光電子技術1光電子技術學課件之十五：

——第五章光電成像系統（1）

§1固體攝像器件光電子技術2教學目的1、掌握CCD的結構和工作原理、光電成像原理、光電成像光學系統；

2、了解微光像增強器件和纖維光學成像原理。

教學重點與難點

重點：CCD的結構和工作原理、光電成像原理、光電成像光學系統的組成。難點：CCD的結構和工作原理、調制傳遞函數的分析。

光電子技術3§0光電成像概述一、光電成像系統的分類：

按照光電成像系統對應的光波長范圍，光電成像系統可以分為：可見光、紫外光、紅外光、X光光電成像系統。光電子技術4二、光電成像系統要研究的問題光電成像涉及到一系列復雜的信號傳遞過程。有四個方面的問題需要研究：能量方面——物體、光學系統和接收器的光度學、輻射度學性質，解決能否探測到目標的問題成像特性——能分辨的光信號在空間和時間方面的細致程度，對多光譜成像還包括它的光譜分辨率光電子技術5噪聲方面——決定接收到的信號不穩定的程度或可靠性信息傳遞速率方面——

成像特性、噪聲信息傳遞問題，決定能被傳遞的信息量大小光電子技術6三、光電成像系統基本組成的框圖

其中光電成（攝）像器件是光電成像系統的核心。

光電子技術7§1固體攝像器件固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息（可見光、紅外輻射等），轉換為按時序串行輸出的電信號——視頻信號。其視頻信號能再現入射的光輻射圖像。

光電子技術8固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互補金屬氧化物半導體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（ChargeInjenctionDevice，即CID）

目前，前兩種用得較多，我們這里只分析CCD一種。光電子技術9一、電荷耦合攝像器件

電荷耦合器件（CCD）特點——以電荷作為信號。

CCD的基本功能——電荷存儲和電荷轉移。

CCD工作過程——信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測的過程。

光電子技術10（1）、CCD的基本結構包括：轉移電極結構、轉移溝道結構、信號輸入結構、信號輸出結構、信號檢測結構。構成CCD的基本單元是MOS電容。1、電荷耦合器件的基本原理

光電子技術11

一系列彼此非常接近的MOS電容用同一半導體襯底制成，襯底可以是P型或N型材料，上面生長均勻、連續的氧化層，在氧化層表面排列互相絕緣而且距離極小的金屬化電極（柵極）。光電子技術12（2）、電荷存儲

以襯底為P型硅構成的MOS電容為為例。

當在金屬電極加上一個正階梯電壓時，在Si-SiO2界面處的電勢發生變化，附近的P型硅中的多數載流子-空穴被排斥，形成耗盡層。如果柵極電壓超過MOS晶體管的開啟電壓，則在Si-SiO2界面處形成深度盡狀態，電子在那里勢能較低-形成了一個勢阱。如有信號電子，將聚集在表面，實現電荷的存儲。此時耗盡層變薄。勢阱的深淺決定存儲電荷能力的大小。光電子技術13（3）、電荷轉移

CCD的轉移電極相數有二相、三相、四相等。對于單層金屬化電極結構，為了保證電荷的定向轉移，至少需要三相。這里以三相表面溝道CCD為例。

表面溝道器件，即SCCD（SurfaceChannelCCD）——轉移溝道在界面的CCD器件。

光電子技術14表面溝道器件的特點：

工藝簡單，動態范圍大，但信號電荷的轉移受表面態的影響，轉移速度和轉移效率底，工作頻率一般在10MHz以下。光電子技術15

體內溝道（或埋溝道CCD）：

BCCD（BulkorBuriedChannelCCD）——用離子注入方法改變轉移溝道的結構，從而使勢能極小值脫離界面而進入襯底內部，形成體內的轉移溝道，避免了表面態的影響，使得該種器件的轉移效率高達99.999％以上，工作頻率可高達100MHz，且能做成大規模器件。

光電子技術16（4）、光信號的注入

CCD的電荷注入方式有電信號注入和光信號注入兩種，在光纖系統中，CCD接收的信號是由光纖傳來的光信號，即采用光注入CCD。

當光照到CCD時，在柵極附近的耗盡區吸收光子產生電子-空穴對，在柵極電壓的作用下，多數載流子（空穴）流入襯底，少數載流子（電子）被收集在勢阱中，存儲起來。這樣能量高于半導體禁帶的光子，可以用來建立正比于光強的存儲電荷。光注入的方式常見的有：正面照射和背面照射方式。光電子技術17（5）、電荷檢測（輸出）

CCD輸出結構是將CCD傳輸和處理的信號電荷變換為電流或電壓輸出。

電荷輸出結構有多種形式，如電流輸出結構、浮置擴散輸出結構、浮置柵輸出結構等。浮置柵輸出結構應用最廣。光電子技術18

OG：輸出柵，FD：浮置擴散區，R:復位柵，RD:復位漏,T:輸出場效應管。

浮置柵是指在P型硅襯底表面用V族雜質擴散形成小塊的n+區域，當擴散區不被偏置，其處于浮置狀態。光電子技術19

電荷包的輸出過程：VOG為一定值的正電壓，在OG電極下形成耗盡層，使Φ3與FD之間建立導電溝道。在Φ3高電位期間，電荷包存儲在Φ3電極下面。隨復位柵R加正復位脈沖ΦR

，使FD區與RD區溝通。因VRD為正十幾伏的直流偏置電壓，則FD區的電荷被RD區抽走。復位正脈沖過去后，FD區與RD區呈夾斷狀態，FD區具有一定的浮置。之后Φ3轉變為底電位，Φ3電極下面的電荷包通過OG下的溝道轉移到FD區。光電子技術20

對CCD的輸出信號進行處理時，較多地采用了取樣技術，以去除浮置電平、復位高脈沖及抑制噪聲。

浮置柵CCD放大輸出信號的特點是：信號電壓是在浮置電平基礎上的負電壓；每個電荷包的輸出占有一定的時間長度T；在輸出信號中疊加有復位期間的高電平脈沖。光電子技術212、電荷耦合攝像器件的工作原理CCD的電荷存儲、轉移的概念+半導體的光電性質——CCD攝像器件

按結構可分為線陣CCD和面陣CCD

按光譜可分為可見光CCD、紅外CCD、X光CCD和紫外CCD

可見光CCD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD光電子技術22