光電子器件_第六章 ccd和cmos

1、第第6 6章章 ccdccd和和cmoscmos成像器件成像器件6.1 圖像傳感器簡介 6.1.1 圖像傳感器發(fā)展歷史圖像傳感器發(fā)展歷史 完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。光電圖像傳感器的發(fā)展歷史悠久，種類很多。 早在1934年就成功地研制出光電攝像管（Iconoscope），用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。但是，它的靈敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000lx的照度才能獲得較為清晰的圖像。使它的應(yīng)用受到限制。 1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico），的靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2 000lx以上。 1954年投放市場的高靈敏視像管（Vidicon）

2、基本具有了成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡單的特點，使廣播電視事業(yè)和工業(yè)電視事業(yè)有了更大的發(fā)展。 1965年推出的氧化鉛視像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，發(fā)展了彩色電視攝像機(jī)，使彩色廣播電視攝像機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。誕生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色攝像機(jī)。然而，氧化鉛視像管抗強(qiáng)光的能力低，余輝效應(yīng)影響了它的采樣速率。 1976年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。不斷滿足人們對圖像傳感器日益增長的需要。 1970年，美國貝爾電話實驗室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（CCD）的原理使圖像傳感器的發(fā)展進(jìn)入了一個全新的階段

3、，使圖像傳感器 從真空電子束掃描方式發(fā)展成為固體自掃描輸出方式。CCD圖像傳感器不但具有固體器件的所有優(yōu)點，而且它的自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性失真。即CCD圖像傳感器的輸出信號能夠不失真地將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成視頻電視圖像。而且，它的體積、重量、功耗和制造成本是電子束攝像管根本無法達(dá)到的。CCD圖像傳感器的誕生和發(fā)展使人們進(jìn)入了更為廣泛應(yīng)用圖像傳感器的新時代。利用CCD圖像傳感器人們可以近距離的實地觀測星球表面的圖像，可以觀察腸、胃耳、鼻、喉等器官內(nèi)部的病變圖像信息，可以觀察人們不能直接觀測的圖像（如放射環(huán)境的圖像，敵方陣地圖像等）。CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感

4、器的主流產(chǎn)品。CCD圖像傳感器的應(yīng)用研究成為當(dāng)今高新技術(shù)的主流課題。 6.1.2 圖像傳感器的分類 CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。CCD圖像傳感器的應(yīng)用研究成為當(dāng)今高新技術(shù)的主流課題。它的發(fā)展推動了廣播電視、工業(yè)電視、醫(yī)用電視、軍用電視、微光與紅外電視技術(shù)的發(fā)展，帶動了機(jī)器視覺的發(fā)展，促進(jìn)了公安刑偵、交通指揮、安全保衛(wèi)等事業(yè)的發(fā)展。 圖像傳感器按其工作方式可分為掃描型兩類和直視型。掃描型圖像傳感器件通過電子束掃描或數(shù)字電路的自掃描方式將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成一維時序信號輸出出來。這種代表圖像信息的一維信號稱為視頻信號。視頻信號可通過信號放大和同步控制等處理后，通過相應(yīng)的顯示設(shè)備

5、（如監(jiān)視器）還原成二維光學(xué)圖像信號。 視頻信號的產(chǎn)生、傳輸與還原過程中都要遵守一定的規(guī)則才能保證圖像信息不產(chǎn)生失真，這種規(guī)則稱為制式。 例如廣播電視系統(tǒng)中遵循的規(guī)則被稱為電視制式。數(shù)字圖像傳輸與處理過程中根據(jù)計算機(jī)接口方式的不同也規(guī)定了許多種類的制式。 掃描型圖像傳感器輸出的視頻信號可經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（或稱其為數(shù)字圖像信號），存入計算機(jī)系統(tǒng)，并在軟件的支持下完成圖像處理、存儲、傳輸、顯示及分析等功能。因此，掃描型圖像傳感器的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過直視型圖像傳感器的應(yīng)用范圍。 直視型圖像傳感器用于圖像的轉(zhuǎn)換和增強(qiáng)。它的工作方式是將入射輻射圖像通過外光電轉(zhuǎn)化為電子圖像，再由電場或電磁場的加速與聚焦

6、進(jìn)行能量的增強(qiáng)，并利用二次電子的發(fā)射作用進(jìn)行電子倍增，最后將增強(qiáng)的電子圖像激發(fā)熒光屏產(chǎn)生可見光圖像。 本章主要討論從光學(xué)圖像到視頻信號的轉(zhuǎn)換原理，即圖像傳感器的基本工作原理和典型應(yīng)用問題 。 6.2 電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理6.2.1mos結(jié)構(gòu)特征 CCD是一種半導(dǎo)體器件 圖圖9.7.1 MOS電容的結(jié)構(gòu)電容的結(jié)構(gòu)1金屬金屬 2絕緣層絕緣層SiO2上一頁下一頁返 回1平帶條件下的能帶平帶條件下的能帶 Ec導(dǎo)帶底能量導(dǎo)帶底能量Ei禁帶中央能級禁帶中央能級Ef費米能級費米能級Ev價帶頂能量價帶頂能量 平帶條件：平帶條件：當(dāng)當(dāng)MOS電容的極板上無外加電壓時，在理想情況下，半導(dǎo)體從電容的極板上無外

7、加電壓時，在理想情況下，半導(dǎo)體從體內(nèi)到表面處是電中性的，因而能帶體內(nèi)到表面處是電中性的，因而能帶(代表電子的能量代表電子的能量)從表面到從表面到內(nèi)部是平的。內(nèi)部是平的。 上一頁下一頁返 回加上正電壓加上正電壓MOS電容的能帶電容的能帶 (a)柵壓柵壓UG較小時，較小時，MOS電容器處于耗盡狀態(tài)。電容器處于耗盡狀態(tài)。 (b)柵壓柵壓UG增大到開啟電壓增大到開啟電壓 Uth時時 ,半導(dǎo)體表面的費米能級半導(dǎo)體表面的費米能級 高于禁帶中央能極高于禁帶中央能極, 半導(dǎo)體表面上的電子層稱為反型層。半導(dǎo)體表面上的電子層稱為反型層。 上一頁下一頁返 回有信號電荷的勢阱有信號電荷的勢阱 當(dāng)MOS電容器柵壓大于開

8、啟電壓UG，周圍電子迅速地聚集到電極下的半導(dǎo)體表面處，形成對于電子的勢阱。 勢阱：深耗盡條件下的表面勢。勢阱：深耗盡條件下的表面勢。勢阱填滿：電子在半導(dǎo)體表面堆積后使平面勢下降勢阱填滿：電子在半導(dǎo)體表面堆積后使平面勢下降。 上一頁下一頁返 回 2.2. 電荷耦合電荷耦合原理原理 6.2.3電荷耦合原理 上一頁下一頁返 回6.2.46.2.4 CCD CCD的電極結(jié)構(gòu)的電極結(jié)構(gòu) 1.1.三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)三相單層鋁電極結(jié)構(gòu) 2. 2. 三相電阻海結(jié)構(gòu)三相電阻海結(jié)構(gòu) 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)CCD2v3. 3. 三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)v 4. 二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu) 5. . 階梯狀氧化物結(jié)構(gòu)階梯

9、狀氧化物結(jié)構(gòu) 被測物被測物光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)2CCD2光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)1重疊部分重疊部分v6. 6. 四相四相CCDCCD 6 6. .2.52.5轉(zhuǎn)移信道結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移信道結(jié)構(gòu) 體溝道體溝道CCD CCD （BCCD)BCCD)模擬信號模擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號6.2.6 通道的橫向限制如果電極間距較大，勢阱形狀將發(fā)生彎曲變化，會使信號電荷漏出，外面的電荷也會漏進(jìn)來。為了限制勢阱的橫向范圍，形成一個高勢能的位壘，將溝道與溝道隔開。目前的橫向限制工藝有溝阻擴(kuò)散和氧化物臺階法。、加屏蔽電場：在屏蔽極上施以與柵極極性相反的電壓，以吸收多子，造成多子在耗盡層內(nèi)橫向邊界上的堆積，以限制耗盡層區(qū)的橫向擴(kuò)展。、氧化

10、物臺階法：氧化物越厚，表面勢越小，勢阱越淺。使耗盡層以外的氧化層厚度加厚，保證它下面不會深耗盡，自動限制了勢壘的高度、溝阻擴(kuò)散法：利用摻雜濃度越高，表面勢越小，勢阱越淺，在同一珊壓下，局部摻雜濃度不同。v（1 1）光注入）光注入 Qin=qNeoAtc式中：為材料的量子效率；q為電子電荷量； Neo為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；tc為光的注入時間。 l（2 2 ） 電注入電注入 (1) 電流注入法電流注入法 (2) 電壓注入法電壓注入法 1如圖 （a）所示為電流注入法結(jié)構(gòu)如圖（b）所示為電壓注入法結(jié)構(gòu)2thiginoxg2UUUCLWIs2thiginoxg2UUUCLWQs輸

11、出電流輸出電流I Id d與注入到二極管中的電荷量與注入到二極管中的電荷量Q QS S的關(guān)系的關(guān)系 Q Qs s= =I Id dd dt t )0()(1)0()()0(QtQQtQQ)0()(QtQ電荷轉(zhuǎn)移效率為 電荷轉(zhuǎn)移損失率為 電荷轉(zhuǎn)移效率與損失率的關(guān)系為 1 驅(qū)動頻率的下限驅(qū)動頻率的下限 電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所用的時間t ，少數(shù)載流子的平均壽命為i 則 驅(qū)動頻率的上限驅(qū)動頻率的上限 電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極的固有時間為g 則 ii31fg31f1CCD轉(zhuǎn)移寄存器轉(zhuǎn)移寄存器 2轉(zhuǎn)移控制柵轉(zhuǎn)移控制柵 3積蓄控制電極積蓄控制電極 4光敏區(qū)光敏區(qū) SH轉(zhuǎn)移控制柵輸入端轉(zhuǎn)移控制

12、柵輸入端 RS復(fù)位控制復(fù)位控制 VOD漏極輸出漏極輸出 OS圖像信號輸出圖像信號輸出 OG輸出控制柵輸出控制柵線型圖像傳感器結(jié)構(gòu)線型圖像傳感器結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返 回v (1)(1)單溝道線陣單溝道線陣CCD CCD 圖8-26所示為三相單溝道線陣CCD的結(jié)構(gòu)圖。 圖8-27為雙溝道線陣CCD攝像器件。它具有兩列CCD模擬移位寄存器A與B，分列在像敏陣列的兩邊。 (a)(b)線型線型CCD圖像傳感器圖像傳感器轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵光積分單元光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)輸出輸出光積分區(qū)光積分區(qū)轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵(a)x-y 選址選址 (b)行選址行選址 (c)幀場傳輸式幀場傳輸式 (d)行間

13、傳輸式行間傳輸式上一頁下一頁返 回(1) 幀轉(zhuǎn)移面陣幀轉(zhuǎn)移面陣CCD 圖8-28為三相面陣幀轉(zhuǎn)移攝像器的原理結(jié)構(gòu)圖。它由成像區(qū)(像敏區(qū))、暫存區(qū)和水平讀出寄存器等三部分構(gòu)成。 隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD的結(jié)構(gòu)如圖8-29(a)所示。 圖8-29（b）是隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD的二相注入勢壘器件的像敏單元和寄存器單元的結(jié)構(gòu)圖。 如圖8-30所示，它與前面兩種轉(zhuǎn)移方式相比，取消了存儲區(qū)，多了一個線尋址電路。 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器出現(xiàn)于1969年,它是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、數(shù)字信號處理器

14、和計算機(jī)接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件，這種器件的結(jié)構(gòu)簡單、處理功能多、成品率高和價格低廉，有著廣泛的應(yīng)用前景。 CMOS圖像傳感器雖然比CCD出現(xiàn)還早一年，但在相當(dāng)長的時間內(nèi)，由于它存在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率（有效像元與總面積之比）低（10%20%），響應(yīng)速度慢等缺點，因此只能用于圖像質(zhì)量要求較低、尺寸較小的數(shù)碼相機(jī)中，如機(jī)器人視覺應(yīng)用的場合。 1989年以后，出現(xiàn)了年以后，出現(xiàn)了“主動像元主動像元”（有源）結(jié)構(gòu)。它不僅有光敏元件和像元尋址開關(guān)，（有源）結(jié)構(gòu)。它不僅有光敏元件和像元尋址開關(guān)，而且還有信號放大和處理等電路，提高了光電靈敏度，減小了噪聲，擴(kuò)大了動態(tài)范圍，而且

15、還有信號放大和處理等電路，提高了光電靈敏度，減小了噪聲，擴(kuò)大了動態(tài)范圍，使它的一些性能參數(shù)與使它的一些性能參數(shù)與CCD圖像傳感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和價格等方面要圖像傳感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和價格等方面要優(yōu)于優(yōu)于CCD圖像傳感器，所以應(yīng)用越來越廣泛。圖像傳感器，所以應(yīng)用越來越廣泛。 1. CMOS成像器件的組成 CMOS成像器件的組成原理框圖如圖8-31所示，它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列實際上是光電二極管陣列，它也有線陣和面陣之分。 圖像信號的輸出過程可由下圖圖像傳感器陣列原理圖更清楚地說明。 這種器件

16、的像敏單元結(jié)構(gòu)有兩種類型，即被動像敏單元結(jié)構(gòu)和主動像敏單元結(jié)構(gòu)。前者只包含光電二極管和地址選通開關(guān)兩部分，如圖8-33所示。其中像敏單元的圖像信號的讀出時序如圖8-34所示。 主動式像敏單元結(jié)構(gòu)的基本電路如圖所示。從圖可以看出，場效應(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管的負(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號線上，當(dāng)復(fù)位脈沖出現(xiàn)時，V1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時復(fù)位；而當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，V1截止，光電二極管開始積分光信號。 圖中所示為上述過程的時序圖，其中，復(fù)位脈沖首先來到，V1導(dǎo)通，光電二極管復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，光電二極管進(jìn)行積分； 場效應(yīng)管場效應(yīng)管V2：源極跟隨放大器，進(jìn)行電流放大，：源極跟隨放大器，進(jìn)行電流放大， 積

17、分結(jié)束后，V3管導(dǎo)通，信號輸出。從技術(shù)的角度來比較兩者主要存在的區(qū)別從技術(shù)的角度來比較兩者主要存在的區(qū)別（a）信息讀取方式不同）信息讀取方式不同 （b）速度有所差別（c）電源及耗電量 （d）成像質(zhì)量 （e）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（傳感器本身的結(jié)構(gòu)） 抗輻射性、成本、集成度等方面 ： 性能指性能指標(biāo)標(biāo) CMOS CMOS圖圖像像傳傳感器感器 CCD圖圖像像傳傳感器感器暗電流（暗電流（PA/MPA/M2 2）電子電子- -電壓轉(zhuǎn)換率電壓轉(zhuǎn)換率動態(tài)范圍動態(tài)范圍響應(yīng)均勻性響應(yīng)均勻性讀出速度讀出速度( (Mpixels/sMpixels/s) )偏置、功耗偏置、功耗工藝難度工藝難度信號輸出方式信號輸出方式集成度集成度應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍性價比性價比1010100100大大略小略小較較差差1000 1000 小小小小x xy y尋尋址可址可隨隨機(jī)采機(jī)采樣樣高高低端、民用低端、民用高高1010略小略小大大好好7070大大大大順順序逐序逐個個像元像元輸輸出出低低高端、高端、軍軍用、用、研研究究略低略低lCCD與 CMOS圖象傳感器出貨量（單位：百萬顆） 國外芯片廠商國外芯片廠商：l生產(chǎn)生產(chǎn)CMOS圖像傳感器，比較著名的有：圖像傳感器，比較著名的有： Micron（美光）（美光）lOmni Vision（豪威）（豪威）lMitsubishi（三菱）（三菱） lKodak（ 柯達(dá)）等。柯達(dá)