第13章   固态图像传感器 图像传感器：利用光电器件的光－电转换功能，将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号“图像”的一种功能器件， 固态图像传感器：在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能化的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像点”。 特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC7～12V）、 功耗小。 该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型 化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农 业、军用等各个领域。

第13章   固态图像传感器

第13章   固态图像传感器

固态图像传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。 第13章   固态图像传感器 固态图像传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。 敏感元件主要有三大类： 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即CID）

13.1 电荷耦合器件（CCD） 1.CCD基本结构 CCD基本结构分两部分： MOS（金属—氧化物—半导体） 第13章   固态图像传感器 13.1 电荷耦合器件（CCD） 1.CCD基本结构 CCD结构示意图 显微镜下的MOS元表面 CCD基本结构分两部分： MOS（金属—氧化物—半导体） 光敏元阵列）。电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。 读出移位寄存器。

CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移。

1.CCD工作原理 (1)MOS的结构 一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。

2.CCD工作原理 第13章 固态图像传感器 (2)电荷存储原理： 第13章   固态图像传感器 2.CCD工作原理 (2)电荷存储原理： 当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生 电子—空穴对，空穴被电 场作用排斥出耗尽区，而 电子被附近势阱（俘获）， 此时势阱内吸的光子数与 光强度成正比。 一个MOS光敏元结构

2.CCD工作原理 (2)电荷存储原理： 第13章 固态图像传感器 一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素； 第13章   固态图像传感器 2.CCD工作原理 (2)电荷存储原理： 一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素； 把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包； CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元， 每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱； 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。

第13章   固态图像传感器 2.CCD工作原理 分辨率（MOS元多少）不同的图象比较 265×180 66×45 33×22 133×90

2.CCD工作原理 第13章 固态图像传感器 (3)电荷转移原理（读出移位寄存器） 光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，CCD电荷 第13章   固态图像传感器 2.CCD工作原理 (3)电荷转移原理（读出移位寄存器） 光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，CCD电荷 耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。 由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元； 在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲Φ1Φ2Φ3。

电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。见图 三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。 CCD电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图(b)采用电注入方式。 P1 P2 P3 P1 P1 P2 P3 Ф t=t0 Ф1 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t1 Ф2 P1 P2 P3 P1 P2 P3 Ф3 t=t2 t0 t1 t2 t3 t P1 P2 P3 P1 P2 P3 (b) t=t3 (a) 电荷转移过程

当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）； 当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）； 当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中（t=t2）。 然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势阱（t=t3），以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。 随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。 P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t0 t=t2 P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t1 t=t3

（4）光信号的注入 CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传来的光信号，即采用光注入CCD。 当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。 光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。

第13章   固态图像传感器 (5)信号输出方式 CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种。 以电压输出型为例： 有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA）。浮置栅放大器（FGA）应用最广。

3.CCD的特性参数 CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述 第13章   固态图像传感器 3.CCD的特性参数 CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述 内部参数：描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据； 外部参数：描述的是与CCD应用有关的性能指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率等。

3.CCD的特性参数

3.CCD的特性参数

3.CCD的特性参数

3.CCD的特性参数

第13章   固态图像传感器 13.2 CCD固态图像传感器 CCD固态图像传感器 线阵CCD型 面阵CCD型

（1）线型CCD图像传感器 线型CCD图像传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅,如图所示。 转移控制栅 光积分单元 不透光的电荷转移结构 光积分区 输出 (a) (b) 线型CCD图像传感器 在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。

目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。 转移栅 光积分单元 不透光的电荷转移结构 光积分区 输出 (a) (b) 线型CCD图像传感器 我国也能生产多到2000单元以上的线型图像传感器，国际水平达5732个单元。 线型图像传感器只能用于一维检测系统，为了能传送平面图像信息，必须增加自动扫描机构，或者直接使用面型CCD图像传感器。

面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式。 二相驱动 视频输出 图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。 检波二极管 行 扫 描 发 生 器   输出寄存器 感光区 (a) 二相驱动

图（b）所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器。 P1 沟阻 P2 P3 感光区 析像单元 P1 P2 P3 存储区 视频输出 P1 P2 输出栅 P3 串行读出 (b)

图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图(b)中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。 随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。 光栅报时钟 二相驱动 输出寄存器 检波二极管 视频输出 垂直转移 寄存器 感光区 (c)

第13章   固态图像传感器 13.3 固态图像传感器应用 CCD产品

测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等。 这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。 第13章   固态图像传感器 实例1： 测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等。 这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。 玻璃管CCD视频信号

第13章   固态图像传感器 测量原理: 在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测 量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生 产过程进行调整，以便提高产品质量。 玻璃管的平均外径φ12mm,壁厚1.2mm,要求测量 精度为外径±0.1mm,壁厚±0.05mm。利用CCD配合 适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测， 用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影 在CCD光敏像元阵列面上。

第13章   固态图像传感器 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间 亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的 壁厚像。 成像物镜的放大倍率为β，CCD相元尺寸为t， 上壁厚、下壁厚分别为n1、n2 ，外径尺寸的脉冲 数（即像元个数）为N，测量结果有： n1-上壁厚 n2-下壁厚 D-外径尺寸。

第13章   固态图像传感器 实例2： 线阵CCD进行工件尺寸测量