光电子技术课件 固体摄像器件第五章-1次

6 噪声
• 散粒噪声、转移噪声和热噪声
7 分辨率
• 分辨率是摄像器件最重要的参数之一，它 是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能 力，测试时用专门的测试卡 • 目前国际上一般用ＭＴＦ（调制传递函数） 来表示分辨率 • 像元分辨率
8 动态范围与线性度
光敏元满阱信号 • 动态范围＝ 等效噪声信号
• 线性度是指在动态范围内，输出信号与曝 光量的关系是否成直线关系
一、电荷耦合摄像器件
• 贝尔实验室的W. S. Boyle，G. E. Smith在 探索磁泡器件的电模拟工作中，在1969年 秋构思了电荷耦合器件的原理
• W. S. Boyle, G. E. Smith. Charge coupled semiconductor devices. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 587-593. • G. F. Amelio, M. F. Tompsett, G. E. Smith. Experiment verification of the Charge coupled device concept. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 593-600.
第5章 光电成像系统
光源 光 信 号 传输介质 背 景 噪 声 光 信 号 光学系统 (信号分析器) 背 景 噪 声 光 信 号 光电摄像器件 (信号变换器) 噪 声 信 号 显示器 噪 声 信 号 人眼
物体 (信号源)
光电成像系统的基本组成
• 成像转换过程有四个方面的问题需要研究： • 能量方面——物体、光学系统和接收器的光 度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标 的问题 • 成像特性——能分辨的光信号在空间和时间 方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的 光谱分辨率 • 噪声方面——决定接收到的信号不稳定的程 度或可靠性 • 信息传递速率方面
1 CMOS像素结构
• 无源像素型（PPS） • 有源像素型（APS）
• 无源像素结构
• 无源像素单元具有结构简单、像素填充率 高及量子效率比较高的优点。但是，由于 传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的 读出噪声较高，而且随着像素数目增加， 读出速率加快，读出噪声变得更大。 • 有源像素结构 • 光电二极管型有源像素（PP－APS）
波长/μ m 1 ～3 3 ～5 8～12
300K背景辐射光子通量密度 12 ≈1016 ≈1017 ≈10 ／光子／(cm2·s) 光积分时间（饱和时间） ／μ s 106 ≈10 102 ≈3 10 ≈1
对比度（300K背景） ／（％）
• 通常光子密度高于1013／cm2s的背景称为 高背景条件，因此3～5μm或8～12μm波段 的室温背景为高背景条件。 • 辐射对比度——背景温度变化1K所引起光 子通量变化与整个光子通量的比值，它随 波长增长而减小。 • IRFPA工作条件：高背景、低对比度
• 本征单片式IRFPA • 将红外光敏部分与转移部分同作在一块窄 禁带宽度的本征半导体材料上。目前受重 视的材料是HgCdTe • 量子效率较高。 • 转移效率低（η＝0.9） • 响应均匀性差 • 窄禁带材料的隧道效应限制了外加电压的 幅度，表面势不大，存储容量较小
• 肖特基势垒单片式IRFPA • 基于肖特基势垒的光电子发射效应，在同 一硅衬底上制作可响应红外辐射的肖特基 势垒阵列及信号转移部分。目前受重视的 材料是PtSi • 光激发过程取决于金属中的吸收，响应度 均匀性较好 • 采用的硅衬底可制成高性能的CCD转移机 构 • 量子效率比较低，需要制冷
2 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
256×256
128×128
• 积分 • 空间积分 • 时间积分
1. IRFPA的工作条件
• IRFPA通常工作于1～3μm、3～5μm和 8～12μm的红外波段并多数探测300K背景 中的目标 • 典型的红外成像条件是在300K背景中探测 温度变化为0.1K的目标 • 随波长的变长，背景辐射的光子密度增加
用普朗克定律计算的各个红外波段300K背景 的光谱辐射光子密度
图像传感器尺寸
CCD尺寸(inch) 1/4 对角线(mm) 4.5 宽×高(mm) 3.6×2.7
1/3
1/2 1/1.8
6
8 8.9
4.8×3.6
6.4×3.6 7.2×5.3
2/3
1 4/3
11
16 22.5
8.8×6.6
12.8×9.6 18×13.5
三、CMOS摄像器件
• 采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、 驱动和控制电路、信号处理电路、模／数 转换器、全数字接口电路等完全集成在一 起，可以实现单芯片成像系统 ——Camera-On-A-Chip
• 定义光敏元响应的均方根偏差对平均响应 的比值为CCD的不均匀度 ：
1 Vo 1 N
2 ( V V ) on o n 1 N
1 Vo N
V
n 1
N
on
Von —— 第n 个光敏元原始响应的等效电压
Vo —— 平均原始响应等效电压
N —— 线列CCD的总位数
Von
• 紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器可 用来存储和转移电荷，按适当的次序对这 些电极加上脉冲，它们就会产生携带一包 一包少数载流子的运动势阱 • 他们首先提出的一种器件结构是采用相同的 电极和三相时钟系统，为隔离各个电荷包， 最少需要三相时钟
• 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
3. IRFPA的结构
• IRFPA由红外光敏部分和信号处理部分组 成 • 红外光敏部分——材料的红外光谱响应 • 信号处理部分——有利于电荷的存储与转 移 • 目前没有能同时很好地满足二者要求的材 料——IRFPA结构多样性
• 单片式IRFPA • 单片式IRFPA主要有三种类型 • 非本征硅单片式IRFPA • 要求制冷，工作于8～14μm的器件要制冷 到15～30K，工作于3～5μm波段的器件要 制冷到40～65K； • 量子效率低，通常为5%～30%； • 由于掺杂浓度的不均匀，使器件的响应度 均匀性较差
2 IRFPA的分类
• 按照结构可分为单片式和混合式 • 按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝
视型
• 按照读出电路可分为CCD、MOSFET和 CID等类型 • 按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型
• 按照响应波段与材料可分为 • 1～3μm波段 代表材料HgCdTe—碲镉汞 • 3～5μm波段 代表材料HgCdTe、InSb—锑化铟、 PtSi—硅化铂 • 8～12μm 波段 代表材料HgCdTe
Eric R. Fossum. CMOS Image Sensors: Electronic Camera-OnA -Chip. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONIC DEVICES, 1997, 44(10): 1689-1698
四、红外焦平面器件
• 红外焦平面器件（Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA）
• 大多数中低性能的应用
• 光栅型有源像素结构（PG－APS） • 成像质量较高
• CMOS有源像素传感器的功耗比较小。但 与无源像素结构相比，有源像素结构的填 充系数小，其设计填充系数典型值为20%30%。在CMOS上制作微透镜阵列，可以 等效提高填充系数。
2 CMOS摄像器件的总体结构
• 外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行 选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像 素单元，行像素内的信号电荷通过各自所 在列的信号总线传输到对应的模拟信号处 理器(ASP)及A/D变换器，转换成相应的数 字图像信号输出。行选通单元可以对像素 阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。隔行扫 描可以提高图像的场频，但会降低图像的 清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单 元配合，可以实现图像的窗口提取功能， 读出感兴趣窗口内像元的图像信息
3 CMOS与CCD器件的比较
• CCD摄像器件 • 灵敏度高、噪声低、像素面积小 • 难与驱动电路及信号处理电路单片集成， 需要使用相对高的工作电压，制造成本比 较高
• CMOS摄像器件 • 集成能力强、体积小、工作电压单一、功 耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低 • 需进一步提高器件的信噪比和灵敏度
Vn

np
P是CCD的相数
3 暗电流
• CCD成像器件在既无光注入又无电注入情 况下的输出信号称暗信号，即暗电流 • 暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中 心的热激发 • 由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素 的影响，CCD中暗电流密度的分布是不均 匀的
• 暗电流的危害有两个方面： • 限制器件的低频限 • 引起固定图像噪声
4 灵敏度（响应度）
• 在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信 号电压（电流）
5 光谱响应
• CCD的光谱响应是指等能量相对光谱响应， 最大响应值归一化为100%所对应的波长， 称峰值波长，通常将10%（或更低）的响 应点所对应的波长称截止波长。有长波端 的截止波长与短波端的截止波长，两截止 波长之间所包括的波长范围称光谱响应范 围。
成像特性、噪声——信息传递问题，决定能 被传递的信息量大小 • 光电成像器件是光电成像系统的核心
§1 固体摄像器件
• 固体摄像器件的功能：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，而视频信号能再现 入射的光辐射图像