Chapter13 固态图象传感器

将底部一行的电荷信号移位至水平读出器，然后这一行电荷在 读出移位寄存器中向右移动以视频输出。当整幅视频信号图像 以这种方式自存储器移出并显示后，就开始下一幅的传输过程。 这种面型CCD图像传感器的缺点是需要附加存储器，但它的电 极结构比较简单，转移单元可以做得较密。
图表示一列感光 区和一列不透光
的存储器(垂直转 移寄存器)相间配 置的方式。这样 帧的传输只要一 次转移就能完成。
CCD的光谱特性
当梳状电极呈高电压时，入射光所产生的光电荷由一个个光敏 元收集，实现光积分。各个光敏元中所积累的光电荷与该光敏 元上所接收到的光照强度成正比，也与光积分时间成正比。在 光积分时间结束的时刻，转移栅的电压提高(平时为低压)，与 光敏元对应的电荷耦合移位寄存器(CCD)电极也同时处于高电 压状态。然后，降低梳状电极电压，各光敏元中所积累的光电 荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕，转移栅电压降低， 梳状电极电压回复原来的高压状态以迎接下一次积分周期。同 时，在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲，将存储的电荷迅 速从CCD中转移，并在输出端串行输出。这个过程重复地进行 就得到相继的行输出，从而读出电荷图形。
8.4.4 高速光电器件
1．PIN结光电二极管(PINPD) PIN结光敏二极管是 以PIN结代替PN结的光敏二 极管，在PN结中间设置一 层较厚的工层(高电阻率的 本征半导体)而制成，故简 称为PIN—PD。其结构原理 如图。
2．雪崩式光电二极管 (APD)
APD是在PN结的P型 区一侧再设置一层掺杂 浓度极高的P’层而构 成。使用时，在元件两 端加上近于击穿的反向 偏压。
此种结构由于加上强大的反向偏压，能在以p层为中心的结构两 侧及附近形成极强的内部加速电场（可达 105V / cm ）。受光照 时， P 层受光子能量激发跃迁至导带的电子，在内部加速电 场的作用下，高速通过p层，使p层产生碰撞电离，从而产生出大 量的电子－空穴对。而它们也从强大的电场能获得高能，并与
1 1 1 a b f
b M (np) L a
若已选定透镜(即f和视场L已知)，并且已知物距为a，那么， 所需传感器的长度Ls可知：
f LS L a f
上述系统的测量精度取决于传感器像素数与透镜视场的值。为
提高测量精度应当选用像素多的传感器并且尽量压缩视场。
2，工件伤痕及表面污垢检测 工件伤痕及表面污垢的检测原理与尺寸测量基本相同。
图13一I(a) ，当入射光像信号照射到摄像管中间电 极表面时，其上将产生与各点照射光量成比例的电 位分布．若用电子束扫描中间电极，负载RL上便会 产生变化的放电电流。由于光量不同而使负载电流 发生变化，这恰是所需的输出电信号。所用电子束 的偏转或集束，是由磁场或电场控制实现的。
图13—1(b)所示的固态图像传感器的输出信号的产 生，不需外加扫描电子束，它可以直接由自扫描半 导体村底上诸像素而获得。这样的输出电信号与其 相应的像索的位置对应，无疑是更准确些，且再生 图像失真度极小。显然，光导摄像管等图像传感器， 由于扫描电子束偏转畸变成聚焦变化等原因所引起 的再生图像的失真，往往是很难避免的。
当向Si02上表面的电极加一正偏压时，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ型硅衬底中形成耗尽区，
较高的正偏压形成较深的耗尽区。其中的少数载流子——电子 被吸收到最高正偏压电极下的区域内( 2电极下)，形成电荷包。 人们把加偏压后在金属电极下形成的深耗尽层谓之“势阱”。 阱内存储少子(少数载流子)。对于P型硅衬底的CCD器件，电极 加正偏压，少子为电子；对于N型硅衬底的CCD器件，电极加 负偏压，少子为空穴。
1.线型CCD图像传感器 线型图像传感器是由一列感光单元(称为 光敏元阵列)和一列CCD并行而构成的。光敏元和CCD之间有一 个转移控制栅，基本结构如图所示。
单行结构图
双行结构图
每个感光单元都与一个电荷耦合元件对应。感光元件阵列
的各元件都是一个个耗尽的MOS电容器。它们具有一个梳 状公共极，而且由一个称之沟阻的高浓度P型区，在电气上 彼此隔离。为了使MOS电容器的电极不遮住入射光线，光 敏元的电极最好用全透光的金属氧化物制造。但由于这些 材料不能与硅工艺相容，因此目前光敏元的电极大多采用 多晶锗电极。这种电极对于波长大于450nm左右的光是透 明的，而对可见光谱的蓝区响应较差。由于用多晶硅电极 及工艺等原因，使光敏的光谱特性产生如图所示的多峰状
P 层来的电子一样再次碰撞p层中的其他原子，又产 从 生新的空穴－电子对。这样，加反向偏压足够大时，不断产生 二次电子发射，并使载流子产生“雪崩”倍增，形成强大的光 电流。 雪崩二极管具有很高的灵敏度和响应速度，但输出线性 较差，故它特别适用于光通信中脉冲编码的工作方式。

8.5.2.2 CCD图像传感器的应用
3．形状检测 利用带有高速快门的CCD‘摄像机对被测对象摄像，获得 被测对象的图像，从而剔除不合格晶或进行分选。这种方法 可用于剔除瓶盖、金属或玻璃容器的不合格品，也可 用于禽蛋、水果、蔬菜和鲜鱼等物品的形状和鲜度判别。与 前述方法不同的是，需要根据不同的被测对象确定若干特征 参数，并在某一电平上二值化。
线型CCD图象传感器检测一维变量如工件尺寸等。
2.面型CCD图像传感器 面型CCD图像传感器在感光区、信号存储区和输出转 移部分的安排上，可获得二维图象，有三种方式。 图(1)所示为由行扫 描发生器将光敏元 内的信息转移到水 平方向上，然后由 垂直方向的寄存器 向输出检波二极管 转移的方式。这种 面型CCD易引起图 像模糊。
采用输入二极管电注入法，可在高电位电极P1下产生一电荷 (t=to)。当电极P2加上同样的高电位时，由于两电极下势阱 间的耦合，原来在P1下的电荷包将在这两个电极下分布 (t=t1)；而当P1回到低电位时，电荷包就全部流入P2的势阱 中（t=t2）。然后P3的电位升高而P2的电位回到低电平，电 荷包又转移到P3的势阱中【即t＝t3的情况。图只表示电极P1 下势阱转移到电极P2下势阱的过程】。
实现电极下电荷有控制的定向转移，有二相、三相等多种 控制方式。图为三相时钟控制方式。所谓“三相”，是指在 线阵列的每一级(即像素)有三个金属电极P1、P2和P3，在其 上依次施加三个相位不同的时钟脉冲电压Φ1 Φ2 Φ3。
CCD电荷注入的方法有光注入法(对摄像器件)、电注入法(对 移位寄存器)和热注入法(对热像器件)等。
为了避免在电荷转移到输出端的过程中产生寄生的光积分， 移位寄存器上必须加一层不透光的覆盖层，以避免光照。目 前实用的线型CCD为双行结构。在一排图像传感器的两侧， 布置有两排屏蔽光线的移位寄存器。单、双数光敏元中的信 号电荷分别转移到上,下面的移位寄存器中，然后信号电荷在 时钟脉冲的作用下自左向右移动。从两个寄存器出来的脉冲 序列，在输出端交替合并，按照信号电荷在每个光敏元中原 来的顺序输出。
失真度极小的固态图像传感器，非常适合测试技术 及图像识别技术。此外，固态图像传感器与摄像管 相比，还有体积小、重量轻、坚固耐用、抗冲击、 耐震动、抗电磁干扰能力强以及耗电少等许多优点； 又因为固态图像传感器所用的敏感器件为电荷藕合 器件(CCD)、电荷注入器件(CID)、金属氧化物半导 体器件(MOS)等电荷转移器件，它们大都可以在半 导体集成元件的流水线上进行生产，所以，可以推 断固态图像传感器的成本将较低。
在感光区光敏元积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号 进入存储器。之后，在每个水平回扫周期内，存储区中整 个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。 接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出 器件，形成视频输出信号。
这种结构的器件操作比较简单，但单元设计较复杂，且转 移信号必须遮光，使感光面积减小约30％一50％。由于这 种方式所得图像清晰，是电视摄像器件的最好方式。
8.5.2.3 细丝类物件的在线检测 如图所示，要求激光从轴线垂直方向照射被测对象，利 用图示光学系统使激光光束平行扫描，并测出被测对象遮断 光束的时间，经过运算求出直径值。由于细丝类物件在加工 过程中会产生振动或抖动，因此需要通过运算进行修正。设y 为扫描速度，v为被测对象振动速度，D为被测对象的直径，r 为扫描时间，则存在下列关系：
经过一个时钟脉冲周期，电荷将从前一级的一个电极下转移到
下一级的同号电极下。这样，随着时钟脉冲有规则的变化，少 子将从器件的一端转移到另一端；然后通过反向偏置的PN结(输 出二极管端)对少子进行收集，并送入前置放大器。由于上述信 号输出的过程中没有借助扫描电子束，故称为自扫描器件。
8.4.3.2 电荷耦合图像传感器(CCD图像传感器) 利用电荷耦合技术组成的图像传感器称为电荷耦合图像传感 器。它由成排的感光元件与电荷耦合移位寄存器等构成。电荷耦 合图像传感器通常可分为线型传感器和面型传感器。
• 图像传感器是利用光电器件的光一电转换功能,将 其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系 的电信号“图像”的一种功能器件。光导摄像管 就是一种图像传感器。 • 固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的 若干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能 化的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像 点”，它们本身在空间上、电气上是彼此独立的。 • 固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将 投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图 像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例 的、大小不等的电荷包空间分布。然后利用移位 寄存器的功能将这些电荷包在时钟脉冲控制下实 现读取与输出，形成一系列幅值不等的时序脉冲 序列。
8.4.3.1 CCD的基本原理 CCD的最小单元是在P型(或N型)硅衬底上生长一层厚度约 120nm的Si02层，再在Si02层上依一定次序沉积金属(Al)电极 而构成金属—氧化物—半导体(MOS)的电容式转移器件。这 种排列规则的MOS阵列再加上输入与输出端，即组成CCD的 主要部分，如图所示。
1，尺寸测量是用线型CCD传感器测量物体尺寸的基本原理。
尺寸测量的基本原理
当所用光源含红外光时，可在透镜与传感器间加红外滤光 片。若所用光源过强时，可再加一滤光片。 设所用透镜焦距为f，物距与像距分别为a和b，光学 成像倍率为M，p和n分别为像素间距和像素数。由几何光 学可知，被测对象长度L与系统诸参数间的关系为