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光电子技术学课件之十五： ——第五章光电成像系统 （ 1） §1 固体摄像器件

制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华

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教学目的1 、掌握 CCD 的结构和工作原理、光电 成像原理、光电成像光学系统； 2 、了解微光像增强器件和纤维光学成 像原理。

教学重点与难点 重点： CCD 的结构和工作原理、光电成像原理、 光电成像光学系统的组成。难点： CCD 的结构和工作原理、调制传递函数 的分析。

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§0 光电成像概述

一、光电成像系统的分类： 按照光电成像系统对应的光波长范围，光电成像系统可以分为：可见光、紫外光、红外光、 X 光光电成像系统。

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二、光电成像系统要研究的问题 光电成像涉及到一系列复杂的信号传递过程。有四个方面的问题需要研究：能量方面——物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题 成像特性——能分辨的光信号在空间和时间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率

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噪声方面——决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性

信息传递速率方面—— 成像特性、噪声信息传递问题，决定能被传递的信息量大小

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三、光电成像系统基本组成的框图

物体(信号源)

传输介质光学系统

(信号分析器)光电摄像器件(信号变换器) 显示器 人眼

光源光信号

光信号

光信号

信号

信号

背景噪声

背景噪声

噪声

噪声

其中光电成（摄）像器件是光电成像系统的核心。

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§1 固体摄像器件

固体摄像器件的功能：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。

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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，我们这里只分析CCD 一种。

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一、电荷耦合摄像器件 电荷耦合器件（ CCD ）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。

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（ 1 ）、 CCD 的基本结构包括：转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。构成 CC

D 的基本单元是 MOS 电容。

1 、电荷耦合器件的基本原理

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一系列彼此非常接近的 MOS 电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是 P 型或 N 型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。

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（ 2 ）、电荷存储 以衬底为 P 型硅构成的 MOS 电容为为例。

当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在 Si-SiO2界面处的电势发生变化，附近的 P 型硅中的多数载流子 -空穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过 MOS晶体管的开启电压，则在 Si-SiO2 界面处形成深度尽状态，电子在那里势能较低 - 形成了一个势阱。如有信号电子，将聚集在表面，实现电荷的存储。此时耗尽层变薄。势阱的深浅决定存储电荷能力的大小。

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（ 3 ）、电荷转移 CCD 的转移电极相数有二相、三相、四相等。对于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移，至少需要三相。这里以三相表面沟道 CCD 为例。 表面沟道器件，即 SCCD （ Surface Channel CCD ）——转移沟道在界面的 CCD 器件。

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表面沟道器件的特点： 工艺简单，动态范围大，但信号电荷的转移受表面态的影响，转移速度和转移效率底，工作频率一般在 1

0MHz 以下。

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体内沟道（或埋沟道 CCD ）： BCCD （ Bulk or Buried Channel CCD ）——用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达 99.999 ％以上，工作频率可高达 100MHz ，且能做成大规模器件。

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（ 4 ）、光信号的注入 CCD 的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种，在光纤系统中， CCD 接收的信号是由光纤传来的光信号，即采用光注入 CCD 。 当光照到 CCD 时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子 - 空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。

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（ 5 ）、电荷检测 （输出） CCD 输出结构是将 CCD 传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。

电荷输出结构有多种形式，如电流输出结构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构等。浮置栅输出结构应用最广。

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OG ：输出栅， FD ：浮置扩散区， R: 复位栅， RD: 复位漏 ,T: 输出场效应管。 浮置栅是指在 P 型硅衬底表面用 V族杂质扩散形成小块的 n+区域，当扩散区不被偏置，其处于浮置状态。

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电荷包的输出过程： VOG 为一定值的正电压，在 OG 电极下形成耗尽层，使Φ3 与 FD 之间建立导电沟道。在 Φ3高电位期间，电荷包存储在 Φ3 电极下面。随复位栅 R 加正复位脉冲ΦR ，使 FD 区与 RD区沟通。因 V RD为正十几伏的直流偏置电压，则 FD区的电荷被 RD区抽走。复位正脉冲过去后， FD 区与 RD区呈夹断状态， FD 区具有一定的浮置。之后Φ3 转变为底电位， Φ3 电极下面的电荷包通过 OG下的沟道转移到 FD 区。

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对 CCD 的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。

浮置 栅 CCD放大输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度 T ；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。

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2 、电荷耦合摄像器件的工作原理 CCD 的电荷存储、转移的概念 + 半导体的光电性质—— CCD 摄像器件 按结构可分为线阵 CCD 和面阵 CCD

按光谱可分为可见光 CCD 、红外 CCD 、X 光 CCD 和紫外 CCD

可见光 CCD 又可分为黑白 CCD 、彩色 CCD 和微光 CCD

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（ 1 ）线阵 CCD

线阵 CCD 可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构。下图 (a) 为单沟道， (b) 为双沟道。

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二、电荷耦合摄像器件的特性参数

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