第八章 光电图像传感器

输出形成图像信号 或视频信号
8.1.2 图像传感器基本技术参数
光学成像物镜

焦距 相对孔径 视场角
光电成像器件

扫描速率 分辨率
1. 光学成像物镜的主要参数
（1）成像物镜的焦距 f ' 决定被摄景物成在光电成像器件上像的大小，在物距相同的情
况下焦距越长，所成像的尺寸越大。
（2）相对孔径
TH
Tyz 场扫描速度：传感器在垂直方向的像敏单元 行数与场扫描时间之比。
yz

（2）分辨率
光机扫描方式的图像传感器 水平方向的分辨率：与机械扫描长度A与光电传感器 在水平方向的长度a有关 A

a
最终成像的水平分辨率还与成像物镜的水平分辨率
有关。 垂直分辨率与光电传感器在垂直方向的长度b、扫描 行数及行间距有关。

8.3.2 电注入
电注入：以电流或电压的方式向CCD势阱中注 入信号电荷。 (1) 电流注入法 (2) 电压注入法

N+扩散区和P型衬 底构成注入二极管

IG为输入栅极，加适 当正偏电压使栅极下 的势阱保持一定深度

注入原理：N+区为源，CR2为漏，在栅极IG电压的 控制下ID下方势阱中的电荷通过IG进入到CR2下方 的势阱中。
8.2 CCD的电荷存储和电荷耦合
CCD (Charge Coupled Device) 电荷耦合器件

CCD器件不同于其他光电器件的突出特点：以电荷 作为信号，即信息用电荷量(称为电荷包)代表，而 其他器件则都是以电压或电流作为信号的。

广泛用于影像传感、数字存储和信息处理等三个领 域，其中最重要的应用是作为固态摄像器件，其次 是作为存储器件。
8.3.3 电荷的检测(输出方式)
电源UD、电阻R、衬底P和N+区构成输出二极管的反向偏置 电路，输出电流Id与注入到二极管中的电荷量QS成线性关系： Qs=Iddt
由于Id的存在，使A点电位下降。可以检测A点电位来检测 注入到输出二极管中的电荷Qs。
检测二极管
来自百度文库章重点

CCD 的 工 作 过 程 ， 即 电 荷 的 产 生 （注入）、存储、转移（耦合）、 检测（输出）
CCD (Charge Coupled Devices) 电荷耦合器件

特点：以电荷为信号载体； 基本工作过程：信号电荷的产生、存储、转移、 检测


应用：CCD光电图像传感器
构成CCD的基本单元：MOS结构
两种类型：表面沟道CCD、体沟道CCD
CCD器件成像的基本原理
结构：CCD器件的感光部分由MOS结构的二 维阵列组成。 当具有不同明暗信息的图像信号入射到该阵 列时，每个感光单元（MOS结构）会存储入 射到该单元的光流量（MOS结构利用深耗尽 状态下形成的深势阱来存储光生载流子）。 整个二维阵列将入射图像转换成一个具有有 限像素的电荷图像。
描和场扫描。
景物 成像物镜 摄像管靶面：靶面电位、电阻分 布存储光强分布 电子束 图像显示器： 还原景物图像 视频信号

3. 固体自扫描图像传感器
20世纪70年代发展起来的新型图像传感器件，如 面阵CCD器件、CMOS图像传感器件等。
成像物镜 景物
光敏面 光学图像
电荷密度分布 电荷图像 驱动脉冲
图像显示器： 还原景物图像
Neo:入射光的光子流速率；A:光敏单元的受光面 积；tc:光的注入时间。
分析：CCD确定后，η、q、A为常数，tc由驱动器转移 脉冲的周期决定，若保证注入时间稳定不变，则Qin仅 与Neo 成正比。又
N eo
e ,
h
故此时光注入的电荷量与入射的光谱辐射通量成线性 关系。——应用CCD检测光谱强度和进行多通道光谱 分析的理论基础。

1 CCD的电荷存储
CCD的基本单元：MOS（金属-氧化物-半导体）结构
（a）栅极G施加电压UG 之前，P型半导体中的空穴
（多数载流子）分布是均匀的。
（b）栅极电压UG≤P型半导体的阈值电压Uth，P型半
导体中的空穴将开始被排斥，并在半导体中产生如
图所示耗尽区。
（C）UG 继续增加，耗尽区将向半导体体内延伸，
第八章
光电图像传感器
引言
景物 成像物镜
像面：二维空间的光强分布图像
图像传感器
图像显示器： 还原景物图像
一维时序电信号
放大和 同步控制
图像传感器的作用：将二维空间的光强分布转变成一维时 序电信号；

图像传感器与图像显示器之间的信号传输与接收都要遵守 一定的规则，这个规则被称为制式或电视制式。

按电视制式输出的一维时序信号又被称为视频信号。
（2）多元光机扫描方式 采用多个光电传感器，并将其排列成一行，构成 线阵列光电传感器扫描图像的光机扫描方式。机械扫 描只需要进行 y 方向的一维扫描便可以将整幅图像转 换成视频信号输出。

2. 电子束扫描图像传感器
电真空摄像管，真空视像管，以及红外成像系
统中的热释电摄像管等。
电子束在摄像管偏转线圈的作用下，进行行扫
hz 行扫描速率：读取一行光敏单元所需的
时间与一行内光敏单元数 N hz 场扫描速率：光学图像在垂直方向的
尺寸和行正程时间
A Txz
尺寸和场正程时间 B yz 场扫描速率：光学图像在垂直方向的尺 水平扫描速度：传感器水平行的像敏单元数 Tyz 寸和场正程时间 B 与行扫描时间之比；
D f'
相对孔径的大小决定了物镜的分辨率、像面照度和成像物镜成 像质量。 （3）视场角 2
决定能在光电图像传感器上成良好像的空间范围，成像物镜所 成的景物图像要大于图像传感器的有效面积。
2. 光电成像器件有关的参数
（1）扫描速率
单元光机扫描方式 多元光机扫描方式 固体自扫描图像 传感器
行扫描速率：光学图像在水平方向的
UG>Uth后，耗尽区的深度与UG成正比。
电荷存储：电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到半
导体与氧化层的 交界面处，因为那里的势能最低。
2
CCD的电荷耦合



（a）：电极①为高电平10V，仅在第1个电极下面的深势 阱里存有电荷，其它电极上所加的电压低于阈值（例如 2V）； （b）：第1个电极仍保持为10V，第2个电极上的电压由 2V变为10V，由于① ②两个电极靠得很近（间隔小于 3μm），两个势阱将合并在一起，原来在① 电极下的电 荷变为两个电极下联合起来的势阱所共有； （c）：形成从图（b）到（c）过渡； （d）： ① 电极上的电压由10V变为2V， ② 电极上的电 压仍为10V，则共有的电荷将逐渐转移到② 电极下面的势 阱中，形成图（e）所示状况。 通过按一定规律变化（三相交叠规律）的电压加到 CCD的各个电极上，电极下的电荷包以及深势阱就能沿 半导体表面按一定的方向移动。
8.3 电荷的注入和检测
8.3.1光注入
当 光 照 射 到 CCD 硅 片 上时，在栅极附近的半
导体体内将产生本征吸
收，生成电子-空穴对， 多子被栅极电压排斥， 少子被收集在势阱中形 成信号电荷，构成光电
子注入方式。
光注入的电荷：Qin=ηqNeoAtc η:材料的量子效率；q:电子电荷量；
8.1 图像传感器的基本原理
8.1.1 图像传感器的基本结构
三种类型的光电图像传感器：
光机扫描型图像传感器：光电传感器与机
械扫描装置相配合
电子束扫描图像传感器 固体自扫描图像传感器
1. 光机扫描式图像传感器
（1）单元光电传感器的扫描方式 行扫描：机械扫描机构带动单元光电传感器的光敏面 在光学图像的像面沿水平方向（x方向）做高速往返 运动。 场扫描：在垂直方向 （y方向）做较低速度 的往返运动。