第6章 ccd和cmos成像器件 6.1 图像传感器简介 图像传感器发展历史

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1 第6章 ccd和cmos成像器件 6.1 图像传感器简介 6.1.1 图像传感器发展历史
6.1 图像传感器简介 图像传感器发展历史 完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。光电图像传感器的发展历史悠久，种类很多。 早在1934年就成功地研制出光电摄像管（Iconoscope），用于室内外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000lx的照度才能获得较为清晰的图像。使它的应用受到限制。 1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico），的灵敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2 000lx以上。

2 1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。
1954年投放市场的高灵敏视像管（Vidicon）基本具有了成本低，体积小，结构简单的特点，使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。 1965年推出的氧化铅视像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，发展了彩色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展产生一次飞跃。诞生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色摄像机。然而，氧化铅视像管抗强光的能力低，余辉效应影响了它的采样速率。 1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。 1970年，美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD）的原理使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器

3 从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。
CCD图像传感器不但具有固体器件的所有优点，而且它的自扫描输出方式消除了电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真。即CCD图像传感器的输出信号能够不失真地将光学图像转换成视频电视图像。而且，它的体积、重量、功耗和制造成本是电子束摄像管根本无法达到的。CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为广泛应用图像传感器的新时代。利用CCD图像传感器人们可以近距离的实地观测星球表面的图像，可以观察肠、胃耳、鼻、喉等器官内部的病变图像信息，可以观察人们不能直接观测的图像（如放射环境的图像，敌方阵地图像等）。CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题。

4 CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题。它的发展推动了广播电视、工业电视、医用电视、军用电视、微光与红外电视技术的发展，带动了机器视觉的发展，促进了公安刑侦、交通指挥、安全保卫等事业的发展。 图像传感器的分类 图像传感器按其工作方式可分为扫描型两类和直视型。扫描型图像传感器件通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像转换成一维时序信号输出出来。这种代表图像信息的一维信号称为视频信号。视频信号可通过信号放大和同步控制等处理后，通过相应的显示设备（如监视器）还原成二维光学图像信号。 视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则才能保证图像信息不产生失真，这种规则称为制式。

5 本章主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传感器的基本工作原理和典型应用问题 。
例如广播电视系统中遵循的规则被称为电视制式。数字图像传输与处理过程中根据计算机接口方式的不同也规定了许多种类的制式。 扫描型图像传感器输出的视频信号可经A/D转换为数字信号（或称其为数字图像信号），存入计算机系统，并在软件的支持下完成图像处理、存储、传输、显示及分析等功能。因此，扫描型图像传感器的应用范围远远超过直视型图像传感器的应用范围。 直视型图像传感器用于图像的转换和增强。它的工作方式是将入射辐射图像通过外光电转化为电子图像，再由电场或电磁场的加速与聚焦进行能量的增强，并利用二次电子的发射作用进行电子倍增，最后将增强的电子图像激发荧光屏产生可见光图像。 本章主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传感器的基本工作原理和典型应用问题 。

6 6.2 电荷耦合器件的结构和工作原理 6.2.1mos结构特征
CCD是一种半导体器件 图9.7.1 MOS电容的结构 1．金属 2．绝缘层SiO2 返 回 上一页 下一页

7 P型Si 耗尽区 电荷转移方向 Ф1 Ф2 Ф3 输出栅 输入栅 输入二极管 输出二极管 SiO2 CCD的MOS结构 当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中Ф1极下），形成电荷包（势阱）。 对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。

8 平带条件下的能带 Ec导带底能量 Ei禁带中央能级 Ef费米能级 Ev价带顶能量 平带条件：
当MOS电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从 体内到表面处是电中性的，因而能带(代表电子的能量)从表面到 内部是平的。 返 回 上一页 下一页

9 加上正电压MOS电容的能带 (a)栅压UG较小时，MOS电容器处于耗尽状态。 (b)栅压UG增大到开启电压 Uth时 ,半导体表面的费米能级
高于禁带中央能极, 半导体表面上的电子层称为反型层。 返 回 上一页 下一页

10 有信号电荷的势阱 当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。
势阱：深耗尽条件下的表面势。 势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。 返 回 上一页 下一页

11 6.2.3电荷耦合原理 ６．2.３ 电荷耦合原理

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13 6.2.4 CCD的电极结构 1.三相单层铝电极结构

14 2. 三相电阻海结构 光学系统 CCD2

15 3. 三相交叠硅栅结构

16 4. 二相硅-铝交叠栅结构

17 5. 阶梯状氧化物结构 光学系统1 被测物 重叠部分 CCD2 光学系统2

18 6. 四相CCD

19 6.2.5转移信道结构 体沟道CCD （BCCD) 模拟信号 数字信号

20 6.2.6 通道的横向限制 　　　如果电极间距较大，势阱形状将发生弯曲变化，会使信号电荷漏出，外面的电荷也会漏进来。为了限制势阱的横向范围，形成一个高势能的位垒，将沟道与沟道隔开。目前的横向限制工艺有沟阻扩散和氧化物台阶法。 １、加屏蔽电场： 　　　在屏蔽极上施以与栅极极性相反的电压，以吸收多子，造成多子在耗尽层内横向边界上的堆积，以限制耗尽层区的横向扩展。 ２、氧化物台阶法： 　　　氧化物越厚，表面势越小，势阱越浅。使耗尽层以外的氧化层厚度加厚，保证它下面不会深耗尽，自动限制了势垒的高度 ３、沟阻扩散法： 　　　利用掺杂浓度越高，表面势越小，势阱越浅，在同一珊压下，局部掺杂浓度不同。

21 6.2.6. 电荷的注入和检测 Qin=ηqNeoAtc （1）光注入

22 （2 ） 电注入 (1) 电流注入法 (2) 电压注入法 如图 （a）所示为电流注入法结构 如图（b）所示为电压注入法结构

23 （3）电荷的检测(输出方式) 输出电流Id与注入到二极管中的电荷量QS的关系 Qs=Iddt

24 6.4 CCD的特性参数 （1） 电荷转移效率η和电荷转移损失率ε
电荷转移效率为 电荷转移损失率为 电荷转移效率与损失率的关系为

25 （2） 驱动频率 电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t ，少数载流子的平均寿命为τi 则 ② 驱动频率的上限
①　驱动频率的下限 电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t ，少数载流子的平均寿命为τi 则 ②　驱动频率的上限 电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间为τg 则

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27 6.5电荷耦合成像器件 CCD线列图像器件 　　线型器件，它可以直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号输出，获得一维的图像信号。若想用线阵CCD获得二维图像信号，必须使线阵CCD与二维图像作相对的扫描运动，所以用线阵CCD对匀速运动物体进行扫描成像是非常方便的。 线型图像传感器结构 1－CCD转移寄存器 2－转移控制栅 3－积蓄控制电极 4—光敏区 SH—转移控制栅输入端 RS—复位控制 VOD—漏极输出 OS—图像信号输出 OG—输出控制栅 返 回 上一页 下一页

28 线型CCD图像传感器工作过程 　 线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅,如图所示。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。

29 线型CCD摄像器件的两种基本形式 (1)单沟道线阵CCD 图8-26所示为三相单沟道线阵CCD的结构图。

30 (2) 双沟道线阵CCD 图8-27为双沟道线阵CCD摄像器件。它具有两列CCD模拟移位寄存器A与B，分列在像敏阵列的两边。

31 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。
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，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，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 输出 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。 (a) 光积分区 输出 转移栅 (b) 线型CCD图像传感器

32 6.5.2面阵电荷耦合器件成像器件（ACCID) (a)x-y 选址 (b)行选址 (c)帧场传输式 (d)行间传输式 返 回 上一页
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33 (1) 帧转移面阵CCD 图8-28为三相面阵帧转移摄像器的原理结构图。它由成像区(像敏区)、暂存区和水平读出寄存器等三部分构成。

34 (2) 行间转移型面阵CCD 隔列转移型面阵CCD的结构如图8-29(a)所示。
图8-29（b）是隔列转移型面阵CCD的二相注入势垒器件的像敏单元和寄存器单元的结构图。

35 (3)线转移型面阵CCD 如图8-30所示，它与前面两种转移方式相比，取消了存储区，多了一个线寻址电路。

36 ６.６ CMOS图像传感器 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）图像传感器出现于1969年,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。 CMOS图像传感器虽然比CCD出现还早一年，但在相当长的时间内，由于它存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率（有效像元与总面积之比）低（10%~20%），响应速度慢等缺点，因此只能用于图像质量要求较低、尺寸较小的数码相机中，如机器人视觉应用的场合。 　　1989年以后，出现了“主动像元”（有源）结构。它不仅有光敏元件和像元寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围，使它的一些性能参数与CCD图像传感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于CCD图像传感器，所以应用越来越广泛。

37 1. CMOS成像器件的组成 CMOS成像器件的组成原理框图如图8-31所示，它的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列实际上是光电二极管阵列，它也有线阵和面阵之分。

38 图像信号的输出过程可由下图图像传感器阵列原理图更清楚地说明。

39 2. CMOS成像器件的像敏单元结构 这种器件的像敏单元结构有两种类型，即被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。前者只包含光电二极管和地址选通开关两部分，如图8-33所示。其中像敏单元的图像信号的读出时序如图8-34所示。

40 　　主动式像敏单元结构的基本电路如图所示。从图可以看出，场效应管V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。 　　　图中所示为上述过程的时序图，其中，复位脉冲首先来到，V1导通，光电二极管复位；复位脉冲消失后，光电二极管进行积分； 　　　场效应管V2：源极跟随放大器，进行电流放大， 　积分结束后，V3管导通，信号输出。

41 ６.７、CMOS与CCD图像传感器性能比较 从技术的角度来比较两者主要存在的区别
（a）信息读取方式不同 （b）速度有所差别 （c）电源及耗电量 （d）成像质量 （e）内部结构（传感器本身的结构） 抗辐射性、成本、集成度等方面 ：

42 暗电流（PA/M2） 电子-电压转换率 动态范围 响应均匀性 读出速度(Mpixels/s) 偏置、功耗 工艺难度 信号输出方式 集成度
性能指标 CMOS图像传感器 CCD图像传感器 暗电流（PA/M2） 电子-电压转换率 动态范围 响应均匀性 读出速度(Mpixels/s) 偏置、功耗 工艺难度 信号输出方式 集成度 应用范围 性价比 10－100 大 略小 较差 1000 小 x－y寻址可随机采样 高 低端、民用 10 略小 大 好 70 顺序逐个像元输出 低 高端、军用、研究 略低

43 CCD与 CMOS图象传感器出货量（单位：百万颗）

44 6.8、CMOS图像传感器的应用领域

45 国外芯片厂商： 生产CMOS图像传感器，比较著名的有： Micron（美光） Omni Vision（豪威） Mitsubishi（三菱） Kodak（ 柯达）等。 国内的CIS企业 上海派视尔、上海格科微电子、北京思比科 1.3MegaPixel与2MegaPixel产品。 格科微电子采用的仍然是传统的图形架构，每个像素前面采用单色滤色片，但采用了该公司专利的架构技术，传统Bayer图形架构会造成的色彩干扰问题得以解决；并且这种架构还使图像的层次感较强、显示较为真实；另外在图像处理方面还进行了颜色纠正，保证色彩的充分还原。 派视尔则在集成化方面大做文章。已经推出集成有自动调整聚焦控制器（AF）的200万像素级单芯片CIS。能够充分满足手机市场对图像质量、性能及易用性的要求，同时还能简化模块制造的组装过程。