新型固态光电传感器及图像CCD

第2章新型固态光电传感器Page2这一章有哪些内容？象限探测器（普通光敏器件阵列）自扫描光电二极管阵列（SSPD）电荷耦合器件（CCD）CCD器件在测量中的应用光电传感器的一些应用光电位置敏感器件（PSD）Page3第一节普通光敏器件阵列一、象限探测器利用光刻技术，将一个整块的圆形或方形光敏器件敏感面分隔成若干个面积相等、形状相同、位置对称的区域，而背面仍为整体，各分隔区引出导线，构成象限探测器。象限探测器可以用来确定光电在二维平面上的位置坐标。Page4象限探测器种类、电路形式典型器件：四象限光电二极管、四象限硅光电池、四象限光电倍增管及二象限的硅光电池和光敏电阻等。若采用四象限探测器来确定光斑的中心位置，则根据探测器坐标轴线和测量系统基准线间的安装角度不同，可采用不同的数据运算电路。象限探测器用来确定光点在二维平面上的位置坐标，一般用于准直、定位、跟踪等方面。Page5象限探测器种类、电路形式1.直差电路形式输出偏移量为：直差形式：电路简单，灵敏度不高器件的坐标线和基准线间成45度角安装，这种布置形式直接形成x，y轴各自具有两个对称的光电器件，分别两两独立地计算坐标值。BDxABCDACyABCDUUUKUUUUUUUKUUUUPage6象限探测器种类、电路形式2.和差电路形式Page7象限探测器种类、电路形式2.和差电路形式式中，代表四个探测器经放大后的输出电压值；K为电路放大系数，它与光斑直径和功率有关；分别表示光束在x方向和y方向偏离四象限探测器中心点的情况。ABCDUUUU、、、xyUU、Page8象限探测器种类、电路形式3.象限探测器的缺点1）需要分割，会产生死区，尤其当光斑很小时，死区的影响明显。2）被测光斑全部落入某象限时，输出电信号无法正确表示光斑位置，因此测量和控制范围都有限。3）测量精度与光强变化及漂移密切相关，因此分辨率和精度受到限制。Page9光敏管阵列二、光敏管阵列各光电管的同一极端连接在一起，另一端各自单独引出。阵列的每一个光电管称作像元，各像元以直线方式并列分布，每个像元各自分开，引线独立。Page10外形结构有可靠性高的多引线金属封装或者双列直插式陶瓷封装。各像元的外围信号处理电路可根据普通光敏管的电路设计方法加以设计和计算。光敏光阵列图2-5光敏元件阵列的信号引出Page11第二节自扫描光电二极管阵列（SSPD）SSPD器件内部集成了数字移位寄存器等电路，其工作方式为电荷存储方式。一、电荷存储工作原理Page12a）、预充电栅极Ug接高电平，开关VT闭合。偏置电源对二极管结电容充电，稳定时，SSPDdCQCUb）、曝光过程栅极Ug接低电平，开关VT断开。结电容通光电流和暗电流放电。()PPDSSQIITITcdCdQUUCPage13SSPDc）、循环充电过程栅极Ug再次接高电平，开关VT闭合。输出的峰值电压反映了光电二极管的光生电信号的大小。max/LccddUUUQCPage14SSPDMOS场效应管周期性地通断，电路将会不断重复“放电—充电—放电”的过程，负载上定期地输出信号，反映该时间像元的光照度大小。maxPSPSLddITSETUCC输出信号的最大值与入射光的辐照度和积分时间的乘积（即曝光量）成正比，与结电容成反比。因此增加积分时间或减小结电容均可提高器件的灵敏度。maxLUESTSHETdCmaxmax()dCSPCUHETSPage15二、线阵SSPD器件SSPD1）感光部分由N个光电二极管（VD1~VDn）等间距直线排列组成（线阵），所有N端连在一起，组成COM。每个光电管电气特性完全相同，包括受光面积A和结电容Cd。2）多路开光：由N个MOS管（VT1~VTn）组成，源极分别于对应的二极管P端相连。所有漏极接在一起，组成视频输出线（即Uo）。3）移位寄存器：移位寄存器提供各路MOS管的栅极扫描控制信号（负脉冲）。Page16当用一个帧起始脉冲S启动后，扫描开始，时钟信号使移位寄存器的端依次输出延迟一拍的负脉冲采样扫描信号。移位寄存器顺序输出的控制信号使多路开关VT1~VTn按顺序依次闭合、断开，从而依次把光电二极管VD1~VDn上的光电信号从视频线上输出，形成输出信号Uo。光电信号幅度随不同位置上的光照度大小而改变，形成一帧反映光敏区上光学图像特性的电图像输出信号。1~BBNUUSSPDPage17SSPD2、面阵SSPD器件同样由感光、多路开关和移位寄存器三部分构成，移位寄存器分水平和垂直扫描两块，感光部分以二维阵列分布。水平扫描电路输出的扫描信号H1~HM控制MOS开关VT1~VTn的通断，垂直扫描电路输出的扫描信号U1~UN控制每一像素内的MOS开关的栅极，从而把按二维空间分布照射在面阵上的光强信息转变为相应的电信号，从视频线上串行输出：XY寻址方式。Page18SSPD3、开关噪声及其补偿MOS开关在采样脉冲出现的瞬间，会出现微分状尖脉冲，并串入视频线上，在输出信号中产生较大的开关噪声，使信噪比降低。阵列补偿：在SSPD内增加一列补偿阵列，使用同样的MOS开关，同时用铝膜盖住阵列中的光电管，使之不产生光电信号，只输出和视频线上相同的开关噪声，把噪声和视频输出信号送入差放，就可以基本抵消开关噪声。Page19SSPD临近位相关法：用同一扫描信号控制两个MOS开关，分别与相邻两位二极管相连，两个MOS开关的漏极分别接噪声输出线和视频输出线。对某位采样时前一位二极管电容刚充满电荷，如果同时采样基本上只输出开关噪声信号。同样采用差分方式，可去掉视频信号中的噪声成分。Page20三、SSPD的主要特性参数SSPD1、光电特性在电荷存储工作方式下的SSPD器件，其光照引起的二极管输出电荷正比于曝光量，存在一个线性工作区。当曝光量达到某一值Hmax（饱和曝光量）后，输出电荷就达到最大值Qmax（饱和电荷），不再增加。Q最小允许起始脉冲周期Tsmin（由最高多路扫描频率决定）饱和照度Es=Hmax/TsminPage21SSPD2、暗信号SSPD器件的暗信号主要有：1）积分暗电流2）开关噪声3）热噪声在室温下，光电二极管的暗电流典型值小于1pA。与温度密切相关，温度每升高7摄氏度，暗电流约增加一倍。随器件温度升高，最大允许的积分时间缩短。如果降低器件的工作温度，例如采用液氮或半导体致冷，可使积分时间大大延长。这样便可以探测非常微弱的信号。热噪声是随机的、非重复性的波动，叠加在暗电平上，属于极限噪声，典型幅值为0.1%饱和电平，对大多数应用影响不大。3、动态范围SSPD器件的动态范围为输出饱和信号与暗场噪声信号之比值。Page22应用：输液监测中的光电传感器光电式液滴传感器一、液滴的光学特性2222(1)rlrrnrnr2=2.5~3mmr一般无液滴滴落时，光线直接投射到光敏元件的敏感面上；有液滴滴落时，光敏元件则接收到点光源的部分光线，两种情况下，接收到光强度不同，产生光电流也不同。Page23应用：输液监测中的光电传感器设光源为均匀发光光源，光强度为，光源所产生的平行光完全为光敏元件所接收；而经液滴会聚所产生的点光源相对于光敏元件光敏面锥角为的锥体的光束被光敏元件所接收；0O322DD22311222()()DrxDrDD2121222(2)DxxrrDPage24应用：输液监测中的光电传感器根据上述分析,设计出下图所示的传感器。传感器由一对光电管构成，发光二极管发出平行光束，穿过茂菲式滴管到达光电二极管。二、光电式液滴传感器Page25应用：输液监测中的光电传感器三、信号调理电路26休息一会儿！CCD及图像传感器28CCD及图像传感器现代人类生活中，人们迫切需要获取信息，而人类获取的总信息量的80％以上是通过视觉器官得到的。所以图像传感器(ImagingSensor,缩写为IS，又称成像器件、摄像器件)作为现代视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展(光谱拓宽、灵敏度范围扩大)，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。29图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息(可见光和非可见光)、转换为按时序串行输出的电信号——视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。把空间图像转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描。CCD及图像传感器3050年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管(如光导摄像管、飞点扫描管等)来完成。60年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是MOS集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展，到70年代末期。已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛使用。CCD及图像传感器31CCD及图像传感器线阵固体图像感器的发展曲线（CCPD:电荷耦合光电二极管列阵）32固体图象传感器(SolidStateImagingSensor——缩写为SSIS)主要有三大类型、一种是电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice简称CCD)，第二种是MOS图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(SelfScannedPhotodiodeArray，简称SSPA)，第三种是电荷注入器件(ChargeInjectionDevice，简称CID)。目前，前两种用得比较多。CCD及图像传感器33同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：(1)全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性好．可靠性高，寿命长。(2)基本上不保留残象(电子束摄象管有15~20％的残象)，无象元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。(3)红外敏感性。硅的SSPA光谱响应：0.20~1.0；CCD可作成红外敏感型；CID主要用于光谱响应大于3~5的红外敏感器件。(4)象元尺寸的几何位置精度高，因而可用于不接触精密尺寸测量系统。(5)视频信号与微机接口容易CCD及图像传感器34主要应用领域：①小型化黑白/彩色TV摄象机；②传真通讯系统；③光学字符识别（OCR:OpticalCharacterRecognition）；④工业检测与自动控制；⑤医疗仪器；⑥多光谱机载和星载遥感；⑦天文应用；⑧军事应用。CCD及图像传感器35一、CCD器件的结构CCD及图像传感器CCD摄像器件由光敏（光积分）单元和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成，每个光敏单元对应一个象素如下图所示。36一、CCD器件的结构CCD及图像传感器各单元的基本结构如右图所示，由金属、绝缘层、半导体构成。VG加正向偏压后在半导体内形成“电子势阱（耗尽区）”，势阱的深度由VG的大小来控制。电子势阱可以用来存放电子，这些电子的注入方式既可用“光注入”（光敏单元采用光注入），也可以用“电注入”（转移电荷时采用电注入）。37一、CCD器件的结构CCD及图像传感器对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下，半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱俘获。这种光生电子作为反映光强的载体——电荷包被收集，成为光电荷注入，这就是CCD摄像器件的光电变换过程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。光线38一、CCD器件的结构CCD及图像传感器光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。光线39一、CCD器件的结构CCD及图像传感器读出移位寄存器的工作原理是依靠MOS电容与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当MOS电容栅压VG增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当VG增加，势阱变深；当VG减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。40CCD及图像传感器对于二维CDD