CCD傳感器及其應(yīng)用研究

2013-05-24  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-www.br5w05v.cn  來源:仿真在線

一、引言

圖像傳感器是利用光電器件的光一電轉(zhuǎn)換功能,將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)“圖像”的一種功能器件。

固態(tài)圖像傳感器是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元與移位寄存器構(gòu)成的集成化、功能化的光電器件。光敏單元簡稱為“像素”或“像點(diǎn)”,它們本身在空間上、電氣上是彼此獨(dú)立的。固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)“圖像”,即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布。然后利用移位寄存器的功能將這些電荷包在時(shí)鐘脈沖控制下實(shí)現(xiàn)讀取與輸出,形成一系列幅值不等的時(shí)序脈沖序列。

固態(tài)圖像傳感器與普通的圖像傳感器比,具有體積小、失真小、靈敏度高、抗振動(dòng)、耐潮濕、成本低的特點(diǎn)。這些特色決定了它可以廣泛用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測量,尤其是適用于圖像識(shí)別技術(shù)中。本文從分析固態(tài)圖像傳感器的原理出發(fā),著重對(duì)它在測控及圖像識(shí)別領(lǐng)域進(jìn)行分析和探討。

    二、電荷禍合器件及工作原理

電荷藕合器件〔ChargeCoupleDevices,簡稱CCD),是固態(tài)圖像傳感器的敏感器件,與普通的MOS,TTL等電路一樣,屬于一種集成電路,但CCD具有光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移(傳輸)、輸出、處理以及電子快門等多種獨(dú)特功能。

電荷禍合器件CCD的基本原理是在一系列MOS電容器金屬電極上,加以適當(dāng)?shù)拿}沖電壓,排斥掉半導(dǎo)體襯底內(nèi)的多數(shù)載流子,形成“勢(shì)阱”的運(yùn)動(dòng),進(jìn)而達(dá)到信號(hào)電荷(少數(shù)載流子)的轉(zhuǎn)移。如果所轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷是由光像照射產(chǎn)生的,則CCD具備圖像傳感器的功能;若所轉(zhuǎn)移的電荷通過外界注入方式得到的,則CCD還可以具備延時(shí)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及邏輯運(yùn)算等功能。

電荷禍合器件CCD的基本原理與金屬一氧化物一硅(MOS)電容器的物理機(jī)理密切相關(guān)。因此。首先分析MOS電容器原理。

圖1是熱氧化P型Si(p-Si)襯底上淀積金屬而構(gòu)成的一只MOS電容器,若在某一時(shí)刻給它的金屬電極加上正向電壓咋,p-Si中的多數(shù)載流子(此時(shí)是空穴)便會(huì)受到排斥,于是,在Si表面處就會(huì)形成一個(gè)耗盡區(qū)。這個(gè)耗盡區(qū)與普通的pn結(jié)一樣,同樣也是電離受主構(gòu)成的空間電荷區(qū)。并且,在一定條件下,凡越大,耗盡層就越深。這時(shí),Si表面吸收少數(shù)載流子(此時(shí)是電子)的勢(shì)(即表面勢(shì)V;)也就越大。顯而易見,這時(shí)的MOS電容器所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。據(jù)此,恰好可以利用“表面勢(shì)阱”(簡稱勢(shì)阱)這一形象比喻來說明MOS電容器在V;(或說在玲)作用下存儲(chǔ)(信號(hào))電荷的能力。習(xí)慣上,把勢(shì)阱想象作一個(gè)桶,把少數(shù)載流子(信號(hào)電荷)想象成盛在桶底上的流體。在分析固態(tài)器件時(shí),常常取半導(dǎo)體襯底內(nèi)的電位為零,所以,取表面勢(shì)環(huán)的正值增方向朝下更方便(圖1(b))。

表面勢(shì)V;是一個(gè)非常重要的物理量。在圖1Ca)所示的情況下,若所加Vc不超過某限定值時(shí),則表面勢(shì)為:

上式是由半導(dǎo)體內(nèi)電位分布的泊松方程求解得到的。因?yàn)閄a是受VG控制的,所以V;也是Vc的函數(shù)。

     CD的電荷(少數(shù)載流子)的產(chǎn)生有兩種方式:電壓信號(hào)注入和光信號(hào)注入。作為圖像傳感器,CCD接收的是光信號(hào),即光信號(hào)注入法。當(dāng)光信號(hào)照射到CCD硅片上時(shí),在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。這時(shí)在柵極電壓的作用下,多數(shù)載流子(空穴)將流入襯底,而少數(shù)載流子(電子)則被收集在勢(shì)阱中,形成信號(hào)電荷存儲(chǔ)起來。

這樣高于半導(dǎo)體禁帶寬度的那些光子,就能建立起正比于光強(qiáng)的存儲(chǔ)電荷。

由許多個(gè)MOS電容器排列而成的CCD,在光像照射下產(chǎn)生光生載流子的信號(hào)電荷,再使其具備轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷的自掃描功能,即構(gòu)成固態(tài)圖像傳感器。

圖2是光導(dǎo)攝像管與固態(tài)圖像傳感器的基本原理比較。圖2ta)中,當(dāng)入射光像信號(hào)照射到攝像管中間電極表面時(shí),其上將產(chǎn)生與各點(diǎn)照射光量成比例的電位分布,若用電子束掃描中間電極,負(fù)載Rl上會(huì)產(chǎn)生變化的放電電流。由于光量不同而使負(fù)載電流發(fā)生變化,這恰是所需的輸出電信號(hào)。所用電子束的偏轉(zhuǎn)或集束,是由磁場或電場控制實(shí)現(xiàn)的。

圖2(b)所示的固態(tài)圖像傳感器的輸出信號(hào)的產(chǎn)生,不需外加掃描電子束,它可以直接由自掃描半導(dǎo)體襯底上諸像素而獲得。這樣的輸出電信號(hào)與其相應(yīng)的像素的位置對(duì)應(yīng),無疑是更準(zhǔn)確些,且再生圖像失真度極小。顯然,光導(dǎo)攝像管等圖像傳感器,由于掃描電子束偏轉(zhuǎn)畸變或聚焦變化等原因所引起的再生圖像的失真,往往是很難避免的。

失真度極小的固態(tài)圖像傳感器,非常適合測試技術(shù)及圖像識(shí)別技術(shù)。此外,固態(tài)圖像傳感器與攝像管比,還有體積小、重量輕、堅(jiān)固耐用、抗沖擊、耐震動(dòng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)以及耗電少等許多優(yōu)點(diǎn),并且固態(tài)圖像傳感器的成本也較低。

    三、固態(tài)傳感器分類、結(jié)構(gòu)及特性

從使用觀點(diǎn),可將固態(tài)圖像傳感器分為線型和面型固態(tài)圖像傳感器兩類。根據(jù)所用的敏感器件不同,又可分為CCD,MOS線型傳感器以及CCD,MOS面型傳感器等線型固態(tài)圖像傳感器主要用于測試、傳真和光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等方面,面型固態(tài)圖像傳感器的發(fā)展方向主要用作磁帶錄像的小型照相機(jī)。本文主要介紹工程測試中常用到的線型固態(tài)圖像傳感器結(jié)構(gòu)。

圖3所示為線型固態(tài)圖像傳感器的結(jié)構(gòu)。其感光部是光敏二極管線陣列,1728個(gè)PD作為感光像素位于傳感器中央,兩側(cè)設(shè)置CCD轉(zhuǎn)換寄存器。寄存器上面覆以遮光物。奇數(shù)號(hào)位的PD的信號(hào)電荷移往下側(cè)的轉(zhuǎn)移寄存器;偶數(shù)號(hào)位則移往上側(cè)的轉(zhuǎn)移寄存器。以另外的信號(hào)驅(qū)動(dòng)CCD轉(zhuǎn)移寄存器,把信電荷經(jīng)公共輸出端,從光敏二極管PD上依次讀出。

通常把感光部分的光敏二極管作成MOS形式,電極用多晶硅,多晶硅薄膜雖能透過光像。但是,它對(duì)藍(lán)色光卻有強(qiáng)烈的吸收作用,特別以熒光燈作光源應(yīng)用時(shí),傳感器的藍(lán)光波譜響應(yīng)將變得極差。為了改善一情況,可在多晶硅電極上開設(shè)光窗。由于這種構(gòu)造的傳感器的光生信號(hào)電荷是在MOS電容器內(nèi)生成、積蓄的,所以容量加大,動(dòng)態(tài)范圍也因此而大為擴(kuò)展。圖5是它的光譜響應(yīng)特性。圖中虛線表示只用多晶硅電極而未開設(shè)光窗的CCD的傳感器特性;實(shí)線表示開設(shè)光窗形成的PD,信號(hào)電荷在MOS容器內(nèi)積蓄的CCD傳感器特性,顯然,后者的藍(lán)色光譜響應(yīng)特性得到明顯提高和改善,故稱后者為高靈敏度線型固態(tài)圖像傳感器。

固態(tài)圖像傳感器主要特性有:

①.調(diào)制傳遞函數(shù)MTF特性:固態(tài)圖像傳感器是由像素矩陣與相應(yīng)轉(zhuǎn)移部分組成的。固態(tài)的像素盡管己做得很小,并且其間隔也很微小,但是,這仍然是識(shí)別微小圖像或再現(xiàn)圖像細(xì)微部分的主要障礙。

②.輸出飽和特性:當(dāng)飽和曝光量以上的強(qiáng)光像照射到圖像傳感器上時(shí),傳感器的輸出電壓將出現(xiàn)飽和,這種現(xiàn)象稱為輸出飽和特性。產(chǎn)生輸出飽和現(xiàn)象的根本原因是光敏二極管或MOS電容器僅能產(chǎn)生與積蓄一定極限的光生信號(hào)電荷所致。

    ③.暗輸出特性:暗輸出又稱無照輸出,系指無光像信號(hào)照射時(shí),傳感器仍有微小輸出的特性,輸出來源于暗〔無照)電流。

④.靈敏度:單位輻射照度產(chǎn)生的輸出光電流表示固態(tài)圖象傳感器的靈敏度,它主要與固態(tài)圖像傳感器的像元大小有關(guān)。

⑥.彌散:飽和曝光量以上的過亮光像會(huì)在象素內(nèi)產(chǎn)生與積蓄起過飽和信號(hào)電荷,這時(shí),過飽和電荷便會(huì)從一個(gè)像素的勢(shì)阱經(jīng)過襯底擴(kuò)散到相鄰像素的勢(shì)阱。這樣,再生圖像上不應(yīng)該呈現(xiàn)某種亮度的地方反而呈現(xiàn)出亮度,這種情況稱為彌散現(xiàn)象。

⑥.殘像:對(duì)某像素掃描并讀出其信號(hào)電荷之后,下一次掃描后讀出信號(hào)仍受上次遺留信號(hào)電荷影響的現(xiàn)象叫殘像。

⑦.等效噪聲曝光量:產(chǎn)生與暗輸出(電壓)等值時(shí)的曝光量稱為傳感器的等效噪聲曝光量。

    四、固態(tài)圖像傳感器的應(yīng)用

    1、自動(dòng)測量

圖6是用線型固態(tài)圖像傳感器測量物體尺寸的基本原理圖。

利用幾何光學(xué)知識(shí)可以很容易推導(dǎo)出被測對(duì)象長度L與系統(tǒng)諸參數(shù)之間的關(guān)系為:

因?yàn)楣虘B(tài)圖像傳感器所感知的光像之光強(qiáng),是被測對(duì)象與背景光強(qiáng)之差。因此,就具體測量技術(shù)而言,測量精度與兩者比較基準(zhǔn)值的選定有關(guān),并取決于傳感器像素?cái)?shù)與透鏡視場的比值。為提高測量精度應(yīng)當(dāng)選用像素多的傳感器并且應(yīng)當(dāng)盡量縮短視場。

圖7是尺寸測量的一個(gè)實(shí)例,所測對(duì)象為熱軋板寬度。因?yàn)閮芍籆CD線型傳感器各只測量板端的一部分,這就相當(dāng)于縮短了視場。當(dāng)要求更高的測量精度時(shí),可同時(shí)并用多個(gè)傳感器取其平均值,也可以根據(jù)所測板寬的變化。將d做成可調(diào)的形式。

    圖7中所示CCD傳感器是用來攝取激光器在板上的反射光像的,其輸出信號(hào)用來補(bǔ)償由于板厚度變化而造成的測量誤差。整個(gè)系統(tǒng)由微處理機(jī)控制,這樣可做到在線實(shí)時(shí)檢測熱軋板寬度。對(duì)于2m寬的熱軋板,最終測量精度可達(dá)10.025%。工件傷痕及表面污垢測試檢測原理基本上同于尺寸測量方法。

    2、圖像識(shí)別

    (1)傳真技術(shù)

    用線型固態(tài)圖像傳感器作傳真裝置的輸入環(huán)節(jié),與通常用的機(jī)械掃描或電管式的相比,有許多優(yōu)點(diǎn),如機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分少、可靠性好、速度快、而且體積小、重量輕。

圖8是傳真裝置的輸入環(huán)節(jié)示意圖,光源是熒光燈,為使入射光量可調(diào),可設(shè)置活動(dòng)覆蓋窗。

    (2)光學(xué)文字識(shí)別裝置

固態(tài)圖像傳感器還可用作光學(xué)文字識(shí)別裝置的“讀取頭”。光學(xué)文字識(shí)別裝置(OCR)的光源可用鹵素?zé)?。光源與透鏡間設(shè)置紅外濾光片以消除紅外光影響。每次掃描時(shí)間為300Ns,因此,可作到高速文字識(shí)別。圖9是OCR的原理圖。經(jīng)A/D變換后的二進(jìn)制信號(hào)通過特別濾光片后,文字更加清晰。下一步驟是把文字逐個(gè)斷切出來。以上處理稱為“前處理”。前處理后,以固定方式對(duì)各個(gè)文字進(jìn)行特征抽取。

    最后,將抽取所得特征與預(yù)先置入的諸文字特征相比較以判斷與識(shí)別輸入的文字。

    3、在線檢查、識(shí)別與控制

CCD光電傳感器的光電檢測能力與微處理器〔NP)的信號(hào)處理能力結(jié)合起來便能大大擴(kuò)展CCD的應(yīng)用前景,例如用來對(duì)在線零件的圖形檢查與識(shí)別,從而提高了生產(chǎn)自動(dòng)化的水平和產(chǎn)品質(zhì)量。圖10是一個(gè)線型CCD光電傳感器對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行圖形識(shí)別的例子。

被測物是一個(gè)軸類零件,它在傳輸線上作等速運(yùn)動(dòng)。在光源的照射下,它的陰影依次掃過光電陣列,從而使傳感器輸出與陰影相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。將CCD輸出的信號(hào)與傳輸線的運(yùn)動(dòng)速度信息同時(shí)輸入微型計(jì)算機(jī)(NC),根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行處理和編譯,然后再與”C中內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)圖形信息進(jìn)行比較,便可以計(jì)算出偏差信息,并由NC依據(jù)偏差大小作出判斷后,發(fā)出指令對(duì)零件進(jìn)行接收或剔除。CCD光電傳感器和NC的配合目前已用來識(shí)別大規(guī)模集成電路(LSI)電路的焊點(diǎn)圖案,不僅提高了自動(dòng)化程度Izll,也使LSI電路的成品率大大提高。

    五、結(jié)語

本文分析了固態(tài)圖像傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、特性以及在工業(yè)檢測中的原理,從而說明了固態(tài)圖像傳感器當(dāng)前在工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀,由于固態(tài)圖像傳感器是一種高精度的檢測傳感器,其應(yīng)用已滲透到工業(yè)生產(chǎn)的各部門,尤其在精細(xì)加工、機(jī)器人技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用,為我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起了重大作用。相信隨著固態(tài)圖像傳感器制作技術(shù)的提高及圖像處理軟件的進(jìn)一步發(fā)展,固態(tài)圖像傳感器的應(yīng)用前景將更為廣闊。

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