1、1 8-3 電荷耦合器件 電荷耦合器件(簡稱CCD)的發明始于1969年，在其后幾年中發展迅速，并得到了廣泛的應用。CCD并不是一種新發明的器件，它可以說是MOS電容器的一種新的用法。在適當次序的時鐘控制下，CCD能夠使電荷量有控制地穿過半導體的襯底而實現電荷的轉換。利用這個機理便可實現多種的電子功能。在作為光敏器件時可用于圖像的傳感，即成為固體攝像器件；此外，CCD還可作為信息處理和信息存儲器件。本節將主要介紹CCD的工作原理及作為光敏攝像器件時的特征。 第8章 固態傳感器2 一、電荷耦合器件的結構與工作原理 (一)電荷耦合器件的結構 金屬氧化物半導體(MOS)電容CCD是由按照一定規律排列

2、的MOS電容陣列組成的。其中金屬為MOS結構上的電極，稱為“柵極”(此柵極材料不是用金屬而是用能夠透過一定波長范圍光的多晶硅薄膜)。半導體作為底電極，俗稱“襯底”。兩電極之間夾一層絕緣體，構成電容，如圖8-64所示。這種電容器具有一般電容器所沒有的一些特性，CCD的工作原理就是基于這些特性。因此，在介紹CCD的工作原理之前先簡單介紹一下MOS電容的特性。第8章 固態傳感器3 圖8-64 MOS電容的結構(a)N溝 (b)P溝1金屬 2絕緣層SiO2第8章 固態傳感器4 當MOS電容的極板上無外加電壓時，在理想情況下，半導體從體內到表面處是電中性的，因而能帶(代表電子的能量)從表面到內部是平的，

3、這就是平帶條件。所謂理想情況主要是忽略氧化層中的電荷及界面態電荷(一般均為正電荷)，且三層之間沒有電荷交換。圖8-65(a)為平帶條件下的能帶圖。圖8-65 MOS電容的能帶圖(a)平帶條件 (b)出現耗盡層，0UGUth第8章 固態傳感器5 若在金屬電極上相對于半導體加上正電壓UG，當UG較小時，P型半導體表面的多數載流子空穴受到金屬中正電荷的排斥，從而離開表面而留下電離的受主雜質離子，在半導體表面層中形成帶負電荷的耗盡層。此時，稱MOS電容器處于耗盡狀態。由于半導體內電位相對于金屬為負，在半導體內部的電子能量高，因此，在耗盡層中電子的能量從體內到表面是從高向低變化的，能帶呈彎曲形狀，如圖8

4、-65(b)所示。由于此時半導體表面處的電勢(稱表面勢或界面勢)比內部高，故若附近有電子存在，將移向表面處。柵壓UG增加，表面勢也增加，表面積聚的電子濃度也增加。但在耗盡狀態，耗盡區中電子濃度與體內空穴濃度相比是可以忽略不計的。第8章 固態傳感器6 當柵壓UG增大到超過某個特定電壓Uth時，表面勢進一步增加，能帶進一步向下彎曲，使半導體表面的費米能級高于禁帶中央能級見圖8-65(c)。此時，半導體表面上的電子層稱為反型層。特定電壓Uth是指半導體表面積累的電子濃度等于體內空穴濃度時的柵壓，通常把Uth稱為MOS管的開啟電壓。第8章 固態傳感器7 從上面的分析可知，當MOS電容器柵壓UG大于開啟

5、電壓Uth時，由于表面勢升高，如果周圍存在電子，并迅速地聚集到電極下的半導體表面處，由于電子在那里的勢能較低，我們可以形象地說，半導體表面形成了對于電子的勢阱。習慣上，可以把勢阱想像成一個容器，把聚集在里面的電子想像成容器中的液體，如圖8-66所示。勢阱積累電子的容量取決于勢阱的“深度”，而表面勢的大小近似與外加柵壓UG成正比。圖8-66 有信號電荷的勢阱第8章 固態傳感器8 如果在形成勢阱時，沒有外來的信號電荷，則勢阱中或勢阱附近由于熱效應產生的電子將積聚到勢阱口，逐漸填滿勢阱。通常，這個過程是非常緩慢的。因此，如果加上階躍的柵壓UGUth，則在短時期內，如果沒有外來的電子充填，半導體就處于

6、非平衡狀態。此時稱為深耗盡。上面提到的勢阱就是指深耗盡條件下的表面勢。所謂勢阱填滿，是指電子在半導體表面堆積后使平面勢下降。第8章 固態傳感器9 (二)電荷耦合器件CCD的工作原理 1.電荷的定向轉移 CCD的基本功能是具有存儲與轉移信息電荷的能力，故又稱它為動態移位寄存器。為了實現信號電荷的轉換，首先必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。通常相鄰MOS電容電極間隙必須小于3 m，甚至小至0.2 m以下。其次根據加在MOS電容上的電壓越高，產生的勢阱越深的原理，通過控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調節勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處。還

7、必須指出，在CCD中電荷的轉移必須按照確定的方向。第8章 固態傳感器10為此，在MOS陣列上所加的各路電壓脈沖即時鐘脈沖，必須嚴格滿足相位要求，使得任何時刻勢阱的變化總是朝著一個方向。例如，電荷是向右轉移，則任何時刻，當存有信號的勢阱抬起時，在它右邊的勢阱總比它左邊的深，這樣，就保證了電荷始終朝右邊轉移。第8章 固態傳感器11 為了實現這種定向轉移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰MOS電荷為一單元的無限循環結構。每一單元稱為一位，將每一位中對應位置上的電容柵極分別連到各自共同的電極上，此共同電極稱為相線。例如把MOS線列電容劃分成相鄰三個為一單元，其中第1、4、7電容的柵極連接在同一根

8、相線上，第2、5、8連接到第二個共同相線，第3、6、9則連接到第三個共同相線。顯然，一位CCD中含的電容個數即為CCD的相數。每相電極連接的電容個數一般來說即為CCD的位數。通常CCD有二相、三相、四相等幾種結構，它們所施加的時鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。二相脈沖的兩種脈沖相位相差180；三相脈沖及四相脈沖的相位差分別為120及90。當這種時序脈沖加到CCD的無限循環結構上時，將實現信號電荷的定向轉移。 第8章 固態傳感器12 圖8-67所示的三相CCD中的兩位。如果在每一位的三個電極上都加上圖8-67(a)所示的脈沖電壓，則可以實現電荷的轉移。具體工作過程如圖8-67(b)所示。圖中取表

9、面勢增加的方向向下，虛線代表表面勢的大小，斜線部分表示電荷包。在t=t1時，1處于高電平，而2、3處于低電平。由于1電極上的柵壓大于開啟電壓，故在1電極下形成勢阱，假設此時有外來的電荷注入，則電荷將積聚到1電極下；第8章 固態傳感器13 當t=t2時，1、2同時為高電壓，3為低電平，故1、2電極下都形成勢阱，由于兩個電極靠得很近，電荷就從1電極下耦合到2電極下；當t=t3時，1上的柵壓小于2上的柵壓，故1電極下的勢阱變“淺”，電荷更多地流向2電極下；當t=t4時，1、 3都為低電平，只有2處于高電平，故電荷全部聚集到 2電極下，實現了電荷從電極1下到 2下的轉移。 經過同樣的過程，當t=t5時

10、，電荷包又耦合到3電極下；當t=t6時，電荷包就轉移到了下一位的1電極下。因此，CCD在時鐘脈沖的控制下，勢阱的位置可以定向移動，信號電荷也就隨之轉移，CCD就是這樣工作的。 第8章 固態傳感器14 圖8-67 CCD的工作原理(a)三相柵壓的波形 (b)電荷轉移過程第8章 固態傳感器15 在CCD中電荷的轉移，除了有上述確定的方向外，還必須沿著確定的路線。電荷轉移的通道稱溝道，有N溝道和P溝道。N溝道的信號電荷為電子；P溝道的信號電荷為空穴。前者的時鐘脈沖為正極性，后者為負極性。由于空穴的遷移率低，所以P溝道CCD不大被采用。第8章 固態傳感器16 2.電荷的注入 CCD中的信號電荷可以通過

11、光注入和電注入兩種方式得到。CCD在圖像傳感器時，信號電荷由光生載流子得到，即光注入。當光照射半導體時，如果光子的能量大于半導體的禁帶寬度，則光子被吸收后會產生電子空穴對，當CCD的電極加有柵壓時，由光照產生的電子被收集在電極下的勢阱中，而空穴被趕入襯底。電極下收集的電荷大小取決于照射光的強度和照射時間。CCD在用作信號處理或存儲器件時，電荷輸入采用電注入。所謂電注入就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，將信號電壓或電流轉換為信號電荷。常用的輸入結構是采用一個輸入二極管、一個或幾個控制輸入柵來實現電輸入。 第8章 固態傳感器17 3.電荷的檢測信號輸出結構 CCD輸出結構的作用是將C

12、CD中的信號電荷變換為電流或電壓輸出，以檢測信號電荷的大小。圖8-68(a)所示的為一種簡單的輸出結構，它由輸出柵GO、輸出反偏二極管、復位管V1和輸出跟隨器V2組成，這些元器件均集成在CCD芯片上。V1、V2為MOS場效應晶體管，其中MOS管的柵電容起到對電荷積分的作用。該電路的工作原理是這樣的：當在復位管柵極加上一正脈沖時，V1導通，其漏極直流偏壓URD預置到A點。當V1截止后，3變為低電平時，信號電荷被送到A點的電容上，使A點的電位降低。輸出GO上可以加上直流偏壓，以使電荷通過。A點的電壓變化可從跟隨器V2的源極測出。第8章 固態傳感器18 A點的電壓變化量UA與CCD輸出的電荷量的關系

13、為(8-47) AAQUC圖8-68 CCD的信號輸出結構(a)選通電荷積分輸出電路 (b)驅動時鐘波形和輸出波形第8章 固態傳感器19 式中 CAA點的等效電容，為MOS管電容和輸出二極管電容之和； Q輸出電荷量。 由于MOS管V2為源極跟隨器，其電壓增益為 (8-48) 式中 gm為MOS場效應晶體V2的跨導，故輸出信號與電荷量的關系為 (8-49) 1mSUmSg RAg R1mSAmSg RQUCg R第8章 固態傳感器20第8章 固態傳感器 若要檢測下一個電荷包，則必須在復位管V1的柵極再加一正脈沖，使A點電位恢復。因此，檢測一下電荷包，在輸出端就得到一個負脈沖，該負脈沖的幅度正比于

14、電荷包的大小，這相當于信號電荷對輸出脈沖幅度進行調制。所以，在連續檢測從CCD中轉移出來的信號電荷包時，輸出為脈沖調幅信號。21圖8-69 相關雙取樣原理圖(a)相關雙取樣原理圖 (b)各點波形和開關時間第8章 固態傳感器 圖8-68(b)給出的輸出波形中還包含有與復位脈沖同步的正脈沖，這是由于復位脈沖通過寄生電容C1、C2耦合到輸出端的結果。為了消除復位脈沖引入的干擾，可以采用如圖8-69所示的相關雙取樣的檢測方法。其中Q1為鉗位開關，Q2為采樣開關，控制Q1和Q2分別在t1、t3、t5和t2、t4、t6時刻接通，則可以得到與電荷成正比的輸出波形，而濾去了復位脈沖的噪聲。 22 二、CCD圖

15、像傳感器 (一)CCD圖像傳感器的原理 CCD圖像傳感器是利用CCD的光電轉移和電荷轉移的雙重功能。當一定波長的入射光照射CCD時，若CCD的電極下形成勢阱，則光生少數載流子就積聚到勢阱中，其數目與光照時間和光強度成正比。使用時鐘控制將CCD的每一位下的光生電荷依次轉移出來，分別從同一輸出電路上檢測出，則可以得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在CCD上的光學圖像轉移成了電信號“圖像”。由于CCD能實現低噪聲的電荷轉移，并且所有光生電荷都通過一個輸出電路檢測，且具有良好的一致性，因此，對圖像的傳感具有優越的性能。第8章 固態傳感器23 CCD圖像傳感器可以分為線列和面陣兩大類，

16、它們各具有不同的結構和用途 (二)CCD線列圖像器件 CCD線列圖像器件由光敏區、轉移柵、模擬移位寄存器(即CCD)、胖零(即偏置)電荷注入電路、信號讀出電路等幾部分組成。圖8-70是一個有N個光敏單元的線列CCD圖像傳感器件。器件中各部分的功能及器件的工作過程分述如下。圖8-70 線列CCD圖像器件第8章 固態傳感器24 1.器件中各部分的結構與功能 (1)光敏區 N個光敏單元排成一列。如圖8-71所示，光敏單元為MOS電容結構(目前普遍采用P-N結構)。透明的低阻多晶硅薄條作為N個MOS電容(即光敏單元)的共同電極，稱為光柵p。MOS電容的低電極為半導體P型單晶硅，在硅表面，相鄰兩光敏單元

17、之間都用溝阻隔開，以保證N個MOS電容互相獨立。 器件其余部分的柵極也為多晶硅柵，但為避免非光敏區“感光”，除光柵外，器件的所有柵區均以鋁層覆蓋，以實現光屏蔽。圖8-71 MOS型光敏單元結構(a)剖視圖 (b)頂視圖第8章 固態傳感器25 (2)轉移柵t 轉移柵t與光柵p一樣，也是狹長的一條，位于光柵和CCD之間，它是用來控制光敏單元勢阱中的信號電荷向CCD中轉移。 第8章 固態傳感器26 (3)模擬移位寄存器(即CCD) 前面已提到過，CCD有二相、三相、四相幾種結構，現以四相結構為例進行討論。一、三相為轉移相，二、四相為存儲相。在排列上，N位CCD與N個光敏單元一一對齊，最靠近輸出端的那

18、位CCD稱第一位，對應的光敏單元為第一個光敏單元，依此類推。各光敏單元通向CCD的各轉移溝道之間有溝阻隔開，而且只能通向每位CCD中某一個相，如圖8-72所示。只能通向每位CCD的第二相，這樣可防止各信號電荷包轉移時可能引起的混淆。圖8-72 轉移溝道第8章 固態傳感器27 (4)偏置電荷電路 由輸入二極管VD1(通稱為源)和輸入柵Gi組成的偏置電荷注入回路，用來注入胖零信號，以減小界面態的影響，提高轉移效率。 (5)輸出柵Ga 輸出柵工作在直流偏置電壓狀態，起著交流旁路作用，用來屏蔽時鐘脈沖對輸出信號的干擾。 第8章 固態傳感器28 (6)輸出電路 CCD輸出電路由放大管V1、復位管V2、輸

19、出二極管VD2組成，它的功能是將信號電荷轉移為信號電壓，然后進行輸出。 2.器件的工作過程 器件的工作過程可歸納為如圖8-73所示的五個環節。這五個環節按一定時序工作，相互有嚴格的同步關系，并且是個無限循環過程。圖8-74為工作波形圖。現把各個環節分述如下。圖8-73 器件工作過程框圖第8章 固態傳感器29 (1)積分 如圖8-74所示，在有效積分時間里，光柵p處于高電平，每個光敏單元下形成勢阱。入射在光敏區的光子在硅表面一定深度范圍激發電子空穴對。空穴在光柵電場作用下，被驅趕到半導體體內；光生電子被積累在光敏單元的勢阱中。積累在各光敏單元勢阱中的電子多少，即電荷包的大小，與入射在該光敏單元上

20、的光強成正比，與積分時間成正比。所以，經過一定時間積分后，光敏區就因“感光”而形成一個電信號“圖像”，它與“景物”相對應。第8章 固態傳感器30 必須說明，光積分與信號的傳輸相互獨立，并且是同時進行的，這可從圖8-74的工作波形圖看出。在有效積分階段，轉移柵t保持低電平，處于關閉狀態，使光敏區與CCD隔開。這樣，就保證了光敏區的正常積分及CCD將前一積分周期的信號正常輸出。圖8-74 器件工作波形圖第8章 固態傳感器31 (2)轉移 轉移過程就是將N個光信號電荷包并行轉移到所對應的那位CCD中。為了避免轉移中可能引起的信號損失或混淆，光柵p、轉移柵t及CCD四相驅動脈沖電壓的變化應遵照一定時序

21、。轉移過程可分解為如圖8-74所示的三個階段：轉移準備轉移轉移結束。 轉移準備：轉移準備階段是從時間t1開始，當計數器達到預置值時，計數器的回零脈沖觸發轉移柵t由低電平變成高電平，使轉移溝道形成。轉移溝道形成后，CCD停止傳送，1、2相停在高電平以形成勢阱，等待光信號電荷包到來；3、4相停在低電平，以隔開相鄰位的CCD。 第8章 固態傳感器32 轉移：到時間t2，隨光柵p電壓下降，光敏單元勢阱抬升時，N個信號電荷包同時轉移到對應位CCD的第二相中。 轉移結束：到時間t3，轉移柵t電壓由高變低即關閉轉移溝道。轉移結束之后，到t4，光柵p電壓由低變高重新開始新一行的積分，與此同時，CCD開始傳送剛

22、剛轉移過來的信號。第8章 固態傳感器33 (3)傳輸 信號的傳輸是在t4之后開始的。N個信號電荷依次沿著CCD串行傳輸。每驅動一個周期，各信號電荷包向輸出端方向轉移一位。第一個驅動周期輸出的為第一個光敏單元信號電荷包；第二個驅動周期傳輸出的為第二個光敏單元信號電荷包；依此類推，第N個驅動周期傳輸出來的為第N個光敏單元信號電荷包。 第8章 固態傳感器34 (4)計數 計數器用來記錄驅動周期的個數。由于每一驅動周期讀出一個信號電荷包，所以，只要驅動N個周期就完成了全部信號的傳輸與讀出。但考慮到“行回掃”時間的需要，應該過驅動幾次。所以，計數器的預置值不是定為N，而是定為N+m。m為過驅動次數，通常

23、取10以上，也可按需要而定。每當計數到預置值時，表示前一行的N個信號已經全部讀完，新一行的信號已經準備就緒，計數器產生一個脈沖，觸發產生轉移柵t、光柵p脈沖，從而開始新的一行信號的“轉移”、“傳輸”。計數器重新從零開始計數。 (5)輸出 輸出電路的功能在于將信號電荷轉換為信號電壓，并進行輸出。第8章 固態傳感器35 以上介紹的是單邊傳輸結構的CCD線列圖像器件。此外，還有雙邊傳輸結構的CCD線列圖像器件，如圖8-75所示。它與單邊傳輸結構的工作原理相仿，但性能略有差別。在同樣光敏單元數情況下，雙邊轉移次數為單邊的一半，故總的轉移效率雙邊比單邊高；光敏單元之間最小中心距也可比單邊的小一半。雙邊傳

24、輸唯一的缺點是兩路輸出總有一定的不對稱性。 圖8-75 雙邊傳輸CCD線列圖像器件第8章 固態傳感器36 (三)CCD面陣圖像器件 面陣圖像器件的感光單元呈二維矩陣排列，組成感光區。面陣圖像器件能夠檢測二維的平面圖像。由于傳輸和讀出的結構方式不同，面陣圖像器件有許多種類型。常見的傳輸方式有行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。 第8章 固態傳感器37 行傳輸(LT)面陣CCD的結構如圖8-76(a)所示，它由行選址電路、感光區、輸出寄存器(即普通結構的CCD)組成。當感光區光積分結束后，由行選址電路分別一行行地將信息電荷通過輸出寄存器轉移到輸出端。行傳輸的缺點是需要的時鐘電路(即行選址電路)比較復雜，

25、并且在電荷傳輸轉移過程中，光積分還在進行，會產生“拖影”，因此，這種結構采用較少。第8章 固態傳感器38 幀傳輸(FT)的結構如圖8-76(b)所示，它由感光區、暫存區、輸出寄存器組成。工作時，在感光區光積分結束后，先將信號電荷從感光區迅速轉移到暫存區，暫存區表面具有不透光的覆蓋層。然后再從暫存區一行一行地將信號電荷通過輸出寄存器轉移到輸出端。這種結構的時鐘要求比較簡單，它對“拖影”問題比行傳輸雖有所改善，但同樣是存在的。第8章 固態傳感器39 行間傳輸(ILT)的結構如圖8-76(c)所示，感光區和暫存區行行相間排列。在感光區結束光積分后同時將每列信號電荷轉移入相鄰的暫存列中，然后再進行下一

26、幀圖像的光積分，同時將暫存區中的信號電荷逐列通過輸出寄存器轉移到輸出端。行間傳輸結構具有良好的圖像抗混淆性能，即圖像不存在“拖影”，但不透光的暫存轉移區降低了器件的收光效率，并且，這種結構不適宜光從背面照射。第8章 固態傳感器40 圖8-76 CCD面陣圖第8章 固態傳感器41 三、CCD圖像傳感器的特性參數 為了全面評價CCD圖像器件的性能及應用的需要，制定了下列特性參數：轉移效率、不均勻度、暗電流、響應率、光譜響應、噪聲、動態范圍及線性度、調制傳遞函數、功耗及分辨能力等。不同的應用場合，對特性參數的要求也各不相同。現把主要特性參數分述如下。第8章 固態傳感器42 (一)轉移效率 CCD中電

27、荷包從一個勢阱轉移到另一個勢阱時會產生損耗。假設原始電荷量為Q0，在一次轉移中，有Q1的電荷正確轉移到下一個勢阱，則轉移效率定義為 (8-50) 并定義轉移損耗(或稱失效率)為 =1- (8-51) 當信號電荷轉移N個電極后的電荷量為QN時，則總效率為 (8-52) 10QQ0(1- )NNNQQ第8章 固態傳感器43 轉移效率對CCD的各種應用都十分重要。假設轉移效率為99%，則經過100個電極傳遞后，將僅剩下37%的電荷。而在實際的CCD應用中，信號電荷往往需要成百上千次的轉移，因此要求轉移效率必須達到99.99%99.999%。 轉移效率與表面態有關。表面溝道CCD的信號電荷沿表面傳輸，

28、受界面態的俘獲，轉移效率最高只能達99.99%。而體內溝道CCD的信號電荷沿體內傳輸，避開了界面態影響，最高轉移效率可達99.999%，甚至99.999 9%。為了減小俘獲損耗，CCD可以采用所謂“胖零”的工作方式，即在信號外注入一定的背景電荷，讓它填充陷阱能級，以減小信號電荷的轉移損失。一般“胖零”背景電荷為滿阱電荷的10%15%時可獲得較好的效果。當然采用“胖零”工作方式時，信號處理能力就下降了。第8章 固態傳感器44 還必須指出，轉移損失并不是部分信號電荷的消失，而是損失的那部分信號電荷在時間上的滯后。因此，轉移損失所帶來的后果，不僅僅是信號的衰減，更有害的是滯后的那部分電荷，疊加到后面

29、的信號電荷包中，引起信號的失真。第8章 固態傳感器45 (二)暗電流 CCD圖像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱為暗電流。 暗電流的根本起因在于半導體的熱激發。首先是由于耗盡區內產生復合中心的熱激發；其次是耗盡區邊緣的少數載流子(電子)熱擴散；第三是由于界面上的產生中心的熱激發。其中第一個因素是主要的。 由于工藝過程不完善及材料不均勻等因素影響，CCD中暗電流密度的分布是不均勻的。所以，通常以平均暗電流密度來表征暗電流大小。一般CCD的平均暗電流密度為每平方厘米幾到幾十納安。第8章 固態傳感器46 暗電流的產生需要一定的時間，勢阱存在時間越長，暗電流也越大。為了減小暗電流，應盡量縮

30、短信號電荷的儲存與轉移時間。因此，暗電流的存在，限制了CCD驅動頻率的下限。另外，光敏區的暗電流也與光信號電荷一樣，在各種光敏單元中積分，形成一個暗信號圖像，疊加到光信號圖像上，引起固定圖像噪聲。尤其當器件存在個別暗電流尖峰時，將在一幅清晰完整的圖像上產生某些“亮條”或“亮點”。 第8章 固態傳感器47 (三)CCD的噪聲源 CCD的噪聲源可歸納為三類，它們是散粒噪聲、轉移噪聲及熱噪聲。1.散粒噪聲 光子的散粒噪聲是CCD圖像器件固有的。它起源于光子流的隨機性，決定了器件的噪聲極限值。但它不會限制器件的動態范圍。第8章 固態傳感器48 2.轉移噪聲 轉移損失及界面態俘獲是引起轉移噪聲的根本原因

31、。轉移噪聲具有積累性和相關性兩個特點。所謂積 累性是指轉移噪聲在轉移過程中逐次積累起來的，轉移噪聲的均方值與轉移次數成正比。所謂相關性是指相鄰電荷包的轉移噪聲是相關的。 第8章 固態傳感器49 3.熱噪聲 它是信號電荷注入及檢出時產生的。信號電荷注入回路及信號電荷檢出時的復位回路均可等效為RC回路，從而造成熱噪聲。 在實際使用中，噪聲限往往不在于轉移噪聲或“胖零”電荷的散粒噪聲，而是由于器件結構設計不合理，或驅動電路性能差，從而使驅動脈沖噪聲大大增加。另外，“胖零”電荷注入及信號電荷檢出所引起的噪聲，也會因外電路的性能差，而遠遠大于理論值，這些因素往往決定了器件的噪聲限。再有，因光敏區暗電流不

32、均勻引起的“固定圖像噪聲”往往成為器件的噪聲限，尤其在環境溫度較高時更為嚴重。因為在室溫附近，溫度每增加5 ，暗電流增加一倍。 第8章 固態傳感器50 (四)分辨能力 分辨能力是指圖像傳感器分辨圖像細節的能力，它是圖像傳感器的重要參數。任何圖像的光強在空間的明暗變化都可以通過傅里葉變換分解成周期性的明暗變化成分，其明暗變化的頻率(即每毫米中的“線對”)稱為空間頻率。CCD的分辨能力取決于其感光單元之間的間距。如果把CCD在某一方向上每毫米中的感光單元數稱為空間采樣頻率，則根據奈奎斯特采樣定理，一個圖像傳感器能夠分辨的最高空間頻率fm等于它的空間采樣頻率f0的一半，即 (8-53) 012mff

33、第8章 固態傳感器51 一個確定空間頻率的物像投射在成像器上，其輸出將是隨時間變化的波形，它的振幅稱為調制深度，如圖8-77(a)、(b)所示。在像光強振幅恒定條件下，可以測出調制深度與像空間頻率之間的關系曲線，如圖8-77(c)所示。調制深度用它在零空間頻率下的值進行歸一化后得到的無量綱的關系式稱為調制傳遞函數(MTF)。從圖8-77(c)中可看出，CCD的調制傳遞函數在高頻時發生衰減。圖8-77 分辨能力分析曲線(a)像光強的空間分布 (b)CCD輸出 (c)調制傳遞函數(MTF)與空間頻率關系曲線第8章 固態傳感器52 如果一個空間頻率超過奈奎斯特極限的圖像投射在圖像器件上，則在空間頻域

34、中會產生混疊，造成所謂的紋波效應或莫爾效應。因此，圖像器件不能正確分辨超過奈奎斯特空間頻率的圖像。不僅如此，由此得到的莫爾圖形還干擾了基本頻帶內的圖像。因此，必要時可加上空間濾波器，濾去空間頻率超過奈奎斯特極限的圖像。以上分析對光電二極管、三極管陣列是同樣適用的。 第8章 固態傳感器53 (五)動態范圍與線性度 CCD圖像器件動態范圍的上限決定于光敏單元滿阱信號容量，下限決定于圖像器件能分辨的最小信號，即等效噪聲信號。故CCD圖像器件的動態范圍的定義為 等效噪聲信號指CCD正常工作條件下，無光信號時的總噪聲。等效噪聲信號可用峰峰值，也可用均方根值。通常噪聲的峰峰值為均方根值的6倍，故用兩種數值

35、算得的動態范圍也相差6倍。等效噪聲信號光敏單元滿阱信號動態范圍=第8章 固態傳感器54 通常CCD圖像器件光敏單元的滿阱容量約106107電子，均方根總噪聲約103104數量級，即6080 dB。 線性度是指照射光強與產生的信號電荷之間的線性程度。CCD在用作光探測器時，線性度是一個很重要的性能指標。通常，在弱信號及接近滿阱信號時，線性度比較差。在弱信號時，器件噪聲影響大，信噪比低，引起一定離散性；在接近滿阱時，由于光敏單元下耗盡區變窄，使量子效率下降，所以使線性度變差。而在動態范圍的中間區域，非線性度基本為零。 第8章 固態傳感器55 (六)均勻性 均勻性是指CCD各感光單元對光強度響應的一

36、致性。在CCD圖像器件用于測量領域時，均勻性是決定測量精度的一個重要參數。CCD器件的均勻性主要取決于硅材料的質量、加工工藝、感光單元有效面積的一致性等因素。 第8章 固態傳感器56 四、光電陣列器件在檢測中的應用 光電陣列器件包括光電二極管陣列、光電三極管陣列和CCD成像器件。它們都具有圖像傳感功能，可廣泛地應用于攝像、信號檢測等領域。如前所述，這些光敏陣列器件有線列和面陣兩種，線列能傳感一維的圖像，面陣則可以感受二維的平面圖像，它們各具有不同的用途。下面介紹它們在檢測中的幾種典型應用。第8章 固態傳感器57 (一)尺寸檢測 在自動化生產線上，經常需要進行物體尺寸的在線檢測。例如零件的尺寸檢

37、驗、軋鋼廠鋼板寬度的在線檢測和控制等。利用光電陣列器件，即可實現物體尺寸的高精度非接觸檢測。 第8章 固態傳感器58 1.微小尺寸的檢測 微小尺寸的檢測通常用于對微隙、細絲或小孔的尺寸進行檢測。例如，在游絲軋制的精密機械加工中，要求對游絲的厚度進行精密的在線檢測和控制。而游絲的厚度通常只有1020 m。 對微小尺寸的檢測一般采用激光衍射的方法。當激光照射細絲或小孔時，會產生衍射圖像，用陣列光電器件對衍射圖像進行接收，測出暗紋的間距，即可計算出細絲或小孔的尺寸。第8章 固態傳感器59 對于細絲尺寸檢測的結構圖如圖8-78所示。由于He-Ne激光器具有良好的單色性和方向性，當激光照射到細絲時，滿足

38、遠場條件，在La2/時，就會得到夫瑯和費衍射圖像，由夫瑯和費衍射理論及互補定理可推導出衍射圖像暗紋的間距d為 (8-54) 式中 L細絲到接收光敏陣列 器件的距離； 入射激光波長； a被測細絲直徑。Lda圖8-78 細絲直徑檢測系統結構1透鏡 2細絲截面 3線列光敏器件第8章 固態傳感器60 用線列光電器件將衍射光強信號轉移為脈沖電信號，根據兩個幅值為極小值之間的脈沖數N和線列光電器件單元的間距l，即可算出衍射圖像暗紋之間的間距 d=Nl (8-55) 根據式(8-54)式可知，被測細絲的直徑a為 (8-56) 由于各種光電陣列器件都存在噪聲，在噪聲影響下，輸出信號在衍射圖形暗紋峰值附近有一定

39、的失真，從而會影響檢測精度。減小噪聲影響，提高檢測精度的方法一般有以下幾種。 LLadNl第8章 固態傳感器61 多次平均。由于噪聲具有隨機性，因此可以通過多次采樣平均的方法來減小噪聲的影響。信號的多次采樣和平均可由微型計算機方便地完成。 曲線擬合法。用微型計算機控制對輸出信號進行同步采樣，用最小二乘法對采得的數據進行多項式曲線擬合，再求得擬合曲線的峰值點坐標作為衍射圖形的暗點位置來計算待測絲徑。曲線擬合法可大大減小隨機因素的影響，使測量精度有明顯的提高，并且曲線擬合法還有一個明顯的好處是分辨力不受陣列單元尺寸的限制。第8章 固態傳感器62 多暗點位置擬合法。由于線列光電器件較長時，一次采樣可

40、以接收到幾個暗紋，因此可對測出的多個暗紋峰值間距值用最小二乘法處理，最后算得直徑。該方法也可以有效地減少隨機噪聲的影響。 降低器件的使用溫度以減小器件本身的噪聲。 利用上述同樣原理也可以檢測小孔的直徑。所不同的是激光在透過小孔時，得到的夫瑯和費衍射圖像為環狀條紋。用線列光電器件檢測出衍射圖像暗紋的間距，即可求出小孔的直徑。CCD線列成像器件的測量范圍一般為10500 m，精度可達幾百納米量級左右。第8章 固態傳感器63 2.物體輪廓尺寸的檢測 陣列器件除了可以測量物體的一維尺寸外，還可以用于檢測物體的形狀、面積等參數，以實現對物體的形狀識別或輪廓尺寸檢驗。輪廓尺寸的檢測方法有兩種:一種是投影法

41、，如圖8-79(a)所示，光源發出的平行光透過透明的傳送帶照射所測物體，將物體輪廓投影在光電陣列器件上，對陣列器件的輸出信號進行處理后即可得到被測體的形狀和尺寸；另一種檢測方法是成像法，如圖8-79(b)所示，通過成像系統將被測工件成像在光電陣列上，同樣可以測出物體的尺寸和形狀。投影法的特點是圖像清晰，信噪比高，但需要設計一個產生平行光的光源。成像法不需要專門的光源，但被測物要有一定的輝度，并且需要設計成像光學系統。 第8章 固態傳感器64 用于輪廓尺寸檢測的光電陣列器件可以是線列，也可以是面陣。在用線列器件時，傳送帶必須以恒定速度傳送工件，并向陣列器件提供同步檢測信號，由線列器件一行一行地掃

42、描，到物件完全經過后得到一幅完整的圖像輸出。采用面陣器件時，只需要進行一次“曝光”。并且，只要物像不超出面陣的邊緣，則檢測精度不受物體與陣列器件之間相對位置的影響。因此，采用面陣器件時不僅可以提高檢測速度，而且檢測精度也比用線列器件高得多。 圖8-79 物體輪廓尺寸檢測原理圖1光電陣列器件 2被測物體 3傳送帶 4光源 5成像透鏡第8章 固態傳感器65 (二)表面缺陷檢測 在自動化生產線上，經常需要對產品的表面質量進行檢測，以作為產品質量檢驗的一個方面，或者作為控制的反饋信號。采用光電陣列器件進行物體表面檢測時，根據不同的檢測對象，可以采用不同的方法。 第8章 固態傳感器66 1.透射法 透明體的缺陷檢測常用于透明膠帶、玻璃等拉制生產線中。檢測方法可用透射法，如圖8-80所示。它類似于物件輪廓尺寸的檢測，用一平行光源照射被測物體，透射光由成像系統的線列光電器件接收。當被測物體以一定的速度經過時，線列進行連續的掃描。若被測物體中存在氣泡、針孔或夾雜物時，線列的輸出將會出現“毛刺”或尖