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CCD传感器及其应用研究 |
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一、引言
图像传感器是利用光电器件的光一电转换功能，将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号“图像”的一种功能器件。
固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能化的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像点”，它们本身在空间上、电气上是彼此独立的。固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布。然后利用移位寄存器的功能将这些电荷包在时钟脉冲控制下实现读取与输出，形成一系列幅值不等的时序脉冲序列。
固态图像传感器与普通的图像传感器比，具有体积小、失真小、灵敏度高、抗振动、耐潮湿、成本低的特点。这些特色决定了它可以广泛用于自动控制和自动测量，尤其是适用于图像识别技术中。本文从分析固态图像传感器的原理出发，着重对它在测控及图像识别领域进行分析和探讨。
二、电荷祸合器件及工作原理
电荷藕合器件〔ChargeCoupleDevices，简称CCD)，是固态图像传感器的敏感器件，与普通的MOS,TTL等电路一样，属于一种集成电路，但CCD具有光电转换、信号储存、转移(传输)、输出、处理以及电子快门等多种独特功能。
电荷祸合器件CCD的基本原理是在一系列MOS电容器金属电极上，加以适当的脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷(少数载流子)的转移。如果所转移的信号电荷是由光像照射产生的，则CCD具备图像传感器的功能;若所转移的电荷通过外界注入方式得到的，则CCD还可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。
电荷祸合器件CCD的基本原理与金属一氧化物一硅(MOS)电容器的物理机理密切相关。因此。首先分析MOS电容器原理。
图1是热氧化P型Si(p-Si)衬底上淀积金属而构成的一只MOS电容器，若在某一时刻给它的金属电极加上正向电压咋，p-Si中的多数载流子(此时是空穴)便会受到排斥，于是，在Si表面处就会形成一个耗尽区。这个耗尽区与普通的pn结一样，同样也是电离受主构成的空间电荷区。并且，在一定条件下，凡越大，耗尽层就越深。这时，Si表面吸收少数载流子(此时是电子)的势(即表面势V;)也就越大。显而易见，这时的MOS电容器所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。据此，恰好可以利用“表面势阱”(简称势阱)这一形象比喻来说明MOS电容器在V;(或说在玲)作用下存储(信号)电荷的能力。习惯上，把势阱想象作一个桶，把少数载流子(信号电荷)想象成盛在桶底上的流体。在分析固态器件时，常常取半导体衬底内的电位为零，所以，取表面势环的正值增方向朝下更方便(图1(b))。
图3 MOS电容器及其表面势阱概念
表面势V;是一个非常重要的物理量。在图1Ca)所示的情况下，若所加Vc不超过某限定值时，则表面势为:
上式是由半导体内电位分布的泊松方程求解得到的。因为Xa是受VG控制的，所以V;也是Vc的函数。
CD的电荷(少数载流子)的产生有两种方式:电压信号注入和光信号注入。作为图像传感器，CCD接收的是光信号，即光信号注入法。当光信号照射到CCD硅片上时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子一空穴对。这时在栅极电压的作用下，多数载流子(空穴)将流入衬底，而少数载流子(电子)则被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来。
这样高于半导体禁带宽度的那些光子，就能建立起正比于光强的存储电荷。
由许多个MOS电容器排列而成的CCD，在光像照射下产生光生载流子的信号电荷，再使其具备转移信号电荷的自扫描功能，即构成固态图像传感器。
图2是光导摄像管与固态图像传感器的基本原理比较。图2ta)中，当入射光像信号照射到摄像管中间电极表面时，其上将产生与各点照射光量成比例的电位分布，若用电子束扫描中间电极，负载Rl上会产生变化的放电电流。由于光量不同而使负载电流发生变化，这恰是所需的输出电信号。所用电子束的偏转或集束，是由磁场或电场控制实现的。
图2 光导摄像管与固态图像传感器的基本原理比较
图2(b)所示的固态图像传感器的输出信号的产生，不需外加扫描电子束，它可以直接由自扫描半导体衬底上诸像素而获得。这样的输出电信号与其相应的像素的位置对应，无疑是更准确些，且再生图像失真度极小。显然，光导摄像管等图像传感器，由于扫描电子束偏转畸变或聚焦变化等原因所引起的再生图像的失真，往往是很难避免的。
失真度极小的固态图像传感器，非常适合测试技术及图像识别技术。此外，固态图像传感器与摄像管比，还有体积小、重量轻、坚固耐用、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强以及耗电少等许多优点，并且固态图像传感器的成本也较低。
三、固态传感器分类、结构及特性
从使用观点，可将固态图像传感器分为线型和面型固态图像传感器两类。根据所用的敏感器件不同，又可分为CCD,MOS线型传感器以及CCD,MOS面型传感器等线型固态图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面，面型固态图像传感器的发展方向主要用作磁带录像的小型照相机。本文主要介绍工程测试中常用到的线型固态图像传感器结构。
图3所示为线型固态图像传感器的结构。其感光部是光敏二极管线阵列，1728个PD作为感光像素位于传感器中央，两侧设置CCD转换寄存器。寄存器上面覆以遮光物。奇数号位的PD的信号电荷移往下侧的转移寄存器;偶数号位则移往上侧的转移寄存器。以另外的信号驱动CCD转移寄存器，把信电荷经公共输出端，从光敏二极管PD上依次读出。
图3 线型固态图像传感器的结构
图4 高灵敏度线性传感器截面构造
通常把感光部分的光敏二极管作成MOS形式，电极用多晶硅，多晶硅薄膜虽能透过光像。但是，它对蓝色光却有强烈的吸收作用，特别以荧光灯作光源应用时，传感器的蓝光波谱响应将变得极差。为了改善一情况，可在多晶硅电极上开设光窗。由于这种构造的传感器的光生信号电荷是在MOS电容器内生成、积蓄的，所以容量加大，动态范围也因此而大为扩展。图5是它的光谱响应特性。图中虚线表示只用多晶硅电极而未开设光窗的CCD的传感器特性;实线表示开设光窗形成的PD，信号电荷在MOS容器内积蓄的CCD传感器特性，显然，后者的蓝色光谱响应特性得到明显提高和改善，故称后者为高灵敏度线型固态图像传感器。
图5 高灵敏度传感器
固态图像传感器主要特性有:
①.调制传递函数MTF特性:固态图像传感器是由像素矩阵与相应转移部分组成的。固态的像素尽管己做得很小，并且其间隔也很微小，但是，这仍然是识别微小图像或再现图像细微部分的主要障碍。
②.输出饱和特性:当饱和曝光量以上的强光像照射到图像传感器上时，传感器的输出电压将出现饱和，这种现象称为输出饱和特性。产生输出饱和现象的根本原因是光敏二极管或MOS电容器仅能产生与积蓄一定极限的光生信号电荷所致。
③.暗输出特性:暗输出又称无照输出，系指无光像信号照射时，传感器仍有微小输出的特性，输出来源于暗〔无照)电流。
④.灵敏度:单位辐射照度产生的输出光电流表示固态图象传感器的灵敏度，它主要与固态图像传感器的像元大小有关。
⑥.弥散:饱和曝光量以上的过亮光像会在象素内产生与积蓄起过饱和信号电荷，这时，过饱和电荷便会从一个像素的势阱经过衬底扩散到相邻像素的势阱。这样，再生图像上不应该呈现某种亮度的地方反而呈现出亮度，这种情况称为弥散现象。
⑥.残像:对某像素扫描并读出其信号电荷之后，下一次扫描后读出信号仍受上次遗留信号电荷影响的现象叫残像。
⑦.等效噪声曝光量:产生与暗输出(电压)等值时的曝光量称为传感器的等效噪声曝光量。
四、固态图像传感器的应用
1、自动测量
图6是用线型固态图像传感器测量物体尺寸的基本原理图。
图6 用线型固态图像传感器测量物体尺寸的基本原理
利用几何光学知识可以很容易推导出被测对象长度L与系统诸参数之间的关系为:
因为固态图像传感器所感知的光像之光强，是被测对象与背景光强之差。因此，就具体测量技术而言，测量精度与两者比较基准值的选定有关，并取决于传感器像素数与透镜视场的比值。为提高测量精度应当选用像素多的传感器并且应当尽量缩短视场。
图7是尺寸测量的一个实例，所测对象为热轧板宽度。因为两只CCD线型传感器各只测量板端的一部分，这就相当于缩短了视场。当要求更高的测量精度时，可同时并用多个传感器取其平均值，也可以根据所测板宽的变化。将d做成可调的形式。
图7 热轧板宽自动测量原理
图7中所示CCD传感器是用来摄取激光器在板上的反射光像的，其输出信号用来补偿由于板厚度变化而造成的测量误差。整个系统由微处理机控制，这样可做到在线实时检测热轧板宽度。对于2m宽的热轧板，最终测量精度可达10.025%。工件伤痕及表面污垢测试检测原理基本上同于尺寸测量方法。
2、图像识别
(1)传真技术
用线型固态图像传感器作传真装置的输入环节，与通常用的机械扫描或电管式的相比，有许多优点，如机械转动部分少、可靠性好、速度快、而且体积小、重量轻。
图8是传真装置的输入环节示意图，光源是荧光灯，为使入射光量可调，可设置活动覆盖窗。
(2)光学文字识别装置
固态图像传感器还可用作光学文字识别装置的“读取头”。光学文字识别装置(OCR)的光源可用卤素灯。光源与透镜间设置红外滤光片以消除红外光影响。每次扫描时间为300Ns，因此，可作到高速文字识别。图9是OCR的原理图。经A/D变换后的二进制信号通过特别滤光片后，文字更加清晰。下一步骤是把文字逐个断切出来。以上处理称为“前处理”。前处理后，以固定方式对各个文字进行特征抽取。
图9 OCR原理图
最后，将抽取所得特征与预先置入的诸文字特征相比较以判断与识别输入的文字。
3、在线检查、识别与控制
CCD光电传感器的光电检测能力与微处理器〔NP)的信号处理能力结合起来便能大大扩展CCD的应用前景，例如用来对在线零件的图形检查与识别，从而提高了生产自动化的水平和产品质量。图10是一个线型CCD光电传感器对机械零件进行图形识别的例子。
图10 图形检查的工作原理
被测物是一个轴类零件，它在传输线上作等速运动。在光源的照射下，它的阴影依次扫过光电阵列，从而使传感器输出与阴影相对应的信号。将CCD输出的信号与传输线的运动速度信息同时输入微型计算机(NC)，根据输入信号进行处理和编译，然后再与”C中内存的标准图形信息进行比较，便可以计算出偏差信息，并由NC依据偏差大小作出判断后，发出指令对零件进行接收或剔除。CCD光电传感器和NC的配合目前已用来识别大规模集成电路(LSI)电路的焊点图案，不仅提高了自动化程度Izll，也使LSI电路的成品率大大提高。
五、结语
本文分析了固态图像传感器的工作原理、结构、特性以及在工业检测中的原理，从而说明了固态图像传感器当前在工业中的应用现状，由于固态图像传感器是一种高精度的检测传感器，其应用已渗透到工业生产的各部门，尤其在精细加工、机器人技术、工业自动化领域中有着广泛的应用，为我国国民经济发展起了重大作用。相信随着固态图像传感器制作技术的提高及图像处理软件的进一步发展，固态图像传感器的应用前景将更为广阔。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/25/2007) |
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