圖像傳感與檢測(cè)

圖像傳感與檢測(cè)圖像傳感器的發(fā)展圖像傳感器的基本概念CCD圖像傳感器6.16.26.3CMOS圖像傳感器圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例6.46.56.1圖像傳感器的發(fā)展圖像檢測(cè)的基礎(chǔ)是圖像傳感器。圖像傳感器的目的是將所拍攝的圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。最早提出圖像傳感器的設(shè)計(jì)時(shí)，晶體管類(lèi)固態(tài)元件尚未出現(xiàn)，電信號(hào)的放大是通過(guò)真空管來(lái)完成的。1933年，美國(guó)物理學(xué)家茲沃里金(V.K.Zworykin)發(fā)明了光電攝像管。光電攝像管的基本構(gòu)造如圖6.1.1所示，其中，在真空管中放置了一塊云母板，云母板表面涂覆具有光電效應(yīng)的銫(Cs)。光線經(jīng)鏡頭后在云母板上成像，由光電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷經(jīng)從燈絲放出的電子束掃描而成為輸出信號(hào)電流。在此之后，移像正析攝像管、光導(dǎo)攝像管、硒砷碲攝像管、雪崩倍增靶攝像管等改良感光度的攝像管相繼被發(fā)明，用于產(chǎn)生電視圖像。圖6.1.1光電攝像管的基本構(gòu)造6.1圖像傳感器的發(fā)展到了晶體管發(fā)明10年之后，固態(tài)圖像傳感器(固態(tài)圖像元件)在集成多數(shù)晶體管的集成電路出現(xiàn)后才得以誕生。用于晶體管或集成電路的硅等半導(dǎo)體具有將所接收到的光轉(zhuǎn)換為電的性質(zhì)，但如何正確而有效地獲取產(chǎn)生的電信號(hào)，則是圖像傳感器固態(tài)化的最大問(wèn)題。6.1圖像傳感器的發(fā)展最早出現(xiàn)的可以產(chǎn)生圖像、像素平面排列的固態(tài)圖像傳感器，具有與目前的電荷耦合元件(chargecoupleddevice，CCD)不同的構(gòu)造。例如，由M.A.Schuster與G.Strull于1966年將光敏晶體管按平面排列而得的圖像傳感器；P.K.Wiener等在1967年提出將光電二極管以平面矩陣方式排列，通過(guò)掃描脈沖和MOS晶體管，按XY地址的方式讀取信號(hào)，即MOS型圖像傳感器的原型。該方法雖然得到了實(shí)用化，但在與CCD的開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)中失敗，目前已經(jīng)不用。6.1圖像傳感器的發(fā)展

1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith發(fā)明了CCD。由于CCD具有存儲(chǔ)信號(hào)電荷后進(jìn)行傳輸?shù)墓δ?，因此可廣泛應(yīng)用于內(nèi)存、顯示器、延遲元件等。用于天文攝像及某些專(zhuān)業(yè)級(jí)攝像機(jī)的幀轉(zhuǎn)移CCD(frametransferCCD，F(xiàn)T-CCD)圖像傳感器也由貝爾實(shí)驗(yàn)室于1971年公開(kāi)。6.1圖像傳感器的發(fā)展與CCD同年問(wèn)世的戽鏈器件(bucketbrigadedevice，BBD)具有與CCD相同的功能，基于BBD的圖像傳感器也于1970年公開(kāi)。盡管BBD與CCD的功能相同，但BBD就原理而言，信號(hào)電荷的傳輸并不完全，導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重劣化，不適于圖像傳感器的應(yīng)用。自CCD發(fā)明以來(lái)，為使其實(shí)用化，開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行了眾多研究。早期的研究主要針對(duì)FT-CCD方式進(jìn)行。此外，決定圖像傳感器感光度的電荷檢測(cè)技術(shù)中的FD(floatingdiffusion)構(gòu)造，以及目前使用最為廣泛的行間轉(zhuǎn)移CCD(interline-transferCCD，IT-CCD)構(gòu)造等，也相對(duì)較早地公開(kāi)了原理。6.1圖像傳感器的發(fā)展在信號(hào)處理技術(shù)的相關(guān)方面，M.H.White在1974年開(kāi)發(fā)出抑制CCD圖像傳感器信號(hào)中的噪聲的相關(guān)雙采樣(correlateddoublesampling，CDS)電路；越智成之發(fā)明了對(duì)應(yīng)于電視機(jī)隔行掃描方式的場(chǎng)讀出方式；可以明顯減少圖像噪聲的掩埋型光電二極管，以及有助于減小像素尺寸和實(shí)現(xiàn)電子快門(mén)的垂直溢出構(gòu)造光電二極管，也是CCD實(shí)用化之前的重要研究成果。1983年提出的片上微鏡頭可以彌補(bǔ)像素尺寸減小時(shí)感光度的下降，促進(jìn)了攝影機(jī)的小型化與普及。6.1圖像傳感器的發(fā)展除CCD圖像傳感器外，還提出了基于XY地址方式的MOS型圖像傳感器、電荷注入器件(chargeinjectiondevice，CID)、電荷引發(fā)器件(chargeprimingdevice，CPD)及屬于CCD一類(lèi)的電荷掃描器件(chargesweepdevice，CSD)等。但盡管提出了各式各樣的圖像傳感器，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)用化且應(yīng)用于照相機(jī)則是在CCD發(fā)明10余年后，而且真正實(shí)用化了的圖像傳感器也只有MOS型圖像傳感器與CCD圖像傳感器而已。使用MOS型圖像傳感器的攝影機(jī)于1981年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，而CCD圖像傳感器產(chǎn)品緊隨其后，在1982年登場(chǎng)。先出現(xiàn)的MOS型圖像傳感器盡管具有信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍廣的特點(diǎn)，但噪聲多，感光度低。隨著圖像傳感器小型化與高性能化的趨勢(shì)，以及攝影機(jī)的普及，MOS型圖像傳感器在與感光度高、畫(huà)質(zhì)優(yōu)良的CCD圖像傳感器的競(jìng)爭(zhēng)中敗北，并最終撤出市場(chǎng)。CCD圖像傳感器的時(shí)代最終來(lái)臨。6.1圖像傳感器的發(fā)展

CCD圖像傳感器正式實(shí)用化后，仍不斷有各種技術(shù)被提出以用于提高畫(huà)質(zhì)、拓展畫(huà)幅大小等方面。例如，在1986年開(kāi)發(fā)的電子快門(mén)幾乎用于所有的CCD圖像傳感器，缺少了此項(xiàng)技術(shù)，攝影機(jī)的快門(mén)速度就幾乎無(wú)法控制。1990年開(kāi)發(fā)的電子式手震校正技術(shù)，能夠幫助拍攝出專(zhuān)業(yè)級(jí)的穩(wěn)定圖像。1993年出現(xiàn)的適用于靜態(tài)圖像的全像素讀出方式，雖然最早的目的是提高攝影機(jī)的分辨率，但當(dāng)數(shù)碼照相機(jī)開(kāi)始實(shí)用化后，卻更適用于數(shù)碼相機(jī)，促進(jìn)了數(shù)碼相機(jī)的普及。從20世紀(jì)80年代后半期開(kāi)始，CCD圖像傳感器開(kāi)始了高分辨率化的發(fā)展過(guò)程，而隨著1995年數(shù)碼相機(jī)的出現(xiàn)，開(kāi)始了靜態(tài)圖像用的CCD的研制，而CCD圖像傳感器分辨率的競(jìng)賽也隨之展開(kāi)。不過(guò)，直到進(jìn)入21世紀(jì)后，像素尺寸才終于降到了3μm的水平。6.1圖像傳感器的發(fā)展另一類(lèi)主要的圖像傳感器——互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementarymetal-oxide-semiconductor，CMOS)圖像傳感器的誕生，一般認(rèn)為是1990年出現(xiàn)的ASICImageSensor，它使用CMOSLSI制造工藝。不過(guò)不同于如今主流的主動(dòng)像素傳感器(activepixel-sensor，APS)，即像素單元具有信號(hào)電荷放大功能的圖像傳感器，ASICImageSensor是被動(dòng)像素傳感器(passivepixelsensor，PPS)，即它的像素不具有信號(hào)放大功能。雖然以光電二極管或MOS晶體管構(gòu)成的APS分別早在1968年與1969年就已出現(xiàn)，但本質(zhì)上符合CMOS制造工藝的APS圖像傳感器直至1993年才正式公開(kāi)。而直到2002年出現(xiàn)的VMIS，不僅以CMOSLSI制造工藝為基礎(chǔ)，而且具有像素小型化的可能性，才使得CMOS圖像傳感器廣受矚目。6.1圖像傳感器的發(fā)展

CMOS圖像傳感器技術(shù)的研究主要集中于提高畫(huà)質(zhì)，以盡可能接近高畫(huà)質(zhì)的CCD圖像傳感器。由于CMOS圖像傳感器本身的工作原理，其固定模式噪聲(fixedpatternnoise，F(xiàn)PN)較大，因此CMOS研究的一個(gè)主要部分就是對(duì)其電路進(jìn)行改進(jìn)，以抑制因像素放大功能導(dǎo)致的FPN。目前，F(xiàn)PN的問(wèn)題基本已經(jīng)得到解決，研究重心轉(zhuǎn)移到實(shí)現(xiàn)高畫(huà)質(zhì)的制造工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)。6.1圖像傳感器的發(fā)展利用CMOSLSI制造工藝，近年來(lái)已開(kāi)發(fā)出了具有片上系統(tǒng)(system-on-chip，SoC)、功能各異的圖像傳感器，包括以單芯片完成數(shù)字照相機(jī)功能的片上照相機(jī)(camera-on-a-chip)與人工視網(wǎng)膜芯片等。由于CMOS圖像傳感器集成度高，因此尺寸小，價(jià)格較低，功耗較低，同時(shí)畫(huà)質(zhì)也不斷提高，因而目前CMOS圖像傳感器已經(jīng)占據(jù)了包括數(shù)字照相機(jī)與攝影機(jī)、手機(jī)攝影頭、網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)等典型應(yīng)用在內(nèi)的大部分低端市場(chǎng)。但在高性能科學(xué)級(jí)攝影應(yīng)用如天文攝影、衛(wèi)星成像、高分辨率數(shù)字照片、大部分科學(xué)與醫(yī)學(xué)攝像等高端應(yīng)用領(lǐng)域，CCD仍然因其高畫(huà)質(zhì)與高靈活性而占據(jù)主導(dǎo)地位。CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器之間的競(jìng)爭(zhēng)在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)仍將繼續(xù)。6.1圖像傳感器的發(fā)展6.2圖像傳感器的基本概念圖像傳感器成像的原理與一般的攝影成像類(lèi)似，從某種意義上而言更接近于人眼的成像。來(lái)自被攝對(duì)象的光線經(jīng)鏡頭(水晶體)與光圈(虹膜)，在膠卷(視網(wǎng)膜)或圖像傳感器的攝影面上成像。對(duì)于一般的照相機(jī)而言，成像是通過(guò)光的化學(xué)效應(yīng)完成的；對(duì)于圖像傳感器而言，成像過(guò)程利用了光電效應(yīng)，輸出的電信號(hào)反映了對(duì)應(yīng)的光的強(qiáng)弱；而人眼中的視網(wǎng)膜細(xì)胞在光線的刺激下產(chǎn)生生物電信號(hào)，并經(jīng)視神經(jīng)輸出至大腦處理。圖6.2.1圖像傳感器的成像過(guò)程6.2圖像傳感器的基本概念受光1.6.2圖像傳感器的基本概念信號(hào)的讀取2.6.2圖像傳感器的基本概念圖6.2.2信號(hào)的讀取方式6.2圖像傳感器的基本概念實(shí)際中圖像傳感器信號(hào)的讀取都是通過(guò)掃描的方式完成。例如，如圖6.2.3所示的攝像管信號(hào)的讀取，是通過(guò)真空中由電子槍發(fā)出的電子束，經(jīng)電磁場(chǎng)控制下的偏向，逐行掃過(guò)攝影面，并使得掃過(guò)位置的信號(hào)電荷形成信號(hào)電流輸出；而CCD圖像傳感器的掃描則是利用電子可沿CCD的半導(dǎo)體表面移動(dòng)的特性，通過(guò)若干垂直與水平CCD來(lái)完成的。圖6.2.3攝像管信號(hào)的讀取6.2圖像傳感器的基本概念6.3CCD圖像傳感器電荷存儲(chǔ)1.

CCD的基本工作原理6.3.1構(gòu)成CCD的基本單元是金屬氧化物-半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)。如圖6.3.1所示，當(dāng)柵極G上未施加電壓UG時(shí)，P型半導(dǎo)體中的空穴(P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子)呈均勻分布。當(dāng)在柵極上施加一個(gè)不超過(guò)P型半導(dǎo)體閾值電壓Uth的正電壓UG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6.3.1(b)所示的耗盡區(qū)。隨著UG繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將繼續(xù)向內(nèi)延伸。當(dāng)UG大于Uth后，耗盡區(qū)深度與UG成正比。若將半導(dǎo)體與氧化物絕緣體界面上的電勢(shì)記為表面勢(shì)ΦS，則ΦS將隨UG的增加而增加。圖6.3.1CCD柵極電壓對(duì)耗盡層的影響6.3CCD圖像傳感器如圖6.3.2所示為半導(dǎo)體摻雜濃度為1021cm-3，氧化層厚度分別為0.1μm、0.3μm、0.4μm和0.6μm時(shí)，不存在反型層電荷的情況下ΦS與UG的關(guān)系曲線。由圖6.3.2可見(jiàn)，氧化層越薄，曲線的直線性越好，在同樣的柵極電壓UG的作用下，表面勢(shì)ΦS也越高，即耗盡層越深。圖6.3.2表面勢(shì)與柵極電壓的關(guān)系6.3CCD圖像傳感器當(dāng)半導(dǎo)體中存在作為信號(hào)電荷的電子時(shí)，由于正的表面勢(shì)ΦS對(duì)于電子而言是勢(shì)能最低點(diǎn)，形成了電子的勢(shì)阱，因此電子將被加有正柵極電壓UG的柵極吸引并停留在半導(dǎo)體與氧化物絕緣體的界面上，形成半導(dǎo)體表面的反型層。當(dāng)柵極電壓UG不變時(shí)，表面勢(shì)ΦS與反型層電荷密度Qinv之間的關(guān)系如圖6.3.3所示，可見(jiàn)ΦS隨Qinv的增加而線性減小。圖6.3.3表面勢(shì)ΦS與反型層電荷密度Qinv之間的關(guān)系6.3CCD圖像傳感器因此，當(dāng)正柵極電壓UG造成的勢(shì)阱中沒(méi)有信號(hào)電荷積累時(shí)，ΦS最高，勢(shì)阱的深度最深；隨著信號(hào)電荷積累，反型層形成，且其中的電荷不斷增加，ΦS隨之降低，即勢(shì)阱被逐漸填充；當(dāng)反型層電荷足夠多時(shí)，ΦS將下降到一個(gè)最小值，此時(shí)ΦS將不再能夠束縛更多的信號(hào)電荷，即勢(shì)阱被填滿，信號(hào)電荷將發(fā)生溢出。該過(guò)程如圖6.3.4所示。圖6.3.3表面勢(shì)ΦS與反型層電荷密度Qinv之間的關(guān)系6.3CCD圖像傳感器由上可見(jiàn)，表面勢(shì)ΦS可作為勢(shì)阱深度的量度。表面勢(shì)與柵極電壓和氧化層厚度有關(guān)，即與MOS電容的容量Cox和柵極電壓UG的乘積有關(guān)。勢(shì)阱的橫截面積取決于金屬柵極的面積，而MOS電容中能夠存儲(chǔ)的信號(hào)電荷的容量為Q=CoxUG(6.3.1)6.3CCD圖像傳感器耦合電容2.當(dāng)相鄰的MOS電容彼此足夠接近時(shí)，各自的柵極電壓所造成的勢(shì)阱將合并為一，而勢(shì)阱中存儲(chǔ)的信號(hào)電荷也將變?yōu)槁?lián)合勢(shì)阱中的共有電荷而為兩個(gè)MOS電容器所共有，即發(fā)生了信號(hào)電荷的耦合。利用電荷耦合，可使信號(hào)電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移。6.3CCD圖像傳感器圖6.3.5三相CCD的電荷轉(zhuǎn)移6.3CCD圖像傳感器如圖6.3.5(a)所示，在開(kāi)始時(shí)刻，柵極電壓為10V的電極①下的深勢(shì)阱中存儲(chǔ)了一定量的信號(hào)電荷，而其他電極上施加的電壓均不超過(guò)閾值電壓；到t1時(shí)刻時(shí)，電極②的柵極電壓也變?yōu)?0V，從而在電極②下也形成勢(shì)阱。由于電極①與電極②足夠接近，因此它們的勢(shì)阱將合并在一起，而原來(lái)存儲(chǔ)在電極①勢(shì)阱中的信號(hào)電荷也會(huì)重新分布成為電極①與電極②的聯(lián)合勢(shì)阱所共有，如圖6.3.5(b)和圖6.3.5(c)所示；到t2時(shí)刻時(shí)，電極①的柵極電壓被置為2V，其下的勢(shì)阱也隨之消失，信號(hào)電荷因而全部轉(zhuǎn)移到電極②下面的深勢(shì)阱中，如圖6.3.5(d)和圖6.3.5(e)所示。至此，信號(hào)電荷包在柵極電壓的控制下轉(zhuǎn)移到了相鄰位置。6.3CCD圖像傳感器由此可見(jiàn)，通過(guò)將按照一定規(guī)律變化的電壓加到CCD的各電極上，就能控制電極下的電荷包沿半導(dǎo)體表面按一定方向移動(dòng)。通常將CCD的電極分為若干組，每組稱(chēng)為一相，并施加同樣的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖。CCD正常工作所需要的相數(shù)由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定。圖6.3.5中的結(jié)構(gòu)需要波形如圖6.3.5(f)所示的三相時(shí)鐘脈沖，這樣的CCD稱(chēng)為三相CCD，它的電荷必須在三相交疊驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，才能按一定的方向逐單元轉(zhuǎn)移。需要強(qiáng)調(diào)的是，CCD電極間的間隙必須足夠小，才能使電荷不受阻礙地從一個(gè)電極下轉(zhuǎn)移到相鄰電極下。如果間隙過(guò)大，則相鄰電極的勢(shì)阱將被勢(shì)壘分割，無(wú)法合并，而電荷也不能從一個(gè)電極向另一個(gè)電極完全轉(zhuǎn)移。該間隙的最大值一般由具體的電極結(jié)構(gòu)、表面態(tài)密度等因素決定。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)證明，電極間隙不應(yīng)超過(guò)3μm。對(duì)于絕大多數(shù)CCD而言，1μm的間隙就已足夠。6.3CCD圖像傳感器圖6.3.5三相CCD的電荷轉(zhuǎn)移6.3CCD圖像傳感器以電子為信號(hào)電荷的CCD稱(chēng)為N型溝道CCD，簡(jiǎn)稱(chēng)N型CCD；以空穴為信號(hào)電荷的CCD稱(chēng)為P型溝道CCD，簡(jiǎn)稱(chēng)P型CCD。由于電子的遷移率(單位場(chǎng)強(qiáng)下的運(yùn)動(dòng)速度)遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此N型CCD具有比P型CCD高出許多的工作頻率。6.3CCD圖像傳感器電荷的注入3.

CCD的電荷注入方法可分為光注入和電注入兩類(lèi)。CCD圖像傳感器的光敏單元即為光注入方式。當(dāng)光照射到CCD硅襯底上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，空穴被柵極電壓排斥，而電子則被收集在勢(shì)阱中成為信號(hào)電荷。光注入方式又可分為正面照射式和背面照射式。光注入電荷的量為Qin=ηqNeoAtc(6.3.2)式中，η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。6.3CCD圖像傳感器當(dāng)CCD確定后，η，q及A均為常數(shù)，因此注入勢(shì)阱的信號(hào)電荷量Qin與入射光的光子流速率及注入時(shí)間成正比。注入時(shí)間tc由CCD驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)移脈沖周期Tsh決定，若驅(qū)動(dòng)器能夠保證注入時(shí)間穩(wěn)定不變，則Qin僅與入射光的光子流速率成正比。對(duì)于單色入射光而言，光子流速率Neo與入射光譜輻射通量Φe,λ的關(guān)系為(6.3.3)式中，h，v均為常數(shù)，因此Neo與Φe,λ成正比。6.3CCD圖像傳感器電荷的檢測(cè)4.電流輸出方式的電路如圖6.3.6所示，它由檢測(cè)二極管、二極管偏置電阻R、源極放大器和復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管VR等單元構(gòu)成。信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移脈沖CR1、CR2的驅(qū)動(dòng)下向右轉(zhuǎn)移到最末一級(jí)轉(zhuǎn)移電極(圖中的CR2電極)下的勢(shì)阱中，當(dāng)CR2電極上的電壓由高變低時(shí)，信號(hào)電荷將通過(guò)加有恒定電壓的輸出柵下的勢(shì)阱進(jìn)入反向偏置的二極管(圖中的N+區(qū))中。由電源UD、電阻R、襯底P和N+區(qū)構(gòu)成的輸出二極管反向偏置電路，對(duì)于電子來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)很深的勢(shì)阱。進(jìn)入反向偏置的二極管中的電荷(電子)將產(chǎn)生電流Id，其大小與注入二極管中的信號(hào)電荷量QS成正比。6.3CCD圖像傳感器圖6.3.6電流輸出方式的電路6.3CCD圖像傳感器由于Id的存在，使得A點(diǎn)的電位發(fā)生變化。注入二極管中的電荷量QS越大，Id也越大，A點(diǎn)電位下降得越低。因此，可以通過(guò)A點(diǎn)的電位來(lái)檢測(cè)注入輸出二極管中的電荷QS。隔直電容將A點(diǎn)的電位變化提取，并通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)放大器的OS端輸出。在實(shí)際的器件中，常用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管取代隔直電容，并兼有放大器的功能。6.3CCD圖像傳感器復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管VR用于對(duì)檢測(cè)二極管的深勢(shì)阱進(jìn)行復(fù)位。其主要作用是在一個(gè)讀出周期中，注入輸出二極管深勢(shì)阱中的信號(hào)電荷通過(guò)偏置電阻R放電。R太小，則信號(hào)電荷很容易被放掉，輸出信號(hào)的持續(xù)時(shí)間短，不利于檢測(cè)；R增大，則輸出信號(hào)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在轉(zhuǎn)移脈沖CR1周期內(nèi)，信號(hào)電荷被釋放掉的數(shù)量不大，有利于信號(hào)檢測(cè)，但下一個(gè)信號(hào)到來(lái)時(shí)，未被放掉的電荷將與新到來(lái)的電荷疊加，破壞后續(xù)的信號(hào)。為此，引入復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管VR，使沒(méi)來(lái)得及放掉的信號(hào)電荷通過(guò)復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管卸放。復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管在復(fù)位脈沖RS的作用下導(dǎo)通，其動(dòng)態(tài)電阻遠(yuǎn)小于R的阻值，使得輸出二極管中的剩余電荷能迅速流入電源，從而使A點(diǎn)電位恢復(fù)到起始的高電平，為接收新的信號(hào)電荷做好準(zhǔn)備。6.3CCD圖像傳感器三相CCD電極的結(jié)構(gòu)1.

CCD電極的結(jié)構(gòu)6.3.2

1)三相單層鋁電極的結(jié)構(gòu)CCD襯底一般采用輕度摻雜的硅，其電阻率約為103Ω·cm-1，氧化層厚度通常為0.1μm左右。三相單層金屬電極的結(jié)構(gòu)如圖6.3.7所示，其特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)密度較高，存儲(chǔ)1“位”信息的一個(gè)單元只有3個(gè)排列緊密的電極，面積可以做得很小。6.3CCD圖像傳感器圖6.3.7三相單層金屬電極的結(jié)構(gòu)6.3CCD圖像傳感器在常規(guī)工藝條件下，CCD移位寄存器的存儲(chǔ)單元面積可以做得比MOS移位寄存器的單元面積小。不過(guò)，要在金屬氧化層上刻出寬度為2～3μm、總長(zhǎng)達(dá)到厘米級(jí)的間隙，在光刻工藝上有相當(dāng)難度。為解決這一問(wèn)題，可采用“照相腐蝕技術(shù)”。但不管使用何種工藝制造，這種結(jié)構(gòu)存在一個(gè)明顯缺點(diǎn)，即電極間隙處的氧化物直接裸露于周?chē)h(huán)境中，使得其下的表面勢(shì)不穩(wěn)定，影響轉(zhuǎn)移效率。正是由于這個(gè)缺點(diǎn)，三相單層金屬電極結(jié)構(gòu)很少在實(shí)用器件中采用。6.3CCD圖像傳感器2)三相電阻海結(jié)構(gòu)為避免三相單層金屬電極結(jié)構(gòu)成品率較低和電極間隙氧化物裸露的問(wèn)題，并保持結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，在多晶硅沉積和擴(kuò)散工藝成熟后，引入了一種簡(jiǎn)單的硅柵結(jié)構(gòu)，如圖6.3.8所示。圖6.3.8三相電阻海結(jié)構(gòu)6.3CCD圖像傳感器在氧化物上先沉積一層連續(xù)的高阻多晶硅，然后對(duì)電極區(qū)域進(jìn)行選擇摻雜，形成低阻區(qū)(轉(zhuǎn)移電極)被高阻區(qū)所間隔的結(jié)構(gòu)。由于整個(gè)轉(zhuǎn)移電極與絕緣機(jī)構(gòu)都采用多晶硅制造，因此可比喻為電阻的海洋，故稱(chēng)之為電阻海結(jié)構(gòu)。包括交叉天橋在內(nèi)的引線及區(qū)焊點(diǎn)都附加在一層鋁上形成。這種電極結(jié)構(gòu)的成品率高，性能穩(wěn)定，不易受環(huán)境因素影響。但其缺點(diǎn)在于單元尺寸較大，因?yàn)槊總€(gè)單元沿電荷轉(zhuǎn)移溝道的長(zhǎng)度包括3個(gè)電極與3個(gè)間隙，它們受光刻和多晶硅局部摻雜工藝的限制而無(wú)法做得很窄。因此，電阻海結(jié)構(gòu)不宜用于制造大型器件。6.3CCD圖像傳感器3)三相交疊柵結(jié)構(gòu)制造電極間隙極窄、轉(zhuǎn)移溝道封閉的CCD的方法之一是采用交疊柵結(jié)構(gòu)。對(duì)于三相器件來(lái)說(shuō)，最常見(jiàn)的三層多晶硅交疊柵結(jié)構(gòu)如圖6.3.9所示。圖6.3.9三層多晶硅交疊柵結(jié)構(gòu)6.3CCD圖像傳感器6.3CCD圖像傳感器兩相CCD的電極結(jié)構(gòu)2.1)兩相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)圖6.3.10兩相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)6.3CCD圖像傳感器第一層電極采用低電阻率多晶硅。在進(jìn)行電極上熱生長(zhǎng)絕緣氧化物的過(guò)程中，沒(méi)有被多晶硅覆蓋的柵氧區(qū)厚度也將增加。第二層電極采用鋁柵下絕緣物，厚度與硅柵下不同，因而在相同的柵壓下形成勢(shì)壘。相鄰的一個(gè)鋁柵(表面電極)和一個(gè)硅柵(氧化硅中的電極)并聯(lián)構(gòu)成一相電極。相對(duì)于硅柵，鋁柵下是一個(gè)勢(shì)壘，它可以將各個(gè)信號(hào)電荷包隔離，并限制電荷轉(zhuǎn)移的方向。在圖6.3.10中，電荷將處于勢(shì)阱較深的右部，由于厚氧化區(qū)下方勢(shì)壘的阻擋不能向左移動(dòng)，只能向右轉(zhuǎn)移。6.3CCD圖像傳感器2)梯狀氧化物結(jié)構(gòu)階梯狀氧化物結(jié)構(gòu)是用一次金屬化過(guò)程形成不對(duì)稱(chēng)勢(shì)阱，實(shí)現(xiàn)兩相CCD電極結(jié)構(gòu)。在400nm的厚柵氧上覆蓋100nm的Al2O3，在Al2O3上刻出圖形作為掩膜，將未被遮掩的厚柵氧區(qū)腐蝕至約100nm。腐蝕過(guò)程中，被Al2O3掩蔽的區(qū)域邊緣會(huì)出現(xiàn)橫向鋁蝕，形成Al2O3的凸出部。當(dāng)金屬沉積時(shí)，在凸出部分會(huì)出現(xiàn)斷條，從而使相鄰電極隔離。圖6.3.9三層多晶硅交疊柵結(jié)構(gòu)6.3CCD圖像傳感器采用離子注入技術(shù)可以在電極下的不對(duì)稱(chēng)位置上設(shè)置注入勢(shì)壘區(qū)，如圖6.3.12所示。離子注入技術(shù)容易制成較高的勢(shì)壘，而且當(dāng)注入的離子就集中在界面附近時(shí)，勢(shì)壘高度受電極電勢(shì)的影響較小。3)注入勢(shì)壘兩相結(jié)構(gòu)圖6.3.12注入勢(shì)壘兩相結(jié)構(gòu)6.3CCD圖像傳感器圖6.3.13四相CCD的電極結(jié)構(gòu)四相CCD的電極結(jié)構(gòu)3.6.3CCD圖像傳感器如圖6.3.14所示為四相CCD在轉(zhuǎn)移過(guò)程中某一時(shí)刻的表面勢(shì)分布。相比于兩相和三相器件，四相器件的操作方式更能適應(yīng)時(shí)鐘頻率很高(如100MHz)、波形接近正弦波的驅(qū)動(dòng)脈沖。圖6.3.14四相CCD的表面勢(shì)分布6.3CCD圖像傳感器上面介紹的CCD均為SCCD，信號(hào)電荷只在貼近界面的極薄襯底內(nèi)運(yùn)動(dòng)。由于界面處硅晶體的缺陷，可能存在陷阱，導(dǎo)致信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移受到影響，降低了器件的工作速度與轉(zhuǎn)移效率。為減輕或避免這些問(wèn)題，可在半導(dǎo)體體內(nèi)設(shè)置信號(hào)的轉(zhuǎn)移溝道。這類(lèi)器件稱(chēng)為體溝道CCD(BCCD)。BCCD的轉(zhuǎn)移溝道中進(jìn)行了離子注入(對(duì)于P型襯底的CCD而言，通過(guò)離子注入在表面附近形成局部的N型區(qū)域)，使得電極下勢(shì)能的最小點(diǎn)離開(kāi)了界面，而進(jìn)入到半導(dǎo)體體內(nèi)一定深度的位置，從而使信號(hào)電荷的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移得以避開(kāi)界面的缺陷處。體溝道原則上可用外延生長(zhǎng)法形成，但在控制薄外延層的摻雜濃度和降低缺陷密度方面有一定困難。體溝道CCD4.6.3CCD圖像傳感器電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率1.

CCD的特性參數(shù)6.3.3電荷轉(zhuǎn)移效率(η)是表征CCD性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。在一次轉(zhuǎn)移后到達(dá)下一個(gè)勢(shì)阱中的電荷量與轉(zhuǎn)移前原勢(shì)阱中電荷量之比稱(chēng)為轉(zhuǎn)移損失率(ε)。6.3CCD圖像傳感器設(shè)在起始時(shí)注入某電極下的電荷量為Q(0)。在時(shí)刻t，大多數(shù)電荷轉(zhuǎn)移至相鄰電極，而殘留在原電極下的電荷量為Q(t)，則電荷轉(zhuǎn)移效率為

因此，電荷轉(zhuǎn)移效率與電荷轉(zhuǎn)移損失率之間的關(guān)系為

ε=1-η(6.3.6)6.3CCD圖像傳感器轉(zhuǎn)移效率η的高低是CCD是否實(shí)用的關(guān)鍵。因?yàn)閷?shí)際情況中η總小于1，而電極下的電荷通常都需要經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)移才能到達(dá)輸出部分，因此隨著轉(zhuǎn)移次數(shù)n的增加，信號(hào)電荷將以指數(shù)形式減少，即Q(n)=Q(0)ηn(6.3.7)假設(shè)η=0.99，則經(jīng)過(guò)24次轉(zhuǎn)移后，Q(n)=0.79Q(0)；經(jīng)過(guò)192次轉(zhuǎn)移后，Q(n)=0.15Q(0)。一般η都達(dá)到了0.9999以上。6.3CCD圖像傳感器影響電荷轉(zhuǎn)移效率的主要因素是界面態(tài)對(duì)電荷的俘獲。為克服這一不利因素，常采用胖0工作模式，即讓信號(hào)0也具有一定的電荷量。如圖6.3.15所示為P溝道線陣CCD在兩種不同驅(qū)動(dòng)頻率下電荷轉(zhuǎn)移損失率ε與胖0電荷Q0之間的關(guān)系。圖中，C為轉(zhuǎn)移電極的有效電容量，Q1代表1信號(hào)電荷。圖6.3.15電荷轉(zhuǎn)移損失率與胖0電荷的關(guān)系6.3CCD圖像傳感器驅(qū)動(dòng)頻率2.1）驅(qū)動(dòng)頻率的下限在信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移過(guò)程中，為避免由于熱激發(fā)少數(shù)載流子而對(duì)注入信號(hào)電荷的干擾，注入信號(hào)電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所用的時(shí)間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命τi，即t<τi。在正常工作條件下，對(duì)于三相CCD而言，t=T/3=1/3f，因此有f>1/3τi(6.3.8)可見(jiàn)，CCD驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的下限與少數(shù)載流子的平均壽命有關(guān)，而載流子的平均壽命與器件的工作溫度有關(guān)。工作溫度越高，熱激發(fā)少數(shù)載流子的平均壽命越短，驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的下限越高。6.3CCD圖像傳感器2）驅(qū)動(dòng)頻率的上限當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率升高時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)使電荷由一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的時(shí)間t應(yīng)大于電荷在電極間轉(zhuǎn)移的固有時(shí)間τg，即t>τg，以保證電荷完全轉(zhuǎn)移。否則，信號(hào)電荷跟不上驅(qū)動(dòng)脈沖的變化，會(huì)使轉(zhuǎn)移效率大為降低。因此有f<1/3τg(6.3.9)這就是電荷自身轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率上限的限制。由于電荷轉(zhuǎn)移的快慢與載流子遷移率、電極長(zhǎng)度、沉底雜質(zhì)濃度和溫度等因素有關(guān)。因此，對(duì)于相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，N溝道CCD比P溝道CCD的工作頻率高。6.3CCD圖像傳感器

SCCD驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的上限為10MHz，一旦高于此頻率，CCD的轉(zhuǎn)移損失率將急劇增加。一般而言，BCCD的驅(qū)動(dòng)頻率要高于SCCD的驅(qū)動(dòng)頻率。隨著半導(dǎo)體材料科學(xué)和制造工藝的發(fā)展，更高速度的線陣BCCD的最高驅(qū)動(dòng)頻率已達(dá)到數(shù)百赫茲。驅(qū)動(dòng)頻率上限的提高為CCD在高速成像系統(tǒng)中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。圖6.3.16驅(qū)動(dòng)頻率與電荷轉(zhuǎn)移損失率的關(guān)系6.3CCD圖像傳感器工作原理1.

CCD圖像傳感器6.3.4

CCD圖像傳感器就是用于攝像或像敏(光敏)的CCD，簡(jiǎn)稱(chēng)ICCD。CCD圖像傳感器的功能是將二維光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S視頻輸出時(shí)間信號(hào)。ICCD分為線型和面型兩大類(lèi)，兩者都需要光學(xué)成像系統(tǒng)將景物圖像成像于CCD的像敏面上。像敏面將入射到每個(gè)像敏單元上的光照度分布信號(hào)Ex,y轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)載流子的密度分布信號(hào)Nx,y，并存儲(chǔ)在像敏單元(MOS電容)中。再通過(guò)驅(qū)動(dòng)脈沖的驅(qū)動(dòng)使信號(hào)電荷包從CCD的移位寄存器中轉(zhuǎn)移出來(lái)，形成時(shí)序的視頻信號(hào)。6.3CCD圖像傳感器線陣CCD圖像傳感器可以直接將接收到的一維光信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)序的電信號(hào)輸出，獲得一維圖像信號(hào)。要用線陣CCD圖像傳感器獲得二維圖像信號(hào)，必須使之相對(duì)二維圖像做掃描運(yùn)動(dòng)。因此，用線陣CCD圖像傳感器對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行掃描成像十分方便。現(xiàn)代的掃描儀、傳真機(jī)、高檔復(fù)印機(jī)和航空?qǐng)D像掃描系統(tǒng)等均采用線陣CCD圖像傳感器。面陣CCD圖像傳感器是二維圖像傳感器，可以直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l輸出。6.3CCD圖像傳感器三相單溝道線陣CCD由光敏陣列、轉(zhuǎn)移柵、CCD模擬移位寄存器和輸出放大器等單元構(gòu)成。光敏陣列一般由光柵控制的MOS光積分電容或PN結(jié)光電二極管構(gòu)成，通過(guò)轉(zhuǎn)移柵與CCD模擬移位寄存器相連。轉(zhuǎn)移柵既可以將像敏區(qū)與移位寄存器分隔，又可以將像敏區(qū)與模擬移位寄存器溝通，使像敏區(qū)的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器中。1)線陣CCD圖像傳感器6.3CCD圖像傳感器6.3CCD圖像傳感器圖6.3.17三相單溝道線陣CCD的結(jié)構(gòu)圖6.3CCD圖像傳感器(2)雙溝道線陣CCD。如圖6.3.18所示為雙溝道線陣CCD圖像傳感器，它具有兩列CCD模擬移位寄存器A與B，分列于像敏陣列兩側(cè)。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵A與B為高電平(對(duì)于N溝道器件)時(shí)，像敏陣列勢(shì)阱內(nèi)積存的信號(hào)電荷將按箭頭所指的方向分別轉(zhuǎn)移至相應(yīng)的模擬移位寄存器中，然后在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下分別向右轉(zhuǎn)移，最后經(jīng)輸出放大器輸出為視頻信號(hào)。顯然，對(duì)于同樣的像敏單元，雙溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)僅為單溝道線陣CCD轉(zhuǎn)移次數(shù)的一半，總轉(zhuǎn)移效率大為提高。6.3CCD圖像傳感器圖6.3.18雙溝道線陣CCD的結(jié)構(gòu)圖6.3CCD圖像傳感器在要求CCD具有高工作速度和轉(zhuǎn)移效率的情況下，常采用雙溝道的方式。雙溝道器件的奇、偶信號(hào)分別通過(guò)A，B模擬移位寄存器和兩個(gè)輸出放大器輸出，由于兩個(gè)模擬移位寄存器和兩個(gè)輸出放大器的參數(shù)無(wú)法完全一致，因此將造成奇、偶輸出信號(hào)的不均勻性。所以，如果對(duì)像敏單元的一致關(guān)系特性要求較高，有時(shí)在多像敏單元的情況下也采用單溝道結(jié)構(gòu)。6.3CCD圖像傳感器2）面陣CCD圖像傳感器6.3CCD圖像傳感器圖6.3.19幀轉(zhuǎn)移三相面陣CCD圖像傳感器6.3CCD圖像傳感器圖像經(jīng)物鏡成像于成像區(qū)后，在場(chǎng)正程期間(光積分時(shí)間)，成像區(qū)某一相的電極(如ICR1)加有適當(dāng)?shù)钠珘?高電平)，光生電荷將被收集到這些電極下方的勢(shì)阱中。光積分周期結(jié)束即進(jìn)入場(chǎng)逆程。此時(shí)，加到成像區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)電極上的時(shí)鐘脈沖將成像區(qū)積累的信號(hào)電荷迅速轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)。場(chǎng)逆程結(jié)束后又進(jìn)入下一場(chǎng)正程期。6.3CCD圖像傳感器暫存區(qū)與水平讀取寄存器在場(chǎng)正程器件按行周期工作。在行逆程期間，暫存區(qū)的驅(qū)動(dòng)脈沖使暫存區(qū)的信號(hào)電荷按行產(chǎn)生向下一行的平移，并使圖6.3.19中最底行的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移至水平移位寄存器中。在行正程期間，暫存區(qū)的電位不變，水平讀出寄存器在水平讀取脈沖的作用下輸出一行視頻信號(hào)。這樣一來(lái)，在場(chǎng)正程器件，通過(guò)若干個(gè)行周期，水平移位寄存器逐行輸出整個(gè)場(chǎng)圖像信號(hào)。當(dāng)前場(chǎng)的信息正在被讀取的同時(shí)，下一場(chǎng)的信息正通過(guò)光積分被收集進(jìn)入像敏區(qū)的勢(shì)阱中。一旦當(dāng)前場(chǎng)的信號(hào)被全部讀出，下一場(chǎng)的信號(hào)便馬上被送入寄存器，從而按幀連續(xù)獲得圖像信號(hào)。6.3CCD圖像傳感器6.3CCD圖像傳感器圖6.3.20隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD的結(jié)構(gòu)6.3CCD圖像傳感器隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD工作在PAL電視制式下，按電視制式的時(shí)序工作。在場(chǎng)正程期間，像敏區(qū)進(jìn)行光積分，在此期間轉(zhuǎn)移柵為低電平，轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)壘將像敏單元的勢(shì)阱與讀出寄存器的變化勢(shì)阱隔開(kāi)。像敏區(qū)在進(jìn)行光積分的同時(shí)，移位寄存器在垂直驅(qū)動(dòng)脈沖的驅(qū)動(dòng)下，逐行將各列的信號(hào)電荷向水平移位寄存器轉(zhuǎn)移。場(chǎng)正程結(jié)束后，進(jìn)入場(chǎng)逆程，其間轉(zhuǎn)移柵上加上一個(gè)正脈沖，在轉(zhuǎn)移控制脈沖的作用下將像敏區(qū)的信號(hào)電荷并行轉(zhuǎn)移至垂直寄存器中。轉(zhuǎn)移過(guò)程結(jié)束后，光敏單元與讀出寄存器又被隔開(kāi)，而轉(zhuǎn)移到讀出寄存器的光生電荷在讀出脈沖的作用下逐行向水平讀出寄存器中轉(zhuǎn)移。水平讀出寄存器迅速將其中的信號(hào)電荷經(jīng)輸出放大器輸出，在輸出端逐行得到圖像信號(hào)。6.3CCD圖像傳感器CCD圖像傳感器的基本特性2.1）光電轉(zhuǎn)換特性存儲(chǔ)于CCD像敏單元中的信號(hào)電荷是由入射光子在硅襯底上經(jīng)內(nèi)光電效應(yīng)所產(chǎn)生的少數(shù)載流子，其光電轉(zhuǎn)換特性良好，光電轉(zhuǎn)換因子γ可達(dá)99.7%以上。此外，由式(6.3.2)和式(6.3.3)可知

(6.3.10)式中，tc為CCD的光積分時(shí)間，可以設(shè)為常數(shù)；當(dāng)CCD的材料和設(shè)計(jì)確定后，η和A為常數(shù)；ν對(duì)于單色光為常數(shù)；h和q為物理常量。因此，CCD的光電轉(zhuǎn)換特性對(duì)于光通量呈線性關(guān)系。6.3CCD圖像傳感器2）光譜效應(yīng)

CCD接受光照的方式有正面光照與背面光照兩種。由于CCD的正面布置了許多電極，電極的反射和散射作用使得正面光照的光譜靈敏度比背面照射時(shí)低。即使是透明的多晶硅電極，也會(huì)因?yàn)殡姌O的吸收及在整個(gè)硅二氧化硅界面上的多次反射而引起某些波長(zhǎng)的光產(chǎn)生干涉，出現(xiàn)若干明暗條紋，使得光譜響應(yīng)曲線出現(xiàn)多個(gè)峰與谷，即發(fā)生起伏。因此，ICCD常采用背面照射的方法。6.3CCD圖像傳感器采用硅襯底的ICCD，其光譜響應(yīng)范圍為0.3～1.1μm，平均量子效率為25%，絕對(duì)響應(yīng)K值為0.1～0.2A/W。另外，讀出結(jié)構(gòu)也可以使量子效率進(jìn)一步降低。例如，在垂直隔列傳輸結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)移溝道必須遮光，以免產(chǎn)生拖影，使量子效率降低。6.3CCD圖像傳感器3）動(dòng)態(tài)范圍CCD圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍定義為像敏單元的勢(shì)阱中可存儲(chǔ)的最大電荷量和噪聲決定的最小電荷量之比。(1)勢(shì)阱可存儲(chǔ)的最大信號(hào)電荷量。CCD勢(shì)阱可容納的最大信號(hào)電荷量取決于CCD的電極面積和器件結(jié)構(gòu)、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方式及驅(qū)動(dòng)脈沖電壓幅度等因素。對(duì)于SCCD，勢(shì)阱中可存儲(chǔ)的電荷量Q可近似表示為Q=CoxUGA(6.3.11)6.3CCD圖像傳感器設(shè)硅材料的雜質(zhì)濃度為1015cm-3，二氧化硅膜的厚度為0.1μm，電極面積為10×20μm2，柵極電壓為10V，則電極下的勢(shì)阱中可存儲(chǔ)的電荷量為0.6pC或等價(jià)的3.7×106個(gè)電子。BCCD中電荷的存儲(chǔ)容量計(jì)算較為復(fù)雜，且隨著溝道深度的增加，容量將會(huì)減少。對(duì)于其他條件與上述SCCD相同的BCCD，若相當(dāng)于溝道深度的外延層厚度為21μm，則SCCD的存儲(chǔ)容量約為BCCD容量的4.5倍。對(duì)于兩相驅(qū)動(dòng)的情況，因?yàn)閷?shí)際能夠容納電荷的電極面積為整個(gè)電極面積的一半，因此，勢(shì)阱中能夠存儲(chǔ)的電荷量要比三相交疊柵轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)的CCD少一半。6.3CCD圖像傳感器

(2)噪聲等效電荷。CCD圖像傳感器中有如下幾種噪聲源：電荷注入器件時(shí)因電荷量的起伏而引起的噪聲；電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中電荷量變化引起的噪聲；檢測(cè)電荷時(shí)常常需要復(fù)位檢測(cè)二極管，復(fù)位脈沖將導(dǎo)致信號(hào)的檢測(cè)噪聲。這些噪聲都可以折算為等效電荷量。①光子噪聲。光子發(fā)射是隨機(jī)過(guò)程，因而勢(shì)阱中收集的光電荷也是隨機(jī)的，這就引入了噪聲。由于此種噪聲與CCD傳感器無(wú)關(guān)，而是取決于光子的性質(zhì)，因而成為圖像傳感器的基本限制因素。這種噪聲主要對(duì)低光強(qiáng)下的攝像有影響。6.3CCD圖像傳感器6.3CCD圖像傳感器④俘獲噪聲。SCCD中存在著界面缺陷或界面態(tài)，BCCD中也存在著體缺陷或體內(nèi)能態(tài)，這些能態(tài)將會(huì)俘獲傳輸過(guò)程中的電荷并隨機(jī)釋放它們，從而產(chǎn)生俘獲噪聲。由于半導(dǎo)體體內(nèi)的能態(tài)總是小于半導(dǎo)體表面的能態(tài)，因此BCCD的俘獲噪聲小于SCCD的俘獲噪聲。⑤輸出噪聲。這種噪聲是由于輸出電路復(fù)位過(guò)程中產(chǎn)生的熱噪聲，將其換算為均方根值就可以與CCD的噪聲相比較。此外，器件的單元尺寸不同或間隔不同也會(huì)成為噪聲源，通過(guò)改進(jìn)光刻技術(shù)可使之減小。6.3CCD圖像傳感器4）暗電流暗電流是大多數(shù)攝像器件共有的特性，是判斷攝像器件優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)，特別是當(dāng)暗電流在整個(gè)攝像區(qū)域不均勻時(shí)。產(chǎn)生暗電流的原因主要有以下幾點(diǎn)：耗盡的硅襯底中電子從價(jià)帶向?qū)У谋菊鬈S遷；少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴(kuò)散；硅二氧化硅界面引起的暗電流。在大多數(shù)情況下，第三種原因所產(chǎn)生的暗電流占主導(dǎo)地位?？梢杂?jì)算出，在室溫下硅二氧化硅界面引起的暗電流密度約為5nA·cm-2。但由于半導(dǎo)體體內(nèi)存在雜質(zhì)而形成可以引發(fā)暗電流的能帶間復(fù)合中心，因此許多器件中的室溫暗電流密度可達(dá)102nA·cm-2級(jí)。通過(guò)采用缺陷更少的晶體與減少污染可以降低暗電流。此外，暗電流還與溫度有關(guān)，溫度越高，熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子越多，暗電流就越大。溫度每降低10℃，暗電流可降低50%左右。6.3CCD圖像傳感器5）分辨率分辨率是圖像傳感器的重要特性，常用調(diào)制模傳遞函數(shù)MTF來(lái)評(píng)價(jià)。線陣CCD圖像傳感器的像敏單元位數(shù)越多，分辨率越高?，F(xiàn)已有256×1，1024×1，2048×1，2160×1，2700×1，5000×1，5340×1，7500×1，2700×3，5340×3和10500×3等多種分辨率。當(dāng)用于測(cè)量物體尺寸時(shí)，高分辨率的線陣CCD傳感器可以達(dá)到更高的測(cè)量精度。結(jié)合機(jī)械掃描裝置，也可以用線陣CCD圖像傳感器獲得二維圖像的信號(hào)，此時(shí)所得二維信號(hào)的分辨率取決于掃面速度、CCD像敏單元高度等因素。6.3CCD圖像傳感器6.3CCD圖像傳感器6.4CMOS圖像傳感器MOS場(chǎng)效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)1.

MOS場(chǎng)效應(yīng)管6.4.1

MOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)是一種具有表面場(chǎng)效應(yīng)作用的單極性半導(dǎo)體器件，它主要由襯底、源極S、漏極D和柵極G組成。MOSFET的半導(dǎo)體工藝結(jié)構(gòu)如圖6.4.1所示。襯底為輕摻雜的P型硅，其上用擴(kuò)散或離子注入的工藝生成N+型源區(qū)S和N+型漏區(qū)D；再用氧化或淀積的方法在源、漏極間生成一層薄的二氧化硅絕緣層，在絕緣層上再蒸鍍金屬(鋁)電極作為柵極G；最后，在S和D上用蒸發(fā)或合金工藝制成S、D電極，制成場(chǎng)效應(yīng)三極管。兩個(gè)N+型區(qū)之間的部分稱(chēng)為溝道，因此此種場(chǎng)效應(yīng)管又稱(chēng)為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管。圖6.4.1MOSFET的半導(dǎo)體工藝結(jié)構(gòu)6.4CMOS圖像傳感器

MOSFET的結(jié)構(gòu)如圖6.4.2所示，在源極與漏極之間加電壓Uds，在柵極上加控制電壓Ug。圖6.4.2MOSFET的結(jié)構(gòu)6.4CMOS圖像傳感器當(dāng)Ug=0時(shí)，由于兩個(gè)N+P結(jié)按相反的方向排列，因此無(wú)論Uds的極性如何，都不會(huì)有電流流過(guò)；當(dāng)Ug>0時(shí)，在柵層中將出現(xiàn)由電極至襯底的電場(chǎng)，從而在襯底表面會(huì)感應(yīng)出電子，空穴也會(huì)減少；隨著Ug的增大，感應(yīng)電荷不斷增加，空穴不斷減少，直至空穴耗盡而出現(xiàn)反型層；當(dāng)Ug超過(guò)閾值電壓Uth后，形成了強(qiáng)反型層，如圖6.4.3所示，在漏極下也出現(xiàn)了耗盡層。圖6.4.3導(dǎo)電溝道6.4CMOS圖像傳感器1）閾值電壓場(chǎng)效應(yīng)管的主要性能參數(shù)2.6.4CMOS圖像傳感器

MOSFET的伏安特性指漏極電流Id與源、漏極間電壓Uds的特性關(guān)系，它取決于柵、源極間的電壓Ugs、閾值電壓Uth及器件的結(jié)構(gòu)和材料的性質(zhì)。顯然，柵、源極間電壓Ugs越大，溝道越寬，絕緣柵電容Cox越大，反型層中電子遷移率越大，則Id也越大。MOSFET的伏安特性如圖6.4.4所示。2）伏安特性圖6.4.4MOSFET的伏安特性6.4CMOS圖像傳感器圖6.4.4中的曲線是在Ugs固定的情況下獲得的。通過(guò)改變Ugs可以得到一族伏安特性曲線，如圖6.4.5所示?？梢?jiàn)，隨著Ugs的增大，Id(Uds)曲線上移，飽和電壓Udsat和擊穿電壓也均隨之增大。圖6.4.5MOSFET的伏安特性曲線族6.4CMOS圖像傳感器3)頻率特性

MOSFET的頻率特性主要取決于溝道中載流子的遷移速度、溝道長(zhǎng)度和寄生電容的容量。如圖6.4.6所示為MOSFET的電容分布，包括柵/源極間的分布電容Cgs、柵/漏極間的分布電容Cgd、襯底與漏極間的電容Cbd及襯底與源極間的電容Cbs。圖6.4.6MOSFET的電容分布6.4CMOS圖像傳感器由圖6.4.6可見(jiàn)，當(dāng)柵極電位隨輸入交流信號(hào)Ugs變化時(shí)，表面反型層電荷的厚度隨之變化，溝道導(dǎo)電能力也相應(yīng)改變，因此產(chǎn)生的漏電流為id=gmUgs，其中，gm為柵、漏間的跨導(dǎo)，它隨頻率而改變，影響MOSFET的高頻特性。6.4CMOS圖像傳感器由圖6.4.6還可看出，由于器件的輸入端存在柵源電容Cgs與溝道等效電阻Rgs，二者屬串聯(lián)關(guān)系。在低頻段，Cgs的阻抗很大，Ugs主要落在Cgs上，能夠控制溝道中的電流，使輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)變化；但在高頻段，Cgs的阻抗隨頻率升高而不斷降低，溝道電流隨之減小，輸出信號(hào)也因而變?nèi)?。根?jù)Rgs和Cgs的電子電路特性，可以得到MOSFET輸出/輸入的頻率特性為(6.4.5)式中，k為與頻率ω?zé)o關(guān)的常數(shù)。6.4CMOS圖像傳感器截止頻率fT是MOSFET頻率特性的重要參數(shù)。當(dāng)頻率升高時(shí)，流過(guò)柵、源之間的電容Cgs的電流也隨之增大，當(dāng)這一電流正好等于交流電路的短路輸出電流時(shí)所對(duì)應(yīng)的角頻率ωT即給出了截止頻率fT。截止頻率可由式(6.4.6)給出。

ωT=2πfT=gm(0)/Cgs(6.4.6)6.4CMOS圖像傳感器4)開(kāi)關(guān)特性在CMOS圖像傳感器中使用了大量MOS開(kāi)關(guān)管用于尋址控制與讀出控制。MOSFET開(kāi)關(guān)電路如圖6.4.7所示。圖6.4.7MOSFET開(kāi)關(guān)電路6.4CMOS圖像傳感器當(dāng)輸入為高電平時(shí)，MOS管導(dǎo)通，電源電壓主要落在RL上，輸出電壓接近于0；當(dāng)輸入為低電平時(shí)，MOS管截止，輸出為高電平。在實(shí)際的集成電路中，RL用MOSFET(V2)取代，其柵極和漏極短接，V2工作于飽和狀態(tài)，等效于一個(gè)阻值確定的電阻，如圖6.4.8所示。圖6.4.8MOSFET負(fù)載6.4CMOS圖像傳感器由于輸出端存在對(duì)地電容Cg，上述的開(kāi)關(guān)作用不可能為實(shí)變。MOSFET的開(kāi)關(guān)特性曲線如圖6.4.9所示。圖6.4.9MOSFET的開(kāi)關(guān)特性曲線6.4CMOS圖像傳感器6.4CMOS圖像傳感器5）主要噪聲(1)熱噪聲。MOSFET中的熱噪聲是由導(dǎo)電溝道電阻產(chǎn)生的。電子在熱運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)引起溝道電勢(shì)出現(xiàn)起伏，致使柵極電壓發(fā)生波動(dòng)，導(dǎo)致漏極電流的漲落，形成熱噪聲。

(2)誘生柵極噪聲。電子在導(dǎo)電溝道內(nèi)做熱運(yùn)動(dòng)，所形成的溝道電勢(shì)分布的起伏會(huì)通過(guò)柵極電容耦合到柵極上，從而產(chǎn)生柵極噪聲，并通過(guò)漏極或源極傳輸出去。由于該噪聲是由柵極電容耦合造成的，因此稱(chēng)為誘生柵極噪聲。誘生柵極噪聲隨工作頻率的增高而明顯增大。6.4CMOS圖像傳感器(3)電流噪聲。該噪聲主要與MOSFET的表面狀態(tài)有關(guān)。載流子在溝道中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)被界面態(tài)俘獲，有時(shí)又被釋放，從而形成電流噪聲。電流噪聲為1/f噪聲，并與界面電荷密度成正比。6.4CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器的組成1.圖6.4.10CMOS圖像傳感器的原理框圖CMOS圖像傳感器主要組成部分是像敏單元陣列和MOSFET集成電路，且兩部分均集成于同一硅片上。像敏單元陣列實(shí)際上是一個(gè)光電二極管陣列，也有線陣與面陣之分。

CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu)6.4.26.4CMOS圖像傳感器6.4CMOS圖像傳感器6.4CMOS圖像傳感器圖6.4.11CMOS圖像傳感器陣列原理圖6.4CMOS圖像傳感器6.4CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器的像敏單元結(jié)構(gòu)2.像敏單元結(jié)構(gòu)實(shí)際上指每個(gè)成像單元的電路結(jié)構(gòu)，它是CMOS圖像傳感器的核心組件。CMOS圖像傳感器的像敏單元結(jié)構(gòu)有兩種類(lèi)型：被動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)和主動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)。CMOS被動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)如圖6.4.12所示，它只包含光電二極管和地址選通開(kāi)關(guān)。圖6.4.11CMOS圖像傳感器陣列原理圖6.4CMOS圖像傳感器像敏單元圖像信號(hào)的讀出時(shí)序如圖6.4.13所示。首先，復(fù)位脈沖起動(dòng)復(fù)位操作，光電二極管的輸出電壓被置0；然后光電二極管開(kāi)始光積分；積分結(jié)束后，選址脈沖起動(dòng)選址開(kāi)關(guān)，光電二極管中的信號(hào)傳輸?shù)搅锌偩€，進(jìn)而經(jīng)公共放大器放大后輸出。圖6.4.9MOSFET的開(kāi)關(guān)特性曲線6.4CMOS圖像傳感器在CMOS圖像傳感器的同一芯片中，還可設(shè)置其他數(shù)字處理電路，如自動(dòng)曝光處理、非均勻性補(bǔ)償、白平衡處理、γ校正、黑電平控制等，甚至可以與具有運(yùn)算和可編程功能的DSP器件制作在一起，形成具有多種功能的器件。

為了改善CMOS圖像傳感器的性能，在許多實(shí)際的器件中，常將像敏單元與放大器制作為一體，以提高靈敏度和信噪比。6.4CMOS圖像傳感器6.4CMOS圖像傳感器圖6.4.14CMOS主動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)的基本電路6.4CMOS圖像傳感器6.4CMOS圖像傳感器圖6.4.154管式像敏單元結(jié)構(gòu)6.4CMOS圖像傳感器如圖6.4.16所示的5管結(jié)構(gòu)比4管結(jié)構(gòu)多了一個(gè)用于復(fù)位的開(kāi)關(guān)管，從而克服了4管結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。此外，兩個(gè)復(fù)位開(kāi)關(guān)與一個(gè)存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)的配合，可以實(shí)現(xiàn)更為完善的曝光控制。圖6.4.165管式像敏單元結(jié)構(gòu)6.4CMOS圖像傳感器圖6.4.17不同光電二極管偏置方法和放大電路的主動(dòng)式像敏元素結(jié)構(gòu)6.4CMOS圖像傳感器圖6.4.17不同光電二極管偏置方法和放大電路的主動(dòng)式像敏元素結(jié)構(gòu)6.4CMOS圖像傳感器光譜性能與量子效率1.

CMOS圖像傳感器的性能指標(biāo)6.4.36.4CMOS圖像傳感器填充因子2.6.4CMOS圖像傳感器微透鏡法是提高填充因子的一種有效的方法，如圖6.4.18所示。在CMOS像敏面上方安裝了一層矩形的微透鏡面陣，它將照射到像敏面的入射光會(huì)聚到各個(gè)面積很小的光敏元件上，從而將填充因子提高到90%。此外，由于光敏元件面積減小，所以提高了靈敏度，降低了噪聲，減小了結(jié)電容，提高了傳感器的響應(yīng)速度。圖6.4.18微透鏡法圖示6.4CMOS圖像傳感器輸出特性與動(dòng)態(tài)范圍3.

CMOS圖像傳感器有四種輸出模式：線性輸出模式、雙斜率輸出模式、對(duì)數(shù)輸出模式和γ校正輸出模式。各種模式下的動(dòng)態(tài)范圍相差很大，特性也有很大區(qū)別。如圖6.4.19所示為這四種輸出模式的輸入(光強(qiáng))輸出(信號(hào)電壓)曲線。圖6.4.19CMOS的不同輸出模式曲線6.4CMOS圖像傳感器

(1)線性輸出模式。線性輸出模式的輸出與光強(qiáng)成正比，適用于要求進(jìn)行連續(xù)測(cè)量的場(chǎng)合。其動(dòng)態(tài)范圍最小，信噪比在信號(hào)最大時(shí)最佳，而在小信號(hào)時(shí)信噪比很低。(2)雙斜率輸出模式。雙斜率輸出模式是一種擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍的方法。它采用兩種曝光時(shí)間：當(dāng)信號(hào)很弱時(shí)，采用長(zhǎng)時(shí)間曝光，輸出信號(hào)曲線的斜率大；當(dāng)信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，采用短時(shí)間曝光，曲線斜率小，從而擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍。為改善輸出的平滑性，還可采用更多的曝光時(shí)間，得到的輸出曲線將是更為平滑的多段折線。6.4CMOS圖像傳感器(3)對(duì)數(shù)輸出模式。對(duì)數(shù)輸出模式的動(dòng)態(tài)范圍很大，可達(dá)數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。它無(wú)須控制曝光時(shí)間，也不必調(diào)節(jié)鏡頭的光圈，實(shí)現(xiàn)也很容易。由于人眼對(duì)光的響應(yīng)也接近對(duì)數(shù)規(guī)律，因此這種輸出模式具有良好的使用性能。(4)γ校正輸出模式。γ校正模式的輸出規(guī)律為U=keγE(6.4.7)式中，U為輸出信號(hào)電壓；E為輸入光強(qiáng)；k為常數(shù)；γ為校正因子(γ<1)。該輸出模式同樣使得輸出信號(hào)的增長(zhǎng)速度隨輸入光強(qiáng)的增加而減小，從而能夠擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。6.4CMOS圖像傳感器噪聲4.

CMOS圖像傳感器的噪聲來(lái)源于像敏單元中的光電二極管、用于放大的場(chǎng)效應(yīng)管和模擬開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管，主要包括以下幾種類(lèi)型：(1)光敏器件的噪聲。①熱噪聲。熱噪聲是電子在光敏器件中的熱隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所引起的噪聲。它是一種白噪聲，隨光敏器件工作溫度的增加而增加。②散粒噪聲。光敏器件的工作需要加入偏置電流。當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與晶格發(fā)生碰撞而改變方向，從而使得電子運(yùn)動(dòng)速度出現(xiàn)漲落，引起偏置電流的起伏。散粒噪聲也是一種白噪聲。減小偏置電流可以減小散粒噪聲，但可能降低光電響應(yīng)度，也可能增大非線性。6.4CMOS圖像傳感器③產(chǎn)生復(fù)合噪聲。該噪聲是由于光生載流子的壽命不同引起電流起伏所致，為光敏器件所特有。產(chǎn)生復(fù)合噪聲不是白噪聲。提高工作頻率有利于降低產(chǎn)生復(fù)合噪聲。④電流噪聲。電流噪聲是由于材料缺陷、結(jié)構(gòu)損傷和工藝缺陷引起的。當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)于存在缺陷的器件中時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)電流變化，從而引起噪聲。電流噪聲是1/f噪聲。較高的工作頻率有利于減小電流噪聲。但由于CMOS圖像傳感器的幀頻較低，因此其電流噪聲常常不能忽略。6.4CMOS圖像傳感器工作原理1.

CCD圖像傳感器用于物體振動(dòng)的非接觸測(cè)量6.5.16.5圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例圖6.5.1利用線陣CCD圖像傳感器測(cè)量鐵軌振動(dòng)的原理圖工作原理1.圖6.5.1利用線陣CCD圖像傳感器測(cè)量鐵軌振動(dòng)的原理圖利用線陣CCD圖像傳感器測(cè)量鐵軌振動(dòng)的原理圖如圖6.5.1所示。鐵軌外側(cè)貼有特制的黑底白條圖案(合作目標(biāo))，圖案經(jīng)光學(xué)成像物鏡成像在線陣CCD上，在CCD的輸出端可得到類(lèi)似圖6.5.2所示的輸出信號(hào)波形圖。

CCD圖像傳感器用于物體振動(dòng)的非接觸測(cè)量6.5.16.5圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例鐵軌外側(cè)貼有特制的黑底白條圖案(合作目標(biāo))，圖案經(jīng)光學(xué)成像物鏡成像在線陣CCD上，在CCD的輸出端可得到類(lèi)似圖6.5.2所示的輸出信號(hào)波形圖。圖6.5.2鐵軌振動(dòng)測(cè)量輸出信號(hào)波形圖6.5圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例在圖6.5.2中，SH為線陣CCD的轉(zhuǎn)移脈沖，用于完成CCD與計(jì)數(shù)器的同步控制。在驅(qū)動(dòng)脈沖作用下，CCD輸出Uo信號(hào)。Uo經(jīng)二值化處理后得到圖6.5.2所示的二值化方波脈沖輸出。在當(dāng)前測(cè)量時(shí)刻t，脈沖前沿對(duì)應(yīng)于黑底進(jìn)入白條的邊沿位置N1(t)，而脈沖后沿對(duì)應(yīng)于離開(kāi)白條進(jìn)入黑底的邊沿位置N2(t)。因此，白條中心的位置N(t)對(duì)應(yīng)于6.5圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例以白條中心作為鐵軌垂直位置的參考點(diǎn)。設(shè)當(dāng)軌道未受沖擊時(shí)的初始位置為N(0)=N0。當(dāng)軌道發(fā)生受迫振動(dòng)時(shí)，軌道上的合作目標(biāo)也將在CCD的像敏單元陣列上做上下運(yùn)動(dòng)。如果線陣CCD的積分時(shí)間遠(yuǎn)小于軌道振動(dòng)周期，則每次由線陣CCD獲得的輸出信號(hào)就可以認(rèn)為對(duì)應(yīng)了該時(shí)刻瞬間的合作目標(biāo)的位置。通過(guò)不斷讀取CCD的輸出，并經(jīng)過(guò)二值化處理和按式(6.5.1)的計(jì)算，就可以得到不同時(shí)刻軌道的成像位置。而軌道的實(shí)際位置S(t)可根據(jù)式(6.5.2)計(jì)算。式中，l為CCD兩相鄰像敏單元中心間的距離；β為光學(xué)成像系統(tǒng)的放大倍率。通過(guò)已知白條寬度的合作目標(biāo)，可以隨時(shí)對(duì)l和β進(jìn)行標(biāo)定。6.5圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例通過(guò)已知白條寬度的合作目標(biāo)，可以隨時(shí)對(duì)l和β進(jìn)行標(biāo)定。

(6.5.3)式中，N1和N2分別代表標(biāo)定時(shí)刻的白條邊沿成像位置。

根據(jù)以上公式便可得到一段時(shí)間內(nèi)各時(shí)刻的S(t)值，進(jìn)而繪出軌道振動(dòng)波形圖。6.5圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例振動(dòng)測(cè)量的硬件電路原理圖2.6.5圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例圖6.5.3鐵軌振動(dòng)測(cè)量的硬件電路原理圖

CCD的視頻輸出Uo經(jīng)二值化處理后，得到的方波脈沖分兩路送出：一路直接進(jìn)入鎖存器1的鎖存輸入端，另一路經(jīng)反相器后進(jìn)入鎖存器2的鎖存輸入端。由于鎖存器的鎖存控制為上升沿有效，因此鎖存器1鎖存了二值化方波脈沖的前沿N1的值，而鎖存器2鎖存了二值化方波脈沖的后沿N2的值。鎖存器的數(shù)據(jù)均來(lái)自于計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的輸入脈沖為驅(qū)動(dòng)器輸出的像敏單元采樣脈沖SP，它在任意時(shí)刻的輸出值等于該時(shí)刻線陣CCD輸出的像敏單元位置數(shù)。計(jì)數(shù)器的復(fù)位由驅(qū)動(dòng)器的行同步控制脈沖Fc完成。因此，一個(gè)行周期中計(jì)數(shù)器所得的最大數(shù)值Nmax大于等于CCD有效像敏單元數(shù)。在一個(gè)行周期中的任意時(shí)刻所計(jì)數(shù)得到的值為Ni，只要Ni小于有效的像敏單元數(shù)，Ni就對(duì)應(yīng)了目標(biāo)像的黑白交界在該時(shí)刻處于第Ni個(gè)像敏元素的位置上。6.5圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例細(xì)絲激光衍射原理1.

CCD圖像傳感器用于高精度細(xì)絲直徑的測(cè)量6.5.26.5圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例圖6.5.4細(xì)絲激光衍射測(cè)量系統(tǒng)的原理圖氦氖激光器射出的激光束照射到被測(cè)細(xì)絲上，在距細(xì)絲一定距離處產(chǎn)生如圖6.5.5所示的衍射條紋。CCD接收衍射條紋，并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)，信號(hào)經(jīng)低通濾波后放大，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和處理。圖6.5.5細(xì)絲衍射條紋6.5圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例6.5圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例相對(duì)誤差2.檢測(cè)采用TCD1206SUP線陣CCD作為圖像傳感器，像敏元素尺寸為14μm×14μm，中心距為14μm，像敏區(qū)總長(zhǎng)為30.24mm。由于線陣CCD的有效長(zhǎng)度不足以覆蓋衍射條紋，因此將CCD安裝在阿貝比長(zhǎng)儀的工作臺(tái)上，通過(guò)移動(dòng)工作臺(tái)來(lái)移動(dòng)CCD。如圖6.5.5所示，獲得關(guān)于衍射中心對(duì)稱(chēng)的左右第k條暗紋的間距Sk為Sk=2Xk=T+T1-T2=T+(N1k-N2k)l0(6.5.5)式中，T為阿貝比長(zhǎng)儀工作臺(tái)移動(dòng)的距離；N1k和N2k分別為兩次讀得的左右第k條暗紋在CCD上成像的位置(以像敏單元數(shù)計(jì)算)；l0為CCD像敏單元中心距。6.5圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例L由一根經(jīng)測(cè)長(zhǎng)機(jī)標(biāo)定后的端棒測(cè)量。最后將L和Xk代入式(6.5.4)，便可得到細(xì)絲的直徑d。計(jì)算時(shí)要注意將線陣CCD的表面保護(hù)玻璃厚度及玻璃至CCD光敏表面的空氣層厚度計(jì)入L中。6.5圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例數(shù)據(jù)處理3.對(duì)于獲取的一維衍射條紋圖像，常用的處理方法是使用一個(gè)固定閾值進(jìn)行二值化處理，得到對(duì)應(yīng)的方波脈沖，然后對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)以確定暗紋的位置。由于衍射光強(qiáng)函數(shù)的不對(duì)稱(chēng)性，使得讀數(shù)產(chǎn)生誤差。降低閾值雖然可以減小這一誤差，但又使得線陣CCD的輸出噪聲所引起的誤差增大。雖然利用平均的方法可以改善以上情況，但改善程度相對(duì)