固态图像传感器原理课件

固态图像传感器原理课件
三光谱响应特性 CCD图像传感器具有
很宽的感光光谱范围其感光光谱可延伸至红外区域利用此特性可以在夜间无可
见光照明的情况下用辅助红外光源照明也能使CCD图像传感器清晰地成像 CCD
的光谱响应范围CCD器件的光谱响应范围宽于人眼的视觉范围一般在0211
μm的波长范围内特种材料的红外CCD 的波长响应可扩展到几微米即CCD 的光
谱响应范围从远紫外近紫外可见光到近红外区甚至到中红外区人眼的视觉范
围光波的波长范围从几纳米到1 mm即10-9 10-3m而人眼的感光范围
只在038078 μm的范围四暗电流暗电流起因于热激发产生的电子－
空穴对是缺陷产生的主要原因暗电流的大小与温度的关系极为密切温度每降低100度暗电流约减少一半 CCD器件暗电流越小越好五分辨率
CCD图象传感器的分辨率表示能够分辨图像中明暗细节的能力通常用极限分辨
率和调制传递函数MTF来表征极限分辨率fm 极限分辨率fm 是指人眼
能够分辨的最细线条数通常用每毫米线对数来表示一黑一白线条为一线对CCD
是离散采样器件根据奈奎斯特采样定理定义图像传感器的最高分辨率fm等于它
的空间采样频率f0的一半即如果某一方向上的像元间距为α则该方向上的空间采样频率为1α线对mm 五分辨率调制传递函数MTF 当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时电信号幅度随光像空间频率的变化
为调制转移函数MTF可表示为输出调制度Mout与输入调制度Min之比 t i O
T 六转移效率当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时若Q1为
转移一次后的电荷量Q0为原始电荷则转移效率定义为若转移损耗定义为则电
荷进行N次转移时总转移效率为要求转移效率必须达到9999％－99999 七信噪
比表示在图像信号中包含噪声成分的指标在显示的图像中表现为不规则的
闪烁细点噪声颗粒越小越好信噪比的数值以分贝DB表示 112 其它类型的图像传感器 1121 电荷注入器件 CID CID是一种电荷注入器件Charge-Injected Device其基本结构与CCD相似也是一种MOS结构当栅极上加上电压时表面形成少数载流子电子的势阱入射光子在势阱邻近被吸收时产生的电子被收集在势阱里其积分过程与CCD一样 112 其它类型的图像传感器CID与CCD的主要区别在于读出过程在CCD中信号电荷必须经过转移才能读出信号一经读取即刻消失而在CID中信号电荷不用转移是直接注入体内形成电流来读出的即每当积分结束时去掉栅极上的电压存贮在势阱中的电荷少数载流子电子被注入到体内从而在外电路中引起信号电流这种读出方式称为非破坏性读取Non-Destructive Read Out简称NDROCID的NDRO特性使它具有优化指定波长处的信噪比SN的功能同时CID可寻址到任意一个或一组象素因此可获得如相板一样的所有元素谱线信息下图为MOS单通道线型固态图像传感器的结构示意图由感光区和传输区两部分组成感光区由一列光敏单元组成传输区由转移栅及一列移位寄存器组成光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏二极管中接通转移栅后信号电荷流入传输区传输区是遮光的以防因光生噪声电荷干扰导致的图像模糊 1122 MOS图像传感器 MOS图像传感器又称自扫描光电二极管阵列Self Scanned Photodiode Array简称SSPA 113 固态图像传感器的应用固态图像传感器的应用主要在以下几方面 1计量检测仪器工业生产产品的尺寸位置表面缺陷的非接触在线检测距离测定等 2光学信息处理光学文字识别标记识别图形识别传真摄像等 3生产过程自动化自动工作机械自动售货机自动搬运机监视装置等 4军事应用导航跟踪侦查带摄像机的无人驾驶飞机卫星侦查 1尺寸自动检测对于尺寸较小的物体目标2～30mm可以采用平行光成像法如下图所示不难看出此种测试方法的精度取决于平行光的准直程度和CCD像元尺寸的大小当然平行光源要作得十分理想是有一定困难的且随准直度的提高成本增加光源的体积也要加大在实际
应用中常常通过计算机处理对测量值进行修正以使测量结果更接近于实际这在一定程度上降低了对光源的苛求对于较大的尺寸测量可采用光学成像方法在前面或背面光照射下被测物经透镜在CCD上成像像尺寸与被测尺寸成正比设 T为像尺寸K为比例系数则被测尺寸S可用下式表示
式中 K表示每个像元所代表的物方尺寸它与光学系统的放大倍率CCD工作频率和像元尺寸等因素有关 T对应于像尺寸的脉宽当以像元时钟对像尺寸T的宽度进行计数时其计数值表示像尺寸所占的像元数因而可得式中 N 计数脉冲即像元数
T0 像元时钟周期当知道N和T0值时则可求得T代入式即可得到被测物尺寸K 值的大小可通过系统标定测得成像法适用于冶金线材直径或机械产品在线尺寸检测为了保证测量精度通常采用背面光照射方式对于自发光被测物如热扎钢管常用窄带滤光片滤除钢管的可见光和红外光辐射再选用较短波长的光源作照明以适应CCD光谱响应特性的要求这种照明消除了因被测目标辐射变化对测量精度的影响由于CCD输出信号是以脉冲计数表示其测量精度与边缘信号检测精度有关而对光源的稳定性要求不高当光源的光强在20％范围内变化时对其测量结果没有明显影响图示出了光学成像法测量系统的组成原理框图为了对目标像的宽度进行计数必须先检测出两个边缘信号这可采用二值化或微分法得到计数脉冲通过输入接口送入计算机处理计算机主要完成以下功能
1完成高速数据采集与控制 2完成数据处理与判别包括被测尺寸计算与校正温度校正偏差运算极限判定与报警时间计数等 3数据存贮显示打印与信号提取及反馈 2文字和图像识别利用线阵CCD的自扫描特性可以实现文字和图像识别从而组成一个功能很强的扫描识别系统写有邮政编码的信封放在传送带上传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上当信封运动时传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出读出的数字经二值化等处理与计算机中存储的
数字特征比较最后识别出数字码由数字码计算机控制分类机构把信件送入相应分类箱中 3．射线成像检测图示出了X射线成像检测系统射线经过构件后直接由射线－可见光转换屏转换而后由CCD相机获取转换后的图像经数字图像处理系统处理后转换为数字图像进行分析处理和识别从而完成构件缺陷的射线实时检测思考题何谓CCD势阱论述CCD的电荷转移过程如何实现线型CCD电荷的四相定向转移试画出定向转移图本章重点 1 掌握CCD 的工作原理 2 了解固态图像传感器的应用第11章固态图像传感器 111 电荷耦合图像传感器 112 其它类型的图像传感器 113 固态图像传感器的应用图像传感器又称为成像器件或摄像器件是现代视觉信息获取的一种基础器件可实现可见光紫外光X射线近红外光等的探测因其能实现信息的获取转换和视觉功能的扩展能给出直观真实多层次多内容的可视图像信息图像传感器在现代科学技术中得到越来越广泛的应用固态图像传感器是在同一块半导体衬底上布设若干光敏单元与移位寄存器而构成的器件是一种集成化功能化的光电器件光敏单元又称为像素或像点不同的光敏单元在空间上电气上彼此独立每个光敏单元将自身感受到的光强信息转换为电信号众多的光敏单元一起工作即把入射到传感器整个光敏面上按空间分布的光学图像转换为按时序输出的电信号图像这些电信号经适当的处理能再现入射的光辐射图像固态图像传感器主要有五种类型电荷耦合器件CCDCharge Coupled Device电荷注入器件CIDCharge Injection Device金属－氧化物－半导体 MOS 电荷引发器件 CPDCharge Priming Device和叠层型摄像器件 1111 CCD的基本工作原理 CCDCharge Couple Devices电荷耦合器件可以把光信号转换成电脉冲信号每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置这就起到了图象传感器的作用突出特点以电荷作为信号而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号基本功能电荷的存储和电荷的转移主要问
题信号电荷的产生存储传输和检测 111 电荷耦合图像传感器CCD按电荷转移信道划分有两种基本类型一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面并沿界面传输这类器件称为表面沟道CCD简称SCCD二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内并在半导体体内沿一定方向传输这类器件称为体沟道或埋沟道器件简称BCCD 1CCD的MOS结构及电荷存贮原理 1 结构 CCD是MOS Metal Oxide Semiconductor 电容的一种应用它是按照一定规律排列的MOS电容器阵列组成的移位寄存器其基本单元的MOS电容结构如下图所示它具有一般电容所不具有的耦合电荷的能力在P型硅衬底上生长一层SiO2再在 SiO2层上沉积金属铝作为栅极构成MOS结构它是CCD 器件的最小工作单元 MOS电容上没加电压时半导体的能带结构如图a所示从界面层到内部能带都是一样的即所谓平带条件对P 型半导体来说若在金属半导体间加正电压金属电极板上就会充上一些正电荷电极下的P型硅区域内的多数载流子空穴便会受到排斥留下带负电荷的负离子其中无导电的载流子这样在硅表面处就会形成一个耗尽区与此同时氧化层与半导体界面处的电动势发生变化在耗尽层中电子能量从体内到界面由高向低弯曲如图b所示这时只呈现出一般耗尽状态耗尽区厚度正比于外加电场当栅压增大超过某特征值U th时能带进一步向下弯曲以至使半导体表面处的费米能级高于禁带中央能级MOS器件处于深耗尽状态在相交点与界面之间逐渐形成一个反型层如图c所示把U th称为 MOS管的阈值电压
这时若有信号电荷电子注入则可贮存在深耗尽区域内这种能贮存电子的区域称为电子势阱势阱具有存储电子电荷的功能每一个加正电压的电极下就是一个势阱表面势阱中的自由电荷称为电荷包势阱的深度取决于正电压U的大小势阱的宽度取决于金属电极的宽度若U增加栅极上充的正电荷数目增加 P型硅区域内的负离子数目相应增加耗尽区的宽度增加表面势阱加深 2 电荷存储原理当一束光照射到MOS电容上时衬底中处于价带的电子将
吸收光子的能量产生电子跃迁形成电子－空穴对电子－空穴对在外加电场的作用下分别向电极两端移动这就是光生电荷这些光生电荷将储存在电极形成的势阱中形成信号电荷存储起来势阱能够储存的最大电荷量又称之为势阱容量它与所加栅压近似成正比势阱容纳的电荷多少和该处照射光的强弱成正比于是图像景物的不同明暗程度便转变成CCD中积累电荷的多少 2电荷转移工作原理 1电荷的定向转移若两个相邻MOS 光敏元所加的栅压不同则栅压高的形成的势阱深且浅势阱中的电子有向深势阱中下移的趋势当外加电压一定时势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅实现电荷的存储和转移要求多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅让MOS电容间的排列足够紧密使相邻MOS电容的势阱相互沟通即相互耦合就可使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处实现信号电荷的转移
为了让信号电荷按规定的方向转移在MOS电容阵列上加满足一定相位要求的驱动时钟脉冲电压这样在任何时刻势阱的变化总朝着一个方向为了实现这种定向的转移在 CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构每一单元称为一位将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同的电极上此共同电极称为相线通常CCD有二相三相四相等几种结构它们所施加的时钟脉冲也分别为二相三相四相二相脉冲的两路脉冲相位相差180°三相脉冲及四相脉冲的相位差分别为120°及90°当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时将实现信号电荷的定向转移三相时钟脉冲驱动的电荷转移 2三相CCD电极的结构 MOS上三个相邻电极每隔两个所有电极接在一起由3个相位差120°时钟脉冲驱动如下图所示在三相结构CCD中三个电极组成一个单元形成一个像素三个不同的脉冲驱动电压按下图 b 的时序提供以保证形成空间电荷区的相对时序设在某时刻
t1第一相处于高电压处于低电压则在1电极下形成较深的势阱如图a 所示若此时有光线入射到硅片上在光子的激发下硅片上就会产生电子-空穴对由于光扩散效应其中的空穴被排斥到硅基体顶光生电子则被势阱所收集势阱所收集的光生电子数量和入射到势阱附近的光强成正比此时在栅压作用下CCD器件上位于下若干互相独立的MOS元就会形成众多相互独立的势阱若照射在这些光敏元上是一幅明暗不同的图像那么这些光敏元就会感生出一幅光照强度相应的光生电荷图像一幅光图像就转变成了电图像为了读出存放在CCD中的电图像在顺序排列的电极上施加交替变化的三相时钟脉冲驱动电压 CCD电荷转移工作原理 3电荷的注入 CCD中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到 CCD用作光学图像传感器时信号电荷由光生载流子得到即光注入光注入方式又可分为正面照射式和背面照射式当CCD用作信号处理或存贮器件时电荷采用电注入方式即CCD通过输入结构对信号电压或电流采样并转换为信号电荷常用的输入结构为二极管或几个控制输入栅来实现电输入 4 电荷的检测输出方式CCD的输出结构的作用是将信号电荷转换为电流或电压的输出目前CCD的输出方式主要有电流输出浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出通常采用的是浮置栅放大器输出法浮置扩散输出法的原理如图所示输出机构包括输出栅输出反偏二极管D复位管T1 和输出放大器T2组成每检测一个电荷包在输出端就得到一个负脉冲其幅度正比于信号电荷包的大小不同信号电荷包的大小转换为信号对脉冲幅度的调制即CCD输出调幅信号脉冲列导通反偏 Ucc 复位电平 CCD输出信号具有以下几个特点 1每个像元输出的信号浮置在一个正的直流电平约7～8V上信号电平在几十至几百mV范围内变化呈单极性负向变化 2输出信号随时间轴按离散形式出现每个电荷包对应着一个像元中间由复位电平隔离要准确检测出像元信号必须清除复位脉冲干扰 3输出信号US与CCD输出的电荷量Q成正比与输出结电容CS成
反比故放大器输出信号电压为 4禁止CCD输出端对地短路综上所述CCD图像传感器既具有光电转换功能又具有信号电荷的存贮转移和检测功能它能把一幅空间域分布的光学图像变换成为一列按时间域分布的离散的电信号图像 1112 线阵与面阵CCD图像传感器电荷耦合图像传感器从结构讲可以分为两类一类是用于获取线图像的称为线阵CCD线阵CCD目前主要用于产品外部尺寸非接触检测产品表面质量评定传真和光学文字识别技术等方面另一类用于获取面图像称为面阵CCD面阵CCD主要应用于摄像领域 1线阵CCD图像传感器对于线阵CCD它可以直接接收一维光信息为了得到整个二维图像的输出就必须用扫描的方法来实现
线阵CCD传感器由光敏区转移栅模拟移位寄存器偏置电荷电路输出栅和信号读出检测电路等几部分组成线阵CCD图像传感器有两种基本形式即单沟道线阵CCD 图像传感器和双沟道线阵图像传感器 1光照光敏元各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对电子注入对应的MOS势阱中光像变为电像电荷包光积分 2积分周期结束控制信号使转移栅打开光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中通过移位寄存器并行输出 3转移栅关闭后光敏单元开始下一行图像信号积分采集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像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移位寄存器的相应单元中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内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 2面阵CCD图像传感器面阵CCD图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列能检测二维平面图像由于传输与读出方式不同面阵图像传感器有许多类型常见的传输方式有行传输帧传输和行间传输三种
1行传输LT面阵CCD 行传输LT面阵CCD的结构如图所示它由选址电路感光区输出寄存器即普通结构的CCD组成当感光区光积分结束后由
行选址电路分别一行行地将信号电荷通过输出寄存器转移到输出端这种结构的缺点是需要选址电路结构较复杂且在电荷转移过程中光积分还在进行会产生拖影 2 帧传输FT面阵CCD 帧传输FT面阵CCD的结构如右图所示它是由感光区暂存区输出寄存器组成感光区和暂存区分开感光区在积分时间内产生与光像对应的电荷包在积分周期结束后利用时钟脉冲将整帧信号转移到暂存区然后整帧信号再向下移进入水平读出移位寄存器串行输出这种结构时钟电路简单拖影问题比行传输小感光区暂存区读出寄存器 3行间传输图像传感器
行间传输图像传感器结构如下图所示其特点是感光区和暂存区行与行相间排列即一列感光单元一列不透光的存储单元交替排列在感光区光敏元件积分结束时转移控制栅打开电荷信号进入存储区随后在每个水平回扫周期内存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件形成视频信号输出其优点是不存在拖影问题但这种结构不适宜光从背面照射 1113 CCD图像传感器的特性参数一光电转换特性如下图所示X轴表示曝光量Y轴表示输出信号幅值QSAT表示饱和输出电荷QDARK表示暗电荷输出ES表示饱和曝光量 QSAT Y QDARK ES 由图可见输出电荷和曝光量之间有一线性工作区 QDARK为无光照时CCD的输出电荷称为暗输出电荷特性曲线的拐点 G所对应的曝光量ES称为饱和曝光量所对应的输出电荷QSAT称为饱和输出电荷曝光量高于ES后CCD 输出信号不再增加可见CCD图像传感器在非饱和区的光电转换特性接近于线性因此应将CCD的工作状态控制在非饱和区二灵敏度图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下单位时间单位面积发射的电量即实际上上图曲线的斜率就是器件的灵敏度即 S＝QSATES。