固体图像传感器

光电式传感器

固体图像传感器 image solid transducer 采用固体图像敏感器件将二维图像变换为电信号的光电式传感器。固体图像敏感器件是高度集成化(即固体化)的半导体光敏元阵列。70年代以来,随着硅半导体工艺和集成电路技术的发展，已能在大尺寸的硅衬底上制成特性均匀的半导体结、并能达到很高的集成度。这就为制造固体图像敏感器件创造了条件，使固体图像传感器迅速发展起来。与传统的摄像管（电真空器件）相比，固体图像传感器具有尺寸小、价廉、工作电压低、寿命长、性能稳定和图像边缘无畴变等优点。

核心组成

固体图像传感器由物镜、固体图像敏感器件、驱动电路和信息处理电路组成。物镜使图像在敏感器件的光敏区清晰地成像。固体图像敏感器件有一维和二维两种。在采用一维敏感器件的传感器中，由敏感器件完成一维扫描，同时将图像作另一维方向的移动，从而完成二维图像的扫描。二维图像敏感器件是光敏元的二维阵列,工作时每个光敏元本身对应着图像的一个像素,在驱动电路的作用下按行输出脉冲信号，每个脉冲的幅值与它所对应的像素的光强度成正比。最后，图像脉冲信号被送往信息处理电路进行放大和处理，变成适于后续设备接收处理的信号。固体图像敏感器件是图像传感器的核心，可分为电荷耦合器件、光电二极管阵列、电荷耦合光电二极管阵列和电荷注入器件4类。

电荷耦合器件

它的英文缩写为CCD,由美国贝尔实验室的W.S.博伊尔和G.E.史密斯于1970年发明。CCD有线阵和面阵两种。线阵最大达2048位(每位为一个光敏元)，相邻两位中心距在13～16微米间。驱动电路工作方式有再充电脉冲模式（最大扫描速度达10兆赫）及取样和保持方波输出模式（最大扫描速度达2兆赫）。CCD芯片是在N型或P型硅衬底上生长一薄层二氧化硅，然后在二氧化硅薄层上依次沉积金属电极形成规则排列的金属氧化物（MOS）电容器阵列,最后在两端加上输入输出二极管而制成。工作时,CCD通过电荷转移把光信号变换成电脉冲信号输出。脉冲幅度与它所对应的光敏元的受光强度（对应于图像的某个像素）成正比，而脉冲顺序则反映光敏元的位置。图1为一维CCD器件中电荷转移的原理图。它有64个光敏元，每个光敏元上有3个转移栅电极：1、2、3。光照时，因光子轰击而产生电子-空穴对，即光生电荷,其电荷量正比于入射光强度。通过驱动电路对 3个相邻电极分别加以时间上交迭的时钟脉冲电压φ1、φ2、φ3来实现光敏元电荷的转移。设在t1时刻φ1为低电平，使电极1下的N型硅衬底中的电子受排斥而离开二氧化硅界面（即产生一个势阱），而电极2、3分别加高电位的φ2、φ3（即产生势垒）,因此正电荷（空穴）受低电平电极1的吸引和高电平电极2的排斥而留在电极1之下(即落入势阱之中)。在t2时刻φ1、φ2为低电平，φ3仍为高电平，电荷开始向电极2之下转移。在t3时刻φ1、φ3为高电平,φ2为低电平,电荷全部移至电极2之下。继续下去电荷移到电极3之下。再继续下去光敏元64的光生电荷移到输出端经二极管输出，同时光敏元63的电荷进入64，62进入63等等。一直进行下去就在输出端G0依次得到光敏元64、63、62、…的电荷，经放大后就得到传输图像的电脉冲信号。还可在输入端C1输入被转移的电荷或用以补偿转移损失的电荷。

光电二极管阵列

它的英文缩写为SSPD，是在最新的集成电路技术的基础上发展起来的。SSPD也是制作在硅片上的，感光元件可采用光电二极管、光晶体管以及MOS二极管。SSPD也有线阵和面阵两种。线阵通常为256～1048位。相邻两位二极管的中心距为15～100微米。驱动电路工作方式为电压取样模式和再充电取样模式，扫描速度达10兆赫。图2是采用当前集成度最高的 MOS大规模集成电路制成的SSPD的示意图。图中将光电二极管排列在水平和垂直两个方向上构成光敏元阵列。MOS晶体管是扫描电路的开关管,它的双栅极接成“与电路”（见电子逻辑元件），以便在控制信号到来时读出光电二极管的敏感信号。SSPD的读出在垂直扫描电路控制下依行进行，并由水平扫描电路控制取出各行中每个光敏元的信号，这样就能在一条输出线上得到按行扫描的图像信号。

电荷耦合光电二极管

它的英文缩写为CCPD。CCPD以光电二极管作为光敏元并以电荷转移方式读出图像信号。它兼有 CCD噪声低和SSPD响应一致性好的优点。CCPD最大的线阵列达1728位，相邻两位中心距为16微米。驱动电路工作方式为再充电脉冲模式及取样和保持方波列输出模式。扫描速度为5兆赫。

电荷注入器件

它的英文缩写为CID。在CCD的读出过程中电荷要经过多次转移,而CID则采用完全不同的读出方式。CID的每个敏感元实际上由一个MOS电容器构成。除公共衬底外,还有两个电极。一个电极接到按X方向排列的引线上,另一电极接到按Y方向排列的引线上。电极电位不等于衬底电位时，电荷保持在电容器中。两电极电位同时等于衬底电位时，电荷就被注入衬底。光子在各敏感单元产生的电荷用X-Y寻址方式读出,当电荷从一个电极转移到另一电极时,可在它们注入衬底时探测,也可用非破坏性读出系统测出。CID主要采用二维阵列形式，在工业中尚未广泛应用。

主要应用

固体图像传感器可用于电视摄像、机器人视觉、图像识别、快速动态测量和信息存储等方面。在航天器的姿态确定和控制系统中，固体图像传感器可用作星敏感器，实现航天器相对于遥远恒星方位姿态的精确测量。在小零件的自动检测方面，经过适当的信息处理后，分辨率可达光敏元间距的1/10（微米量级），并可实现联机监测。当零件关键尺寸与储存在检测系统中的数据相差过大时，系统能产生“失效”信号，并自动舍弃超差零件。图3是采用固体传感器的钞票检查系统。该系统采用两个二维光敏元阵列，使两列钞票分别通过其下,并在各自的光敏元阵列上成像,从而分别输出两列图像信号，经过比较器处理后，能发现它们的不同特征,证实缺陷的存在。图4为防盗检测系统。系统采用二维光敏阵列制作的照相机监视关键部位（例如门）。现场用可见光或红外线照射，并用辅助电路计算被遮位的光敏元数目，从图像信息中能获得闯入者的性质，例如能分辨出鸟、猫或人。还可用带有光学系统的线阵或面阵图像传感器制成光学字符识别系统。这种系统能获得高达3000字/秒的分辨速度，能用于：①标准信件识别分选；②贴有价格标签的商品计价；③文字阅读机。

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