固體圖像感測器

固體圖像感測器 image solid transducer 採用固體圖像敏感器件將二維圖像變換為電信號的光電式感測器。固體圖像敏感器件是高度集成化(即固體化)的半導體光敏元陣列。70年代以來,隨著矽半導體工藝和積體電路技術的發展，已能在大尺寸的矽襯底上製成特性均勻的半導體結、並能達到很高的集成度。這就為製造固體圖像敏感器件創造了條件，使固體圖像感測器迅速發展起來。與傳統的攝像管（電真空器件）相比，固體圖像感測器具有尺寸小、價廉、工作電壓低、壽命長、性能穩定和圖像邊緣無疇變等優點。

基本介紹

• 中文名：固體圖像感測器
• 外文名： image solid transducer
• 性質：光電式感測器
• 屬性：半導體光敏元陣列

組成

固體圖像感測器由物鏡、固體圖像敏感器件、驅動電路和信息處理電路組成。物鏡使圖像在敏感器件的光敏區清晰地成像。固體圖像敏感器件有一維和二維兩種。在採用一維敏感器件的感測器中，由敏感器件完成一維掃描，同時將圖像作另一維方向的移動，從而完成二維圖像的掃描。二維圖像敏感器件是光敏元的二維陣列,工作時每個光敏元本身對應著圖像的一個像素,在驅動電路的作用下按行輸出脈衝信號，每個脈衝的幅值與它所對應的像素的光強度成正比。最後，圖像脈衝信號被送往信息處理電路進行放大和處理，變成適於後續設備接收處理的信號。固體圖像敏感器件是圖像感測器的核心，可分為電荷耦合器件、光電二極體陣列、電荷耦合光電二極體陣列和電荷注入器件4類。

電荷耦合器件

它的英文縮寫為CCD,由美國貝爾實驗室的W.S.博伊爾和G.E.史密斯於1970年發明。CCD有線陣和面陣兩種。線陣最大達2048位(每位為一個光敏元)，相鄰兩位中心距在13～16微米間。驅動電路工作方式有再充電脈衝模式（最大掃描速度達10兆赫）及取樣和保持方波輸出模式（最大掃描速度達2兆赫）。CCD晶片是在N型或P型矽襯底上生長一薄層二氧化矽，然後在二氧化矽薄層上依次沉積金屬電極形成規則排列的金屬氧化物（MOS）電容器陣列,最後在兩端加上輸入輸出二極體而製成。工作時,CCD通過電荷轉移把光信號變換成電脈衝信號輸出。脈衝幅度與它所對應的光敏元的受光強度（對應於圖像的某個像素）成正比，而脈衝順序則反映光敏元的位置。圖1為一維CCD器件中電荷轉移的原理圖。它有64個光敏元，每個光敏元上有3個轉移柵電極：1、2、3。光照時，因光子轟擊而產生電子-空穴對，即光生電荷,其電荷量正比於入射光強度。通過驅動電路對 3個相鄰電極分別加以時間上交迭的時鐘脈衝電壓φ1、φ2、φ3來實現光敏元電荷的轉移。設在t1時刻φ1為低電平，使電極1下的N型矽襯底中的電子受排斥而離開二氧化矽界面（即產生一個勢阱），而電極2、3分別加高電位的φ2、φ3（即產生勢壘）,因此正電荷（空穴）受低電平電極1的吸引和高電平電極2的排斥而留在電極1之下(即落入勢阱之中)。在t2時刻φ1、φ2為低電平，φ3仍為高電平，電荷開始向電極2之下轉移。在t3時刻φ1、φ3為高電平,φ2為低電平,電荷全部移至電極2之下。繼續下去電荷移到電極3之下。再繼續下去光敏元64的光生電荷移到輸出端經二極體輸出，同時光敏元63的電荷進入64，62進入63等等。一直進行下去就在輸出端G0依次得到光敏元64、63、62、…的電荷，經放大後就得到傳輸圖像的電脈衝信號。還可在輸入端C1輸入被轉移的電荷或用以補償轉移損失的電荷。

光電二極體陣列

它的英文縮寫為SSPD，是在最新的積體電路技術的基礎上發展起來的。SSPD也是製作在矽片上的，感光元件可採用光電二極體、光電晶體以及MOS二極體。SSPD也有線陣和面陣兩種。線陣通常為256～1048位。相鄰兩位二極體的中心距為15～100微米。驅動電路工作方式為電壓取樣模式和再充電取樣模式，掃描速度達10兆赫。圖2是採用當前集成度最高的 MOS大規模積體電路製成的SSPD的示意圖。圖中將光電二極體排列在水平和垂直兩個方向上構成光敏元陣列。MOS電晶體是掃描電路的開關管,它的雙柵極接成“與電路”（見電子邏輯元件），以便在控制信號到來時讀出光電二極體的敏感信號。SSPD的讀出在垂直掃描電路控制下依行進行，並由水平掃描電路控制取出各行中每個光敏元的信號，這樣就能在一條輸出線上得到按行掃描的圖像信號。

電荷耦合光電二極體

它的英文縮寫為CCPD。CCPD以光電二極體作為光敏元並以電荷轉移方式讀出圖像信號。它兼有 CCD噪聲低和SSPD回響一致性好的優點。目前CCPD最大的線陣列達1728位，相鄰兩位中心距為16微米。驅動電路工作方式為再充電脈衝模式及取樣和保持方波列輸出模式。掃描速度為5兆赫。

電荷注入器件

它的英文縮寫為CID。在CCD的讀出過程中電荷要經過多次轉移,而CID則採用完全不同的讀出方式。CID的每個敏感元實際上由一個MOS電容器構成。除公共襯底外,還有兩個電極。一個電極接到按X方向排列的引線上,另一電極接到按Y方向排列的引線上。電極電位不等於襯底電位時，電荷保持在電容器中。兩電極電位同時等於襯底電位時，電荷就被注入襯底。光子在各敏感單元產生的電荷用X-Y定址方式讀出,當電荷從一個電極轉移到另一電極時,可在它們注入襯底時探測,也可用非破壞性讀出系統測出。CID主要採用二維陣列形式，在工業中尚未廣泛套用。

套用

固體圖像感測器可用於電視攝像、機器人視覺、圖像識別、快速動態測量和信息存儲等方面。在太空飛行器的姿態確定和控制系統中，固體圖像感測器可用作星敏感器，實現太空飛行器相對於遙遠恆星方位姿態的精確測量。在小零件的自動檢測方面，經過適當的信息處理後，解析度可達光敏元間距的1/10（微米量級），並可實現在線上監測。當零件關鍵尺寸與儲存在檢測系統中的數據相差過大時，系統能產生“失效”信號，並自動捨棄超差零件。圖3是採用固體感測器的鈔票檢查系統。該系統採用兩個二維光敏元陣列，使兩列鈔票分別通過其下,並在各自的光敏元陣列上成像,從而分別輸出兩列圖像信號，經過比較器處理後，能發現它們的不同特徵,證實缺陷的存在。圖4為防盜檢測系統。系統採用二維光敏陣列製作的照相機監視關鍵部位（例如門）。現場用可見光或紅外線照射，並用輔助電路計算被遮位的光敏元數目，從圖像信息中能獲得闖入者的性質，例如能分辨出鳥、貓或人。還可用帶有光學系統的線陣或面陣圖像感測器製成光學字元識別系統。這種系統能獲得高達3000字/秒的分辨速度，能用於：①標準信件識別分選；②貼有價格標籤的商品計價；③文字閱讀機。