第09課圖像傳感器及其應(yīng)用

1、第09課圖像傳感器及其應(yīng)用第1頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六OUTLINECCDCMOS圖像傳感及其應(yīng)用第2頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六圖像傳感完成圖像信息光電轉(zhuǎn)換的功能器件稱為“光電圖像傳感器”20世紀(jì)早期使用的是“光電攝像管”，靈敏度低，笨重1970年，Bell Lab的Boyle & Smith發(fā)明了電荷耦合器件（CCD），掀開了圖像傳感的革命。使圖像傳感從電子束掃描方式發(fā)展到固體自掃描方式。在CCD之前已經(jīng)有CMOS圖像傳感器了，但當(dāng)時(shí)的CMOS無論在靈敏度、噪聲、功耗方面都比CCD差。近年來CMOS傳感器發(fā)展迅速，上述性能逐漸接近

2、CCD，并且擁有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。CCD/CMOS在廣播電視、工業(yè)監(jiān)控、醫(yī)療成像、軍事偵察、機(jī)器視覺、交通、安保等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。第3頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六第4頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD概念CCD：電荷耦合器件Charge-coupled Device一種陣列型半導(dǎo)體光電圖像傳感器把光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)最小單元，像素（pixel）一塊CCD像素越多，圖像分辨率越高第5頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD像素單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成CCD的基本單元是一個(gè)“金屬氧化物半導(dǎo)體”結(jié)構(gòu)（MOS結(jié)構(gòu)）第6頁，共6

3、9頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD像素單元結(jié)構(gòu)當(dāng)柵極和P型襯底之間加上正電壓Ug時(shí)，相當(dāng)于形成以SiO2為介質(zhì)的平板電容（MOS電容）在Ug作用下，產(chǎn)生一個(gè)由柵極指向P襯底的電場，但不會(huì)形成電流，這個(gè)電場排斥空穴，吸引電子?？拷鼥艠O的P襯底中的空穴被排斥，留下不能移動(dòng)的受主離子，構(gòu)成耗盡層；同時(shí)P襯底中的少子電子被吸引到靠近柵極的表面，形成了一個(gè)N型薄層，稱為反型層第7頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD像素單元結(jié)構(gòu)當(dāng)柵極電壓Ug突然由0增大到閾值電壓以上時(shí)，輕摻雜的半導(dǎo)體中少數(shù)載流子很少，不能立即建立反型層在不存在反型層的情況下，耗盡區(qū)會(huì)進(jìn)一步向

4、體內(nèi)延伸，Ug的絕大部分電壓會(huì)降落在耗盡區(qū)上。反型層建立以后，耗盡區(qū)會(huì)收縮，表面勢(shì)下降，氧化層上承擔(dān)的電壓增加當(dāng)有足夠的少數(shù)載流子時(shí)，表面勢(shì)可降低到半導(dǎo)體材料費(fèi)米能級(jí)的兩倍，其余電壓降落在氧化層上。第8頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD像素單元結(jié)構(gòu)表面勢(shì)s：P襯底與氧化層界面上的電勢(shì)表面勢(shì)反映了耗盡區(qū)的深度氧化層越薄，表面勢(shì)與Ug之間的線性關(guān)系越好第9頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD像素單元結(jié)構(gòu)電子被半導(dǎo)體與氧化層界面吸引的現(xiàn)象可以用“勢(shì)阱”概念來描述。Ug越大，勢(shì)阱越深電子填充勢(shì)阱，勢(shì)阱中能夠容納電子的多少取決于勢(shì)阱的深度，即表面勢(shì)的

5、大小，而表面勢(shì)大小又取決于柵極電壓的大小第10頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD工作原理三部曲：信號(hào)電荷注入（輸入）信號(hào)傳輸（電荷轉(zhuǎn)移）信號(hào)輸出第11頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD電荷注入當(dāng)光線透射到CCD的MOS結(jié)構(gòu)上時(shí)，光子穿過透明電極和氧化層，進(jìn)入P型Si襯底，激發(fā)過剩的載流子。電子空穴對(duì)在電場作用下分離，形成信號(hào)電荷，這些信號(hào)電荷存儲(chǔ)在表面“勢(shì)阱”中。Next Questions:這些“信號(hào)電荷”是如何輸出的？電荷“耦合”的機(jī)制是怎樣的？如何將CCD的信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像？第12頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14

6、分，星期六CCD電荷轉(zhuǎn)移第13頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六第14頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD電荷耦合CCD 電極之間的間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地從一個(gè)電極下轉(zhuǎn)移到相鄰電極下。（1um左右）以電子為信號(hào)電荷的CCD稱為“n溝道CCD”，以空穴為信號(hào)電荷的CCD稱為“p溝道CCD”，由于電子的遷移率遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，所以n溝道CCD工作頻率高第15頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD的信號(hào)輸出電流輸出方式由UD、R、襯底p和n區(qū)構(gòu)成反向偏置二極管，相當(dāng)于無限深勢(shì)阱，進(jìn)入反向偏置二極管的電荷將產(chǎn)生輸出電流

7、ID，其大小與注入到二極管的信號(hào)電荷量成正比。由于ID的存在，使A點(diǎn)的電位發(fā)生變化，把A點(diǎn)的電位采樣出來，通過放大器放大輸出。第16頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD信號(hào)輸出浮置擴(kuò)散放大器輸出前置放大器T2與CCD同做在一個(gè)硅片上，T1為復(fù)位管，RG為復(fù)位脈沖信號(hào)，RG脈沖到來時(shí)，把浮置擴(kuò)散區(qū)的剩余電荷放走，當(dāng)信號(hào)電荷到來時(shí)，復(fù)位管截止，收集的信號(hào)電荷控制T2的柵極電位變化，經(jīng)放大管放大后輸出。第17頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD信號(hào)輸出浮柵放大器輸出放大器T2并不是和信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移溝道直接連接，而是和溝道上方的浮柵連接。當(dāng)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)

8、移道浮柵下方的溝道時(shí)，在浮柵上感應(yīng)鏡像電荷，以此來控制T2的柵極電位，然后通過放大器輸出。第18頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六線陣CCD器件目前大多數(shù)CCD器件采用光電二極管和移位寄存器分離的方式，移位寄存器被遮擋，不作為光敏單元。單溝道和雙溝道：雙溝道有效提高了轉(zhuǎn)移效率，一般大于256像元的線陣CCD都是雙溝道。第19頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六線陣CCD器件第20頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六TCD1304第21頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六TCD1304第22頁，共69頁，2022年

9、，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六TCD1304第23頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六TCD1304第24頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六TCD1304第25頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六TCD1304第26頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六HAMAMATSU S104201106第27頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六第28頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六UV增強(qiáng)CCD第29頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD噪聲第30頁，共6

10、9頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD噪聲第31頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD噪聲第32頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD噪聲第33頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六SNRCCD的信噪比衡量CCD測(cè)量信號(hào)質(zhì)量的指標(biāo)：信噪比改善信噪比：減小暗噪聲；提高光信號(hào)減小暗噪聲：制冷提高光信號(hào)：收集更多的光：收集光路、像素結(jié)構(gòu)（微透鏡）更高的量子效率：背照式CCD增加曝光（積分）時(shí)間采用Binning技術(shù)（像素合并）第34頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六降低CCD暗噪聲TE Cooli

11、ng第35頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六背照式CCDBack-Illuminated CCD Back-thinned CCD第36頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六第37頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六第38頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六Binning 技術(shù)第39頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六第40頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六第41頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六Binning技術(shù)正常照度全分辨圖像低照度全分辨圖像低照

12、度2x8 Binning圖像第42頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六增加曝光時(shí)間第43頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六面陣CCD結(jié)構(gòu)CCD結(jié)構(gòu)：感光二極管（photodiode）并行信號(hào)寄存器（shift register）串行信號(hào)寄存器（Transfer Register）輸出信號(hào)放大器第44頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六面陣CCD面陣CCD可以分為：全幀（Full Frame）CCD間行（Interline）CCD第45頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六Interline CCD每個(gè)像素單元中，只

13、有30的面積用來制造光電二極管，剩余面積用來制造Shift Register，感光效率較低，所以通常在像素上面制造微透鏡陣列收集光，增加微透鏡后，等效集光面積可達(dá)到70。由于有Shift Register 存在，因此ILCCD不需要機(jī)械快門（電子快門），所以幀頻高。第46頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六Full Frame CCD第47頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六第48頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六第49頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六第50頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星

14、期六彩色CCD由于光電二極管只能感應(yīng)光的強(qiáng)度，無法感應(yīng)光的顏色（波長），所以彩色成像CCD/CMOS必須在感光元件上訪覆蓋彩色濾光片（color filter）第51頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六第52頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CMOSCMOS圖像傳感器誕生時(shí)間比CCD早（1969），它是一種用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片工藝方法將光敏元件、放大器、ADC、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)接口電路集成在一塊硅片上的圖像傳感器。結(jié)構(gòu)簡單、成品率高、價(jià)格低廉應(yīng)用廣泛：網(wǎng)絡(luò)攝像頭超市、樓宇監(jiān)控手機(jī)照相汽車倒車影像第53頁，共69頁，2022年，5月20日，3

15、點(diǎn)14分，星期六CMOS第54頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CMOS第55頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CMOS第56頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CMOSCMOS每個(gè)像素產(chǎn)生的電荷比較少，因此容易受到噪聲的影響。第57頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CMOS按照像素單元的結(jié)構(gòu)可以分為：無源像素傳感器（PPS）有源像素傳感器（APS）數(shù)字像素傳感器（DPS）第58頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CMOSPPSPPS當(dāng)開關(guān)管TX選通時(shí)，光電二極管中產(chǎn)生的光生電荷傳送到列線

16、col下端的積分放大器，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓輸出。PPS結(jié)構(gòu)簡單，像素填充率高，量子效率高；但是讀出噪聲大PPS不利于向大型陣列發(fā)展，不利于提高讀出速率，因?yàn)檫@樣都會(huì)導(dǎo)致讀出噪聲增大。第59頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CMOSAPS當(dāng)復(fù)位管M1打開時(shí)，光電二極管復(fù)位；然后進(jìn)入取樣，M1關(guān)閉光生電荷通過源跟隨器M2放大，輸出最后選通管M3打開，信號(hào)通過列總線輸出APS引入了一個(gè)源跟隨器M2，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的緩沖，改善了PPS的噪聲問題；M2還可以加快總線電容的充放電，因此允許總線長度增加和像素矩陣規(guī)模擴(kuò)大。APS具有更高的讀出速率、更低的讀出噪聲，但是填充率只有2030，因

17、此通常需要使用微透鏡聚光。第60頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CMOSDPSDPS和APS的區(qū)別在于ADC集成方式的不同，APS通常一個(gè)芯片上集成一個(gè)ADC，而DPS是每個(gè)像素上都集成了一個(gè)ADC，這樣對(duì)ADC的工作速度要求就比較低了，降低了AD過程中的噪聲，減少了模擬信號(hào)傳輸過程的信號(hào)損失，并且芯片工作速度很高。缺點(diǎn)：版圖復(fù)雜，功耗高第61頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CMOS第62頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CMOS第63頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CMOS第64頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD 與 CMOS比較CCD和CMOS都是利用光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，其主要差異在于數(shù)據(jù)傳送的方式不同CCD每一行中各個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)依次傳遞到下一個(gè)像素，由最低端輸出。而在CMOS中每個(gè)像素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器和AD轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出第65頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六第66頁，共69頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)14分，星期六CCD 與 CMOS比較CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面優(yōu)于CMOSCMOS具有低成本（通用的半