第五章--CCD-图像传感器ppt课件.ppt

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1、第五章CCD图像传感器图像传感器(ImagingSensor,缩写为IS，又称成像器件、摄像器件)作为现代视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展(光谱拓宽、灵敏度范围扩大)，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息(可见光和非可见光)、转换为按时序串行输出的电信号——视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。把空间图像转换为按时

2、序变化的电信号的过程称为扫描。50年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管(如光导摄像管、飞点扫描管等)来完成。60年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是MOS集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展，到70年代末期。已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛应用。固体图象传感器(SolidStateImagingSensor——缩写为SSIS)主要有三大类型、一种是电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice简称CCD)，第二种是MOS图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(S

3、elfScannedPhotodiodeArray，简称SSPA)，第三种是电荷注入器件(ChargeInjectionDevice，简称CID)。目前，前两种用得比较多。同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：(1)全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性好．可靠性高，寿命长。(2)基本上不保留残象，无象元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。(3)红外敏感性。硅的SSPA光谱响应：0.20~1.0；CCD可作成红外敏感型；CID主要用于光谱响应大于3~5微米的红外敏感器件。(4)

4、象元尺寸的几何位置精度高(优于1微米)，因而可用于不接触精密尺寸测量系统。(5)视频信号与微机接口容易主要应用领域：①小型化黑白/彩色TV摄象机；②传真通讯系统；③光学字符识别（OCR:OpticalCharacterRecognition）；④工业检测与自动控制；⑤医疗仪器；⑥多光谱机载和星载遥感；⑦天文应用；⑧军事应用。CCD摄像器件由光敏（光积分）单元和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成，每个光敏单元对应一个象素如下图所示。各单元的基本结构如右图所示，由金属、绝缘层、半导体构成。VG加正向偏压

5、后在半导体内形成“电子势阱（耗尽区）”，势阱的深度由VG的大小来控制。电子势阱可以用来存放电子，这些电子的注入方式既可用“光注入”（光敏单元采用光注入），也可以用“电注入”（转移电荷时采用电注入）。对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下，半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱俘获。这种光生电子作为反映光强的载体——电荷包被收集，成为光电荷注入，这就是CCD摄像器件的光电变换过程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到

6、读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。光线读出移位寄存器的工作原理是依靠MOS电容与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当MOS电容栅压VG增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当VG增加，势阱变深；当VG减小，势阱变浅，电

7、子向势阱深处移动。在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。当UG＞Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子(少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。电荷存储5.1CCD图像传感器电荷的转移（耦合）电荷的转移（耦合）第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各自的对应势

8、阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1μm的间隙长度是足够了。ＣＣＤ主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。输入部分：将信号电荷引入到ＣＣＤ的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。电荷注入的方法主要有