PAGEPAGE21一、圖像傳感器基本原理成像物鏡將外界照明光照射下的(或自身發光的)景物成像在物鏡的像面上（焦平面）,并形成二規則被稱為制式。例如，廣播電視系統中規定的規則稱為電視制式（NTSC、PAL、SECAM）,還有其他的號的轉換原理，即圖像傳感器的原理。圖像傳感器的基本結構圖像傳感器的種類很多，根據圖像的分解方式可將圖像傳感器分成三種類型，即光機掃光電圖像傳感器、電子束掃描圖像傳感器和固體自掃描圖像傳感器。固體自掃描圖像傳感器2070CCD傳感器件等；這類器件本身只有自掃描功能：例如，面陣CCD固體攝像器件的光敏面能夠將成像于其上的光學圖像轉換成電荷密度分布的電荷圖像。電荷圖像可以在驅動脈沖的作用下按照一定的規則(如電視制)一行行地輸出，形成圖像信號(或視頻信號)。臺.目前光機掃描方式與固體自掃描方式在光電圖像傳感器中占據主導地位，們是，在有些應用中通過將一些掃描入式組合起來，能夠獲得性能更為優越的圖像傳感器、例如，將幾個線陣拼接成圖像傳感器以滿足人們探索宇宙奧秘的需要。掃描方式有逐行掃描和隔行掃描。圖像傳感器的基本技術參數圖像傳感器的基本技術參數一般包括圖像傳感器的光學成像物鏡與光電成像器件的參數。f成像物鏡的焦距決定了被攝景物在光電成像器件上所成像的大小，在景物相同的情況下，焦距越長，所成的像越大。相對孔徑Df成像物鏡的相對孔徑為物鏡入瞳的直徑與其焦距之比。相對孔徑大小決定了物鏡的分辨率、像面照度和成像物鏡成像質量。2ω成像物鏡的視場角決定了能在光電圖像傳感器上成像良好的空間范圍。要求成像物鏡所成的景物圖像要大于圖像傳感器的有效面積：以上這二個參數是相互制約的，不可能同時提高，在實際應用中要根據情況適當選擇。二、電荷耦合攝像器件的基本工作原理電荷耦合攝像器件CCD的突出特點是以電荷為信號的載體，不同于大多數以電流或電壓為載體的器件，CCD的基個功能是電荷的存儲和電荷的轉移，因此、CCD的基本工作過程主要是信號電荷的產生、存儲、轉移和檢測；CCD有兩種基本類型：—種是電荷包存儲在半導體和絕緣體之間的界面，電荷沿界面轉移，這類器件稱為表面溝道CCD，(簡稱為SCCD))。另一種是電荷存儲在離半導體表面一定深度的體內，并在半導BCCDSCCD的基本工作原理。電荷存儲構成CCD的基本單元是MOS(金屬—氧化物—半導體)結構：如圖2—1(a)所示．在柵極G施加電壓UG之前P型半導體小中的孔穴(多數載流子)的分布是均勻的：當柵極施正電壓UG

，此時UG

小于等于P型半導體的閾值電壓Uth

時，P型半導體中的空穴將開始被排斥，并在半導體中產生如圖2—1(b)所示的耗盡區；電壓繼續增加，耗盡區將繼續向半導體內延伸，如圖2—1(c)所示。當UG

大于Uth

后，耗盡層的深度與UG

成正比。若將半導體與絕緣體界面的電勢記為表面勢，且用s

表示，表面勢s

將隨柵極電壓U 的增高而增高它們的關系曲線如圖2—2所示圖描述了在摻雜為10cm3氧化層厚度G0.1μm0.3μm0.4μm0.6μms

與柵極電壓UG

之間的關系曲線從曲線可以看出：氧化層的厚度越薄，曲線的直線性越好：在同樣的柵極電壓UG

的作用下，不同厚度的氧化層有著不同的表面勢、表面勢s

表怔耗盡層的深度。圖2-1CCD柵極電壓變化對耗盡區的影響圖2—3為柵極電壓UG

不變的情況下，表面勢與反型層電荷密度Q

INV

之間的關系。由圖2—3可以看出。s

隨QINV

的增加而線件減小，依據圖2—2與圖2—3的關系曲線，很容易用半導體物理中的“勢阱”概念來解釋：電子所以被加有柵極電壓的MOS結構吸引到半導體與氧化層的交界面處。是因為那里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與柵極電壓UG—4（a）所示的空勢阱的情況。

的關系恰如與Us G

的關系。如圖2圖2—4(b)為反型層電荷填充1／3勢阱時表面勢收縮的情況；表面勢s

與反型層電荷密度Q

的INV關系如圖2—3所示，當反型層電荷繼續增加時，表面勢將逐漸減小，當反型層電荷足夠多時，表面勢s22F

，如圖2—4(c)所示：此時，表面勢s

不再束縛多余的電子，電子將產生“溢圖2-2表面勢s

與柵極電壓UG

的關系 圖2-3表面勢s

與反型層電荷密度Q

關系INVs

作為勢阱深度的量度。而表面勢又與柵極電壓、氧化層厚度d有關，即與CMOS電容的容量C 和Uox

的乘積有關。電荷耦合為了理解CCD中勢阱及電荷如何從一個位置轉移到另一個位置，可觀察圖2—5所示的四個彼此靠10v32v)2—5(a)所0時刻(初始時刻)，經過t1時刻后，各電極上的電壓變為如圖2—5(b)所示，第一個電極仍保持為22V10V31個電極下的電荷變為這兩個電極下聯合勢阱所共有，如圖2—5(b)和圖2—5(J)110v2上的電壓仍為10v，則共有的電荷轉移到第2電極下面的勢阱中，如圖2—5(e阱及電荷包向右移動了一個位置。通過將按一定規律變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導體表面按一定方向移動。通常把CCDCCD要的相數由其內部結構決定。圖2—5所示的結構需要三相時鐘脈沖，其驅動脈沖的波形如圖2—5(f)CCDCCD，CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地從一個電極下轉移到相鄰電極下。這對于圖4、5所示的電極結構來說是一個關鍵問題；如果電極間隙比較大、兩電極間的勢阱將被勢壘隔開，不能合并，電荷也不能從一個電極向另一個電極完全轉移，CCD便不能在外部驅動脈沖作用下轉移電荷。能夠產生完全轉移的最大間隙一般由具體電極結構、表面態密度等因素決定。理論計算和實驗證明；為不使電極間隙下方界面處出現阻礙電荷轉移的勢壘，間隙的長度應不大干3CCD，1mCCD稱為NCCD，簡稱為NCCDCCDP型溝通CCD，簡稱為P型CCD：NPCCD三CCD的電極結構CCD電極的總本結構應包括轉移電極結構、轉移溝道結構、信號輸入單元結構和信號檢測單元結構：這里主要討論轉移電極結構。最早的CCD3—lCCDCCD201三相CCD的電極結構三相單層鋁電極結構CCDρ為103Ωcm1左右,氧化層厚度通常為0.1μm相單層金屬電極結構如圖3—2CCD移位寄存器的存儲面積可以做得比MOS2—3μm、總長抗蝕劑覆蓋區域邊緣受到橫間腐蝕，如圖3—3(a)所示。第一層金屬未被腐蝕的部分形成了每隔一個就是橫向腐蝕深度，如圖3-3(b)不管用什么工藝制造，這種結構有一個明顯的缺點，即電極間隙處氧化物直接裸露在周圍氣氛中，使得下方表面勢變得不穩定，影響轉移效率：正是由于這個缺點，這種結構很少在實用器件中采用。三相電阻海結構為了避免上述結構成品率較低和電極間隙氧化物裸露的問題，并保持結構簡單的特點，在多晶硅圖3—3(a)3-3(b)然后對電極區域進行選擇摻雜，形成如圖3—3（b）所示低阻區(轉移電極)，被高阻區所間隔電阻海結構(整個轉移電極與絕緣機構都采用多晶硅制造，可比喻為電阻的海洋。引線(包括交叉天橋)和但是也不能太低．以免功率損耗太大。四電荷的注入和檢測在CCD中，電荷注入的方法有很多，歸納起來，可分為光注入和電注入兩類：光注入當光照射到CCD少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。光注入方式又可分為正面照射式與背面照射式。圖4—1所示為背面照射式光注入的示意圖。CCDQ ＝ηqN Atm eo

(4—1)式中η為材料的量子效率；qNeo

為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面tc

為光的注入時間。圖4—1背面照射式光注入4-1CCD確定以后，η、q、AQm

與入射光的光子流速率Neo

和光的注入時間tc

成正比。注入時間tc

由CCD驅動器的轉移脈沖的周期Th

決定。當CCD勢阱中的信號電荷只與入射幅射的光子流速率Neo電注入

成正比。所謂的電注入就是CCD信號電荷注入到相應的勢阱中。電注入的方法很多．這里僅介紹常用的電流注入法和電壓注入法.電流注入法如閣4—2(a)所示，由N擴散區和P型襯底構成注入二極管；IG為CCD的輸入柵，其上加適當的正偏壓，以保持開啟并作為基準電壓。模擬輸人信號UIN

加在輸人二極管ID上,當CR2為高電平時．可將N區(ID極)看做MOS晶體管的源極，IG為其柵極。而CR2為其漏極。當它工作在飽和區時。輸入柵下溝道電流I 為S4-2電注入法W CI ＝μ S L 2g

(U Uin

U )2th式中,W為信號溝道寬度,L 為注入柵的長度,U 為輸入柵的偏置電壓U 為硅材料的閾值電壓.g IG thμ為載流子的遷移率. COX

為注入柵IG的電容.，經過TC

時間的注入后，CR2下勢阱的信號電荷量為W CQ ＝μ S L 2g

(U Uin

U )2th可見這種注人方式的信號電荷QS

、不僅依賴于Uin

和T 而且與輸人二極管所加偏壓大小有關：C因此，Q 與US

沒有線性關系。電壓注入法如圖4—2(b)所示，電壓注入法與電流注入法類似，也是把信號加到源極擴散區。所不同的是輸入電極上加有與CR2同位相的選通脈沖，但其寬度小于CR2的脈寬.CR2NCR2N的勢阱分開，同時．留在輸入電極下的電荷被擠到CR2NQ與輸入電壓US in來克服，另外．選通脈沖的截止速度減慢也能減小這種起伏。電壓注入法的電荷注入量QS沖頻率無關.。電荷的檢測

與時鐘脈CCD中,CCD的重要特性之一是信號電荷在轉移過程中與時鐘脈沖沒有任何電容耦合，而在輸出端則不可避免：因此，選擇適當的輸出電路。盡可能地減CCD圖4—3電荷檢測電路電流輸出方式的電路如圖4-3所示，它由檢測二極管、二極管的偏置電阻、源極輸出放大器利復位場效應管V 等單元構成。信號電荷在轉移脈沖的驅動下向右轉移到最末一級轉移電R極(圖中CR2電極)下的勢阱中。當CR2電極上的電壓由高變低時，由于勢阱的提高，信號電荷將通過輸出柵(加有恒定的電壓)下的勢阱進入反向偏置的二極管(圖中N區)中。由電源U 電阻、襯底DPN區構成的輸出二極管反向偏置電路，它對于電子來說相當于一個很深的勢阱；進入反向偏置的二極管中的電荷(電子)，將產生電流Id

，且Id

的大小與注入二極管中的信號電荷量QS

成正比，且與R成反比；電阻R是制做在CCD器件內部的固定電阻，阻值為常數。所以，輸出電流Id

與注入二極管中的電荷量QS

成線性關系： Q ＝I dtS d由于Id

的存在，使得A點的電傳發生變化。注入二極管中的電荷量QS

越大，Id

也越大．A點電位下降得越低。所以，可以用A點的電位來檢測注入到輸出二極管中的電荷。隔直電容只將A點的電位變化取出，使其通過場效應放大器的OS代隔直電容，并兼有放大器的功能，它由開路的源極輸出。圖中的復位管場效應管VR

用于對檢測二極管的深勢階進行復位。它的主要作用是：一個讀出周期中，注入輸出二極管深勢阱中的信號電荷通過偏置電阻R放電，偏置電阻太小，傳導電荷很容易間，在轉移脈沖CR1

的周期內，信號電荷被卸放掉的數量不大，有利于對信號的檢測、但是，在下一個信號到來時，沒有卸放掉的電荷勢必與新轉移來的電荷疊加，破壞后面的電荷。為此，引入復位場效府管VR

，使沒有來得及被卸放掉的信號電荷通過復位場效應管卸放掉，復位場效應管在復位脈沖RS的作用下使復位場效應管導通，它導通的動態電阻遠遠小于偏置電阻的阻值，以便使輸出三極管A做好淮備。五、電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件一經問世，人們就對它在攝像領域中的應用產生了濃厚的興趣，于是精心設計CCDCCD面陣攝像器件。CCD攝像器件不但具有體積少、重量輕、功耗小、也是其他攝像器件所無法比擬的。當前，無論在文件復印、傳真、零件尺寸的自動測量和文字識別等民用領域，還是在空間遙感遙CCDCCD(LDCCDCCD原理、結構及其特性參數。1電荷耦合攝像器件的原理電荷耦合攝像器件就是用于攝像的或像敏的CCD。又稱ICCD，它的功能是將兩維光學圖像信號轉變為一維以時間為自變量的視頻輸出信號。ICCD有線型和面型兩大類，兩者都需要光學成像系統將景物成像在CCD的像敏面上。像敏面上將入射到每個像敏單元上的光照度分布信號Exy

轉變為少數載流子的密度信號Nxy

。存儲在像敏單元（MOS電容）中。然后再通過驅動脈沖的驅動使其從CCD的移位寄存器中轉移出來，形成時序的視頻信號。對于線型器件．它可以直接將接收到的一維光信號轉換成時序的電信號輸出．獲得一維的圖像信號：若想用線陣CCD獲得二維圖像信號，必須使線陣CCD與二維圖像做相對的掃描運動，所以用線陣CCD對勻速運動物體進行掃描成像是非常方便的、現代的掃描儀、傳真機、高檔復印機和航空圖像掃描系統等都采用線陣CCD為圖像傳感器。面陣CCDCCDCCD的基本工作原理。(1)單溝道線陣CCD5—lCCDCCD模擬移位寄存器和輸出放大器等單元構成；光敏陣列一般由光柵控制的MOSPN結光電二極管構成。光敏陣列與CCD模擬移位寄存器之間通過轉移柵相連。轉移柵即可以將光敏區與模擬移位寄存器分隔開來，又可以將光敏區與模擬移位寄存器溝通，使光敏區積累的電荷信號轉移到模擬移位寄存器中，通過加在轉移柵上的控制脈沖完成光敏區與模擬移位寄存器隔離與溝通的控制．當轉移柵上的電位為高電平時，二者溝通，而轉移柵上的電位為低電平時，二者隔離：二者隔離時光敏區進行光電注入，光敏單元在不斷地積累電荷，有時將光敏單元積累電荷的這段時間稱為光積分時間：轉移柵電極電壓為高電平時，光敏區所積累的信號電荷將通過轉移柵轉移到CCD模擬移位寄存器中；通常轉移柵電極為高電平的時間很短，為低電平的時間很長。因而光積分時間要遠遠超過(或稱視頻信號)。這種結構的線陣CCDMTF較差，只適應于像敏單元較少的攝像器件。（2）雙道線陣CCD5—2CCD攝像器件，它具有兩列CCDAAB為高電位(N溝道器件)后經輸出放大器以視頻信號的方式輸出。顯然，對同樣的像敏單元來說，雙溝道線陣CCD要比單溝通線陣CCD的轉移次數少—半。轉移時間縮短一半，它的總轉移效率大大提高。因此，在要求提高CCD的工作速度和轉移效率的情況下，常采用雙溝道的方式。雙溝道器件的奇、偶信號電荷分別通過A．B5-2CCD的結構敏單元情況下也采用單溝道結構。場的信息被讀出的同時，第二場的信息通過光積分又收集到光敏區的勢阱中。一旦第一場的信號被全部讀出，第二場的信號馬上就傳送給寄存器，使之連續地讀出。圖5-3楨轉移三相面陣CCD結構圖(2)隔列轉移型面陣CCD隔列轉移型面陣CCD的結構如圖所示。它的像敏單元(圖中虛線方塊)呈二維排列，每列像個像敏單元對應于兩個遮光的讀出寄存器單元(圖中斜線表示被遮蔽，斜線部位的方塊為讀出寄存器單元)。讀出寄存器與像敏單元的另一側被溝阻隔開。由于每列像敏單元均被讀出寄存器所隔，因此，這種面陣稱為隔列轉移型：圖中最下面的部分是二相時鐘脈沖、CR2驅動的水平讀出寄存器和輸出放大器；隔列轉移型面陣CCD工作在PAL電視制式下，按電視制式的時序工作。在場正程期間像敏區進行(光積分時圖5—4(a) 圖5—4(b)六、產品介紹TCD5130AC面陣是一種楨轉移面陣像素73（X58（，像素單元尺寸為（長X高12.0μmX11.μm。像敏面積大小為9.05mmx6.7mm，一般將它封裝在如圖6—124為TCD5130AC的管腳定6—3TCD5130AC由像敏區、存儲區、水圖6—1TCD5130AC外型圖 圖6—2管腳定義圖被遮蔽：像敏區和存儲區均為四相結構．分別由CR11

、CR12

CR13

CR14

(像敏區的驅動脈沖)和CR 、s1CR 、s2

、CRs3 s4

(存儲區的驅動脈沖)驅動。水平移位寄存器由二相時鐘脈沖CRH1

、CRH2

驅動：圖6—3TCD5130AC的結構原理圖6—3可以看出，水平移位寄存器的最末端的電極為

H1

，其后是輸出柵ORSOS端輸出：第5、6、18腳為地，第3，4OD1RS76—4TCD5130AC像敏區的原理結構圖。像敏區由光電信號產生區(S表示)被遮蔽的光電二極管虛設單元區(圖中用斜線表示)構成。因此，雖然它的總像敏單元為803(H)x586(v)，但是有效像敏單元數僅為754(H)x583(v)個，引入被遮蔽的光電二極管虛設單元的目的是保證有效像敏單元信號的輸出質量。圖6—4TCD5130AC像敏區的原理結構圖存儲區為被金屬遮蔽的區域，存儲區的面積與結構和像敏區的面積與結構完全相同。在圖6—4也用斜線表示。圖6—5所示為TCD5130AL的奇數場的驅動脈沖波形圖。圖6—6為其偶數場的驅動脈沖波形圖。圖6—7所示為圖6—5和圖66的A段展開波形團，該波形圖描述了場正程期間的某行消隱(12m)時間段的信號電荷在驅動脈沖作用下的轉移過程。BG沖的作用下從光敏區向存儲區的轉移過程。圖6—10所示為D，E，F，G段的波形展開圖，即為場逆程期間奇、偶兩場的信號電荷在像敏區的驅動脈沖作用下的轉移過程。圖6—11TCD5130AC的驅動電路下面簡述TCD5130AC的基本工作原理。在分析前應明確它在PAL電視制式下是怎樣工作的。從6—5(見

H1

或CRH2

的波形即從6，8，10，?行進行輸出。而偶數場(圖6—6)右側虛線對應于第5行的一半，表明它從半行開始輸出，實現隔行掃描。A段展開圖(圖6—7)表明存儲區向水平移位寄存器中的轉移過程。在12μs的行消

H1

中轉移一行信號而后光敏區中CR 和H1CR 為高電平，產生光電信號的累積。當一場積分結束(左邊虛線向右)B段時間(6—8)像敏區H4和存儲區在相同頻率的脈沖作用下，完成將一場光累積信號向光積分區向存儲區的轉移(場消隱期間)；然后，由奇數場過渡到偶數場輸出。TCD5130AC6—11所示。驅動脈沖由專用芯片TC6134AF28.375MHz的晶振產生主時鐘．經過電壓功率驅動與電平轉換后，驅功TCD5130AC器輸出。轉換為數字信號，再經過數字信號處理器處理后存到存儲器中，最后，通過數字接口或視頻接口輸入計算機、電視機或打印機等。數碼照相機的光學系統數碼照相機光學系統的結構，從鏡頭前面看進去依次是：鏡頭保護玻璃、透鏡部件、光學低通濾光器、紅外截止濾光器、CCD保護玻璃和CCD(或CNOS)圖像傳感器等：快門通常放在透鏡組件中間或前面，并且多數與光圈合并。式快門；在數碼照相機透鏡結構中，特別要說明的是透鏡結構的終端，即CCD圖像傳感器前的低通濾波器和紅外截止濾光器。低通濾波器是光學濾光器中的一種，其作用是濾除空間頻率的高頻成分，而讓其低頻成分通過，使圖像平滑化。這樣即可以防止圖像細節部分出現擬色效應(即圖像最亮部分出現原來沒有的顏色)。這部分有時稱做偽彩色，可以導致出現本來沒有的顏色。偽彩色發生在將各色彩合成彩色圖像階段，因此在圖像處理前將濾除高頻成分：光學低通濾波器采用石英晶體等光學材料，利用它的折射特性，截止高頻部分．實現低通濾波。光學低通濾波器的引入會降低光學系統的分辨能力，所以有些機型并不采用。紅外截止濾波器大多采用鍍層或外加濾色鏡的形式，有些數碼照相機透鏡結構圖中不標明該設置。之所以設置紅外截止濾波器，是由于CCD圖像傳感器對紅外線比較敏感。特殊的紅外截止濾波器會大大提高可見光光圖像的成像質量。數碼照相機的成像技術CCD影像傳感技術CCD160mm24∽5μm的光刻技術制造。近年來，光刻的特征尺寸已經達到0.25μm，但是CCDCCD結構同當代CMOSCCD圖像傳感器可以大規模生產，價格要便益得多。數碼照相機成像的質量給予足夠的關注，既要關注它的類型．又要關注它的分辨率、尺寸、像敏單元尺寸和制作質量：成像芯片的分解率成在CCD芯片表面的像以多少個“點”加以記錄。這已為越來越多的人所隊識，只是還必須注意以下兩方面的區別：①CCD芯片分辨率與拍攝分辨率之間的區別。CCDCCD像元單元數。拍攝分辨率是指拍攝時實際參與成像的CCD像敏單元數。由于數碼照相機將芯片上的部分CCD像敏單元用于測光、自動聚焦和自動調整由平衡等方面，使得拍攝分辨率總是小于CCD芯片分辨率。選購數碼照相機既要看CCD芯片的分辨率，更要看它的拍攝分辨率。②拍攝分辨率與插值分辨率之間的區別；拍攝分辨率是拍攝時實際參與成像的CCD像敏單元數。插值分辨率是用軟件插值的方法得到的等效分辨率，比CCD芯片上實際參與成像的像敏單元數有更多像素的分辨率。插值后CMOSCCD25CMOS圖像傳感器45年的歷史，所以CCDCMOS圖像傳感器的發展將會很快。CMOS形成具有強勁競爭力的產品。數碼照相機的將來很可能是以(CMOS圖像傳感器為主導產品。根據有關的CCD110％的大小就可以達到與CCD系統相同的圖像質量。目前．CCD數碼照相機的圖像質量仍高于CMOS數碼照相機，但要不了幾年，CMOS數碼照相機將會得到全面的推廣應用。A/D轉換器/r/