第11章图像传感器 随着光电子技术的发展，近年来又涌现了许多新型光电器件。常规的光电器件通常 只能检测辐射光功率的大小，而这些特种光电器件还具有空间分辨的能力，即不仅可以 检测入射光的强度，还可以检测入射光点的位置，空间明暗分布等。这些器件在工程检 测，机器人视觉，摄像等方面具有重要的用途。本章将着重介绍光电二极管阵列、光电 三极管阵列，电荷耦合器件(CCD)的工作原理，CCD图像及应用。 11.1光电二极管及光电三极管阵列 11.1.1光电二极管阵列的结构和工作原理 光电二极管阵列是重要的图像传感器之一，可以用于自动控制，非接触尺寸检测和 传真摄像等方面。所谓光电二极管阵列就是将许多光点二极管以线列或面阵的形式集成 在一个芯片上，用来同时检测入射光像在各点的光强度，并将转变成电信号。为了取出 这些光电信号，需要配上扫描输出和放大等电路，或者用混合集成的方法，将它们组成 完整的摄像器件。 光电二极管阵列的工作方式与单个二极管有所不同因为阵列中每个光电二极管的 有效面积很小，通常小于100×100um,因此，为了提高探测灵敏度。需要采用所谓的 积分方式。电荷的积分是利用光电二极管的自身的结电容，光电信号的取出是通过图
第 11 章 图像传感器 随着光电子技术的发展，近年来又涌现了许多新型光电器件。常规的光电器件通常 只能检测辐射光功率的大小，而这些特种光电器件还具有空间分辨的能力，即不仅可以 检测入射光的强度，还可以检测入射光点的位置，空间明暗分布等。这些器件在工程检 测，机器人视觉，摄像等方面具有重要的用途。本章将着重介绍光电二极管阵列、光电 三极管阵列，电荷耦合器件（CCD）的工作原理，CCD 图像及应用。 光电二极管阵列是重要的图像传感器之一，可以用于自动控制，非接触尺寸检测和 传真摄像等方面。所谓光电二极管阵列就是将许多光点二极管以线列或面阵的形式集成 在一个芯片上，用来同时检测入射光像在各点的光强度，并将转变成电信号。为了取出 这些光电信号，需要配上扫描输出和放大等电路，或者用混合集成的方法，将它们组成 完整的摄像器件。 光电二极管阵列的工作方式与单个二极管有所不同因为阵列中每个光电二极管的 有效面积很小，通常小于 100×100μ ㎡，因此，为了提高探测灵敏度。需要采用所谓的 积分方式。电荷的积分是利用光电二极管的自身的结电容，光电信号的取出是通过图
·198 传感器技术设计与应用 11-1所示的几步实现的。作为准备，首先闭合开关S,如图11-1(a),光电二极管处于 反偏，电荷储存在耗尽层的结电容上，相当于对结电容反向充电。由于光电流山及暗电 流Iu很小，充电过程达到稳定时，PN结上的电压基本接近电源电压U心。然后，打开开 关s图11-1(b),此时，由于光照产生电子一空穴对而使结电容缓慢放电。电子一空穴 对产生的速率与入射光强度成正比，故结电容亦以相同的速率放电。因此，在固定的时 间：内，储存电荷移走的数量Qπ与入射光强度成正比，这段时间称为光积分时间。光 积分结束时，结电容上的电压降为Ucπ，其值为 u-是 (11-1) 式中，C为结电容 光积分结束后，再次合上开关S图11-1(c),二极管再次被充电至Uc,再充电电 流流经负载电阻所产生的压降即为光电信号。这种提取光电信号的方法实际上是监视结 电容经光照放电后恢复初始条件时所补充的电荷量，故称之为再充电取样法。重复图 111(b入（©）两步，即可不断地从负载电阻上得到光电输出信号，从而使阵列中的每 一个光电二极管能连续地进行摄像，图11-2给出了结电容上的电压和负载上的输出信号 电压随时间变化的曲线。显然，输出信号脉冲峰值为 URmn=Uc-U=2,IC (11-2) 当积分时间固定时，Qπ与入射光通量成正比，故输出脉冲峰值亦与入射光通量成 正比
·198· 11-1 所示的几步实现的。作为准备，首先闭合开关 S ，如图 11-1（a），光电二极管处于 反偏，电荷储存在耗尽层的结电容上，相当于对结电容反向充电。由于光电流 IL 及暗电 流 Id 很小，充电过程达到稳定时，PN 结上的电压基本接近电源电压 UC。然后，打开开 关 S 图 11-1（b），此时，由于光照产生电子—空穴对而使结电容缓慢放电。电子—空穴 对产生的速率与入射光强度成正比，故结电容亦以相同的速率放电。因此，在固定的时 间 内，储存电荷移走的数量 Q 与入射光强度成正比，这段时间称为光积分时间。光 积分结束时，结电容上的电压降为 UC ，其值为 Uc =Uc − J Q C （11-1） 式中，CJ 为结电容。 光积分结束后，再次合上开关 S 图 11-1（c），二极管再次被充电至 UC，再充电电 流流经负载电阻所产生的压降即为光电信号。这种提取光电信号的方法实际上是监视结 电容经光照放电后恢复初始条件时所补充的电荷量，故称之为再充电取样法。重复图 11-1（b）、（c）两步，即可不断地从负载电阻上得到光电输出信号，从而使阵列中的每 一个光电二极管能连续地进行摄像。图 11-2 给出了结电容上的电压和负载上的输出信号 电压随时间变化的曲线。显然，输出信号脉冲峰值为 URmax =UC −Uc =Q / CJ （11-2） 当积分时间固定时，Q 与入射光通量成正比，故输出脉冲峰值亦与入射光通量成 正比
第11章图像传感器 199 （a切的状态 (b)无制分 图11光电二极管阵列的工作原理 与实际的光电二极管阵列中，开关采用MOS场效应管，在其栅极加上时钟脉冲 就可以控制其导通或截止。由于MOS场效应晶体管的结电容和导通电阻的影响，实际 的输出脉冲信号峰值电压比式(11-2)给出的值略小。 再充电提取光电信号的另一种方法是直接检测光电二极管结电容上的电压，其单元 电路如图11-3所示，这里，采用了与反馈电容C相并联的电荷积分放大器代替了负载 电阻。当MOS管V导通时，输出端通过放大器对光电二极管再充电，根据反相放大器 的原理，放大器的输出电压为 (11-3) 式中，UcΦ为光电二极管结电容上的电压
11 ·199· 图 11-1 光电二极管阵列的工作原理 与实际的光电二极管阵列中，开关采用 MOS 场效应管，在其栅极加上时钟脉冲， 就可以控制其导通或截止。由于 MOS 场效应晶体管的结电容和导通电阻的影响，实际 的输出脉冲信号峰值电压比式（11-2）给出的值略小。 再充电提取光电信号的另一种方法是直接检测光电二极管结电容上的电压，其单元 电路如图 11-3 所示，这里，采用了与反馈电容 Cf相并联的电荷积分放大器代替了负载 电阻。当 MOS 管 V 导通时，输出端通过放大器对光电二极管再充电，根据反相放大器 的原理，放大器的输出电压为 0 u = f Q C = CD u （11-3） 式中，UCD 为光电二极管结电容上的电压
·200 传感器技术设计与应用 9 (a)结电容上的电压波是 Ce-U (6)输出合号电压淡形 图112光电二极管阵列的输出信号 图11·3光电二极管阵列的信号检测单元电路 当然，这里忽略了MOS管的内阻和放大器输入端的分布电容的影响。一个光电二 极管阵列中包含有多到数干个光电二极管，因此，在应用中，必须以一定次序将各个光 电二极管的光电信号逐一取出来，这就是扫描输出.图11-4示出了面阵器件扫描输出结 构的一个例子。以一定的时序分别在各X线和Y线上加上低脉冲，分别选通X线和Y线 上的MOS管开关，就可以逐一将各光电二极管的信号取出。例如，要对Xm行、Y列 上的光电二极管进行信号读取，可先在X行线上加上低脉冲，使该行的MOS管V,导 通，再在Y线列上加上低脉冲，使Y列上的MOs管V1导通，读取信号后将Yn列上 的低脉冲移至Y+1列。这样，依次可读取Xm行上所有光电二极管的信号，随后将X 行线上的低脉冲移至Xm+1行，继续读取下一行的信号，直至将整个阵列中的光电二极 管信号均读取出来，完成一帧图像的输出。从输出端得到的信号为类似于电视摄像机输 出的视频信号。光纯二极管的光积分在X线上的MOS管关断时进行。反复进行上述扫 描过程，尽可以完成连续的摄像或检测
·200· 图 11-2 光电二极管阵列的输出信号 图 11-3 光电二极管阵列的信号检测单元电路 当然，这里忽略了 MOS 管的内阻和放大器输入端的分布电容的影响。一个光电二 极管阵列中包含有多到数千个光电二极管，因此，在应用中，必须以一定次序将各个光 电二极管的光电信号逐一取出来，这就是扫描输出。图 11-4 示出了面阵器件扫描输出结 构的一个例子。以一定的时序分别在各 X 线和 Y 线上加上低脉冲，分别选通 X 线和 Y 线 上的 MOS 管开关，就可以逐一将各光电二极管的信号取出。例如，要对 Xm行、Yn 列 上的光电二极管进行信号读取，可先在 Xm行线上加上低脉冲，使该行的 MOS 管 V2导 通，再在 Yn 线列上加上低脉冲，使 Yn 列上的 MOS 管 V1 导通，读取信号后将 Yn 列上 的低脉冲移至 Yn+1 列。这样，依次可读取 Xm行上所有光电二极管的信号，随后将 Xm 行线上的低脉冲移至 Xm+1 行，继续读取下一行的信号，直至将整个阵列中的光电二极 管信号均读取出来，完成一帧图像的输出。从输出端得到的信号为类似于电视摄像机输 出的视频信号。光电二极管的光积分在 X 线上的 MOS 管关断时进行。反复进行上述扫 描过程，尽可以完成连续的摄像或检测
第11章图像传感器 ·201· 用于驱动MOS管的行脉冲和列脉冲时序，如图115所示，这些时钟脉冲通常由移 位寄存器提供。 x. TX. V: 图114二维面阵光电二极管的扫描输出结构 图115行线和列线上的扫描脉冲波形 光电二极管阵列的图像分辩率于光敏单元的尺寸和间距，光敏单元之间的间距一般 在2.5~12.5μm之间。面阵中的光电二极管形状通常接近方阵，而在线列中，为了增大 光敏面积，光电二极管的形状做成长方形，因而增加宽度并不影响线阵的分辨率。 光电二极管由于工作在电荷存储方式，因此具有较宽的动态范围，在低光强度照射 时，可以通过延长曝光时间（即光积分时间）来提高灵敏度。其最小可测光强主要受到 光电二极管阵列噪声的限制。光电二极管阵列的噪声除了固有的光子散粒躁声外，在信 号取出过程中也会引入噪声，例如时钟脉冲会通过MOS管开关上的结电容耦合到输出 端去。但限制器件可测光强下限的主要原因是暗电流噪声。光电二极管在光积分期内 即使没有入射光照射，由于热效应产生的空穴电子对与储存的电荷复合，从而使结电 容缓慢地放电。这种电流称为暗电流。显然，暗电流随积分时间的增加而增大。因此
11 ·201· 用于驱动 MOS 管的行脉冲和列脉冲时序，如图 11-5 所示，这些时钟脉冲通常由移 位寄存器提供。 图 11-4 二维面阵光电二极管的扫描输出结构 图 11-5 行线和列线上的扫描脉冲波形 光电二极管阵列的图像分辨率于光敏单元的尺寸和间距，光敏单元之间的间距一般 在 2.5~12.5μm 之间。面阵中的光电二极管形状通常接近方阵，而在线列中，为了增大 光敏面积，光电二极管的形状做成长方形，因而增加宽度并不影响线阵的分辨率。 光电二极管由于工作在电荷存储方式，因此具有较宽的动态范围，在低光强度照射 时，可以通过延长曝光时间（即光积分时间）来提高灵敏度。其最小可测光强主要受到 光电二极管阵列噪声的限制。光电二极管阵列的噪声除了固有的光子散粒噪声外，在信 号取出过程中也会引入噪声，例如时钟脉冲会通过 MOS 管开关上的结电容耦合到输出 端去。但限制器件可测光强下限的主要原因是暗电流噪声。光电二极管在光积分期内， 即使没有入射光照射，由于热效应产生的空穴-电子对与储存的电荷复合，从而使结电 容缓慢地放电。这种电流称为暗电流。显然，暗电流随积分时间的增加而增大。因此