第6章-光电成像系统.ppt

§ 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 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。 (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） １）ＣＣＤ的输入部分 （１）电注入：当ＣＣＤ用于信息存储或信息处理时，通过输入端注入与信号成正比的电荷。有两种方式，电流注入法和电压注入法。如图６.４（ａ） 所示为电流注入法结构，如图６.４（ｂ）所示为电压注入法结构。 （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。 三、CCD的基本功能 包括：电荷的产生、存储、转移和输出。 1、电荷的产生： 电荷的产生方法主要分为：光注入和电注入。 （1）电注入：当CCD用作信息存贮或信息处理时，通过输入端注入与信号成正比的电荷。 （2）光注入：当CCD用作拍摄光学图像时，把按照照度分布的光学图像通过光电转换成为电荷分布，然后由输入部分注入。 CCD相机就是采用光注入。 当有电荷注入时，耗尽层的深度将随电荷的增加而减少。 在电子逐渐填充势阱的过程中，势阱中能容纳多少电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小。 而表面势的大小又依栅极电压大小而定。 当有电荷注入时，耗尽层的深度将随电荷的增加而减小。在电子逐渐填充势阱的过程中，势阱中能容纳多少电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势ΦＳ的大小。而表面势的大小又依栅极电压ＵＧ 大小而定，它们的关系曲线如图６-８所示。 图６.９所示为栅极电压ＵＧ不变的情况下，表面势ΦＳ与反型层电荷密度ＱＩＮＶ之间的关系。由图６.９可以看出，表面势ΦＳ随反型层电荷密度ＱＩＮＶ的增加而线性减小。依据图６.８与图６.９所示的关系曲线，很容易用半导体物理中的“势阱” 概念来描述。电子所以被加有栅极电压的ＭＯＳ结构吸引到半导体与氧化层的交界面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度” 与栅极电压ＵＧ的关系恰如ΦＳ与ＵＧ 的关系，如图６.１０（ａ） 所示空势阱的情况。 ＣＣＤ的工作波长主要由ＭＯＳ电容器的材料性质决定。能否产生光生电荷由入射光子能量ｈγ与半导体禁带宽度Ｅｇ的关系决定： t1： 时钟驱动线Φ1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。 4、电荷的输出 ＣＣＤ的输出部分由输出栅（Ｏｕｔｐｕｔ Ｇｒｉｄ，ＯＧ） 和输出二极管（Ｏｕｔｐｕｔ Ｄｉｏｄｅ，ＯＤ） 组成，是指在电荷转移通道的末端，将电荷信号转换为电压或电流信号输出。 （１）电流输出结构。如图６.１２所示，由反向偏置二极管收集信号电荷来控制Ａ点电位的变化，直流偏置的输出栅极ＯＧ用来使漏扩散和时钟脉冲之间退耦，由于二极管反向偏置，形成一个深陷落信号电荷的势阱，转移到Ф２电极下的电荷包越过输出栅极，流入到深势阱中。 （2）面阵CCD分类： 帧转移CCD 和 行间转移CCD. 目前比较常用的形式是帧转移结构。光敏区是由光敏ＣＣＤ阵列构成的，其作用是光电变换和在自扫描正程时间内进行光积分，暂存区是由遮光的ＣＣＤ构成的，它的位数和光敏区一一对应，其作用是在自扫描逆程时间内，迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移到它里面暂存起来，如图６.１６所示。 然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而暂存区则利用这个时间，将电荷包一次一行地转移给ＣＣＤ移位寄存器，变为串行信号输出。当ＣＣＤ移位寄存器将其中的电荷包输出完了以后，暂存区里的电荷包再向下移动一行给ＣＣＤ移位寄存器。当暂存区中的电荷包全部转移完毕后，再进行第二帧转移，如图６.１７所示。 帧转移面阵ＣＣＤ的优点是电极结构简单，感光区面积可以很小。缺点是需要面积较大的暂存区。 行间转移结构采用了光敏区域转移区相间排列的方式。它的结构相当于将