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          電荷藕合器件圖像傳感器CCD傳感器的特性及原理

          發布時間:2018-08-07  來源:  作者: 查看:

          圖像傳感器.jpg

          CCD傳感器是一種新型光電轉換器件,它能存儲由光產生的信號電荷。當對它施加特定時序的脈沖時,其存儲的信號電荷便可在CCD內作定向傳輸而實現自掃描。它主要由光敏單元、輸入結構和輸出結構等組成。它具有光電轉換、信息存貯和延時等功能,而且集成度高、功耗小,已經在攝像、信號處理和存貯3大領域中得到廣泛的應用,尤其是在圖像傳感器應用方面取得令人矚目的發展。CCD有面陣和線陣之分,面陣是把CCD像素排成1個平面的器件;而線陣是把CCD像素排成1直線的器件。由于在軍事領域主要用的是面陣CCD,因此這里主要介紹面陣CCD。

          電荷藕合器件圖像傳感器CCDCharge CoupLED DevICe),它使用一種高感光度的半導體材料制成,能把光線轉變成電荷,通過模數轉換器芯片轉換成數字信號,數字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存,因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機,并借助于計算機的處理手段,根據需要和想像來修改圖像。 原理 CCD傳感器是一種新型光電轉換器件,它能存儲由光產生的信號電荷。當對

          電荷藕合器件圖像傳感器CCDCharge CoupLED DevICe),它使用一種高感光度的半導體材料制成,能把光線轉變成電荷,通過模數轉換器芯片轉換成數字信號,數字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存,因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機,并借助于計算機的處理手段,根據需要和想像來修改圖像。

          一、種類

          面陣CCD:允許拍攝者在任何快門速度下一次曝光拍攝移動物體。

          面陣CCD的結構一般有3種。第一種是幀轉性CCD。它由上、下兩部分組成,上半部分是集中了像素的光敏區域,下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存儲區域。其優點是結構較簡單并容易增加像素數,缺點是CCD尺寸較大,易產生垂直拖影。第二種是行間轉移性CCD。它是目前CCD的主流產品,它們是像素群和垂直寄存器在同一平面上,其特點是在1個單片上,價格低,并容易獲得良好的攝影特性。第三種是幀行間轉移性CCD。它是第一種和第二種的復合型,結構復雜,但能大幅度減少垂直拖影并容易實現可變速電子快門等優點。

          線陣CCD:用一排像素掃描過圖片,做三次曝光————分別對應于紅、綠、藍 三色濾鏡,正如名稱所表示的,線性傳感器是捕捉一維圖像。初期應用于廣告界拍攝靜態圖像,線性陣列,處理高分辨率的圖像時,受局限于非移動的連續光照的物體。

          三線傳感器CCD:在三線傳感器中,三排并行的像素分別覆蓋RGB濾鏡,當捕捉彩色圖片時,完整的彩色圖片由多排的像素來組合成。三線CCD傳感器多用于高端數碼相機,以產生高的分辨率和光譜色階。

          交織傳輸CCD:這種傳感器利用單獨的陣列攝取圖像和電量轉化,允許在拍攝下一圖像時在讀取當前圖像。交織傳輸CCD通常用于低端數碼相機、攝像機和拍攝動畫的廣播拍攝機。

          全幅面CCD:此種CCD具有更多電量處理能力,更好動態范圍,低噪音和傳輸光學分辨率,全幅面CCD允許即時拍攝全彩圖片。全幅面CCD由并行浮點寄存器、串行浮點寄存器和信號輸出放大器組成。全幅面CCD曝光是由機械快門或閘門控制去保存圖像,并行寄存器用于測光和讀取測光值。圖像投攝到作投影幕的并行陣列上。此元件接收圖像信息并它分成離散的由數目決定量化的元素。這些信息流就會由并行寄存器流向串行寄存器。此過程反復執行,直到所有的信息傳輸完畢。接著,系統進行精確的圖像重組。

          CCD是由許多個光敏像元按一定規律排列組成的。每個像元就是一個MOS電容器(大多為光敏二極管),它是在P Si襯底表面上用氧化的辦法生成1層厚度約為1000A15 00ASiO2,再在SiO2表面蒸鍍一金屬層(多晶硅),在襯底和金屬電極間加上1個偏置電壓,就構成1MOS電容器。當有1束光線投射到MOS電容器上時,光子穿過透明電極及氧化層,進入PSi襯底,襯底中處于價帶的電子將吸收光子的能量而躍入導帶。光子進入襯底時產生的電子躍遷形成電子-空穴對,電子-空穴對在外加電場的作用下,分別向電極的兩端移動,這就是信號電荷。這些信號電荷儲存在由電極形成的"勢阱"中。

          MOS電容器的電荷儲存容量可由下式求得:

          QS=Ci×VG×A

          式中: QS是電荷儲存量;

          Ci是單位面積氧化層的電容; VG是外加偏置電壓;

          AMOS電容柵的面積。

          由此可見,光敏元面積越大,其光電靈敏度越高。13相驅動工作的CCD中電荷轉移的過程。

          a)初始狀態;(b)電荷由電極向電極轉移;(c)電荷在、電極下均勻分布;

          d)電荷繼續由電極向電極轉移;(e)電荷完全轉移到電極;(f3相交疊脈沖。

          假設電荷最初存儲在電極(加有10V電壓)下面的勢阱中,如圖2a)所示,加在CCD所有電極上的電壓,通常都要保持在高于某一臨界值電壓Vth,Vth稱為CCD閾值電壓,設Vth=2V。所以每個電極下面都有一定深度的勢阱。顯然,電極下面的勢阱最深,如果逐漸將電極的電壓由2V增加到10V,這時,、兩個電極下面的勢阱具有同樣的深度,并合并在一起,原先存儲在電極下面的電荷就要在兩個電極下面均勻分布,(b)和(c)所示,然后再逐漸將電極下面的電壓降到2V,使其勢阱深度降低,(d)和(e)所示,這時電荷全部轉移到電極下面的勢阱中,此過程就是電荷從電極到電極的轉移過程。如果電極有許多個,可將其電極按照1、4、7…,2、5、8…3、6、9…的順序分別連在一起,加上一定時序的驅動脈沖,即可完成電荷從左向右轉移的過程。用3相時鐘驅動的CCD稱為3CCD。

          特性

          調制傳遞函數MTF特性:固態圖像傳感器是由像素矩陣與相應轉移部分組成的。固態的像素盡管己做得很小,并且其間隔也很微小,但是,這仍然是識別微小圖像或再現圖像細微部分的主要障礙。

          輸出飽和特性:當飽和曝光量以上的強光像照射到圖像傳感器上時,傳感器的輸出電壓將出現飽和,這種現象稱為輸出飽和特性。產生輸出飽和現象的根本原因是光敏二極管或MOS電容器僅能產生與積蓄一定極限的光生信號電荷所致。

          暗輸出特性:暗輸出又稱無照輸出,系指無光像

          CCD傳感器信號照射時,傳感器仍有微小輸出的特性,輸出來源于暗〔無照)電流。

          靈敏度:單位輻射照度產生的輸出光電流表示固態圖象傳感器的靈敏度,它主要與固態圖像傳感器的像元大小有關。

          彌散:飽和曝光量以上的過亮光像會在象素內產生與積蓄起過飽和信號電荷,這時,過飽和電荷便會從一個像素的勢阱經過襯底擴散到相鄰像素的勢阱。這樣,再生圖像上不應該呈現某種亮度的地方反而呈現出亮度,這種情況稱為彌散現象。

           

           

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