传感器与检测技术第十三章.ppt

13.1.4 CCD图像传感器 　　上图 (c)给出了行间传输面阵型CCD图像传感器的结构。它的光敏单元彼此分开，如下图所示，每列光敏单元的右侧是垂直转移寄存器。各个光敏单元的信号电荷包通过转移栅转移到遮光的垂直转移寄存器中，然后再按顺序从各行的转移寄存器转移到水平读出寄存器中。这种传输方式的时钟电路较复杂，但调制转移函数（MTF）较好。ILT-CCD的单元平面结构如右下图所示，光敏元件1产生并积累信号电荷；3用于排泄过量的信号电荷； 2是上述两个环节的控制栅，2与3的作用是共同避免过量载流子沿信道从一个势阱溢汇到另一个势阱，从而造成再生图像的光学拖影与弥散；4是光敏元件1两侧的沟阻（CS），它的作用是将相邻的两个像素隔离开；光生信号电荷在控制栅5和寄存控制栅6的双重作用下进入转移寄存器；然后，在转移栅的控制下，沿垂直转移寄存器7的体内信道，依次移向水平转移寄存器转移。 13.1.4 CCD图像传感器 行间传输面型CCD图像传感器 LT-CCD的单元平面结构 13.1.4 CCD图像传感器 　　用来全面评价CCD传感器件的主要参数有转移效率、不均匀度、暗电流、响应率、光谱响应、噪声、动态范围、线性度、调制传递函数、功耗及分辨能力等。不同的应用场合，对特性参数的要求也各不相同。 （1）转移效率 　　当CCD中的电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷量，则转移效率定义为： 　　若转移损耗定义为： 　　则光信号电荷进行N次转移后，总转移效率为： 　　由于CCD中的每个电荷在传送的过程中要进行成百上千次的转移，因此要求转移效率必须达到99.99％～99.999％。 13.1.4 CCD图像传感器 　　用来全面评价CCD传感器件的主要参数有转移效率、不均匀度、暗电流、响应率、光谱响应、噪声、动态范围、线性度、调制传递函数、功耗及分辨能力等。不同的应用场合，对特性参数的要求也各不相同。 （2) 分辨能力 　　分辨能力是图像传感器最重要的特性，用调制转移函数MTF来表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化关系为调制转移函数MTF。一般光像的空间频率的单位用线对／毫米表示（1个线对是两个相邻光强度最大值之间的间隔），图像传感器电极的间隔用空间频率f0（单元数／毫米）表示，通常光像的空间频率f用f /f0归一化。例如，假设传感器上光像的最大强度间隔为 13.1.4 CCD图像传感器 300μm，传感器的单元间隔为30μm，则归一化空间频率为0.1。分辨能力是指其分辨图像细节的能力，主要取决于感光单元之间的距离。根据奈奎斯特采样定理，图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0 （即每毫米中的线对）的一半，即 　　　　　　　　　　　　　 (3) 暗电流 　　暗电流起因于热激发产生的电子-空穴对，是缺陷产生的主要原因。光信号电荷的积累时间越长，其影响就越大。同时暗电流的产生不均匀，在图像传感器中出现固定图形，暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围，在大暗电流或小暗电流处，多数会出现暗电流尖峰。暗电流与温度密切相关，温度每降低10℃，暗电流约减小一半。对于 13.1.4 CCD图像传感器 　其中的每个器件，产生暗电流尖峰的缺陷总是出现在相同位置的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存储在PROM（可编程只读存储器）中，单独读取相应单位的信号值，就能消除暗电流尖峰的影响。　　　　　　　　　　　　 (4) 灵敏度 　　图像传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即 式中，H为光像的发射照度；A为单位面积，Ns为t时间内收集的载流子数；q为电数；单位为mA/W。发射量与测量值的转换关系为1W（2856k）=20lm。 13.1.4 CCD图像传感器 　光从表面照射传感器时，通过多晶硅层，使蓝光的灵敏度下降。从背面照射时，器件的厚度必须减薄到约为10μm。另外，在图像传感器表面上加上多层涂层，使之具有光学透镜一样的性能时，则更为有效。灵敏度有时用平均量子效率表示。如下图所示，设硅的吸收波长在400nm～1100nm范围，平均量子效率的理论值为100％，而对应的量子效率用百分比表示。　　　　　 13.1.4 CCD图像传感器 (5) 噪声 　噪声是图像传感器的主要参数。CCD是低噪声器件，但由于其他因素产生的噪声叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移受到干扰。噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输出噪声等。散粒噪声虽然不是主要的噪声源，但是在其他几种噪声可以采用有效措施来降低或消除的情况下，散粒噪声就决定了图像传感器的噪声极限值。在低照度、低反差的情况下应用时，更为显著。　　　　　　　　　 13.1.5 线阵CCD