文档介绍：第5章光电成像探测器
图像传感器(image sensor)是一种将光学图像信息转换为电信号的装置,因其具有许多电真空成像器件无法比拟的优点而成为当今的主流成像器件。根据元件构成的不同,D(Charge Coupled Device,电荷耦合元件)plementary Metal-Oxide Semiconductor,金属氧化物半导体元件)两大类。
1969年10月19日,美国贝尔实验室(Bell Labs)的维拉·波义耳(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯(e E. Smith)D。当时贝尔实验室正在发展基于二极管阵列的影像电话(picture phone)和半导体气泡式内存(semiconductor bubble memory)。以这两种新技术为思路,波义耳和史密斯通过头脑风暴(brain storming)构思出一种装置,他们命名为“电荷‘气泡’元件”(Charge "Bubble" Devices)。这种装置最初用作半导体记忆装置。随后,1970年4月,D就此诞生。发展到今天,以CCD为代表的图像传感器已广泛应用在手机摄像头、照相机、科学研究、工业检测等方面。2009年,波义耳和史密斯因“发明了一种成像半导体电路——CCD”而与另外一名科学家高锟分享了当年的诺贝尔物理学奖。
D外的另一大分支,CMOS图像传感器是20世纪70年代在美国航空航天局(NASA, The National Aeronautics and Space Administration)的喷气推进实验室(JPL, Jet Propulsion Laboratory)诞生的,同CCD图像传感器几乎是同时起步的。两种成像传感器各有优缺点,我们将在后续章节对其进行比较。
此外,本章还将介绍图像的增强与变像技术,即如何将低于视觉阈值的微弱光和不可见光变换为人眼可见的状态。最后,我们将介绍图像传感器的几个典型的应用。
D)的基本原理
CCD包含光敏区域和移位寄存器组成的传输区域。一幅图像通过成像透镜投射到由电容器阵列组成的光敏区域,每个电容器上积累的电荷与入射到其上的光强成正比。D相机每次仅能获取图像上的一条线上的信息;D相机采用的是二维感光阵列,能够获取二维图像信息。由于对应图像的亮暗分布不同而使得对应的MOS电容器(像素)所积累的电荷不同,从而形成了图像的潜影。电荷传输控制电路可以使各个MOS电容器所储存的电荷依次传递给相邻的MOS电容器,最终进入电荷放大器,将电荷量转换为对应的电压信号。重复上述过程,可以使用控制电路将阵列中所有MOS电容器储存的电荷量按顺序转换为相应的电压信号。在数字装置中,这些电压先好将通过模数转换形成数字信号;在模拟装置中,则通过低通滤波形成连续的模拟信号,经处理后用于传输、记录、显示等。
MOS电容器的结构和工作原理
CCD的基本单元是MOS(Metal Oxide Semiconductor)电容器,,它是在半导体P型硅为衬底的表面上用氧化的办法生成的一层厚度约20nm-150nm的二氧化硅(SiO2),再在二氧化硅表面蒸镀一层金属(如铝),在衬底和金属电极间加上偏置电压,就构成了一个MOS电容器。
图5-1 MOS电容器的结构示意图
在没有施加偏置电压时,作为P型半导体中多数载流子的空穴是均匀分布的。当在电极施加正偏置电压时,空穴被排斥,产生耗尽区。作为少数载流子的电子受电场吸引进入耗尽区,耗尽区对于电子而言成为势能较低的区域,称为“势阱”。当具有一定波长的光子入射到P型硅,P型硅价带的电子将吸收光子的能量而跃迁至导带,产生新的电子-空穴对,称为光生电荷(photogenerated charge),其中产生的电子被势阱所收集,空穴则被排斥出耗尽层。这样的MOS单元叫做光敏单元或像素(Pixel)。
一个光敏单元所搜集的所有光生电荷合起来被称为一个电荷包(charge packet)。电荷存储于MOS电容器中的硅-二氧化硅交界处,其厚度仅有数十纳米。当有更多的光生电荷产生并进入势阱时,势阱的势能不断降低。当势阱的势能低至零时,就无法吸收多余的光生电荷了。这种状态称为饱和(saturation)。
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与半导体近代宽度Eg的关系决定,
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式中,λc为保证产生光生电荷的最长波长,单位为μm,Eg为半导体禁带宽度,对于硅材料,,。D工作波长的上限。高于此波长的光由于无法导致电子跃迁而不能产生光生电荷。D的工作波长呢?答案是否定的,D而言,由于硅在380nm以下的紫外波段的吸收系数大,导致其穿