CCD傳感器及其應(yīng)用研究
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圖像傳感器是利用光電器件的光一電轉(zhuǎn)換功能，將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號“圖像”的一種功能器件。
固態(tài)圖像傳感器是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元與移位寄存器構(gòu)成的集成化、功能化的光電器件。光敏單元簡稱為“像素”或“像點(diǎn)”，它們本身在空間上、電氣上是彼此獨(dú)立的。固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號“圖像”，即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布。然后利用移位寄存器的功能將這些電荷包在時(shí)鐘脈沖控制下實(shí)現(xiàn)讀取與輸出，形成一系列幅值不等的時(shí)序脈沖序列。
固態(tài)圖像傳感器與普通的圖像傳感器比，具有體積小、失真小、靈敏度高、抗振動、耐潮濕、成本低的特點(diǎn)。這些特色決定了它可以廣泛用于自動控制和自動測量，尤其是適用于圖像識別技術(shù)中。本文從分析固態(tài)圖像傳感器的原理出發(fā)，著重對它在測控及圖像識別領(lǐng)域進(jìn)行分析和探討。
二、電荷禍合器件及工作原理
電荷藕合器件〔ChargeCoupleDevices，簡稱CCD)，是固態(tài)圖像傳感器的敏感器件，與普通的MOS,TTL等電路一樣，屬于一種集成電路，但CCD具有光電轉(zhuǎn)換、信號儲存、轉(zhuǎn)移(傳輸)、輸出、處理以及電子快門等多種獨(dú)特功能。
電荷禍合器件CCD的基本原理是在一系列MOS電容器金屬電極上，加以適當(dāng)?shù)拿}沖電壓，排斥掉半導(dǎo)體襯底內(nèi)的多數(shù)載流子，形成“勢阱”的運(yùn)動，進(jìn)而達(dá)到信號電荷(少數(shù)載流子)的轉(zhuǎn)移。如果所轉(zhuǎn)移的信號電荷是由光像照射產(chǎn)生的，則CCD具備圖像傳感器的功能;若所轉(zhuǎn)移的電荷通過外界注入方式得到的，則CCD還可以具備延時(shí)、信號處理、數(shù)據(jù)存儲以及邏輯運(yùn)算等功能。
電荷禍合器件CCD的基本原理與金屬一氧化物一硅(MOS)電容器的物理機(jī)理密切相關(guān)。因此。首先分析MOS電容器原理。
圖1是熱氧化P型Si(p-Si)襯底上淀積金屬而構(gòu)成的一只MOS電容器，若在某一時(shí)刻給它的金屬電極加上正向電壓咋，p-Si中的多數(shù)載流子(此時(shí)是空穴)便會受到排斥，于是，在Si表面處就會形成一個(gè)耗盡區(qū)。這個(gè)耗盡區(qū)與普通的pn結(jié)一樣，同樣也是電離受主構(gòu)成的空間電荷區(qū)。并且，在一定條件下，凡越大，耗盡層就越深。這時(shí)，Si表面吸收少數(shù)載流子(此時(shí)是電子)的勢(即表面勢V;)也就越大。顯而易見，這時(shí)的MOS電容器所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。據(jù)此，恰好可以利用“表面勢阱”(簡稱勢阱)這一形象比喻來說明MOS電容器在V;(或說在玲)作用下存儲(信號)電荷的能力。習(xí)慣上，把勢阱想象作一個(gè)桶，把少數(shù)載流子(信號電荷)想象成盛在桶底上的流體。在分析固態(tài)器件時(shí)，常常取半導(dǎo)體襯底內(nèi)的電位為零，所以，取表面勢環(huán)的正值增方向朝下更方便(圖1(b))。
圖3 MOS電容器及其表面勢阱概念
CD的電荷(少數(shù)載流子)的產(chǎn)生有兩種方式:電壓信號注入和光信號注入。作為圖像傳感器，CCD接收的是光信號，即光信號注入法。當(dāng)光信號照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子一空穴對。這時(shí)在柵極電壓的作用下，多數(shù)載流子(空穴)將流入襯底，而少數(shù)載流子(電子)則被收集在勢阱中，形成信號電荷存儲起來。
這樣高于半導(dǎo)體禁帶寬度的那些光子，就能建立起正比于光強(qiáng)的存儲電荷。
由許多個(gè)MOS電容器排列而成的CCD，在光像照射下產(chǎn)生光生載流子的信號電荷，再使其具備轉(zhuǎn)移信號電荷的自掃描功能，即構(gòu)成固態(tài)圖像傳感器。
圖2是光導(dǎo)攝像管與固態(tài)圖像傳感器的基本原理比較。圖2ta)中，當(dāng)入射光像信號照射到攝像管中間電極表面時(shí)，其上將產(chǎn)生與各點(diǎn)照射光量成比例的電位分布，若用電子束掃描中間電極，負(fù)載Rl上會產(chǎn)生變化的放電電流。由于光量不同而使負(fù)載電流發(fā)生變化，這恰是所需的輸出電信號。所用電子束的偏轉(zhuǎn)或集束，是由磁場或電場控制實(shí)現(xiàn)的。
圖2 光導(dǎo)攝像管與固態(tài)圖像傳感器的基本原理比較
失真度極小的固態(tài)圖像傳感器，非常適合測試技術(shù)及圖像識別技術(shù)。此外，固態(tài)圖像傳感器與攝像管比，還有體積小、重量輕、堅(jiān)固耐用、抗沖擊、耐震動、抗電磁干擾能力強(qiáng)以及耗電少等許多優(yōu)點(diǎn)，并且固態(tài)圖像傳感器的成本也較低。
三、固態(tài)傳感器分類、結(jié)構(gòu)及特性
從使用觀點(diǎn)，可將固態(tài)圖像傳感器分為線型和面型固態(tài)圖像傳感器兩類。根據(jù)所用的敏感器件不同，又可分為CCD,MOS線型傳感器以及CCD,MOS面型傳感器等線型固態(tài)圖像傳感器主要用于測試、傳真和光學(xué)文字識別技術(shù)等方面，面型固態(tài)圖像傳感器的發(fā)展方向主要用作磁帶錄像的小型照相機(jī)。本文主要介紹工程測試中常用到的線型固態(tài)圖像傳感器結(jié)構(gòu)。
圖3所示為線型固態(tài)圖像傳感器的結(jié)構(gòu)。其感光部是光敏二極管線陣列，1728個(gè)PD作為感光像素位于傳感器中央，兩側(cè)設(shè)置CCD轉(zhuǎn)換寄存器。寄存器上面覆以遮光物。奇數(shù)號位的PD的信號電荷移往下側(cè)的轉(zhuǎn)移寄存器;偶數(shù)號位則移往上側(cè)的轉(zhuǎn)移寄存器。以另外的信號驅(qū)動CCD轉(zhuǎn)移寄存器，把信電荷經(jīng)公共輸出端，從光敏二極管PD上依次讀出。
圖3 線型固態(tài)圖像傳感器的結(jié)構(gòu)
圖4 高靈敏度線性傳感器截面構(gòu)造
圖5 高靈敏度傳感器
①.調(diào)制傳遞函數(shù)MTF特性:固態(tài)圖像傳感器是由像素矩陣與相應(yīng)轉(zhuǎn)移部分組成的。固態(tài)的像素盡管己做得很小，并且其間隔也很微小，但是，這仍然是識別微小圖像或再現(xiàn)圖像細(xì)微部分的主要障礙。
②.輸出飽和特性:當(dāng)飽和曝光量以上的強(qiáng)光像照射到圖像傳感器上時(shí)，傳感器的輸出電壓將出現(xiàn)飽和，這種現(xiàn)象稱為輸出飽和特性。產(chǎn)生輸出飽和現(xiàn)象的根本原因是光敏二極管或MOS電容器僅能產(chǎn)生與積蓄一定極限的光生信號電荷所致。
③.暗輸出特性:暗輸出又稱無照輸出，系指無光像信號照射時(shí)，傳感器仍有微小輸出的特性，輸出來源于暗〔無照)電流。
④.靈敏度:單位輻射照度產(chǎn)生的輸出光電流表示固態(tài)圖象傳感器的靈敏度，它主要與固態(tài)圖像傳感器的像元大小有關(guān)。
⑥.彌散:飽和曝光量以上的過亮光像會在象素內(nèi)產(chǎn)生與積蓄起過飽和信號電荷，這時(shí)，過飽和電荷便會從一個(gè)像素的勢阱經(jīng)過襯底擴(kuò)散到相鄰像素的勢阱。這樣，再生圖像上不應(yīng)
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