第6章 光电成像器件.ppt

二、光电栅型有源像素图像CMOS传感器 光电栅型APS CMOS像素单元框图如右图所示。像素单元包括光电栅PG（Photogate）、浮置扩输出FD(Flcating Diffusion)、传输电栅TX(Transfer Gate)、复位晶体管MR(Reset Transistor)、作为源极跟随器的输入晶体管MIN、以及行晶体管MX，实际上，每个像元内部就是一个小小的表面沟道CCD。每列单元共用一个读出电路，它包括第一源极跟随器的负载晶体管MLN以及两个用于存储信号电平和复位电平的双采样和保持电路。这种对复位和信号电平同时采样的相关双采样电路CDS能抑制来自像元浮置节点的复位噪声。 CCD 和 CMOS 使用相同的光敏材料， 因而受光后产生电子的原理相同, 并且具有相同的灵敏度和光谱特性，但是读取过程不同：CCD 是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，整个电路非常复杂；CMOS 则以类似 DRAM 的方式读出信号，电路简单。CCD的时钟驱动、逻辑时序和信号处理等其他辅助功能难以与 CCD 集成到一块芯片上，这些功能可由 3～8 个芯片组合实现，同时还需要一个多通道非标准供电电压来满足特殊时钟驱动的需要；而借助于大规模集成制造工艺，CMOS 图像传感器能容易地把上述功能集成到单一芯片上。 CCD 大多需要三种电源供电，功耗较大，体积也比较大. CMOS 只需一个 (3～5) V 单电源，其功耗相当于 CCD 的 1/10；高度集成 CMOS 芯片可以做的比人的大拇指还小。到目前为止，面向数码相机的CCD固体摄像元件的最高像素已超过800万，而像素最高为1680万的CMOS图像传感器正在开发中。 需要指出，电荷耦合器件（CCD）并不仅限图像传感器这一种应用，它在模拟信号处理方面也有很好的应用价值。 CCD器件为什么必须在动态下工作？其驱动脉冲频率的上下限受哪些条件限制。 二相驱动CCD，像元数N＝1024，若要求最后位仍有50％的电荷输出，求电荷转移损失率?。 有5mm工件，要求用线阵CCD测量，分辨率优于5u，信号处理可对CCD单元进行4细分，推出用投影法测量时对CCD的参数要求。若CCD单元间隔为15u，用什么方法可进行测量，对系统参数有什么要求？ 第6章 光电成像器件 6.1 光电成像器件概论 光电成像器件的发展 光电像管－超正析像管－视像管－氧化铅管－硒靶管（硅靶管）－CCD/CMOS 6.1.1 光电成像器件的类型:扫描和非扫描 6.1.2 成像原理 固体摄像器件 1、扫描型： 2、非扫描型 6.1.3 光电成像器件的基本特性 1.光谱响应：与器件材料有关，应与被测景物辐射光谱匹配。 2.转换特性： 灵敏度（响应度） 转换系数 亮度增益 3.分辨率 极限分辨率 调制传递函数 调制度M 第二节 光电成像原理与电视摄像制式 一、光电成像原理 光电成像系统由光学成像系统、光电变换器、同步扫描和控制系统、视频信号处理系统和荧光显示系统构成。 二、电视制式 1.电视画面的宽高比 2.帧频与场频 扫描行数与行频 光电成像系统构成： 光学成像系统 光电变换系统 同步扫描和控制系统 视频信号处理系统 荧光显示系统 6.3 电荷耦合器件 CCD以电荷作为信号。基本功能是电荷的存储和转移，因此，CCD的工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。 6.3.1 电荷耦合器件原理 1、电荷存储 2、电荷耦合 3、电荷的注入和检测 1.电荷的注入 光注入 电注入 2.电荷的检测（输出方式） 电流输出 浮置扩散放大器输出 浮置栅放大器输出 6.3.2、CCD的特性参数 1、转移效率η 转移损失率ε 2、工作频率? 3、电荷贮存容量 ：表示在电极下的势阱中能容纳的电荷量 。 如果SiO2氧化层的厚度为d，则每一个电极下的势阱中，最大电荷贮存容量 ： 4、CCD的噪声 散粒噪声、转移噪声及热噪声。 6.3.3 电荷耦合摄像器件 工作原理 1 线型CCD摄像器件：两种基本形式 2 面阵ICCD 帧转移面阵ICCD 隔列转移型面阵ICCD 线转移型面阵ICCD 4.ICCD的基本特性参数 光电转换特性 光谱响应 动态范围 陷阱的最大电荷存储量 噪声 暗电流 分辨力 * 在表面电极加正偏压时（N型衬底加负偏压），P型衬底中形成耗尽层 （势阱），耗尽层的深度随正偏电压升高而增大。衬底中的少数载流子电子 被吸引到最深的势阱，但是没有源极提供电子，靠本身的少数载流子形成导电沟道的时间很长，需要零点几秒甚至几十秒。所以不会形成导电沟道。 * 2、电荷的储存 若P2的电位比其他相邻的两个电极都高，则电极P2下面的耗