区到水平CCD的转 移过程与行间转移面阵CCD相同。
(b)双沟道传输结构
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
(1) 线阵CCD
F1 6 OD 3 信号 输出 缓冲级 D13 D14 补偿 输出 缓冲级 D15
F2 19
OS
1
CCD移位寄存器 2 转移栅 2 D62 D63 S1 S2 S3 D73 D74
21 SH S2158 S2159 S2160 D64 ...