第9章 图像传感技术

CCD图像传感器基本特征参数
3. 动态范围
饱和曝光量和等效噪声曝光量的比值称为CCD的动 态范围。CCD器件动态范围一般在103~104数量级。
4. 暗电流
暗电流的存在限制了器件动态范围和信号处理能力。
暗电流的大小与光积分时间、周围环境密切相关，
通常温度每上升30~35℃，暗电流提高约一个数量
级。CCD摄像器件在室温下暗电流约为5~10nA/cm2。
第九章 图像传感技术
图像传感器实际上是光电传感器件中的一部分， 主要器件有CCD、CMOS以及PSD等，主要讨论 CCD和CMOS传感器件及图像测量技术。
图像传感技术
9.1 CCD图像传感器 9.2 CMOS图像传感器
CMOS传感器结构与工作原理 CMOS图像传感器的性能指标 典型CMOS图像传感器
面阵CCD摄像器件
面阵CCD是二维的图像传感器，它可以直接将二维
图像转变为视频信号输出。
按照一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及移位 寄存器排列成二维阵列，即构成二维面阵CCD。 由于排列方式不同，面阵CCD常有： (1) 帧转移方式
(2) 隔列转移方式
(3) 线转移方式
(4) 全帧转移方式
1.帧转移面阵CCD
高。
CCD图像传感器
CCD的MOS结构及存储电荷原理
CCD的MOS结构 电荷的传输 电荷读出
CCD图像传感器基本特征参数
CCD摄像器件
线阵CCD摄像器件
面阵CCD摄像器件
CCD的MOS结构及存储电荷原理
CCD由多个光敏像元组成，每个像元就是一个MOS 电容器或一个光敏二极管。该电容器能存储电荷，其 结构如图 所示。
暗输出 电压
ຫໍສະໝຸດ Baidu
饱和曝光量
曝光量
CCD图像传感器基本特征参数
2. 光谱响应
目前广泛应用的CCD器件是以硅为衬底的器件， 其光谱响应范围为400~1100nm。红外CCD器件 用多元探测器阵列替代可见光CCD图像器件的光 敏元部分，光敏元部分用的主要光敏材料有InSb、 PbSnTe和HgCdTe等，其光谱范围延伸至3~5μm 和8~14μm。
现了电荷的存储。
CCD的MOS结构及存储电荷原理
1.电荷的传输
(1) CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器 (或光敏二极管)，它的表面由不透光的金属层覆盖，以 实现光屏蔽。 (2) MOS电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外 加电压一定，势阱深度随阱中电荷量的增加而线性减 小。利用这一特性，通过控制相邻MOS电容器栅极电 压高低来调节势阱深浅。 (3) 在MOS电容紧密排列，使相邻的MOS电容势阱相 互“沟通”，即相邻MOS电容两电极之间的间隙足够 小，且当改变相邻MOS两电极的电压值时，在信号电 荷自感生电场的库仑力推动下，使信号电荷由浅处流 向深处，实现信号电荷转移。
帧转移三相面阵摄像器的 构成： 成像区（像敏区） 暂存区
水平读出寄存器
特点：
结构简单
光敏单元尺寸可恨小
调制传递函数较高 光敏面积占总面积的比 例小
帧转移三相面阵摄像器的原理结构图
1. 帧转移面阵CCD
工作过程：
图像经物镜成像到成像区，在场正程期间（为光积分时 间），成像区的某一相电极（如ICR1）加有适当的偏压 （高电平），光生电荷将被收集到这些电极下方的势阱 里，这样就将被摄光学图像变成了光积分电极下的电荷 包图像，存储于成像区。 光积分周期结束，进入场逆程。在场逆程期间，加到成 像区和存储区电极上的时钟脉冲将成像区所积累的信号 电荷转移到暂存区。场逆程结束后又进入下一场的场正 程时间。在场正程期间，成像区又进入光积分状态。暂 存区与水平读出寄存器在场正程期间按行周期工作。
具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等 优点，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、内容丰富的可视图像信息 广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以 及工业检测和自动控制系统。
CCD是目前最为成熟，应用最为广泛的图像传感器，它的 典型产品有数码相机、摄像机等。
CCD图像传感器
CCD有两种基本类型：
一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面， 并沿着界面转移，这类器件称为表面沟道CCD器件 （简称SCCD）。 另一种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转移，这类器件称 为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）
一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移 位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。
线阵CCD摄像器件
(1) 可直接将接收到的一维光信号转换成时序的电 信号输出，获得一维的图像信号。 (2) 若想用线阵CCD获得二维图像信号，必须使线 阵CCD与二维图像做相对的扫描运动。 (3) 对匀速运动物体进行扫描成像非常方便。 (4) 现代的扫描仪、传真机、高档复印机和航空图 像扫描系统等都采用线阵CCD作为图像传感器。
CCD的MOS结构及存储电荷原理
1.电荷的传输
为了保证信号电荷按确定路线转移，通常MOS电容阵 列栅极上所加脉冲电压为严格满足相位要求的二相、 三相或四相系统的时钟脉冲电压。 (a) 三相CCD的结构及工作原理 (b) 二相CCD的结构及工作原理
三相CCD的结构及工作原理
(1) 每一个像元，有两个相邻电极，每隔两个电极的 所有电极都接在一起，由3个相位相差120°的时钟 脉冲驱动，故称三相CCD。 (2) 电荷定向转移靠势阱的非对称性实现。靠时钟脉 冲电压的时序控制，来形成非对称势阱。
线阵CCD摄像器件
2. 双沟道线阵CCD
具有两列CCD模拟移位寄存器A与B，分列在像敏阵列的 两边。对同样的像敏单元来说，双沟道线阵CCD要比单沟 道线阵CCD的转移次数少一半，转移时间缩短一半，它的 总转移效率大大提高。 在要求提高CCD的工作速 度和转移效率的情况下，
常采用双沟道的方式。
双沟道线阵CCD的结构
CCD图像传感器基本特征参数 5.分辨率
分辨率是图像器件的重要特性，常用调制传递函数 MTF ( Modulation Transfer Function)来评价。 MTF定义为：归一化的无量纲的零空间频率下的调制 深度的值。一个确定的空间频率的物象透射在摄像器件 上，其输出将是随时间变化的波形， 其振幅称为调制深度。
采用阶梯氧化层电极形成的二相结构
二相CCD的结构及工作原理
(2) 设置势垒注入区
对于给定的栅压，位阱深度是掺杂浓度的函数。掺杂浓度高， 则位阱浅。采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于 别处，则该处位阱就较浅，任何电荷包都将只向位阱的后沿方 向移动。
采用势垒注入区形成二相结构
CCD的MOS结构及存储电荷原理
线阵CCD摄像器件有两种基本形式： (1) 单沟道线阵CCD (2) 双沟道线阵CCD
线阵CCD摄像器件
1. 单沟道线阵CCD
单沟道线阵CCD由光敏元阵列、转移栅、CCD模拟移位
寄存器和输出放大器等单元构成。
这种结构的线阵CCD的转移次数多、效率低、调制传递函数 MTF较差，只适用于像敏单元较少的摄像器件。 单沟道线阵CCD
3. 线转移型面阵CCD
取消了存储区，多了一个线寻址电路。像敏单元一 行行地紧密排列，很类似于帧转移型面阵CCD的光 敏区，但它的每一行都有确定的地址，它没有水平 读出寄存器，只有一个垂直放置的输出寄存器。
3. 线转移型面阵CCD
当线寻址电路选中某一行像敏单元时，驱动脉冲将
使该行的光生电荷包一位位地按箭头方向转移，并
电的少数载流子紧靠SiO2层形成负电荷层(耗尽层)，
这便形成对电子而言的陷阱，电子一旦进入就不能
复出，故又称为电子势阱。
CCD的MOS结构及存储电荷原理
当器件受到光照时，光子的能量被半导体吸收，产 生电子-空穴对，光生电子被吸引存储在势阱中，实
现了光和电的转换，光越强，势阱中收集的电子越
多，势阱中存储的电子不会因光照停止而消失，实
9.3 CCD与CMOS传感器的比较 9.4 图像测量技术
CCD图像传感器
CCD (Charge Coupled Device) 全称为电荷耦合器件， 是20世纪70年代发展起来的新型固体成像器件。
在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应 用开拓了新的领域。
具有光电转换、信息存储和传输等功能
2. 电荷读出
CCD的信号电荷读出方法一般有两种：输出二极 管电流法和浮置栅MOS放大器电压法。
CCD图像传感器基本特征参数
CCD图像传感器特征主要是指其光电转换特
性，而性能参数主要包括灵敏度、分辨率、
信噪比、光谱响应、动态范围、暗电流
和图像滞后等。CCD摄像器件的优劣评判
标准，就是采用这些参数衡量。
CCD图像传感器
CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信
号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多
少。取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄
存器的相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，
将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号接到示波 器、图像显示器或其他信号存储、处理设备中，就可 对信号再现或进行存储处理。由于常用的CCD光敏元 可做得很小（约几个微米），所以它的图像分辨率很
CCD基本结构和工作原理图
CCD的MOS结构及存储电荷原理
以P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成
SiO2层，然后再SiO2上淀积一层金属为栅极，P型硅
里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是
带负电荷的电子。当金属电极上施加正电压时，其
电场能透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸 引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，带负
CCD图像传感器基本特征参数 1. 光电转换特性
CCD的光电转换特性具有良好的线性。特性曲线的 拐点G所对应的曝光量叫饱和曝光量SE，当曝光量 大于SE时，CCD输出信号不再增加。
输出信号电压值
饱和输出 电压 注： 曝光量单位为勒克司· 秒 (lx· s)。每平方米面积上光 通量为1流明时，照度值即 为1勒克司(lux或lx)；t为曝 光时间，单位为秒(s)。
CCD电荷耦合摄像器件简称ICCD，它的功能是把 二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量的视 频输出信号。
(1) 线阵CCD (2) 面阵CCD
两者都需要用光学成像系统将景物图像成像在CCD 的像敏面上。像敏面将入射到每个像敏单元上的光 照度分布信号转变为少数载流子密度分布信号存储 在像敏单元（MOS电容）中，再通过驱动脉冲的驱 动，使其从CCD的移位寄存器中转移出来，形成时 序的视频信号。
2. 隔列转移型面阵CCD
2. 隔列转移型面阵CCD
它的像敏单元（图中虚线块）呈二维排列，每列像 敏单元被遮光的读出寄存器及沟阻隔开，像敏单元 与读出寄存器之间又有转移控制栅。 每一像敏单元对应于两个遮光的读出寄存器单元。 读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。由于 每列像敏单元均被读出寄存器所隔，因此，这种面 阵CCD称为隔列转移型CCD。 连续的多晶硅，它经过选择掺杂构成二相转移电极 系统，称为多晶硅寄存器栅极系统。转移方向用离 子注入势垒方法完成，使电荷只能按规定的方向转 移，沟阻常用来阻止电荷向外扩散。
二相CCD的结构及工作原理
采用不对称的电极结构也可以引进不对称势阱，从而变成 二相驱动的CCD。目前实用CCD中多采用二相结构。实现 二相驱动的方法有：
(1) 阶梯氧化层电极
此结构中将一个电极分成两部分，其左边部分电极下的氧 化层比右边的厚，则在同一电压下，左边电极下的位阱浅， 自动起到了阻挡信号倒流的作用。
注：CCD具有很高的空间分辨能力，7000像元线阵 CCD器件的分辨能力可达7 μm，4096×4096面阵器 件的整机分辨能力在1000电视线以上。 空间频率：空间单位长度上，周期结构重复的次数。 电视线：在用来测试清晰度而输入的图像信号上，会 显示出一条条的线。
某线阵CCD的评价曲线
CCD摄像器件
移入输出寄存器。输出寄存器在驱动脉冲的作用下 使信号电荷包经输出放大器输出。根据不同的使用 要求，线寻址电路发出不同的数码，就可以方面地 选择扫描方式，实现逐行扫描或隔行扫描。也可只
选择其中一行输出，使其工作在线阵CCD的状态。
特点：有效光敏面积达，转移速度快，转移效率