光电成像技术

对应的方法：
水桶 把桶做大 减少测量时间 把满的水桶到出一些 做个导流管
CCD芯片 增大单位像素尺寸 缩短曝光时间 间歇开关时钟电压 溢出沟道和溢出门
缺点
对于暗的部分曝光不足 降低速度 制作复杂，且还有缺陷

由此可见，增大像素尺寸是最简单有效的做法。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
3、电荷转移
当一个CCD芯片感光完毕后，每个像素所转换的电荷 包就按照一行的方向转移出CCD感光区域，以为下一次 感光释放空间。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
表面沟道器件，即 SCCD（Surface Channel CCD）——转移沟道在界面的CCD器件。
6.2.1 电荷耦合摄像器件



t1： 时钟驱动线Φ 1为高电平，由外界注入 的信号电荷被存储于Φ 1电极下表面的势 阱中； t 4：时钟驱动线Φ 1为低电平，时钟驱动 线Φ 2为高电平，信号电荷被存储于Φ 2电 极下表面的势阱中…… 从而使信号电荷可控地一位一位地按顺序 传输，这就是所谓的电荷藕荷。
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§6.2 固体摄像器件分类及性能
CCD发展史
1969年，由美国的贝尔研究室所开发出来的。同年，日本的SONY公司也 开始研究CCD。 1973年1月，SONY中研所发表第一个以96个图素并以线性感知的二次元 影像传感器〝8H*8V (64图素) FT方式三相CCD〞。 1974年6月，彩色影像用的FT方式32H*64V CCD研究成功了。 1976年8月，完成实验室第一支摄影机的开发。 1980年，SONY 发表全世界第一个商品化的CCD摄影机 (编号XC-1) 。 1981年，发表了28万个图素的 CCD (电子式稳定摄影机MABIKA)。 1983年，19万个图素的IT方式CCD量产成功。 1984年，发表了低污点高分辨率的CCD。 1987年，1/2 inch 25万图素的 CCD，在市面上销售。 同年，发表2/3 inch 38万图素的CCD，且在市面上销售。 1990年7月，诞生了全世界第一台 V8。


（２）光注入：当ＣＣＤ用于拍摄光学图像时， 把按照照度分布的光学图像通过光电转换转化 为电荷分布，然后由输入部分注入。 ＣＣＤ相机采用的就是光注入，如图６.５所示。

式中，η为材料的量子效率；ｑ为电子电荷量； Ｎｅｏ为入射光的光子流速率；Ａ为光敏单元 的受光面积；ｔｃ为光的注入时间。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
如何实现电荷定向转移呢？下面以三相控制方式为 例说明控制电荷定向转移的过程。
P1 P 2 P3
P 1 P 2 P3 t=t0
Ф
P1
P2
2. 这些电荷可以被储存起来。
这一过程存在着以下问题：
当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出 溢出的电荷会跑到相临的像素势阱里去。这样电量 就不能如实反映原物。
要避免这种情况发生的方法：
A B C D 把桶做大些 减少测量时间 把满的水倒出一些 做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他 桶里
UG < Uth 时
+UG
UG > Uth 时
+UG
ee-
e-
e- e- e- ee-
eee- 势阱 eee-
e-
势阱
+Uth
+Uth
e-
MOS电容器
入射光
MOS电容器
入射光
光滴
小桶 光敏元
CCD 的工作过程
1. 有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转化为 电荷。
CCD 的工作过程
6.2.1 电荷耦合摄像器件
(3) 输出部分：将电荷信号转换为电压或电流信 号

输出栅（OG/ Output diaode） 输出二极管 （OD / Output Grid）
6.2.1 电荷耦合摄像器件
输入栅
输入二极 管
栅 极
输出栅
输出二极管 金属 M 氧化物 O
P- Si / N – Si
1、电荷的产生：
光电导效应
信号电荷的产生（示意图）
金属电极 氧化物
eeee-
ee-
e-
半导体
光生电子
入射光
MOS电容器
6.2.1 电荷耦合摄像器件
2、电荷存储
以衬底为P型硅构成的MOS电容为为例。
（1）当向栅极施加一定较小的正向电压时， P型硅中的空穴被排斥，产生耗尽区。
（2）当栅极的正向电压大于半导体的域值电压时，
固体摄像器件主要有三大类： 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即CID） 目前，前两种用得较多，我们这里主要分析 CCD一种。
注：CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材 料上 ,工作原理上没有区别。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
（2）MOS结构部分：
a. 以P型或N型硅半导体为衬底。 （本文以P型硅为例） b. 在衬底上生长一层厚度为零点几个微米的二 氧化硅层。 c. 然后按一定的次序沉淀N个金属电极或多晶 硅电极，作为栅极。（栅极间的间距为2.5个微 米，中心距离为15-20个微米） 于是，每个电极与其下方的二氧化硅和半 导体之间就构成了一个 金属-氧化物-半导体 （Metal - Oxide - Semiconductor ）结构, 即 MOS结构。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
CCD图像传感器的优势
CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为 广泛应用图像传感器的新时代。
具有固体器件所有优点；自扫 描输出方式消除了电子束扫描 造成的图像光电转换的非线性 失真，体积、重量、功耗和制 造成本是电子束摄像管无法达 到的。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
2009年诺贝尔奖物理学奖得主
Fig.1贝尔实验室George Smith和Willard Boyle将可视 电话和半导体存储技术结合 发明了CCD原型
§6.2 固体摄像器件分类及性能


瑞典皇家科学院6日宣布，美国科学家威拉德· 博伊尔和乔治· 史密斯因 发明电荷耦合器件（CCD）图像传感器而与“光纤之父”高锟一同获 得2009年诺贝尔物理学奖。 评委会赞扬博伊尔与史密斯1969年第一次成功地发明了数字成像技术， 工作于贝尔实验室的他们设计了一种影像传感器，可以将光在短时间 内转化为像素，为摄影技术带来“革命化”变革。“没有CCD，数码 相机的发展将更为缓慢。没有CCD，我们就不会看到哈勃太空望远镜 拍摄的令人诧异的图片，也不会看到我们的邻居火星上的红色沙漠图 像。”评委会说。
光电子技术基础
第6 章 光电成像系统
将美丽留驻？
实物
?
图像
图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽 量真实地反映到虚拟的图像上
如何准确地描述一幅图像？
第6 章 光电成像系统
第6 章 光电成像系统
§ 6.1 光电成像概述 §6.2 固体摄像器件分类及性能
§ 6.3 红外成像技术
§ 6.4 光学成像系统和光学传递函数
6.2.1 电荷耦合摄像器件
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CCD（Charge Coupled Device）,是70 30多年来， CCD技术已广泛的应用于
其中，CCD技术在影像传感中的应用最为广
年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。 信号处理、数字存储及影像传感等领域。
泛，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、
最富有成果的领域之一。
为实现信号电荷的转换：
1、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻 MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。
2、控制相邻MOS电容栅极电压高低调节势阱深浅，使 信号电荷由势阱浅处流向势阱深处。 3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。
CCD 的工作过程
3. 电荷可以被有秩序地转移出感光区域。
２）ＭＯＳ结构部分
ＭＯＳ电容器是构成ＣＣＤ的最基本 单元，它是金属氧化物半导体（Ｍｅ ｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏ ｎｄｕｃｔｏｒ）器件中结构最为简 单的。以衬底为Ｐ型硅构成的ＭＯＳ 电容为例。在半导体Ｐ型硅为衬底的 表面上用氧化的办法生成一层厚度为 ２０～１５０ｎｍ的二氧化硅（Ｓｉ Ｏ２），再在二氧化硅表面蒸镀一层 金属（如铝），在衬底和金属电极间 加上偏置电压，就构成了一个ＭＯＳ 电容器。结构如图６.６所示。
光源 光 信 号 传输介质 背 景 噪 声 光 信 号 光学系统 (信号分析器) 背 景 噪 声 光 信 号 光电摄像器件 (信号变换器) 噪 声 信 号 显示器 噪 声 信 号 人眼
物体 (信号源)
其中光电摄（成）像器件是光电成像系统的核心。
景物
光学成像
光电变换
图像分割 摄像部分
同步扫描
视频信号
传送
同步扫描
视频解调
图像再现
显像部分
光电成像系统原理方框图
§6.2 固体摄像器件分类及性能
固体摄像器件的功能： 光学图像
转换
电信号
把入射到传感器光敏面上按空间分布 的光强信息（可见光、红外辐射等），转 换为按时序串行输出的电信号—— 视频信 号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。
Hale Waihona Puke §6.2 固体摄像器件分类及性能
6.2.1 电荷耦合摄像器件
CCD的特点:
以电荷作为信号。 CCD的基本功能: 电荷存储和电荷转移。 CCD工作过程: 信号电荷的产生、存储、传 输和检测的过程。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
一、电荷耦合器件的基本原理
1、CCD的基本结构：
（1）输入部分： 输入二极管（ID / Input diaode）、 输入栅（IG / Input Grid）