CCD傳感器及其應用研究

2013-05-24 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 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)換為與光像成相應比例關(guān)系的電信號“圖像”的一種功能器件。

固態(tài)圖像傳感器是指在同一半導體襯底上布設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”,它們本身在空間上、電氣上是彼此獨立的。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圖像轉(zhuǎn)換成電信號“圖像”,即將光強的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強成比例的、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鐘脈沖控制下實現(xiàn)讀取與輸出,形成一系列幅值不等的時序脈沖序列。

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、耐潮濕、成本低的特點。這些特色決定了它可以廣泛用于自動控制和自動測量,尤其是適用于圖像識別技術(shù)中。本文從分析固態(tài)圖像傳感器的原理出發(fā),著重對它在測控及圖像識別領域進行分析和探討。

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、信號儲存、轉(zhuǎn)移(傳輸)、輸出、處理以及電子快門等多種獨特功能。

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?shù)拿}沖電壓,排斥掉半導體襯底內(nèi)的多數(shù)載流子,形成“勢阱”的運動,進而達到信號電荷(少數(shù)載流子)的轉(zhuǎn)移。如果所轉(zhuǎn)移的信號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、信號處理、數(shù)據(jù)存儲以及邏輯運算等功能。

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(此時是空穴)便會受到排斥,于是,在Si表面處就會形成一個耗盡區(qū)。這個耗盡區(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,Si表面吸收少數(shù)載流子(此時是電子)的勢(即表面勢V;)也就越大。顯而易見,這時的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“表面勢阱”(簡稱勢阱)這一形象比喻來說明MOS電容器在V;(或說在玲)作用下存儲(信號)電荷的能力。習慣上,把勢阱想象作一個桶,把少數(shù)載流子(信號電荷)想象成盛在桶底上的流體。在分析固態(tài)器件時,常常取半導體襯底內(nèi)的電位為零,所以,取表面勢環(huán)的正值增方向朝下更方便(圖1(b))。

CCD傳感器及其應用研究cfd分析案例圖片1

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

CCD傳感器及其應用研究cfd分析案例圖片2

上式是由半導體內(nèi)電位分布的泊松方程求解得到的。因為Xa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:電壓信號注入和光信號注入。作為圖像傳感器,CCD接收的是光信號,即光信號注入法。當光信號照射到CCD硅片上時,在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子一空穴對。這時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)則被收集在勢阱中,形成信號電荷存儲起來。

這樣高于半導體禁帶寬度的那些光子,就能建立起正比于光強的存儲電荷。

由許多個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電荷,再使其具備轉(zhuǎn)移信號電荷的自掃描功能,即構(gòu)成固態(tài)圖像傳感器。

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

CCD傳感器及其應用研究cfd分析案例圖片3

圖2(b)所示的固態(tài)圖像傳感器的輸出信號的產(chǎn)生,不需外加掃描電子束,它可以直接由自掃描半導體襯底上諸像素而獲得。這樣的輸出電信號與其相應的像素的位置對應,無疑是更準確些,且再生圖像失真度極小。顯然,光導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、堅固耐用、抗沖擊、耐震動、抗電磁干擾能力強以及耗電少等許多優(yōu)點,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,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、傳真和光學文字識別技術(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。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PD作為感光像素位于傳感器中央,兩側(cè)設置CCD轉(zhuǎn)換寄存器。寄存器上面覆以遮光物。奇數(shù)號位的PD的信號電荷移往下側(cè)的轉(zhuǎn)移寄存器;偶數(shù)號位則移往上側(cè)的轉(zhuǎn)移寄存器。以另外的信號驅(qū)動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。

CCD傳感器及其應用研究cfd分析案例圖片4

CCD傳感器及其應用研究cfd分析案例圖片5

CCD傳感器及其應用研究cfd分析案例圖片6

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,它對藍色光卻有強烈的吸收作用,特別以熒光燈作光源應用時,傳感器的藍光波譜響應將變得極差。為了改善一情況,可在多晶硅電極上開設光窗。由于這種構(gòu)造的傳感器的光生信號電荷是在MOS電容器內(nèi)生成、積蓄的,所以容量加大,動態(tài)范圍也因此而大為擴展。圖5是它的光譜響應特性。圖中虛線表示只用多晶硅電極而未開設光窗的CCD的傳感器特性;實線表示開設光窗形成的PD,信號電荷在MOS容器內(nèi)積蓄的CCD傳感器特性,顯然,后者的藍色光譜響應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,這仍然是識別微小圖像或再現(xiàn)圖像細微部分的主要障礙。

②.輸出飽和特性:當飽和曝光量以上的強光像照射到圖像傳感器上時,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,系指無光像信號照射時,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在象素內(nèi)產(chǎn)生與積蓄起過飽和信號電荷,這時,過飽和電荷便會從一個像素的勢阱經(jīng)過襯底擴散到相鄰像素的勢阱。這樣,再生圖像上不應該呈現(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:對某像素掃描并讀出其信號電荷之后,下一次掃描后讀出信號仍受上次遺留信號電荷影響的現(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)圖像傳感器的應用

1、自動測量

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。

CCD傳感器及其應用研究cfd分析案例圖片7

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

CCD傳感器及其應用研究cfd分析案例圖片8
CCD傳感器及其應用研究cfd應用技術(shù)圖片圖片9

因為固態(tài)圖像傳感器所感知的光像之光強,是被測對象與背景光強之差。因此,就具體測量技術(shù)而言,測量精度與兩者比較基準值的選定有關(guān),并取決于傳感器像素數(shù)與透鏡視場的比值。為提高測量精度應當選用像素多的傳感器并且應當盡量縮短視場。

圖7是尺寸測量的一個實例,所測對象為熱軋板寬度。因為兩只CCD線型傳感器各只測量板端的一部分,這就相當于縮短了視場。當要求更高的測量精度時,可同時并用多個傳感器取其平均值,也可以根據(jù)所測板寬的變化。將d做成可調(diào)的形式。

CCD傳感器及其應用研究cfd應用技術(shù)圖片圖片10

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,其輸出信號用來補償由于板厚度變化而造成的測量誤差。整個系統(tǒng)由微處理機控制,這樣可做到在線實時檢測熱軋板寬度。對于2m寬的熱軋板,最終測量精度可達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),與通常用的機械掃描或電管式的相比,有許多優(yōu)點,如機械轉(zhuǎn)動部分少、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),可設置活動覆蓋窗。

CCD傳感器及其應用研究cfd應用技術(shù)圖片圖片11

(2)光學文字識別裝置

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

最后,將抽取所得特征與預先置入的諸文字特征相比較以判斷與識別輸入的文字。

3、在線檢查、識別與控制

CCD光電傳感器的光電檢測能力與微處理器〔NP)的信號處理能力結(jié)合起來便能大大擴展CCD的應用前景,例如用來對在線零件的圖形檢查與識別,從而提高了生產(chǎn)自動化的水平和產(chǎn)品質(zhì)量。圖10是一個線型CCD光電傳感器對機械零件進行圖形識別的例子。

CCD傳感器及其應用研究cfd應用技術(shù)圖片圖片12

被測物是一個軸類零件,它在傳輸線上作等速運動。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應的信號。將CCD輸出的信號與傳輸線的運動速度信息同時輸入微型計算機(NC),根據(jù)輸入信號進行處理和編譯,然后再與”C中內(nèi)存的標準圖形信息進行比較,便可以計算出偏差信息,并由NC依據(jù)偏差大小作出判斷后,發(fā)出指令對零件進行接收或剔除。CCD光電傳感器和NC的配合目前已用來識別大規(guī)模集成電路(LSI)電路的焊點圖案,不僅提高了自動化程度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)圖像傳感器當前在工業(yè)中的應用現(xiàn)狀,由于固態(tài)圖像傳感器是一種高精度的檢測傳感器,其應用已滲透到工業(yè)生產(chǎn)的各部門,尤其在精細加工、機器人技術(shù)、工業(yè)自動化領域中有著廣泛的應用,為我國國民經(jīng)濟發(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一步發(fā)展,固態(tài)圖像傳感器的應用前景將更為廣闊。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學成才