5.2图像传感器 现代人类生活中,人们迫切需要获取信息,而人类获取的总信息量 的80%以上是通过视觉器官得到的。所以图像传感器( Imaging Sensor, 缩写为IS,又称成像器件、摄像器件)作为现代视觉信息获取的一种基 础器件,因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展(光谱拓宽 灵敏度范围扩大),能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视 图像信息,所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用 图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号,即把入射到传感器 光敏面上按空间分布的光强信息(可见光和非可见光)、转换为按时序串 行输出的电信号 视频信号,而视频信号能再现入射的光辐射图像。 把空间图像转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描 光辐射图像 IS 视频信号 图像处理 50年代前,摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管(如光导摄像管 飞点扫描管等)来完成。60年代后期,随着半导体集成电路技术,特别是 MOS集成电路工艺的成熟,各种固体图像传感器得到迅速发展,到70年 代末期。已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛席用
5.2 图像传感器 现代人类生活中，人们迫切需要获取信息，而人类获取的总信息量 的80％以上是通过视觉器官得到的。所以图像传感器(Imaging Sensor , 缩写为IS，又称成像器件、摄像器件)作为现代视觉信息获取的一种基 础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展(光谱拓宽、 灵敏度范围扩大)，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视 图像信息，所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。 图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器 光敏面上按空间分布的光强信息(可见光和非可见光)、转换为按时序串 行输出的电信号 —— 视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。 把空间图像转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描。 50年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管(如光导摄像管、 飞点扫描管等)来完成。60年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是 MOS集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展，到70年 代末期。已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛席用
R19 RL4096 TCD 106C 4096元 5000元 15μm中心距 7X7m丰心距 1096 PL 1872F RL2048H 187215m中心距 s2048 15um心距 RL 1024B 104 3456元 1024元 CCD121 CCPD 1728 10.7μm中心距 1024 25m中心距 1728元 1um中距 铨512 RL512 郃m中心距 512元 CCD101 500元 c2561 25m中心距RL25630μm中心 距 光电二极管阵 256丌 CCD 中心距 CCPD 128 F PA602 128 63m中心距 64/TPL20 50元 3210m中小距 19691970197l197219731874197519761977197819799801981198219831984 线阵固体图像感器的发展曲线 (CCPD:电荷耦合光电二极管列阵)
线阵固体图像感器的发展曲线 （CCPD: 电荷耦合光电二极管列阵）
固体图象传感器( Solid state Imaging Sensor—缩写为SSS)主要 有三大类型、一种是电荷耦合器件( Charge Coupled device简称CCD), 第二种是MOS图象传感器,又称自扫描光电二极管列阵( Selfscanned Photodiode array,简称SsPA),第三种是电荷注入器件( Charge Injection Device,简称CID)。目前,前两种用得比较多。 同电子束摄像管相比,固体图象传感器有以下显著优点 (1)全固体化,体积很小,重量轻,工作电压和功耗都很低;耐冲击 性好.可靠性高,寿命长。 (2)基本上不保留残象(电子束摄象管有15-20%的残象),无象元烧伤 扭曲,不受电磁干扰。 (3)红外敏感性。硅的SSPA光谱响应:0.20-1.0;CCD可作成红外敏 感型;CID主要用于光谱响应大于3-~5的红外敏感器件 (4)象元尺寸的几何位置精度高(优于1),因而可用于不接触精密尺寸 测量系统。 (5)枧频信号与微机接口容易 主要应用领域:①小型化黑白彩色TV摄象机;②传真通讯系统; ③光学字符识别(OCR: Optical Character recognition);④工业检测 与自动控制;⑤医疗仪器;⑥多光谱机载和星载遥感;⑦天文应用;⑧ 军事应用
固体图象传感器(Solid State Imaging Sensor ——缩写为SSIS)主要 有三大类型、一种是电荷耦合器件(Charge Coupled Device简称CCD)， 第二种是MOS图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(Self Scanned Photodiode Array，简称SSPA)，第三种是电荷注入器件(Charge Injection Device，简称CID)。目前，前两种用得比较多。 同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点： (1)全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击 性好．可靠性高，寿命长。 (2)基本上不保留残象(电子束摄象管有15~20％的残象)，无象元烧伤、 扭曲，不受电磁干扰。 (3)红外敏感性。硅的SSPA光谱响应：0.20~1.0；CCD可作成红外敏 感型；CID主要用于光谱响应大于3~5的红外敏感器件。 (4)象元尺寸的几何位置精度高(优于1)，因而可用于不接触精密尺寸 测量系统。 (5)视频信号与微机接口容易 主要应用领域：①小型化黑白/彩色TV摄象机；②传真通讯系统； ③光学字符识别（OCR: Optical Character Recognition）；④工业检测 与自动控制；⑤医疗仪器；⑥多光谱机载和星载遥感；⑦天文应用；⑧ 军事应用
5.2.1CCD图像传感器 、CCD器件的结构 CCD摄像器件由光敏(光积分)单元 和电荷转移单元(读出移位寄存器)组成, 每个光敏单元对应一个象素如下图所示。 绕 少数载流子 阻 各单元的基本结构如右图所示,由金属、 耗尽区 绝缘层、半导体构成。V加正向偏压后 p-si 在半导体内形成“电子势阱(耗尽区)”, 势阱的深度由vc的大小来控制。电子势 (a) 阱可以用来存放电子,这些电子的注入方 入),也可以用“电注入”(转移电荷时界看外N你中 式既可用“光注入”(光敏单元采用光注 采用电注入)。 空阱 (b) 光积分单元 图2-1CCD的MOS结构 回回口口 (a》MOs电容器剖面图(b〕有信号电荷的势阱 转移栅 输出 vs■ 不透光的电荷转移结构
5.2.1 CCD图像传感器 一、CCD器件的结构 CCD摄像器件由光敏（光积分）单元 和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成， 每个光敏单元对应一个象素如下图所示。 各单元的基本结构如右图所示，由金属、 绝缘层、半导体构成。VG加正向偏压后 在半导体内形成“电子势阱（耗尽区）” ， 势阱的深度由VG的大小来控制。电子势 阱可以用来存放电子，这些电子的注入方 式既可用“光注入”（光敏单元采用光注 入），也可以用“电注入”（转移电荷时 采用电注入）
对于光敏单元,当受到光线照射时,在光子的作用下,半导体内 产生电子空穴对,空穴被排斥,电子被电子势阱俘获。这种光生电子作 为反映光强的载体—电荷包被收集,成为光电荷注入,这就是CCD 摄像器件的光电变换过程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间 成正比 光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读 出移位寄存器(电荷转移单元)中,读出移位寄存器在读出脉冲(三相 或四相脉冲)的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出,从而获得各 个像素的亮度值。 读出移位寄存器的工作原理是依靠 MOS电容与其电子势阱的存储电荷作用 以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包 购您化物特 逐个势阱转移的效应。当MOS电容栅压 湖间 增高时,在半导体内部被排斥的电荷 数也增加,耗尽层厚度增加,半导体内 p-si 电势越低,电子则向耗尽层移动、存储 象对电子的陷阱一样,称为电子势阱。 光线 电子势阱可以用来存放电子。其特点是:当v增加,势阱变深;当V; 减小,势阱变浅,电子向势阱深处移动
对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下，半导体内 产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱俘获。这种光生电子作 为反映光强的载体——电荷包被收集，成为光电荷注入，这就是CCD 摄像器件的光电变换过程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间 成正比。 光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读 出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移位寄存器在读出脉冲（三相 或四相脉冲）的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各 个像素的亮度值。 光线 读出移位寄存器的工作原理是依靠 MOS电容与其电子势阱的存储电荷作用， 以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包 逐个势阱转移的效应。当MOS电容栅压 VG增高时，在半导体内部被排斥的电荷 数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内 电势越低，电子则向耗尽层移动、存储 象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。 电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当VG增加，势阱变深；当VG 减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动