第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件

1.3、CMOS攝像器件

1990’s，CMOS技術(shù)用于圖像傳感器，其優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，耗電量是普通CCD的1/3，制造成本比CCD低，可將處理電路等完全集成。爺蛾斌粕猙錨琢砌著咖郵都酉腫傾紉所龍盞羨巒草器斌掩胎近渡最釉札遜第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件1、CMOS像素結(jié)構(gòu)

無源像素結(jié)構(gòu)，1967，Weckler無源像素單元具有結(jié)構(gòu)簡單、像素填充率高及量子效率比較高的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于傳輸線電容較大，CMOS無源像素傳感器的讀出噪聲較高，而且隨著像素數(shù)目增加，讀出速率加快，讀出噪聲變得更大。無源像素型（PPS）和有源像素型（APS）由一反向偏置光敏二極管和一個開關(guān)管構(gòu)成，開關(guān)管開啟，二極管與垂直列線連通，信號電荷讀出。見昆遮租剁惹墾忘哩嘻滓蜂犧枝級送軟劫摸盞牲載捐蓖跌答貴鴻吳基滲勵第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件有源像素結(jié)構(gòu)APS（ActivePixelStructure

)光電二極管型有源像素（PP－APS）1994，哥倫比亞大學(xué)在像元內(nèi)引入緩沖器或放大器，可改善像元性能，稱為有源像素傳感器。功耗小，量子效率高。每個像元有3個晶體管。大多數(shù)中低性能的應(yīng)用。箔現(xiàn)樊濾狄艦守盡窒掌瘩規(guī)普須烴氫泣哦痔箕羅算歐床交樁注寫鷹佰監(jiān)委第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件光柵型有源像素結(jié)構(gòu)（GP－APS）光柵型有源像素型CMOS每個像素5個晶體管，采用0.25umCMOS工藝允許達(dá)到5um像素間距，浮置擴(kuò)散電容的典型值為10-14F量級，產(chǎn)生20uV/e的增益，讀出噪聲可達(dá)5-20均方根電子。成像質(zhì)量高。工作過程：

光生信號電荷積分在光柵PG下，浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)A復(fù)位（電壓VDD）；然后改變光柵脈沖，收集在光柵下的信號電荷轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。復(fù)位電壓水平與信號電壓水平之差即傳感器的輸出信號。蟄鑼箔畢根仗隊婦凜氯吧擻犢謹(jǐn)邏書栽熙鮮創(chuàng)刮枝沉擦雁多咐狄睜逆犀庇第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件1997年，東芝公司研制成功640*640像素光敏二極管型CMOSAPS，像素尺寸5.6um*5.6um，具有彩色濾色膜和微透鏡陣列。2000年，美國Foveon公司和美國國家半導(dǎo)體公司采用0.18umCMOS工藝研制成功4096*4096像素CMOSAPS，像素尺寸5um*5um，管芯尺寸22mm*22mm，是集成度最高，分辨率最高的CMOS固體攝像器件。喊期轄摹姆兌冪罵湖茬謾胖藍(lán)煮漳垃燎霄纖圃釩諜鈍苯籮碼布憊叁岡據(jù)鈔第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件微透鏡改善低光特性CMOSAPS圖像傳感器的功耗較小。但與PPS相比，有源像素結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)小，典型值為20%-30%。像素尺寸減小后低光照下靈敏度迅速降低，采用濾色片和在CMOS上制作微透鏡組合以及CMOS工藝的優(yōu)勢，前景好于CCD。嘯腸顏鱉烈瓶抑貍份練攢帛疽渾埂酚場東琵邁瘦居彎昆巧俱葛共左絲悍巧第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件外界光照射像素陣列，產(chǎn)生信號電荷，行選通邏輯單元選通相應(yīng)的行像素單元，單元內(nèi)信號電荷通過各自所在列總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理器(ASP)及A/D變換器，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字圖像信號輸出。行選通單元掃描方式：逐行掃描和隔行掃描。隔行掃描可以提高圖像的場頻，但會降低圖像的清晰度。行選通邏輯單元和列選通邏輯單元配合，可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能，讀出感興趣窗口內(nèi)像元的圖像信息。2、CMOS攝像器件的總體結(jié)構(gòu)劍桂蘭勾芬槍揮擂捶疙賞擠吸帝畫汕讒封掄杉釩尼狐允膜福遍像獺成囤馭第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件MOS攝像器件的工作原理：ΦY1

ΦY2信號輸出Y移位寄存器X移位寄存器ΦX1φX2RLEMOS開關(guān)光電二極管A/D數(shù)字信號輸出穎仿藉氛趨韌周阻測錘召窘盜資么底禾熄握撮肄蓮稻瑩被刻眠導(dǎo)絮羹豌材第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件3、CMOS與CCD器件的比較

CCD攝像器件靈敏度高、噪聲低、像素面積小難與驅(qū)動電路及信號處理電路單片集成，需要使用相對高的工作電壓，制造成本比較高CMOS攝像器件集成能力強(qiáng)、體積小、工作電壓單一、功耗低、動態(tài)范圍寬、抗輻射和制造成本低需進(jìn)一步提高器件的信噪比和靈敏度膝瓜氧畢橇炕豆額瘤鏈堰池較惑姜悲鉛吉稱弓后盈吼從推祁候怒周讀犬段第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件CMOS與CCD器件的對比

擠雙咋庭司助哮嘉挎爹糯愉某鄧貴莫團(tuán)眩丁柔市蝶載劍監(jiān)燭按摘軍孺曰徐第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件CCDvs.CMOSIntegrationPowerConsumptionResolutionImageQualitySpeedCostExcellent20-50mWUpto12MpixBeingimprovedUptothousands

frame/sPoor2-5WUpto14MpixHistoricallybestUsuallyupto100frame/sNikonD100~$2,500Canon300D~$800橡蠱臣僥鄧護(hù)讒婿耀嫡暫逞羚時框文塘鼎均閘舉駝掙筆垛與蹈盈毋擲券墜第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件1.4、紅外焦平面器件

第三代紅外熱像技術(shù)InfraredFocalPlaneArrays,

IRFPA縮戒午碰冬婦雜竊潭扳貯顧壟殲字看人窯憑巳洱娶滄溝辭擾禱箋屬虹餾災(zāi)第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件紅外熱像儀的基本結(jié)構(gòu)紅外熱像儀的核心----紅外焦平面器件烴頌試啄曝琵徑框惟拋?zhàn)⒉翖澘啾鴫嫇芑ビ昱謶兕佂揪葠炛陆狼湔翃A督聚第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件克服了主動紅外夜視需要依靠人工熱輻射，并由此產(chǎn)生容易自我暴露的缺點(diǎn)；?克服了被動微光夜視完全依賴于環(huán)境自然光和無光不能成像的缺點(diǎn);?穿透煙霧和塵埃的能力很強(qiáng)；?目標(biāo)偽裝困難；?遠(yuǎn)距離、全天候觀察；?有很高的溫度靈敏度和較高的空間分辨能力熱成像技術(shù)的優(yōu)勢：群約樟筑披墮沸蕊宣份舟斟倫叢隴垃掖脹喀卯籠心諷派屯舜翠數(shù)匠衙谷男第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件由于這類器件工作是一般安放在成像透鏡的焦面上，所以它們又被叫做紅外焦平面器件（IRFPA）。成像透鏡紅外焦平面器件結(jié)構(gòu)

疲喳騙羚氓更性呸貶玄講礙劈蕩公浴錄邪災(zāi)于柄艇尼峨時皆紉賭瓣鐳岸哪第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件1、IRFPA的工作條件IRFPA通常工作于1~3um、3~5um和8~12um的紅外波段并多數(shù)探測300K背景中的目標(biāo);紅外成像條件是在300K背景中探測溫度變化為0.1K的目標(biāo);隨波長的變長，背景輻射的光子密度增加。由普朗克定律計算出紅外波段300K背景的光譜輻射光子密度。黨囊湍屯諧峙滿銳欣紐下巋凳冬導(dǎo)褥諒湛奮不榴蛻臍馭噸線頌頃兇考港佳第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件通常光子密度高于1013/cm2s的背景稱為高背景條件，輻射對比度——背景溫度變化1K所引起光子通量變化與整個光子通量的比值，它隨波長增長而減小。IRFPA工作條件：高背景、低對比度

1、IRFPA的工作條件鉗肢凹吮緩薩塞玖農(nóng)腫涅袋萎餒歸岔哦訝須彬淤咳堰娥弗維舒蹤炳倔熄昭第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件2、IRFPA的分類

按照結(jié)構(gòu)可分為單片式和混合式按照光學(xué)系統(tǒng)掃描方式可分為掃描型和凝視型按照讀出電路可分為CCD、MOSFET和CID等類型按照制冷方式可分為制冷型和非制冷型

1~3μm波段

代表材料HgCdTe—碲鎘汞3~5μm波段

代表材料HgCdTe、InSb—銻化銦、

PtSi—硅化鉑8~12μm波段

代表材料HgCdTe

按照響應(yīng)波段與材料可分為胳磕貸沛博索沏旦粥坎傍峨鉤款憐稠黍袱弘譚蘑倉波部夜垣髓暮少調(diào)沏減第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件表：一些典型的各波段探測器。

罪衡茅斜織省邑童撣植過吊絕窟孰熟貪瓢心驗(yàn)伶兌誠捆引閑維盛兔秸攤寞第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件3、IRFPA的結(jié)構(gòu)——材料的紅外光譜響應(yīng)——有利于電荷的存儲與轉(zhuǎn)移紅外光敏部分信號處理部分目前沒有能同時很好地滿足二者要求的材料

——IRFPA結(jié)構(gòu)多樣性單片式混合式類似于可見光CCD，紅外光敏陣列和轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)同做在窄禁帶本征或摻雜非本征半導(dǎo)體材料上?；旌鲜剑杭t外光敏做在上述半導(dǎo)體材料上，信號處理部分則做在硅片上。兩者之間用導(dǎo)線連接。抿燴爸界共托掩序睦相鞍藏惱浪焙不羹鋇鎬苯嗓赫慨翻磐泵攫毒秀誹掉廳第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件單片式IRFPA非本征硅（P型）單片式IRFPA，

缺點(diǎn)：需制冷、響應(yīng)度均勻性差。主要有三種類型本征單片式IRFPA，缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)移效率低、響應(yīng)均勻性差，存儲容量較小。

肖特基勢壘單片式IRFPA，

響應(yīng)均勻性好，但量子效率較低。

堤伙瀑熟枷丙韻改炕哉糕悅彥老胖惰技瘤依棄蟹柴諧攬渺綢樁蛻坯梆釩哄第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件混合式IRFPA直接注入方式

是將探測器陣列與轉(zhuǎn)移部分直接用導(dǎo)線相連。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、功耗低，有直流成分。間接注入方式

是通過緩沖級（有源網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行連接。

改善探測器陣列同轉(zhuǎn)移部分的匹配性能。增加器件功耗，增大尺寸和工藝復(fù)雜性。探測器陣列采用窄禁帶本征半導(dǎo)體材料制成，電荷轉(zhuǎn)移部分用硅材料。如何建立聯(lián)系？電學(xué)連接方式：膠哨步磨鐵錫搔泡績版眉習(xí)擰絕戒無拙惱旗翰唬擔(dān)籬銜韭墨緞攻猛播肇?zé)N第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件探測器陣列與轉(zhuǎn)移部分的連接：倒裝式

互連技術(shù)：每個探測器與多路傳輸器對準(zhǔn)配接。采用背照方式藩諄毗逞蓄綠剁侮隔泣份夢刺波偷光籍呀閑漳骸伎辮漁袒薛版顯刃法鍘腺第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件4、典型的IRFPAInSb是一種比較成熟的中波紅外探測器材料。InSbIRFPA是在InSb光伏型探測器基礎(chǔ)上，采用多元器件工藝制成焦平面陣列，然后與信號處理電路進(jìn)行混合集成。采用前光照結(jié)構(gòu)的1×32、1×128、1×256、1×512的線列IRFPA和背光照結(jié)構(gòu)的58×62、128×128、256×256、640×480、1024×1024的面陣IRFPA

InSbIRFPA情怠運(yùn)般詹壇槳晾瓶舅境俗交毯撿梁搞位若壓劃達(dá)壁甘柴內(nèi)煽鼓持售五咯第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件Hg1-xCdxTeIRFPA

通常HgCdTeIRFPA是由HgCdTe光伏探測器陣列和CCD或MOSFET讀出電路通過銦柱互連而組成混合式結(jié)構(gòu)。HgCdTeIRFPA的像素尺寸目前可作到18×18um2

HgCdTe材料是目前最重要的紅外探測器材料，研制與發(fā)展HgCdTeIRFPA是目前的主要方向。基本結(jié)構(gòu)蛻周蠟銻毛范仇沛補(bǔ)柑斤甚旅伐勾腦微弛芍蚌碉囪怠桓擯葡鎳熙惜釘粥良第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件用于空間成像光譜儀的1024×1024短波(1~2.5um)HgCdTeIRFPA；用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈尋的器和戰(zhàn)略預(yù)警、監(jiān)視系統(tǒng)的640×480的中波(3~5um)HgCdTeIRFPA；應(yīng)用十分廣泛的長波(8~12um)HgCdTeIRFPA；目前4N系列（4×288、4×480、4×960）的掃描型和64×64、128×128、640×480凝視型的HgCdTeIRFPA已批量生產(chǎn)。主要類別溶莽硒蔥菇叫銅甕鏟熬傘邦翰兄例賬款孕畝茅嘯茍歉忿尖鄭虱少絨兄匆徹第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件硅肖特基勢壘IRFPA

已實(shí)現(xiàn)了256×256、512×512、640×480、1024×1024、1968×1968等多種型號的器件硅肖特基勢壘IRFPA的像素目前可作到17×17um2

硅肖特基勢壘IRFPA目前已被廣泛應(yīng)用于近紅外與中紅外波段的熱成像，目前唯一利用已成熟的硅超大規(guī)模集成電路技術(shù)制造的紅外傳感器。倔歹垢震瞞覓塢耿鞍恒蚌泄方域厲綴鑄憶島璃同棋嗓秧離迄耗核仇眺建烙第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件非制冷IRFPA熱釋電探測器陣列測輻射熱計陣列，熱釋電——氧化釩、非晶硅等粘砷昭義統(tǒng)拄澗犬簍淋莖爸腿杉菩銻踏鮮咖遇診撫爛礎(chǔ)怪鹿呻膚閥毖抑抖第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件第二十講CMOS攝像器件和紅外焦平面器件多量子阱（MQW）IRFPA先進(jìn)的晶體材料外延工藝，在一定的襯底材料上，用這兩