1、CCD不需要在真空玻璃壳内用靶来完成光学图像的转换，再用电子束按顺序去扫描靶的扫描面获得视频信号；它本身就能完成光学图像转换、信息存贮和按顺序输出（称自扫描）视频信号。,(3) SSPD的光谱响应范围从0.251.1m；对近红外线也敏感；CCD也可做成红外敏感型；,(6）基本上不保留残象（真空摄像管有15%20%的残象）,体积小，重量轻，功耗低；耐冲击，可靠性高，寿命长；,第6章所讨论的各类真空摄像器件中，其核心部件是靶面，这类成像器件在20世纪60年代被广泛应用；但在60年代后期，随着半导体集成电路技术的发展，特别是MOS集成电路工艺的成熟，各种固体成像器件得到迅速发展！,(4) 象元尺寸精
2、度优于1m,分辨率高；,第7章 固体成像器件,固体成象器件有两大类：一是电荷耦合器件,简称CCD (Charge Coupled Device);二是自扫描光电二极管列阵,简称SSPD,SSPD又称MOS图像传感器。,与真空摄像器件相比固体成像器件有以下优点：,(2) 无象元烧伤、扭曲，不受电磁场干扰；,(5) 可进行非接触位移测量；,(7) 视频信号与微机接口容易。,重点讨论CCD,特点:是无需扫描电子束即可自行产生视频信号！,圆柱形的磁畴：一种呈某个磁化方向的局部磁化区.磁畴直径1-2m,1969年秋，美国贝尔实验室的威拉德博伊尔和乔治史密斯受磁泡的启示，研制成功了一种新型的半导体器件，这
3、种器件就是本章我们要讨论的电荷耦合器件CCD。,固体成像器件：是指利用内光电效应工作在非真空环境下的一类成像器件,一 电荷耦合器件,(一).电荷耦合器件的结构,在P型硅衬底上产生一层SiO2，厚度为dox(12001500),然后按一定次序沉积N个金属栅极，其间隙约2.5m，栅极中心距离1520m。这样每个栅极与其下方的SiO2和半导体间构成了金属-氧化物-半导体结构：MOS结构,CCD 单元,CCD线阵列,CCD线阵列结构+输入机构+输出机构=N位CCD,注意:由于电子迁移率高,大多数CCD选用P型硅衬底,注意:半导体作为底电极，称为衬底，衬底分P衬底和N衬底，两者对应不同的沟道形式：P衬底
4、N沟道，N衬底P沟道；,当栅极上加上一定电压UG后,在SiO2:P-Si 界面形成符号相反的电荷,电荷的分布随外界电压的大小和方向的变化而变化,接下来我们讨论三种情况.,当栅极电压UG=0时,在SiO2:P-Si 界面无电场作用,其载流子浓度与体内一样；P-Si本身呈电中性，电子能量从内到表面均相同。因此能带是平坦的，不存在表面空间电荷区,CCD是在MOS晶体管的基础上发展起来的,但与MOS晶体管的工作原理不同。,CCD的特点是以电荷作为信号，不是以电流或电压作为信号,1).当UG0，但尚处于小电压时:多数载流子的耗尽状态； 3).当UGUth0时:为反型状态。,MOS晶体管是利用在电极下的半
5、导体表面形成的反型层进行工作的，CCD是利用在电极下SiO2:半导体界面形成的深耗尽层（势阱）进行工作的，属非稳态器件。,下面我们讨论一下,什么是MOS结构的稳定状态?为什么CCD属于非稳态器件,1.MOS结构的稳态情况,UG,在制造时，SiO2 层中已掺入正离子，在UGS = 0 时就在两个N+区间的P型表面层中感应出大量的电子，形成一定宽度的反型层，在DS间建立了导电沟道；只要在 DS 间加正电压就会形成 ID。,信号电荷是空穴还是电子？电子具有被高电势吸引的特性,当栅极上加上一定电压UG后,在SiO2:P-Si 界面的电荷和电势分布可通过求解泊松方程得到；,1). 当UG0，为多数载流子
6、的积累状态,UG0,当金属电极上加一个负电压时,电场的方向?,当金属电极上加一个负电压时,电场的作用?,结果？,(1).半导体表面可能移动的电子被排斥;,(2).半导体内可能移动的空穴被吸引到界面;,结果：在P-Si和SiO2的界面形成了多数载流子的积累层,这种状态为积累状态；此状态下，可将半导体衬底同金属板一样对待，此时每单位栅面积下的MOS电容为,ox二氧化硅介电常数,储存信号电荷的电势分布状态,xd耗尽层厚度,s硅介电常数,2).当UG0时,为多数载流子的耗尽状态,UG0,结果？,(1).半导体表面可能移动的空穴被排斥;,在界面形成一层由离子化的受主离子构成的空间电荷区,此状态为多子的耗
7、尽状态；此时相当于给MOS电容器充负电。,- - - -,当金属电极上加一个正电压但尚处于小电压时,电场的方向?,当金属电极上加一个正电压时,电场的作用?,(2).半导体表面下方一定宽度内,留下一层离子化的受主离子形成的空间电荷区,为多子耗尽区;该区域对电子来说是一个势能很低的区域,称为电势阱。注:势阱非矩形而是U形.,电势分布函数是？,边界条件：x=xd时，U=0及,3).当 UGUth0时,为反型状态,UG0,当金属电极上加的正电压增加时,电场的作用?,结果？,(1).半导体表面吸引了一薄层电子,表面处电子浓度空穴浓度，与P型多子反型,此时的状态为反型状态；此时反型层与半导体内的P型导电区
8、之间仍是耗尽层;,(2).金属电极上加的正电压Uth,界面下电子的浓度ns=衬底中的多子浓度p0，此时的状态为强反型状态,此时的外加电压为阈值电压（Uth）， MOS结构达到稳定状态;,在界面形成了一层电子反型层,这种状态为反型状态,当金属电极上加的正电压继续增加时,电场的方向?大小?,反型状态分为弱反型和强反型两种：当表面电子浓度开始超过空穴浓度时，为弱反型,no, p0为热平衡时P型硅的电子和空穴浓度,出现强反型的条件为：Us=2(Ei-Ef)/q,出现弱反型的条件为：Us=(Ei-Ef)/q,这时如果没有外界注入电子,反型层中电子来源主要是耗尽区内热激发的电子空穴对,这种过程较慢,所需时
9、间为存储时间：T=20Na/ni,注意2：深耗尽时金属栅极上的正电荷全部由耗尽区中的受主离子来平衡，因此耗尽区深度最宽；此时若注入电子，则耗尽区将变窄，表面势将降低，势阱变浅，绝缘层上的压降将增加；,注意1：这个时间为存储时间，只有在这个时间内可以对耗尽区存取信号电荷。这个时间大约为0.110s.,2.瞬态情况,当金属电极的电压UGUth的瞬间，电极下的半导体表面的空穴被排斥而形成耗尽区，此时因为热激发的电子-空穴对中的电子进入耗尽区并被填满需一定的时间，因此反型层中还不能马上产生反型电子，此状态为“深耗尽”,CCD就是工作在耗尽区形成，但是强反型层尚未形成的瞬间,因此它属于非稳态器件,“深耗
10、尽”特点：深度最深；可存取电荷；外加电压大部分落在表面空间电荷区内；对应非稳态情况,注意3：仅当栅极刚加电压瞬间，耗尽区最宽，能存储电荷的可能性最大，随着时间的增加，耗尽区变窄，势阱变浅，存储电荷的可能性变小，当tT时势阱因被热激发的电子填满而形成反型层，势阱消失，不可能在存储新的电荷。,结论：CCD要存储有用的电荷（电注入或光注入）须要信号电荷的存储时间小于热激发电子的存储时间，否则信号电荷不是存不进去就是取不出来。,如UG=10V,例如：氧化层厚0.1m，受主杂质浓度1021/m3，外加栅压10V，耗尽层宽度3.3m，表面势8.5V,考察两个间隔较大的MOS电容器,在两个金属栅极之间没有被
11、金属覆盖那部分的氧化物下的表面势?,那么当两个金属栅极彼此足够靠近时,其间隔下的表面势由谁来决定呢?,由氧化层上面的情况+固定氧化物电荷Qf+衬底掺杂浓度等确定。,结论：当两个MOS电容器间隔较大时，不可能使一个电容器中存储的信息电荷转移到另一个电容器中！,（二）电荷耦合原理与电极结构,1.耗尽层耦合,为了弄清CCD工作原理,必须了解 MOS电容器之间的耗尽层耦合！,通过对各种尺寸的器件求解泊松方程并给出表面势作为间隙的函数曲线，就可得到最佳间隙宽度3m。,由两个金属栅极上的电位决定！,通过控制栅极电压，就能使一个电容器中存储的信号转移到下一个电容器中（两个MOS电容器耗尽层的耦合）,结论：C
12、CD能否正常工作,首先决定于栅极的排布情况！,对于MOS器件，当栅极加上正电压时，接近半导体表面的空穴被排斥，电子增多，在表面下一定范围内只留下受主离子，形成耗尽区。,2.电荷耦合原理,右图是四个彼此紧密排列的MOS电容结构,该区域对电子来说是一个势能很低的区域！,加在栅极上的电压愈高，表面势越高，势阱越深；,若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。,问题：当栅极电压变化时，势阱及阱内的信号电荷是如何变化的?,当t=t2时,电极和电极均加有+10V电压,且两电极靠得很近，这样电极和电极下面所形成的势阱就连通,电极下的部分电荷就流入电极下的势阱中。,当t=t3时,电极上的电压已由
13、+10V变为+2V,下面的势阱由深变浅,势阱内电荷全部移入电极下的深势阱中。,假设t=t1时,已有信号电荷存贮在偏压为+10V的号电极下的势阱里,其它三个电极上均加有大于阈值但仍较低的电压,这些电极下面也有势阱,但很浅。,结论：从t1t3 ，深势阱从电极下移动到电极下面，势阱内的电荷也随之转移；,3.CCD电极结构形式,CCD中电荷的存贮和传输是通过 改变各电极上所加电压实现的；,如果不断地改变电极上的电压，就能使信号电荷可控地一位一位地顺序转移，从而形成电荷耦合。,电极可分为二相、三相、四相等结构形式,根据电极上所加电压相数来分,电荷包转移驱动脉冲,电注入由一个输入二极管和一个或几个输入栅构
14、成,它可以将信号电压转换为势阱中等效的电荷包.,CCD主要由信号输入、电荷转移和信号输出三部分组成 。,给输入栅加适当的电压,在其下面半导体表面形成一个耗尽层，这个耗尽层就相当于一个“通道”。,输入部分的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式有两种：电注入和光注入。,(三)电荷耦合器件的组成及其工作原理,CCD单元结构+输入+输出机构就构成了N位CCD,如果这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上加更高的电压,则在它下面便形成一个更深的耗尽层。受输入信号调制的电荷包就会从输入二极管经过“通道”流入第一个转移栅下的势阱中,完成输入过程。,当t=t3时， ID电位变高,处于强反偏
15、状态，把IG和l下的多余电荷抽走，直到IG和l下的电位势相等为止,因此注入的电荷量取决于V和VIG相应界面电位势之差:,当t=t2时，在负脉冲作用下ID处于正向偏置，信号电荷通过IG下面的通道流入l下的深势阱中;,在t1时刻，ID施加高的反向偏压，阻止IG下面出现反型层，此时IG和l下面形成阶梯势阱;,当CCD用作信息存贮或信息处理时，通过输入端的输入二极管和输入栅注入与信号成正比的电荷，这种输入方式是电注入。,电注入方法中，用得最广泛的是电位平衡注入法，它是利用输入栅IG表面势与转移l表面势之差来获得信号电荷。,ID和IG 就是CCD的输入结构，若要从外部输入信号电荷，则要在一定时刻给ID、
16、IG和l加相应的波形；其中的输入栅电压恒定。,结论：通过调节这两个电平值，就能控制电荷的注入量,1.信号输入部分,CCD的输入方式：场效应管输入、注入二极管输入、电势平衡法输入等。,过程1：摄像时光照射到光敏面上，产生电子-空穴对，多子进入衬底，通过地消失;少子进入深势阱中成为信号电荷；,光注入时输入二极管由光敏元代替：如光电导体、PN结光电二极管和肖特基结光电二极管。,过程2：第一个转移栅上加以时钟电压时，代表光信号的少数载流子就会进入到转移栅下的势阱中，完成光注入过程。,强调：光注入是摄像器件 采取的唯一的注入方法。,光注入,摄像时驱动栅所加电压波形,CCD用作拍摄光学图像时，把按照度分布
17、的光学图像转换为电荷分布，注入到第一位转移势阱中的方式，是光注入。,信号转移部分由一串紧密排列的MOS电容器构成。根据电荷总是要向最小位能方向移动的原理工作的，信号电荷转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断的向前运动。,2.信号转移部分,下图是三相时钟驱动的CCD结构和时钟脉冲。,势阱中电荷的容量由势阱的深浅决定；,由图可见：在信号电荷包运行的前方总有一个较深的势阱处于等待状态,结果：电荷包便可沿着势阱的 移动方向向前运动！,注意：电荷在势阱中存储的时间势阱的热弛豫时间;,CCD输出部分由OD、OG和输出耦合电路组成；作用是把最后一个转移栅势阱中的信号电荷转换为电流或
18、者电压；主要有电流输出和电压输出（浮置扩散放大器（FDA）输出和浮置栅放大器（FGA）输出）,最简单的输出电路是二极管检出，输出栅采用直流偏置；优点：电路简单；缺点：噪声较大。很少采用。,FDA读出方法包括：最后一个转移栅、输出栅OG和两个N型沟道的MOSFET:T1复位管（浮置扩散区FD、复位漏RD和复位栅RG）,T2读出管；浮置扩散区输出的信号直接送给读出管T2的栅极。,(CFD浮置扩散节点上的总电容=二极管势垒电容+OG、RG与FD的耦合电容及T2管的输入电容),浮置扩散:指在P-Si衬底表面用V族杂质扩散形成小块的N+区域，当扩散区不被偏置，即处于浮置状态工作时，称作浮置扩散区。,3.
19、信号输出部分,T1,T2,读出过程(1):当信号电荷存储于最末一级转移栅的势阱中时，输出栅下的通道也已形成；此时，复位正脉冲使得复位管导通，通过N型通道把浮置扩散区的电子抽走！浮置扩散区的电势升高，读出管的输出电平为UDD。,读出过程(2):复位过程结束后，复位管截止N沟道消失，此时降低最末一级转移栅的电压，势阱深度变浅，信号电荷流入通道到达浮置扩散区,扩散层的电位将下降：U=Qs/CFD,特点：FDA的读出方法可实现信号电荷与电压之间的转换，具有几百毫伏输出幅度和良好的线性以及较低的输出阻抗,电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输;,（四）电荷转移沟道类型,CCD
20、电荷转移沟道有两种基本类型：,电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输;,表面沟道电荷耦合器件（SCCD）,这类器件称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（简称BCCD）,表面处存在表面态，即可接受信号电荷，也可发射电子，从而降低了信号电荷的转移速度和效率,P衬底上，外延法形成N层，其两端形成N+层，N+区加高的正压，N层与衬底间的PN结反偏；,结果：N薄层处于全耗尽状态，且在N与P的交界形成体内耗尽；正UG主要改变NP交界处的耗尽层宽度。,转移机理的区别：BCCD携带信息的电子是N的多子， SCCD是P的少子；SCCD的信号电荷集中在界面处薄 的N型层，BCCD的信号电荷集中在体内。,功
21、能：都能把二维光学图像信号转为一维电视信号,原理：首先用光学透镜把被摄的景物图像成像在CCD的光敏区上，在每个光敏单元的势阱中存储与图像照度成正比的光生信号电荷，然后转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下有顺序的转移和输出，成为电视信号,（1）电极是金属的容易蔽光，即使是换成多晶硅，由于多层结构电极系统对入射光吸收、反射和干涉比较严重，因此光强损失大，量子效率低。,（2）电荷包转移期间，光积分在继续进行，使输出信号产生拖影。,二 电荷耦合器件的分类,CCD器件按结构可分为两大类：线阵CCD和面阵CCD。,最简单的线阵CCD是由一个输入二极管(ID)、一个输入栅(IG)、一个输出栅(OG
22、)、一个输出二极管(OD)和一列紧密排列的MOS电容器构成：,1 线阵CCD,上述结构不宜作摄像用：,原因,所以一般在大于256像素以上的线阵CCD摄像器件中，均采用双排传输结构。,同样光敏元的双边结构型CCD，要比单边结构型CCD的转移次数少近一半，总转移效率大大提高。,单排传输结构：光敏元与CCD转移单元一一对应，二者之间设有转移栅，移位寄存器上覆盖有铝遮光，光敏区像元由光栅控制：,双排传输结构：两列CCD移位寄存器平行地配置在光敏区两侧：,摄像器件:其光敏区和转移区分开，具有单边传输和双边传输两种结构。,光敏区与暂存区CCD的列数、位数均相同，不同之处是光敏区面积略大于暂存区的面积。读出
23、寄存器的每一个转移单元与垂直列电荷耦合沟道一一对应。,2 面阵CCD,面阵CCD的基本类型有两种：帧转移型(FT)和行间转移型(ILT)，也叫内线转移型。,(1)FTCCD,帧转移结构包括光敏区、暂存区、水平读出寄存器和读出电路4个部分。前3个部分都是CCD结构，其结构特征是光敏区与暂存区分开。,光敏区由并行排列垂直的电荷耦合沟道组成。各沟道之间用沟阻隔离，水平电极条覆盖在各沟道上。,(2)ILTCCD,帧转移结构简单，灵敏度高；行间转移结构适合于低光强，“拖影”小。,行间转移结构：光敏区与转移区相间排列；相当于把N个单边传输的线阵CCD图像传感器按垂直方向并排。,底部是水平读出寄存器，其单元
24、数等于垂直并排的线阵CCD图像传感器的个数。,帧转移结构和行间转移结构各有其优缺点。,三 CCD摄像机分类,按接收光谱分，CCD摄像机可分为可见光CCD、红外CCD、X射线CCD和紫外光CCD,1.可见光CCD,可见光CCD可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD三类。,三片式彩色CCD摄像机，景物经过摄像镜头和分光系统形成R、G、B三个基色，图像分别照射到采用行间转移结构三片CCD上。,按照电视摄像机的类型，彩色CCD摄像机可分为三片式、二片式和单片式三类。,原因：行间转移结构可以把光敏区和转移区分开，能有效防止模糊现象。为了提高蓝光灵敏度，使用透明电极(SnO2)作为光敏区电极，转移寄存器
25、采用BC-CD,采用图像增强的CCD具有CCD优点，又能在夜天光下工作，有人预言微光CCD将取代以往的硅增强靶摄像管而成为微光电视系统的主要器件。,“微光”泛指夜间或低照度下微弱的、甚至能量低到不能引起人视觉的光。微光CCD是指能在微光条件下进行摄像的CCD器件。,微光摄影技术的实质是在物镜与目镜之间放置一个微光像增强器。通过能量转换和信号处理后，在输出端变换成具有适当亮度、对比度和清晰度的可见的目标图像。,2微光CCD,三种工作模式：像增强器与CCD耦合模式、电子轰击(E-BCCD)工作模式和时间延迟积分型工作模式。,微光CCD摄像器件有：增强型CCD(ICCD)和时间延迟积分型CCD(TD
26、ICCD)两种类型；,一是加置像增强器；二是采用电子轰击的方法来获得倍增.二者都可使器件的灵敏度提高34个数量级。,ICCD满足微光摄影提高信噪比的方法有两种：,硅增强靶摄像管,第1级采用直径为18mmGaAs光电阴极，其灵敏度：900A/lm，光谱响应范围：0.60.9m，极限分辨率：36线对/毫米。, 像增强器与CCD芯片耦合模式,像增强技术已从第1代像增强器发展到微通道板和GaAs等负电子亲和势光电阴极相结合的第3代像增强器。,像增强器与CCD的耦合是一种混合式结构，通常采用两级像增强。,第2级采用S-20光电阴极，增强后的光学图像用2.54mm长的光纤束耦合到CCD芯片上。,第一代像增
27、强器,该装置是将CCD作为像增强器的阳极直接放置到真空(1.3313.3Pa)管的成像位置，光电阴极为S-20 。, 电子轰击模式(E-BCCD）,工作原理：当入射光子打在S-20光电阴极上时，发射光电子，光电子被加速(1015kV)并聚焦在面阵CCD芯片上，在光敏元中产生电荷包，积分结束后电荷包转移到移位寄存器输出。,目前EBCCD常用的三种聚焦方法：,EBCCD的缺点：寿命短。,原因：CCD在1020kV的电子轰击下工作，会产生辐射损伤，致使暗电流、漏电流增加，转移效率下降。,近几年来，微光和x射线CCD都取得了很大进展，由于紫外辐射与半导体材料之间相互作用中的许多问题没得到认真解决，如正
28、面CCD较厚的栅氧化层(50120nm)强烈地吸收紫外辐射，使直接探测效率极低，因此用于紫外辐射波段的CCD进展缓慢。,根据敏感材料的不同，常用的红外焦平面阵列有PbS和PbSe阵列，PtSi阵列，InSb阵列，HgCdTe阵列，GaAs/ALGaAs阵列，掺杂硅阵列和热释电探测器阵列等几种。,x射线CCD器件有两类：一类是直接用CCD像机拍摄X射线图像；另一类是在每个光敏元上装置有带隔离层的能把X射线转换成可见光的碘化铯晶体，它几乎能把照射的X射线全部吸收。,(2)TDICCD工作模式,时间延迟积分型模式：通过增强每场光积分时间,来提高了S/N比。这种模式工作的CCD常在-40以下工作,这样
29、可以大幅度地降低暗电流。,3.IRCCD,上世纪70年代以来，研制成多种红外探测器二维阵列，把被测图像成像于二维阵列上，并转换成电子图像，借助于电子自扫描技术以视频信号输出。用红外探测器阵列代替可见光CCD的光敏元部分，就构成焦平面红外阵列(IRCCD)。,4.x射线CCD,对于X射线的探测，人们越来越寄托于CCD。因为CCD对X射线的感光度比X射线胶片要高2001000倍，即便是非常微弱的X射线图像也能拍摄到。,5.紫外CCD,提高探测效率方法：采用减薄背照CCD来探测紫外光。,解决的办法:一是采用各种“背堆积” 技术减小界面态作用;二是涂覆某些荧光物质，如六苯并苯把紫外光转换成0.5m附近
30、的荧光，利于硅CCD的吸收，并起抗反射涂层的作用。,采用水杨酸钠和红宝石混合物：水杨酸钠荧光区0.40.5m是红宝石的吸收带，红宝石的强荧光区为0.600.77m，接近硅的响应峰值。,缺点：减薄后的硅表面会形成天然的氧化层；氧化层即使很薄其界面态对光生载流子的复合会损失许多有用的信号电荷。同时界面态俘获和释放电荷的过程还会影响期间的稳定性。,电荷转移效率是表征CCD器件性能好坏的一个重要参数。设原有的信号电荷为 ，转移到下一个电极下的信号电荷为 ，其比值,影响转移效率的主要因素是表面态对信号电荷的俘获。为此采用“胖零”工作模式，,“胖零”工作模式：让“零”信号也有一定的电荷来填补陷阱，这就能提
31、高转移效率和速率。,当信号电荷转移N个电极后的电荷为 时，总转移效率为,一个CCD器件如果总转移效率太低,就失去实用价值.,四 CCD的性能参数,1 电荷转移效率和转移损失率,注意:“胖0”电荷的引入： 降低了势阱的深度； 减小了信号电荷的最大存储量； 降低了CCD的动态范围； 增大了器件的转移噪声。,结论：“胖0”量应控制在势阱满阱的10%20%为宜；另外, 因为势阱形状为U型而非矩形，“胖0”并不能完全消除陷阱影响,2 光谱响应率和干涉效应,CCD受光照的方式有：正面受光和背面受光两种,为了减小多晶硅对短波方向的吸收，可用SnO2薄膜代替多晶硅薄膜做电极，可以减小起伏幅度。,A/D转换过程
32、中，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息 （实际用5-10倍）,CCD由很多分立的光敏单元组成，根据奈奎斯特定律，它的极限分辨率为空间采样频率的一半。,增大动态范围的途径是降低暗电流，特别是控制暗电流的尖峰，不均匀的暗电流及尖峰都会构成图像噪声，从而影响像质，也影响动态范围。,如果用TVL（电视线）来表示，在某一方向的象元个数就是极限TVL数，TVL数和线对/毫米之间的转换公式为,一个好的CCD器件,其动态范围可达:10005000。CCD最小照度受噪声限制，最大照度受电荷处理容量的限制。,3 分辨率和调制传递函数（MTF）,4 动态范围,动态范
33、围表征器件能在多大照度范围内正常工作。一般定义动态范围是输出饱和电压和暗场时噪声的峰值电压之比。,例如：如果某一方向上的象元间距为p，则在此方向上象元的空间频率为1/p(线对/毫米)，其极限分辨率将小于1/2p（线对/毫米）,香农采样定理：是信息论，特别是通讯与信号处理学科中的一个重要基本结论,TVL：在一个宽度=画面高度的区域里，能分辨的黑白线条的数量；若CCD光敏面线度尺寸为H.,热噪声是由于固体中载流子的无规则运动引起的,这里指的是信号电荷注人及输出时引起的噪声,它相当于电阻热噪声和电容的总宽带噪声之和。,转移噪声是由转移损失及界面态俘获引起的，它具有两个特点:一是积累性，二是相关性。积
34、累性是指转移噪声是在转移过程中逐次积累起来的，与转移次数成正比;相关性是指相邻电荷包的转移噪声是相关的?,5 暗电流和噪声,暗电流是在既无光注入，又无电注人情况下输出的电流。,CCD的噪声有3类：即散粒噪声、转移噪声和热噪声,（1）散粒噪声,在CCD中，无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数,总是围绕平均值上下变化，形成噪声。,三种噪声的源是独立无关的，所以CCD的总噪声功率应是它们的均方和。,（2）转移噪声,（3）热噪声,暗电流主要来源有三个：半导体衬底的热激发、耗尽区里产生复合中心的热激发和耗尽区边缘的少子热扩散。其中耗尽区内产生复合中心的热激发是主要的。,TCD1251UD：
35、一种高灵敏度、低暗电流、2700像元的线阵CCD图象传感器。,应用：传真、图象扫描和OCR。,分辨率：扫描A3的图纸，为8线/毫米(200DPI);扫描A4的图纸，为12线/毫米(300DPI) 。,自扫描光电二极管阵列（SSPD）：在器件的内部还集成了数字移位寄存器等电路，工作在电荷存贮方式。,五、自扫描光电二极管阵列（SSPD）,（一）.光电二极管阵列的结构形式和工作原理,1光电二极管阵列的结构形式,光电二极管有两种阵列型式:,普通光电二极管阵列：将N个光电二极管同时集成在一个硅片上，将其中N端连接在一起，P端单独引出；像元数只有几十位，为连续工作方式。,2.光电二极管阵列的工作原理,式中
36、E为入射光的辐照度；为量子效率；A为光电二极管光敏面面积； 为入射光的频率。,（1）连续工作方式,注意：D的面积很小，输出光电流是很微弱的，要读取图像信号，需采用放大器；此外，采用连续工作方式，N位图像传感器至少应有N+1根信号引出线，且布线上也有一定的困难；,由上式可见，光电流与入射光的辐照度和光敏区面积成正比。光一直照下去，负载上的电流一直输出。,连续工作方式：当一束光照到光电二极管的光敏面上时，光电二极管输出的光电流为,连续工作方式一般只用于64位以下的光电二极管阵列中。,（2）电荷存贮工作方式,电荷存贮工作 方式的原理图,准备过程,如图, 闭合开关K，Uc通过RL 向Cd 充电，充电稳
37、定后，二极管PN结上的电压基本上为电源电压Uc；此时结电容Cd上的电荷,D电荷存贮工作有准备过程、曝光过程和再通电过程,D为光电二极管，Cd为等效结电容，Uc为D的反向偏置电压，RL为等效负载电阻,(b) 曝光过程,打开K，让光照D。由于亮电流的存在，Cd将缓慢放电。若K断开的时间为Ts，则在曝光过程Cd上所释放的电荷,式中 为平均光电流。这时Cd上的电压也下降到,电荷积分时间,Cd上补充的电荷等于曝光过程中Cd上所释放的电荷,(c) 再充电过程,输出的峰值电压,上述过程表明：光电荷的存贮在曝光过程中完成；输出信号在再充电过程中提取。,经过时间Ts的积分后，再闭合开关K。电容Cd再充电，直到C
38、d上的电压达到Uc；,再充电电流在电阻RL上的压降UR就是输出的信号,实际的SSPD，一般由MOSFET控制光电二极管的电荷积分及再充电过程,具体SSPD器件内部 单元的结构图,SSPD根据象元的排列方式 分成线阵和面阵,线阵：用于一维图象信号的测量，如光谱测量，衍射光强分布测量，机器视觉检测等,面阵：能直接测量二维图象信号,想一想：工作过程？,该电路是光敏二极管和CMOS三极管组成的光电转换及光电存储和开关元件的模型,图中，MOS三极管源极PN结起光电变换和存储载流子；栅极有脉冲信号时，视频信号被读出！,想一想：工作过程？,用集成技术把N个完全相同的光电二极管等间距地排列成一条直线，故称为线
39、阵。,由N个MOSFET(T1TN) 组成，每个管子的源极分别与对应的光电二极管P端相连；而所有的漏极连在一起，组成视频输出U0,(2) N个多路开关,它提供N路扫描控制信号e1eN（负脉冲）；每 路输出信号与对应的MOSFET的栅极相连。,(3) N 位数字移位寄存器,（二）. SSPD线阵,SSPD线阵主要由以下三部分组成,(1) N位光电二极管组成列阵,每个二极管上有相同的存储电容Cd,想一想：工作原理？其中S为起始脉冲，为时钟脉冲；考察图中光敏二极管D2,尖峰噪声及其抑制方法；邻位相关法,水平扫描电路: 输出扫描信号控制MOS开关，寻址列 ；,（三）. SSPD面阵,SSPD面阵：由光
40、电二极管阵列、水平扫描电路、垂直扫描电路以及多路开关四部分组成,垂直扫描电路:输出扫描信号控制每一象素内的MOS开关的栅极，寻址像敏阵列的行;,工作过程：,结果: 面阵上二维的光强信息转变为相应的电信号，从视频线U0上串行输出。,MOS管主要起开关作用,像敏元阵列,（四）. SSPD的主要特性参数,SSPD器件的输出电荷Q正比于曝光量,；当曝光量达到某一值Hs 后，输出电荷就达到最大值Qs。,1. 光电特性,曝光量,Hs :饱和曝光量；Qs :饱和电荷,若器件最小允许起始脉冲周期为Ts,min(由扫描频率决定),那么对应的照度Es=Hs/Ts,min ,称为饱和照度。,在饱和照度和最低照度这两
41、个极端之间，SSPD 器件一般有三至六个数量级的线性工作范围。,SSPD器件的暗电流主要由积分暗电流、开关噪声和热噪声组成。,SSPD器件工作时的积分时间较长，所以暗电流不能忽视，而且暗电流与温度有密切的关系，温度每升高7暗电流约增加一倍。因此，随着器件温度升高，最大允许的积分时间将缩短,降低器件的工作温度，如采用液氮致冷，便可探测非常微弱的光强信号。,2. 暗电流,SSPD器件的开关噪声比较大。但开关噪声大部分是周期性的，可以用特殊的电荷积分、采样保持电路加以消除。,热噪声是随机的、非重复性的波动，不容易通过信号处理去掉，其典型幅值为饱和电平的0.1% ，对大多数应用影响不大。,RL-S系列
42、线阵SSPD的暗电流-温度特性曲线,输出信号为尖脉冲；优点：电路简单，工作速度高（可达10MHz）,Rs限制噪声频带，减小开关噪声；I0s为充电电流,一般动态范围典型值为100:1；在要求高的场合，可通过给SSPD线阵每个二极管附加电容器（漏电很小），使动态范围高达10000:1。,3. 动态范围,SSPD器件的动态范围为输出饱和信号峰值与暗态噪声峰值之比。,（五）. SSPD器件的信号读出及放大电路,信号输出放大电路有两种类型：,（1）电流放大输出,（2）电荷积分放大输出,输出信号为箱形波； 优点：开关噪声小,R为复位脉冲信号；T1通T2截止,六 固体成像器件的发展现状和应用,CCD的发展趋
43、势:微型化、高速、高灵敏度、多功能化。,CCD线阵成像器件可用于文字阅读和图像识别等，类似的系统可用于货币识别、条码识别，传真机、邮政编码的信封分检等:,1.文字阅读与图像识别,光学文字阅读器,邮政编码识别系统,传真机原理图,主要是对图形进行一维或二维几何线度尺寸的测量，这是一门崭新的非接触测量技术。它是通过计算光敏面上物像所占的光敏元的个数，然后根据单个光敏元的尺寸以及光学系统的放大率换算而得到被测图形尺寸的。,2.图形轮廓测绘系统,由于CCD光敏元是利用光刻技术逐个制作而成的，其尺寸和位置的精度都很高，因此采用CCD像机进行测量比用其它成像系统测量精度高。,3.CCD摄像机应用领域的发展趋
44、势,（1）Camcorder(摄录像机),摄录一体化CCD摄像机,（2）PC camera(电脑摄像机 ),PC Camera作为电脑前端和图像输入系统，固体摄像 机将以不可阻挡的发展势头深入到各种电脑应用的方方面 面，也会很快进入家庭。借助电脑网络，实现音、视频同 步远程通讯。,（3）Door phone(门口对讲机),随着住宅商品化，各种现代化住宅楼像雨后春笋般拨地而起，民用住宅的安全防范已提到日程上来，许多住宅可在室内及时地看到来访客人的实时图像和室外局部区域的情况，也为防范坏人入室作案起到有效的监控作用。,思考题:,1.MOS场效应管与CCD工作原理有何区别?,2.什么是MOS的稳定状
45、态?,3.为什么说CCD是非稳态器件?,作业:P168 7-1,7-3,END,TVL：是在一个宽度等于画面高度的区域里，能分辨出来的黑白线条的数量。,鼠标的DPI是每英寸点数：鼠标每移动一英寸指针在 屏幕上移动的点数。比如400DPI的鼠标，他在移动一英 寸的时候，屏幕上的指针可以移动400个点。,一帧就是一副静止的画面,连续的帧就形成动画,其中的电子被信号电极吸走；剩余空穴将在帧周期内连续积累到P型岛上，因此硅靶的P型岛面阵上形成了增强的正电势图像；当阅读电子扫描时可输出电视信号。,由于表面和体内的复合以及收集率原因，实际的电子增益为2000倍；改变移像区的电压可改变靶的电子增益。,SIT靶和靶结构基本相同。区别是在光电子入射侧加镀一层厚几百埃的铅膜，以屏蔽杂散光。从光电阴极发射出来的光电子，在高压作用下轰击硅靶，使靶内产生电子-空穴对,理论计算表明: 能量为3.43.5eV的光电子,可产生1个电子-空穴对；如果移像区电压为10kV，则每个光电子可产生28002900个电子-空穴对。,电子轰击型硅靶摄像管（SIT或EBS摄像管）,增强硅靶灵敏度比硅靶高两个数量级，约为40A/lx，硅靶不易烧伤，寿命长；,EBS摄像管的摄像动态范围：10-2-10-5lx，可通过调节移像区电压或耦合一级像增强器来扩大动态范围,返回,电子轰击型摄像管是一种灵敏度极高的摄像管,
