光电子技术学课件之十五： ——第五章光电成像系统 （1） 光电子技术学课件之十五： ——第五章光电成像系统 （1） §1 固体摄像器件 制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华

教学目的 教学重点与难点 1、掌握CCD的结构和工作原理、光电 成像原理、光电成像光学系统； 2、了解微光像增强器件和纤维光学成 像原理。 光电成像光学系统的组成。 难点：CCD的结构和工作原理、调制传递函数 的分析。

§0 光电成像概述 一、光电成像系统的分类： 按照光电成像系统对应的光波长范围，光电成像系统可以分为：可见光、紫外光、红外光、 X光光电成像系统。

二、光电成像系统要研究的问题 光电成像涉及到一系列复杂的信号传递过程。有四个方面的问题需要研究： 能量方面——物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题 成像特性——能分辨的光信号在空间和时间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率

噪声方面——决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性 信息传递速率方面—— 成像特性、噪声信息传递问题，决定能被传递的信息量大小

三、光电成像系统基本组成的框图 其中光电成（摄）像器件是光电成像系统的核心。

§1 固体摄像器件 固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号—— 视频信号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。

固体摄像器件主要有三大类： 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） 目前，前两种用得较多，我们这里只分析CCD一种。

一、电荷耦合摄像器件 CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移。 CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。

1、电荷耦合器件的基本原理 （1）、 CCD的基本结构包括：转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单元是MOS电容。

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）、电荷存储 以衬底为P型硅构成的MOS电容为为例。 当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2界面处的电势发生变化，附近的P型硅中的多数载流子-空穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过MOS晶体管 的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度尽状态，电子在那里势能较低-形成了一个势阱。如有信号电子，将聚集在表面，实现电荷的存储。此时耗尽层变薄。势阱的深浅决定存储电荷能力的大小。

（3）、电荷转移 CCD的转移电极相数有二相、三相、四相等。对于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移，至少需要三相。这里以三相表面沟道CCD为例。 表面沟道器件，即 SCCD（Surface Channel CCD）——转移沟道在界面的CCD器件。

表面沟道器件的特点： 工艺简单，动态范围大，但信号电荷的转移受表面态的影响，转移速度和转移效率底，工作频率一般在10MHz以下。

体内沟道（或埋沟道CCD）： BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）——用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达99.999％以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件。

（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。

（5）、电荷检测 （输出） CCD输出结构是将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。 电荷输出结构有多种形式，如电流输出结构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构等。浮置栅输出结构应用最广。

OG：输出栅，FD：浮置扩散区，R:复位栅，RD:复位漏,T:输出场效应管。 浮置栅是指在P型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的n+区域，当扩散区不被偏置，其处于浮置状态。

电荷包的输出过程：VOG为一定值的正电压，在OG电极下形成耗尽层，使Φ3与FD之间建立导电沟道。在Φ3高电位期间，电荷包存储在Φ3电极下面。随复位栅R加正复位脉冲ΦR ，使FD 区与RD区沟通。因V RD为正十几伏的直流偏置电压，则FD区的电荷被RD区抽走。复位正脉冲过去后， FD 区与RD区呈夹断状态， FD 区具有一定的浮置。之后Φ3转变为底电位， Φ3电极下面的电荷包通过OG下的沟道转移到FD 区。

浮置 栅CCD放大输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度T；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。

2、电荷耦合摄像器件的工作原理 CCD的电荷存储、转移的概念 + 半导体的光电性质——CCD摄像器件 按结构可分为线阵CCD和面阵CCD 按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD 可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD

（1）线阵CCD 线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构。下图(a)为单沟道，(b)为双沟道。

二、电荷耦合摄像器件的特性参数