第八章 圖像信息的光電變換2-1節(jié)

1、8.1 圖像傳感器簡(jiǎn)介 完成圖像信息光電變換的功能器件稱(chēng)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(lèi)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10000lx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2000lx以上。 l8.1.1 圖像傳感器發(fā)展歷史發(fā)展歷史 1954年投放市場(chǎng)的高靈敏攝像管（Vidicon）基本具有了成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，使廣播電視事業(yè)和工業(yè)電視事業(yè)有了更大

2、的發(fā)展。 1965年推出的氧化鉛攝像管(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，成本更低的硒靶管和硅靶管。不斷滿足人們對(duì)圖像傳感器日益增長(zhǎng)的需要。 1970年，美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)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(gè)全新的階段，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(diǎn)，而且它的

3、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(hào)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(wú)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(shí)代。利用CCD圖像傳感器人們可以近距離的實(shí)地觀測(cè)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(cè)的圖像（如放射環(huán)境的圖像，敵方陣地圖像等）。CCD是于1969年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）的維拉博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治史密斯（George E. Smith）

4、所發(fā)明的。當(dāng)時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室正在發(fā)展影像電話和半導(dǎo)體氣泡式內(nèi)存。將這兩種新技術(shù)結(jié)合起來(lái)后，博伊爾和史密斯得出一種裝置，他們命名為“電荷氣泡元件”（Charge Bubble Devices）。這種裝置的特性就是它能沿著一片半導(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f電荷，便嘗試用來(lái)做為記憶裝置，當(dāng)時(shí)只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)能使此種元件表面產(chǎn)生電荷，而組成數(shù)位影像。2009年10月6日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布將物理學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)授予高錕(Charles K. Kao)和兩名科學(xué)家維拉博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治史密斯（George E. Smith）。科學(xué)家Charle

5、s K. Kao 因?yàn)椤霸诠鈱W(xué)通信領(lǐng)域中光的傳輸?shù)拈_(kāi)創(chuàng)性成就” 而獲獎(jiǎng)，科學(xué)家因博伊爾和喬治-E-史密斯因“發(fā)明了成像半導(dǎo)體電路電荷藕合器件圖像傳感器CCD” 獲此殊榮。 CCD發(fā)明者維拉博伊爾和喬治史密斯l8.1.2 圖像傳感器的分類(lèi) 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(dòng)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(dòng)了機(jī)器視覺(jué)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和直視型。掃描型圖像傳感器件通過(guò)電子束掃描或數(shù)字電路的自掃描方式將二維光

6、學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成一維時(shí)序信號(hào)輸出出來(lái)。這種代表圖像信息的一維信號(hào)稱(chēng)為視頻信號(hào)。視頻信號(hào)可通過(guò)信號(hào)放大和同步控制等處理后，通過(guò)相應(yīng)的顯示設(shè)備（如監(jiān)視器）還原成二維光學(xué)圖像信號(hào)。 視頻信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸與還原過(guò)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(chēng)為制式。 例如廣播電視系統(tǒng)中遵循的規(guī)則被稱(chēng)為電視制式。數(shù)字圖像傳輸與處理過(guò)程中根據(jù)計(jì)算機(jī)接口方式的不同也規(guī)定了許多種類(lèi)的制式。 掃描型圖像傳感器輸出的視頻信號(hào)可經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（或稱(chēng)其為數(shù)字圖像信號(hào)），存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并在軟件的支持下完成圖像處理、存儲(chǔ)、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(guò)直視型圖像傳感器

7、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(guò)外光電轉(zhuǎn)化為電子圖像，再由電場(chǎng)或電磁場(chǎng)的加速與聚焦進(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(jiàn)光圖像。 本章主要討論從光學(xué)圖像到視頻信號(hào)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(wèn)題 。 l8.2.1 光電成像原理 如圖8-1所示為光電成像系統(tǒng)的基本原理方框圖。可以看出光電成像系統(tǒng)常被分成攝像系統(tǒng)(攝像機(jī))與圖像顯示系統(tǒng)兩部分。攝像系統(tǒng)由光學(xué)成像系統(tǒng)（成像物鏡）、光電變換系統(tǒng)、同步掃描和圖像編碼等部分構(gòu)成，輸出全電視視頻信號(hào)。本節(jié)主要討論光電成像系統(tǒng)。 l1

8、.攝像機(jī)的基本原理 在外界照明光照射下或自身發(fā)光的景物經(jīng)成像物鏡成像在物鏡的像面(光電圖像傳感器的像面)上，形成二維空間光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像。 光電圖像傳感器完成將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成二維“電氣” 圖像的工作。 組成一幅圖像的最小單元稱(chēng)為像素或像元，像元的大小或一幅圖像所包含的像元數(shù)決定了圖像的分辨率，分辨率越高，圖像的細(xì)節(jié)信息越豐富，圖像越清晰，圖像質(zhì)量越高。即將圖像分割得越細(xì)，圖像質(zhì)量越高。 高質(zhì)量的圖像來(lái)源于高質(zhì)量的攝像系統(tǒng)，其中主要是高質(zhì)量的光電圖像傳感器。 l2. 圖像的分割與掃描 將一幅圖像分割成若干像素的方法有很多，超正析像管利用電子束掃描光電陰極的方法分割像素；視像管由電阻海顆粒分割；

9、面陣CCD、CMOS圖像傳感器用光敏單元分割。被分割后的電氣圖像經(jīng)掃描才能輸出一維時(shí)序信號(hào)，掃描的方式也與圖像傳感器的性質(zhì)有關(guān)。 面陣CCD采用轉(zhuǎn)移脈沖方式將電荷包（像素信號(hào)）輸出一維時(shí)序信號(hào)；CMOS圖像傳感器采用順序開(kāi)通行、列開(kāi)關(guān)的方式完成像素信號(hào)的一維輸出。因此，有時(shí)也稱(chēng)面陣CCD、CMOS圖像傳感器以自掃描的方式輸出一維時(shí)序電信號(hào)。 監(jiān)視器或電視接收機(jī)的顯像管幾乎都是利用電磁場(chǎng)使電子束偏轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)行與場(chǎng)掃描，因此，對(duì)于行、場(chǎng)掃描的速度、周期等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定，以便顯像管顯示理想的圖像。 如圖8-2（a）所示的亮度按正弦分布的光柵圖像，電子束掃描一行將輸出如圖8-2（b）所示正弦時(shí)序信號(hào)

10、，其縱坐標(biāo)為與亮度L有關(guān)的電壓U，橫坐標(biāo)為掃描時(shí)間t。若圖像的寬度為W，圖像在x方向的亮度分布為L(zhǎng)x，設(shè)正弦光柵圖像的空間頻率為fx。電子束從左向右掃描（正程掃描）的時(shí)間頻率f應(yīng)為 hftWffx(8-1) 式中thf為行掃描周期，而W/thf應(yīng)為電子束的行掃描速度，記為vhf，式可改寫(xiě)為 f=fxvhf （8-2） CCD與CMOS等圖像傳感器只有遵守上述的掃描方式才能替代電子束攝像管，因此，CCD與CMOS的設(shè)計(jì)者均使其自掃描制式與電子束攝像管相同。l8.2.2 電視制式 電視的圖像發(fā)送與接收系統(tǒng)中，圖像的采集（攝像機(jī)）與圖像顯示器必需遵守同樣的分割規(guī)則才能獲得理想的圖像傳輸。這個(gè)規(guī)則被稱(chēng)

11、為電視制式。 電視制式的制定，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的科技發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)條件，考慮本國(guó)或本地區(qū)電網(wǎng)對(duì)電視系統(tǒng)的干擾情況，人眼對(duì)圖像的視覺(jué)感受和人們對(duì)電視圖像的要求等條件制定。 目前，正在應(yīng)用中的電視制式一般有三種： 其中，我國(guó)以及西歐各國(guó)的彩色電視制式，該電視制式確定的場(chǎng)頻為50 Hz，隔行掃描每幀掃描行數(shù)為625行，伴音、圖像載頻帶寬為6.5 MHz。也稱(chēng)為PAL彩色電視制式。 PAL電視制式中規(guī)定場(chǎng)周期為20ms,其中場(chǎng)正程時(shí)間為18.4ms, 場(chǎng)逆程時(shí)間為1.6ms；帶寬(Band Width)：指每秒鐘電子槍掃描過(guò)的總象素,等于“水平分辨率x垂直分辨率x場(chǎng)頻（畫(huà)面刷新次數(shù)）”。 電視圖像掃描是由隔

12、行掃描組成場(chǎng)，由兩場(chǎng)組成幀，一幀為一幅圖像。定義每秒鐘掃多少幀為幀頻；每秒鐘掃描多少場(chǎng)為場(chǎng)頻；每秒鐘掃描多少行為行頻。隔行掃描把一幀圖像分成若干行顯示，隔行掃描一幀分為2場(chǎng)：奇數(shù)場(chǎng)跟偶數(shù)場(chǎng),奇場(chǎng)與偶場(chǎng)合在一起才組成完整的一幀圖像,顯然幀頻是場(chǎng)頻的1/2。l1. PAL彩色電視制式 行頻為15625 Hz，行周期為64s,行正程時(shí)間為52s,行逆程時(shí)間為12s。（1）電視圖像的寬高比 若用W和H分別代表電視屏幕上顯示圖像的寬度和高度，二者之比稱(chēng)為圖像的寬高比，用表示 （8-3） HW（2）幀頻與場(chǎng)頻每秒中電視屏幕變化的數(shù)目稱(chēng)為幀頻。 我國(guó)電網(wǎng)頻率為50Hz，因此，采用了50Hz場(chǎng)頻和25Hz幀頻

13、的隔行掃描的PAL電視制式。 場(chǎng)頻(Vertical Scanning Frequency)：又稱(chēng)為“垂直掃描頻率”，指每秒鐘屏幕刷新的次數(shù) l2. 掃描方式 （3）掃描行數(shù)與行頻 幀頻與場(chǎng)頻確定后，電視掃描系統(tǒng)中還需要確定的參數(shù)是每場(chǎng)掃描的行數(shù)，或電子束掃描一行所需要的時(shí)間，又稱(chēng)為行周期。行周期的倒數(shù)稱(chēng)為行頻。 綜合起來(lái)，我國(guó)現(xiàn)行電視制式（PAL制式）的主要參數(shù)為：寬高比=4/3；場(chǎng)頻fv=50 Hz；行頻fl=15 625 Hz；場(chǎng)周期T=20ms，其中場(chǎng)正程掃描時(shí)間為18.4ms，逆程掃描時(shí)間為1.6ms。行周期為64s，其中行正程掃描時(shí)間為52s，逆程掃描時(shí)間為12s。 （1）逐行掃描

14、顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)線圈，線圈中分別流過(guò)如圖8-3所示的鋸齒波電流，電子束在偏轉(zhuǎn)線圈形成的磁場(chǎng)作用下同時(shí)進(jìn)行水平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn)，完成對(duì)顯像管熒光屏的掃描。 （2）隔行掃描根據(jù)人眼對(duì)圖像分辨能力確定掃描的水平行數(shù)至少應(yīng)大于600行，這對(duì)于逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于28800Hz才能保證人眼視覺(jué)對(duì)圖像的最低要求。這樣高的行掃描頻率，無(wú)論對(duì)攝像系統(tǒng)還是對(duì)顯示系統(tǒng)都提出了更高的要求。為了降低行掃描頻率，又能保證人眼視覺(jué)對(duì)圖像分辨率及閃耀感的要求，早在20世紀(jì)初，人們就提出了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法。兩場(chǎng)光柵均勻交錯(cuò)疊加是對(duì)隔行掃描方式的基本要求，否則圖像的質(zhì)量

15、將大為降低。因此要求隔行掃描必須滿足下面兩個(gè)要求：第一，要求下一幀圖像的掃描起始點(diǎn)應(yīng)與上一幀起始點(diǎn)相同，確保各幀掃描光柵重疊；第二，要求相鄰兩場(chǎng)光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最高的清晰度。 從第一條要求考慮，每幀掃描的行數(shù)應(yīng)為整數(shù)，若在各場(chǎng)掃描電流都一樣的情況下，要滿足第二條要求，每幀均應(yīng)為奇數(shù)。那末，每場(chǎng)的掃描行數(shù)就要出現(xiàn)半行的情況。目前，我國(guó)現(xiàn)行的隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數(shù)為625行，每場(chǎng)掃描行數(shù)為312.5行。一、氧化鉛視像管的結(jié)構(gòu)視頻信號(hào)靶網(wǎng)電極聚焦線圈偏轉(zhuǎn)線圈校正線圈聚焦極2聚焦極1陰極控制柵極加速極RLVT靶結(jié)構(gòu)玻璃PINSnO2（透明導(dǎo)電膜）RLVT（4060V）在入射窗的內(nèi)

16、表面首先蒸上一層極薄的SnO2透明導(dǎo)電膜，再蒸涂氧化鉛本征層，然后，氧化處理形成P型層。由于氧化鉛與二氧化錫兩者的接觸而在交界面處形成N形薄層，這樣就構(gòu)成了NIP型異質(zhì)結(jié)靶。又稱(chēng)信號(hào)板。其反偏電壓主要施加在本征層。 當(dāng)攝像管有光學(xué)圖像輸入時(shí)，則入射光子打到靶上。由于本征層占有靶厚的絕大部分，入射光子大部分被本征層吸收，產(chǎn)生光生載流子。且在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，光生載流子一旦產(chǎn)生，便被內(nèi)電場(chǎng)拉開(kāi)，電子拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)。這樣，若假定把曝光前本征層兩端加有強(qiáng)電場(chǎng)看作是電容充電，則此刻由于光生載流子的漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果相當(dāng)于電容的放電。其結(jié)果，在一幀的時(shí)間內(nèi)，在靶面上便獲得了與輸入圖像光照分布相對(duì)應(yīng)的電

17、位分布，完成了圖像的變換和記錄過(guò)程。固體攝像器件固體攝像器件 固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息（可見(jiàn)光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào) 視頻信號(hào)，而視頻信號(hào)能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。固體攝像器件主要有三大類(lèi)：電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（Charge Injenction Device，即CID） 8.4.18.4.1、電荷耦合攝像器件、電荷耦合攝像器件CCD的基本功能電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移CCD工作過(guò)程信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)的過(guò)程，作為攝像器件，電荷的

18、產(chǎn)生是依靠半導(dǎo)體的光電特性，用光注入的辦法產(chǎn)生。1969年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室W.S.Boyle和G.E.Smith首次提出CCD的概念，1970年首先研制出來(lái)的新型半導(dǎo)體器件，利用CCD作為轉(zhuǎn)換器件的傳感器，稱(chēng)為CCD傳感器，或稱(chēng)CCD圖像傳感器。CCD器件有兩個(gè)特點(diǎn)(以電荷作為信號(hào))： 一是它在半導(dǎo)體硅片上制有成百上千個(gè)(甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè))光敏元，它們按線陣或面陣有規(guī)則地排列。當(dāng)物體通過(guò)物鏡成像于半導(dǎo)硅平面上時(shí)。這些光敏元就產(chǎn)生與照在它們上面的光強(qiáng)成正比的光生電荷。 二是它具有自掃描能力，亦即將光敏元上產(chǎn)生的光生電荷依次有規(guī)則地串行輸出，輸出的幅值與對(duì)應(yīng)的光敏元上的電荷量成正比。 CCD光敏單元陣列

19、SONY某款數(shù)碼相 機(jī)中的CCD一、電荷耦合器件原理 電荷耦合器件分為線陣器件和面陣器件兩種，其基本組成部分是MOS光敏元列陣和讀出移位寄存器。 1、MOS光敏元 （電荷存儲(chǔ)） 如圖所示為MOS光敏元的結(jié)構(gòu)及勢(shì)阱圖。它是在半導(dǎo)體(P型硅)基片上形成一種氧化物,如二氧化硅，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個(gè)金屬 MOS光敏元結(jié)構(gòu)及其勢(shì)阱氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元(MOS)。因?yàn)樗怯山饘?M)氧化物(O)半導(dǎo)體(S)三層所組成，故稱(chēng)MOS結(jié)構(gòu)如圖8-15（a）所示，在柵極G施加電壓UG之前p型半導(dǎo)體中空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正電壓UG（此時(shí)UG小于等于p型半導(dǎo)體的閾值電壓Ut

20、h）時(shí)，p型半導(dǎo)體中的空穴將開(kāi)始被排斥，并在半導(dǎo)體中產(chǎn)生如圖8-15（b）所示耗盡區(qū)。 電壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將繼續(xù)向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸，如圖8-15（c）所示。UG大于Uth后，耗盡區(qū)的深度與UG成正比。將半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)記為表面勢(shì)s，s將隨柵極電壓UG的增加而增加，他們的關(guān)系曲線如圖8-16所示。圖8-16描述了在摻雜為1021 cm-3，氧化層厚度為0.1m、0.3m、0.4m和0.6m情況下，不存在反型層電荷時(shí) ，表面勢(shì)s與柵極電壓UG的關(guān)系曲線。從表面勢(shì)s與柵極電壓UG的關(guān)系曲線可以看出氧化層的厚度越薄曲線的直線性越好；在同樣的柵極電壓UG作用下，不同厚度的氧化層有著不同的表面勢(shì)

21、。表面勢(shì)s表征了耗盡區(qū)的深度。 圖8-17為柵極電壓UG不變的情況下，表面勢(shì)s與反型層電荷密度Qinv之間的關(guān)系。由圖8-17可以看出，表面勢(shì)s隨反型層電荷密度Qinv的增加而線性減小。依據(jù)圖8-16與圖8-17的關(guān)系曲線，很容易用半導(dǎo)體物理中的“勢(shì)阱”概念來(lái)描述。電子所以被加有柵極電壓的MOS結(jié)構(gòu)吸引到半導(dǎo)體與氧化層的交界面處，是因?yàn)槟抢锏膭?shì)能最低。在沒(méi)有反型層電荷時(shí)，勢(shì)阱的“深度”與柵極電壓UG的關(guān)系恰如s與UG的關(guān)系，如圖8-18（a）空勢(shì)阱的情況。 Q=COXUG (8-6) 如果此時(shí)有光線入射（正面/背面）到硅片上，則在光子的作用下，半導(dǎo)體硅片上就形成電子和空穴，由此產(chǎn)生的光生電子(

22、少數(shù)載流子)被附近的勢(shì)阱所吸收(或稱(chēng)俘獲)，而同時(shí)產(chǎn)生的空穴(多數(shù)載流子)則被電場(chǎng)排斥出耗盡區(qū)進(jìn)入襯底，此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。人們稱(chēng)這樣一個(gè) MOS結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元，或稱(chēng)為一個(gè)像素，把一個(gè)勢(shì)阱所收集的若干光生電荷稱(chēng)為一個(gè)電荷包。 MOS光敏元結(jié)構(gòu)及其勢(shì)阱區(qū)別于熱生載區(qū)別于熱生載流子暗電流流子暗電流MOS光敏元結(jié)構(gòu)及其勢(shì)阱 因?yàn)槊總€(gè)CCD單元都是一個(gè)電容器，所以它能儲(chǔ)存電荷。它們按線陣或面陣有規(guī)則地排列，且用同一半導(dǎo)體襯底制成，襯底上面覆蓋一層氧化物，并在其上制作許多金屬電極。如果在金屬電極上施加一正電壓，則在這半導(dǎo)體硅片上就形成幾百個(gè)或幾千個(gè)相互獨(dú)立的

23、勢(shì)阱。如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則在這些光敏元上就會(huì)感生出一幅與光照強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的光生電荷圖像。即：電荷耦合器件的光電效應(yīng)的基本原理。2、讀出移位寄存器（光敏單元中的電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移） 移位寄存器由金屬電極、氧化物介質(zhì)及半導(dǎo)體組成，也是MOS結(jié)構(gòu)，它不能使它受光照射，應(yīng)防止外來(lái)光線的干擾。圖2所示為以三相配線連接的讀出移位寄存器的結(jié)構(gòu)及控制時(shí)鐘波形。圖 三相CCD讀出寄存器結(jié)構(gòu)與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系 a) 勢(shì)阱耦合與電荷轉(zhuǎn)移 b) 控制時(shí)鐘波形圖解釋?zhuān)?t=t1 t=t2 t=t3 t=t4 四個(gè)時(shí)刻的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。 現(xiàn)在來(lái)說(shuō)明光敏單元中的電荷是怎樣轉(zhuǎn)移(讀出)至移位寄存器的。

24、如圖，光敏區(qū)中產(chǎn)生的電荷，由轉(zhuǎn)移門(mén)Z控制轉(zhuǎn)移至a1、a2、-an極下的勢(shì)阱。但如何解決光敏區(qū)中的光敏單元數(shù)與移位一致？假設(shè)光敏單元a1中的電荷已轉(zhuǎn)移至a1極下的勢(shì)阱。同理，光敏單元a1、a2an中的電荷同時(shí)轉(zhuǎn)移至 a1、a2an極下的勢(shì)阱。這是一個(gè)平行轉(zhuǎn)移的過(guò)程。 此時(shí)轉(zhuǎn)移電極Z上的電壓恢復(fù)為零，相當(dāng)于把光敏區(qū)和移位寄存器之間的“門(mén)”阻塞。光敏單元又重新進(jìn)行光積累(光積分)，移位寄存器a1、b1 、c1；a2、b2 、c2；- an、bn 、cn等進(jìn)行移位(電荷傳輸)，各自執(zhí)行自己的任務(wù)。 上述光敏區(qū)中的電荷信號(hào)靠移位寄存器傳輸給輸出端讀出，故移位寄存器一般稱(chēng)它為讀出寄存器。 上述的電荷傳輸過(guò)

25、程，實(shí)際上是一個(gè)電荷耦合的過(guò)程，因此把這類(lèi)器件稱(chēng)為“電荷藕合器件”。在電荷藕合器件中擔(dān)任電荷耦合傳輸?shù)膯卧Q(chēng)為“讀出移位寄存器”。 從CCD工作原理可看出,這種器件具有存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移電荷和逐一讀出信號(hào)電荷的功能，因此CCD器件是固體自掃描半導(dǎo)體攝像器件,有效地應(yīng)用于圖像傳感器。體內(nèi)溝道（或埋溝道CCD）即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）用離子注入方法改變轉(zhuǎn)移溝道的結(jié)構(gòu)，從而使勢(shì)能極小值脫離界面而進(jìn)入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)的轉(zhuǎn)移溝道，避免了表面態(tài)的影響，使得該種器件的轉(zhuǎn)移效率高達(dá)99.999以上，工作頻率可高達(dá)100MHz，且能做成大規(guī)模器件表面溝道器件，即SCCD（

26、Surface Channel CCD）轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件。工藝簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)范圍大，但信號(hào)在轉(zhuǎn)移過(guò)程中受到表面態(tài)的影響，使轉(zhuǎn)移速率和效率降低，不宜制成長(zhǎng)線陣和大面陣器件，工作頻率一般在10MHz以下。轉(zhuǎn)移效率高達(dá)99.99Qin=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(shí)間。 3、CCD的電極結(jié)構(gòu)（1 1）光注入）光注入 1) 1) 電流注入法電流注入法 2) 2) 電壓注入法電壓注入法 1如圖8-21 （a）所示為電流注入法結(jié)構(gòu)如圖8-21 （b）所示為電壓注入法結(jié)構(gòu)（2 2 ） 電注入電注入2thigi

27、noxg2UUUCLWIscsTUUUCLWQ2thiginoxg2(8-8)(8-9)輸出電流輸出電流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QQS S的關(guān)系的關(guān)系 QQs s= =I Id dd dt t (8-10) (8-10) （3 3）電荷的檢測(cè)）電荷的檢測(cè)( (輸出方式輸出方式) )二、電荷耦合攝像器件工作原理 CCD的電荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移的概念 + 半導(dǎo)體的光電性質(zhì) CCD攝像器件按結(jié)構(gòu)可分為線陣CCD和面陣CCD按光譜可分為可見(jiàn)光CCD、紅外CCD、X光CCD和紫外CCD可見(jiàn)光CCD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD（1）線陣CCD線陣CCD可分為雙溝道

28、傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)。線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對(duì)應(yīng)的構(gòu)成一個(gè)主體,在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵。雙線結(jié)構(gòu)CCD的轉(zhuǎn)移寄存器按奇、偶序號(hào)分別排在光敏元件的兩側(cè)，同樣條件下，雙線結(jié)構(gòu)CCD的光敏元件的尺寸可以比單線結(jié)構(gòu)CCD的小一半，所以雙線結(jié)構(gòu)CCD具有更高的空間分辨率。（2）面陣CCD常見(jiàn)的面陣CCD攝像器件有兩種：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)與幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)。二相面陣幀轉(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。 8.4.2、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)1、轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移效率是表征CCD性能好壞的重要參數(shù)。把一次轉(zhuǎn)移后，到達(dá)下一個(gè)

29、勢(shì)阱中的電荷與原來(lái)勢(shì)阱中的電荷之比稱(chēng)為電荷轉(zhuǎn)移效率。如t=0時(shí)，某電極下的電荷為Q(0)，在時(shí)間t時(shí)，大多數(shù)電荷在電場(chǎng)作用下向下一個(gè)電極轉(zhuǎn)移，但總有一小部分留在原電極下，若被留下的電荷為Q(t)，則轉(zhuǎn)移效率為：)0()(1)0()()0(QtQQtQQ)0()(QtQ1轉(zhuǎn)移損失率：理想情況下轉(zhuǎn)移效率為1，實(shí)際值小于1，常為0.9999以上。nQnQ)0()(一個(gè)電荷Q(0)電荷包，經(jīng)過(guò)n次轉(zhuǎn)移后，剩下的電荷Q(n)為如果效率為0.99，經(jīng)過(guò)24次轉(zhuǎn)移后，只剩下原來(lái)的79，經(jīng)過(guò)192次轉(zhuǎn)移后剩下15。 BCCD比SCCD轉(zhuǎn)移效率要高2、工作頻率f（驅(qū)動(dòng)脈沖頻率）（1）、決定工作頻率下限因素當(dāng)信號(hào)電荷沿著勢(shì)阱存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移時(shí)，受到熱生載流子的影響，為減少這種影響，轉(zhuǎn)移時(shí)間t必須小于熱生載流子的平均壽命 ,也就是說(shuō)保證在熱生少數(shù)