典型光電檢測(cè)器件

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1、1 光 電 檢 測(cè) 器 件 是 利 用 物 質(zhì) 的 光 電 效 應(yīng) 把光 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 電 信 號(hào) 的 器 件 .光 電 檢 測(cè) 器 件 分 為 兩 大 類 :光 子 (光 電 子 )檢 測(cè) 器 件熱 電 檢 測(cè) 器 件 2 光 照 射 到 物 體 表 面 上 使 物 體 發(fā) 射 電 子 、 或?qū)?電 率 發(fā) 生 變 化 、 或 產(chǎn) 生 光 電 動(dòng) 勢(shì) 等 ， 這種 因 光 照 而 引 起 物 體 電 學(xué) 特 性 發(fā) 生 改 變 統(tǒng)稱 為 光 電 效 應(yīng) 光 電 效 應(yīng) 包 括 外 光 電 效 應(yīng) 和 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 3 外 光 電 效 應(yīng) ： 物 體 受 光 照 后 向 外 發(fā) 射

2、 電 子 多 發(fā) 生 于 金 屬 和 金 屬 氧 化 物 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) ： 物 體 受 到 光 照 后 所 產(chǎn) 生 的 光 電子 只 在 物 質(zhì) 內(nèi) 部 而 不 會(huì) 逸 出 物 體 外 部 多發(fā) 生 在 半 導(dǎo) 體 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 又 分 為 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 和 光 生 伏 特 效應(yīng) 4 紫 外 管 當(dāng) 入 射 紫 外線 照 射 在 紫 外 管陰 極 板 上 時(shí) ， 電子 克 服 金 屬 表 面對(duì) 它 的 束 縛 而 逸出 金 屬 表 面 ， 形成 電 子 發(fā) 射 。 紫外 管 多 用 于 紫 外線 測(cè) 量 、 火 焰 監(jiān)測(cè) 等 。 紫 外 線 5 n光 電 管 光 電 管 的

3、陰 極 受到 從 光 窗 透 進(jìn) 的 光照 射 后 ， 向 真 空 發(fā)射 光 電 子 ， 這 些 光電 子 向 陽 極 作 加 速運(yùn) 動(dòng) ， 形 成 空 間 電子 流 ， 光 電 流 的 數(shù)值 取 決 于 陰 極 的 靈敏 度 與 光 強(qiáng) 。 停 止光 照 ， 外 電 路 將 無電 流 輸 出 。 陽 極陰 極 AKAK 6 K為 光 電 陰 極 ,A為 光 電 陽 極 ； D1、 D2、D3等 若 干 個(gè) 光 電 倍 增 極 (又 稱 二 次 發(fā) 射 極 )，涂 有 光 敏 物 質(zhì) 。 光 電 倍 增 管 光 電 倍 增 管 的電 流 是 逐 級(jí) 增 加的 。 由 于 光 電 倍增 管 具

4、有 放 大 作用 ， 因 此 適 用 做靈 敏 的 弱 光 探 測(cè)器 。 7 8 光 敏 電 阻 ： 當(dāng) 光 敏 電 阻 受 到 光 照 時(shí) ， 阻 值 減 小 。 9 10 紅 外 發(fā) 射 管紅 外 接 收 管 11 光 熱 效 應(yīng) ： 材 料 受 光 照 射 后 ， 光 子 能 量 與 晶 格 相互 作 用 ， 振 動(dòng) 加 劇 ， 溫 度 升 高 ， 材 料 的 性 質(zhì) 發(fā) 生變 化 熱 釋 電 效 應(yīng) ： 介 質(zhì) 的 極 化 強(qiáng) 度 隨 溫 度 變 化 而 變化 ， 引 起 電 荷 表 面 電 荷 變 化 的 現(xiàn) 象 輻 射 熱 計(jì) 效 應(yīng) ： 入 射 光 的 照 射 使 材 料 由 于

5、 受 熱而 造 成 電 阻 率 變 化 的 現(xiàn) 象 溫 差 電 效 應(yīng) ： 由 兩 種 材 料 制 成 的 結(jié) 點(diǎn) 出 現(xiàn) 穩(wěn) 差而 在 兩 結(jié) 點(diǎn) 間 產(chǎn) 生 電 動(dòng) 勢(shì) ， 回 路 中 產(chǎn) 生 電 流 12 13 光 電 管 光 電 倍 增 管 真 空 攝 像 管 變 像 管 像 增 強(qiáng) 管 光 敏 電 阻 光 電 池 光 電 二 極 管 光 電 三 極 管 光 纖 傳 感 器電 荷 耦 合 器 件 CCD CMOS 熱 電 偶 /熱 電 堆 熱 輻 射 計(jì) /熱 敏 電阻 熱 釋 電 探 測(cè) 器 14 CCD- Charge Coupled DeviceCMOS- Complementa

6、ry Metal- Oxide SemiconductorCIS（ 接 觸 式 圖 像 傳 感 器 ） 15 提 到 CCD與 CMOS， 不 得 不 說 到 數(shù) 碼 相 機(jī) 。 與 傳 統(tǒng) 相 機(jī) 相 比 ， 傳 統(tǒng) 相 機(jī) 使 用 “ 膠 卷 ” 作 為 其記 錄 資 訊 的 載 體 ， 而 數(shù) 碼 相 機(jī) 的 “ 膠 卷 ” 就 是 其成 像 感 光 器 件 ， 而 且 是 與 相 機(jī) 一 體 的 ， 是 數(shù) 碼 相機(jī) 的 心 臟 。 感 光 器 是 數(shù) 碼 相 機(jī) 的 核 心 ， 也 是 最 關(guān) 鍵 的 技 術(shù) 。 數(shù) 碼 相 機(jī) 的 發(fā) 展 道 路 ， 可 以 說 就 是 感 光 器

7、 的 發(fā) 展道 路 。 目 前 數(shù) 碼 相 機(jī) 的 核 心 成 像 部 件 有 兩 種 ： 一 種 是 廣泛 使 用 的 CCD（ 電 荷 耦 合 ） 元 件 ； 另 一 種 是 CMOS（ 互 補(bǔ) 金 屬 氧 化 物 半 導(dǎo) 體 ） 器 件 。 16 1.經(jīng) 過 鏡 頭 光 聚 焦 在CCD（ CMOS） 上 2.CCD（ CMOS） 將 光 轉(zhuǎn)換 成 電 信 號(hào) 3.經(jīng) 處 理 器 加 工 ， 記錄 在 記 憶 體 上 4.顯 示 器 輸 出 或 打 印 1.經(jīng) 過 鏡 頭 光 聚 焦 在膠 片 上 2.膠 片 上 的 感 光 劑 隨光 發(fā) 生 化 學(xué) 變 化 3.變 化 了 的 感 光

8、劑 膠片 經(jīng) 顯 影 液 顯 像 4.呈 現(xiàn) 在 相 紙 上 17 18 19 20 21 CCD（ Charge Coupled Device ） 電 荷 耦 合 元 件 CMOS（ Complementary Metal-Oxide Semiconductor） 互 補(bǔ) 性 氧 化 金 屬 半 導(dǎo) 體 22 C 上 感 光 元 件 的 表 面 具 有 儲(chǔ) 存 電 荷 的 能 力 ，以 百 萬 像 素 megapixel 為 單 位 。 光 電 轉(zhuǎn) 換 當(dāng) 其 表 面 感 受 到 光 線 時(shí) ， 會(huì) 將 電 荷反 應(yīng) 在 元 件 上 23 電 荷 耦 合 器 件 （ Charge Coupl

9、e Device） 是 一 種大 規(guī) 模 金 屬 氧 化 物 半 導(dǎo) 體 （ MOS） 集 成 電 路 光 電 器 件 。它 以 電 荷 為 信 號(hào) ， 具 有 光 電 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 、 存 儲(chǔ) 、 轉(zhuǎn) 移 和 讀 出 信 號(hào) 電 荷 的 功 能 。CCD自 1970年 問 世 以 來 ， 由 于 其 獨(dú) 特 的 性 能 而 發(fā) 展迅 速 ， 廣 泛 應(yīng) 用 于 航 天 、 遙 感 、 工 業(yè) 、 農(nóng) 業(yè) 、 天 文及 通 訊 等 軍 用 及 民 用 領(lǐng) 域 信 息 存 儲(chǔ) 及 信 息 處 理 等 方面 ， 尤 其 適 用 以 上 領(lǐng) 域 中 的 圖 像 獲 取 。 24 25 1. CCD

10、的 結(jié) 構(gòu) 及 工 作 原 理CCD是 由 若 干 個(gè) 電 荷 耦 合 單 元 組 成 的 。 其 基 本 單元 是 MOS（ 金 屬 -氧 化 物 -半 導(dǎo) 體 ） 電 容 器 。 它 以P型 （ 或 N型 ） 半 導(dǎo) 體 為 襯 底 ， 上 面 覆 蓋 一 層 厚度 約 120 nm的 SiO2， 再 在 SiO2表 面 依 次 沉 積 一層 金 屬 電 極 而 構(gòu) 成 MOS電 容 轉(zhuǎn) 移 器 件 。 這 樣 一 個(gè)MOS結(jié) 構(gòu) 稱 為 一 個(gè) 光 敏 元 或 一 個(gè) 像 素 。 將 MOS陣列 加 上 輸 入 、 輸 出 結(jié) 構(gòu) 就 構(gòu) 成 了 CCD器 件 。 26 27 CCD的

11、突 出 特 點(diǎn) ： 是 以 電 荷 作 為 信 號(hào) ， 而不 同 于 其 它 大 多 數(shù) 器 件 是 以 電 流 或 者 電壓 為 信 號(hào) 。 它 將 光 敏 二 極 管 陣 列 和 讀 出 移 位 寄 存 器集 成 為 一 體 ， 構(gòu) 成 具 有 自 掃 描 功 能 的 圖像 傳 感 器 。 是 一 種 金 屬 氧 化 物 半 導(dǎo) 體（ MOS） 集 成 電 路 器 件 , 基 本 功 能 是 進(jìn) 行光 電 轉(zhuǎn) 換 電 荷 的 存 儲(chǔ) 和 電 荷 的 轉(zhuǎn) 移 輸 出 。 28 主 要 由 三 部 分 組 成 ： 信 號(hào) 輸 入 、 電 荷轉(zhuǎn) 移 、 信 號(hào) 輸 出 。 輸 入 部 分 ： 將

12、 信 號(hào) 電 荷 引 入 到 的 第 一個(gè) 轉(zhuǎn) 移 柵 極 下 的 勢(shì) 阱 中 ， 稱 為 電 荷 注 入 。光 注 入 ： 用 于 攝 像 機(jī) 。 用 光 敏 元 件 代 替 輸入 二 極 管 。 當(dāng) 光 照 射 CCD硅 片 時(shí) ， 在 柵 極 附近 的 半 導(dǎo) 體 體 內(nèi) 產(chǎn) 生 電 子 空 穴 對(duì) ， 其 多數(shù) 載 流 子 被 柵 極 電 壓 排 開 ， 少 數(shù) 載 流 子 則被 收 集 在 勢(shì) 阱 中 形 成 信 號(hào) 電 荷 。 29 在 柵 極 上 施 加 按 一 定 規(guī) 律 變 化 、 大 小超 過 閾 值 的 電 壓 ， 則 在 半 導(dǎo) 體 表 面 形 成 不 同深 淺 的 勢(shì)

13、 阱 。 勢(shì) 阱 用 于 存 儲(chǔ) 信 號(hào) 電 荷 ， 其 深度 同 步 于 信 號(hào) 電 壓 變 化 ， 使 阱 內(nèi) 信 號(hào) 電 荷 沿半 導(dǎo) 體 表 面 傳 輸 ， 最 后 從 輸 出 二 極 管 送 出 視頻 信 號(hào) 。 為 了 實(shí) 現(xiàn) 電 荷 的 定 向 轉(zhuǎn) 移 ， 在 CCD的 MOS陣 列上 劃 分 成 以 幾 個(gè) 相 鄰 MOS電 荷 為 一 單 元 的 循環(huán) 結(jié) 構(gòu) 。 一 位 CCD中 含 的 MOS個(gè) 數(shù) 即 為 CCD的像 素 。 30 A、 勢(shì) 阱 的 產(chǎn) 生 MOS的 金 屬 電 極 加 正 壓 ， 電 極 下 的P型 硅 區(qū) 域 內(nèi) 空 穴 被 趕 盡 ， 留 下 帶

14、負(fù) 電 荷的 負(fù) 離 子 ， 其 中 無 導(dǎo) 電 的 載 流 子 ， 形 成 耗盡 層 。 它 是 電 子 的 勢(shì) 阱 。 勢(shì) 阱 的 深 淺 取 決于 U的 大 小 。 31 B、 電 荷 的 存 儲(chǔ) 勢(shì) 阱 具 有 存 儲(chǔ) 電 荷 的 功 能 ， 勢(shì) 阱 內(nèi) 所吸 收 的 光 生 電 子 數(shù) 量 與 入 射 到 勢(shì) 阱 附 近 的光 強(qiáng) 成 正 比 。 CCD器 件 將 物 體 的 光 像 形 成 對(duì) 應(yīng) 的 電像 時(shí) ， 就 是 CCD器 件 中 上 千 個(gè) 相 互 獨(dú) 立 的MOS單 元 勢(shì) 阱 中 存 儲(chǔ) 與 光 像 對(duì) 應(yīng) 的 電 荷 量 。 32 C、 電 荷 的 輸 出在 輸

15、出 端 P型 硅 襯 底 上 擴(kuò) 散 形 成 輸 出 二 極 管 ， 二 極 管加 反 壓 ， 在 PN結(jié) 形 成 耗 盡 層 。 輸 出 柵 OG加 壓 使 電 荷轉(zhuǎn) 移 到 二 極 管 的 耗 盡 區(qū) ， 作 為 二 極 管 的 少 數(shù) 載 流 子形 成 反 向 電 流 輸 出 。 輸 出 電 流 的 大 小 與 電 荷 大 小 成正 比 ， 通 過 負(fù) 載 變 為 電 壓 輸 出 。 33 勢(shì) 阱 的 概 念0481216 UG = 5VUG = 10VUG = 15VUG 10V 10V空 勢(shì)阱 填 充1/3的 勢(shì)阱 全 滿 勢(shì) 阱lMOS電 容 存 儲(chǔ) 信 號(hào) 電 荷 的 容 量 Q

16、 = C OX UG A 34 三 相 CCD中 電 荷 的 轉(zhuǎn) 移 過 程2V 10V 2V 2V存 有 電 荷 的 勢(shì) 阱 35 2V 10V 210V 2V新 勢(shì) 阱l三 相 CCD中 電 荷 的 轉(zhuǎn) 移 過 程 36 2V 10V 10V 2Vl三 相 CCD中 電 荷 的 轉(zhuǎn) 移 過 程 37 2V 102V 10V 2V電 荷 移 動(dòng)l三 相 CCD中 電 荷 的 轉(zhuǎn) 移 過 程 38 2V 2V 10V 2Vl三 相 CCD中 電 荷 的 轉(zhuǎn) 移 過 程 39 l三 相 CCD中 電 荷 的 轉(zhuǎn) 移 過 程 2V10V1 10V2V2 10V2V 3 40 體 積 小 ， 可 靠

17、 性 高 ， 壽 命 長 。 空 間 分 辨 率 高 ， 可 以 獲 得 很 高 的 定 位 和 測(cè) 量 精 度 。 靈 敏 度 高 ， 動(dòng) 態(tài) 范 圍 大 ， 紅 外 敏 感 性 強(qiáng) ， 信 噪 比 高 。 高 速 掃 描 ， 基 本 上 不 保 留 殘 象 集 成 度 高 可 用 于 非 接 觸 精 密 尺 寸 測(cè) 量 系 統(tǒng) 。 無 像 元 燒 傷 、 扭 曲 ， 不 受 電 磁 干 擾 。 有 數(shù) 字 掃 描 能 力 。 像 元 的 位 置 可 由 數(shù) 字 代 碼 確 定 ， 便于 與 計(jì) 算 機(jī) 結(jié) 合 接 口 。 41 像 素 數(shù) 量 ， CCD尺 寸 ， 最 低 照 度 ， 信

18、噪 比 等 像 素 數(shù) 是 指 CCD上 感 光 元 件 的 數(shù) 量 。 44萬（ 768*576） 、 100萬 （ 1024*1024） 、 200萬（ 1600*1200） 、 600萬 （ 2832*2128） 信 噪 比 ： 典 型 值 為 46分 貝 感 光 范 圍 可 見 光 、 紅 外 42 線 陣 ： 光 敏 元 排 列 為 一 行 的 稱 為 線 陣 ，像 元 數(shù) 從 128位 至 5000位 不 等 ， 由 于 生 產(chǎn) 廠 家像 元 數(shù) 的 不 同 ， 市 場(chǎng) 上 有 數(shù) 十 種 型 號(hào) 的 器 件 可供 選 用 。 面 陣 CCD： 器 件 像 元 排 列 為 一 平

19、面 ， 它 包 含 若干 行 和 列 的 結(jié) 合 。 目 前 達(dá) 到 實(shí) 用 階 段 的 像 元 數(shù) 由 25萬 至 數(shù) 百 萬 個(gè)不 等 ， 按 照 片 子 的 尺 寸 不 同 有 1 3英 寸 、 l 2英 寸 、 2 3英 寸 以 至 1英 寸 之 分 。 43 44 每 次 只 拍 攝 圖 像 的 一 條 線 ， 這 種 CCD精 度 高 ，速 度 慢 ， 無 法 用 來 拍 攝 移 動(dòng) 的 物 體 ， 也 無法 使 用 閃 光 燈 。 傳 真 機(jī) 或 掃 描 儀 用 的 線 性 CCD每 次 捕 捉 一 細(xì)長 條 的 光 影 45其 他 CCD柯 達(dá) DSC系 列 46 CCD 的

20、像 素 本 身 只 會(huì) 對(duì) 光 的 強(qiáng) 度 有 反 應(yīng) ，對(duì) 光 的 色 彩 則 完 全 沒 有 分 辨 能 力 ， 所 以 單純 CCD 本 身 ， 只 能 拍 得 灰 度 的 影 像 。 如 果 要 拍 到 彩 色 的 影 像 ， 便 要 在 CCD 的 每一 個(gè) 像 素 前 加 上 三 原 色 的 濾 鏡 ， 使 每 一 個(gè)光 電 體 也 只 能 接 收 和 量 度 其 中 一 種 原 色 的光 度 強(qiáng) 弱 ： R 濾 鏡 可 讓 紅 光 通 過 ； G 濾 鏡只 讓 綠 光 通 過 ； B 濾 鏡 則 只 準(zhǔn) 藍(lán) 光 通 過 。 47 CCD 的 三 層 結(jié) 構(gòu) ：上 ： 增 光 鏡

21、片中 ： 色 塊 網(wǎng) 格下 ： 感 應(yīng) 線 路 48 面 陣 CCD處 理 色 彩 方 法 有 二 種 ： 1、 G-R-G-B（ 紅 、 綠 、 紅 、 綠 ） 2、 C-Y-G-M (青 一 黃 一 綠 一 洋 紅 ) 49 CCD 分 別 獲 得 了 影 像 的 三 原 色 光 度 數(shù) 據(jù) ，但 每 格 像 素 也 只 記 錄 著 其 中 一 種 原 色 的 訊號(hào) ， 所 以 要 靠 相 機(jī) 內(nèi) 的 彩 色 插 值 系 統(tǒng) ，利 用 旁 邊 其 他 的 像 素 ， 為 每 個(gè) 原 色 像 素 計(jì)算 出 其 余 兩 色 的 資 料 。 50 光 敏 元 件放 大 器A/D轉(zhuǎn) 換 器存 儲(chǔ)

22、器數(shù) 字 信 號(hào) 處 理 器計(jì) 算 機(jī) 接 口 電 路CMOS圖 像 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 簡 單處 理 功 能 多成 品 率 高價(jià) 格 低 廉特 點(diǎn)1969年（ Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS） 51SEMImaging System Pipeline 52圖 像 傳 感 器 從 目 標(biāo) 光 通 量 到 輸 出 電 壓 的 信 號(hào) 路 徑 。這 種 變 換 接 近 線 性 的 ， 并 且 由 三 個(gè) 主 要 的 參 數(shù) 控 制 ，即 外 量 子 效 率 、 積 分 時(shí) 間 （ t） 和 轉(zhuǎn) 化 增 益 。 53 CMOS（ 互 補(bǔ) 金

23、 屬 氧 化 物 半 導(dǎo) 體 ） 圖 像 傳 感器 出 現(xiàn) 于 1969年 ,它 是 一 種 用 傳 統(tǒng) 的 芯 片 工藝 方 法 將 光 敏 元 件 、 放 大 器 、 A/D轉(zhuǎn) 換 器 、存 儲(chǔ) 器 、 數(shù) 字 信 號(hào) 處 理 器 和 計(jì) 算 機(jī) 接 口 電 路 等集 成 在 一 塊 硅 片 上 的 圖 像 傳 感 器 件 ， 它 結(jié) 構(gòu) 簡單 、 處 理 功 能 多 、 成 品 率 高 和 價(jià) 格 低 廉 ， 有 著廣 泛 的 應(yīng) 用 前 景 。 54 55 56 57 （ 1） 光 照 特 性 CMOS傳 感 器 的 主 要 應(yīng) 用 也 是 圖 像 的 采 集 ， 也 要求 能 夠 適

24、 應(yīng) 更 寬 的 光 照 范 圍 。 因 此 也 必 須 采 用 非 線 性的 處 理 方 法 和 自 動(dòng) 調(diào) 整 曝 光 時(shí) 間 與 自 動(dòng) 增 益 等 處 理 方法 。 結(jié) 果 與 CCD相 機(jī) 一 樣 損 失 了 光 電 轉(zhuǎn) 換 的 線 性 ， 正因 為 此 項(xiàng) ， 它 也 受 限 于 灰 度 的 測(cè) 量 。 58 （ 2） 輸 出 特 性 CMOS圖 像 傳 感 器 的 突 出 優(yōu) 點(diǎn) 在 于 輸 出 特 性 ， 它可 以 部 分 輸 出 任 意 區(qū) 域 范 圍 內(nèi) 的 圖 像 。 （ 并 非 所 有CMOS傳 感 器 都 具 有 這 個(gè) 功 能 ） 。 這 個(gè) 特 性 在 跟 蹤 、

25、 尋 的 、 搜 索 及 室 外 拍 照 等 的 應(yīng)用 前 景 非 常 之 好 。 也 是 CCD傳 感 器 所 無 法 辦 到 的 。 59 （ 3） 光 譜 響 應(yīng) 光 譜 響 應(yīng) 受 半 導(dǎo) 體 材 料 限 制 ， 同 種 硅 材 料 的 光 譜響 應(yīng) 基 本 一 致 ， 與 CCD的 光 譜 響 應(yīng) 基 本 一 致 。（ 4） 光 敏 單 元 的 不 均 勻 性 光 敏 單 元 的 不 均 勻 性 是 CMOS圖 像 傳 感 器 的 弱 項(xiàng) ，因 為 它 的 光 敏 單 元 不 像 CCD那 樣 嚴(yán) 格 的 在 同 一 硅 片 上用 同 樣 的 制 造 工 藝 嚴(yán) 格 制 造 ， 因

26、此 遠(yuǎn) 不 如 CCD的 光 敏單 元 的 一 致 性 好 ， 但 是 它 內(nèi) 部 集 成 單 元 多 ， 處 理 能 力強(qiáng) 能 夠 彌 補(bǔ) 這 個(gè) 缺 陷 。 60 一 種 集 成 電 路 制 程 ， 可 在 硅 晶 圓 上 制作 出 PMOS（ P-channel MOSFET） 和NMOS（ N-channel MOSFET） 元 件 ， 由于 PMOS與 NMOS在 特 性 上 為 互 補(bǔ) 性 ， 因此 稱 為 CMOS。 CMOS具 有 只 有 在 電 晶 體 需 要 切 換 啟 動(dòng)時(shí) 才 需 耗 能 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 因 此 非 常 省 電 且發(fā) 熱 少 。 61 CMOS分 為 兩

27、 種 ：Passive Pixel Sensor -PPSActive Pixel Sensor -APS 62 CMOS成 像 器 件 的 像 敏 單 元 結(jié) 構(gòu) 像 敏 單 元 結(jié) 構(gòu) 指 每 個(gè) 成 像 單 元 的 電 路 結(jié) 構(gòu) ，是 CMOS圖 像 傳 感 器 的 核 心 組 件 。像 敏 單 元 結(jié) 構(gòu) 有 兩 種 類 型 ， 即 ：被 動(dòng) 像 敏 單 元 結(jié) 構(gòu) -PPS主 動(dòng) 像 敏 單 元 結(jié) 構(gòu) -APS 63 PPS的 像 素 包 括 一 個(gè) 光 敏 二 極 管 和 一 個(gè) 行 選 擇 MOS管 。PPS (Passive Pixel Sensor)讀 取 器 以 錯(cuò) 列

28、 “ 旋 轉(zhuǎn) 快 門 ” 的 方 式 每 次 執(zhí) 行 一 行 。 64 在 積 分 結(jié) 束 時(shí) ， 電 荷 經(jīng) 由 列 陣 的 電 荷 /電 壓放 大 器 讀 取 。 然 后 行 陣 中 的 放 大 器 和 光 敏二 極 管 在 下 行 讀 出 開 始 之 前 重 置 。PPS的 主 要 的 優(yōu) 勢(shì) 是 它 較 小 的 像 素 尺 寸 。缺 點(diǎn) ： 其 列 讀 取 器 讀 取 速 度 很 慢 ， 并 且容 易 受 到 噪 聲 和 干 擾 的 影 響 。 65 APS (Active Pixel Sensor) 漏 極 跟 隨 器 T2復(fù) 位 管 T1選 通 管 T3 FD (Floating

29、Diffusion) 66 3-T APS的 像 素場(chǎng) 效 應(yīng) 管 T1構(gòu) 成 光 電 二 極 管 的 負(fù) 載 ， 它 的 柵 極 接 在 復(fù) 位信 號(hào) 線 上 ， 當(dāng) 復(fù) 位 脈 沖 到 來 時(shí) ， T1導(dǎo) 通 ， 光 電 二 極 管 被瞬 時(shí) 復(fù) 位 ； 復(fù) 位 晶 體 管源 極 跟 隨 器 晶 體 管行 選 擇 晶 體 管而 當(dāng) 復(fù) 位 脈 沖 消 失 后 ， T1截 止 ， 光 電 二 極 管 開 始 積 分 光 信號(hào) 。 T2為 源 極 跟 隨 器 ， 它 將 光 電 二 極 管 的 高 阻 抗 輸 出 信 號(hào)進(jìn) 行 電 流 放 大 。T 3用 做 選 址 模 擬 開 關(guān) ， 當(dāng) 選

30、 通 脈 沖 到 來 時(shí) ， T3導(dǎo) 通 ， 使被 放 大 的 光 電 信 號(hào) 輸 送 到 列 總 線 上 。 67而 4-T APS結(jié) 構(gòu) 使 用 了 一 個(gè) 鉸 接 二 極 管 ， 它 較 3-T APS的像 素 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 增 加 了 一 個(gè) 傳 輸 門 和 一 個(gè) 懸 浮 式 的 擴(kuò) 散（ FD） 節(jié) 點(diǎn) 。在 積 分 結(jié) 束 時(shí) ， 光 敏 二 極 管 上 的 積 聚 電 荷 被 轉(zhuǎn) 移 到FD節(jié) 點(diǎn) 。 然 后 被 轉(zhuǎn) 移 的 電 荷 與 3-T結(jié) 構(gòu) 一 樣 以 電 壓 的方 式 讀 取 。 光 柵 型 有 源 像 素 結(jié) 構(gòu) 68 由 單 個(gè) MOS管 構(gòu) 成 列 的

31、選 擇 開 關(guān) ， 讓 位 于每 一 行 末 端 的 放 大 器 ， 能 夠 讀 取 行 、 列 交會(huì) 處 的 畫 素 所 積 存 的 電 子 訊 號(hào) 。 優(yōu) 點(diǎn) ： 電 路 簡 單 ， 不 會(huì) 占 掉 太 多 感 光 面 積 而 影 響到 感 測(cè) 器 的 靈 敏 度 （ sensitivity） ， 缺 點(diǎn) ： 訊 號(hào) 輸 出 線 路 阻 抗 高 ， 容 易 產(chǎn) 生 隨 機(jī) 噪 聲（ random noise） ， 使 影 像 品 質(zhì) 不 佳 。 69 70 電 路 是 由 二 個(gè) 或 二 個(gè) 以 上 的 MOS管 構(gòu) 成 具 有 放 大功 能 的 放 大 器 。 電 荷 信 號(hào) 在 像 素

32、 所 在 的 地 方 ， 即被 放 大 器 轉(zhuǎn) 換 成 電 壓 信 號(hào) ， 同 時(shí) 被 放 大 后 輸 出 至器 件 外 部 。 解 決 了 隨 機(jī) 噪 聲 的 問 題 。 不 過 由 于 放 大 器 的 線 路會(huì) 占 用 像 素 的 感 光 面 積 ， 使 器 件 的 靈 敏 度 降 低 ；另 外 ， 像 素 上 的 放 大 器 特 性 不 容 易 做 得 嚴(yán) 格 一 致 ，因 此 會(huì) 產(chǎn) 生 所 謂 的 固 定 圖 案 噪 聲 （ fixed pattern noise） ， 時(shí) 下 大 部 分 產(chǎn) 品 所 用 的CMOS 為 Active Pixel Sensor。 71 72Canon

33、 EOS 350D 數(shù) 碼 相 機(jī) 上 CMOS 元 件 73 所 有 CMOS CCD 陣 列 晶 片 都 安 裝 了 紅 外 線 濾 光 鏡 74 CCD / CMOS 分 為 三 個(gè) 區(qū) 域 ， 一 個(gè) 資 料 集 結(jié) 區(qū) ， 一 條 私 家 通 路 ， 一 條 公 家 通 路 75 在 資 料 集 結(jié) 區(qū) 之 上 有 一 塊 聚 焦 透 鏡 76 影 像 聚 焦 在 資 料 集 結(jié) 區(qū) 之 后 ， 資 料 會(huì) 先 送 到 私 家 通 路 77 再 由 私 家 通 路 送 到 公 家 通 路 ， 輸 送 至 CPU 作 運(yùn) 算 影 像 78 CCD、 CMOS圖 像 傳 感 器 都 是

34、利 用 硅 光 二極 管 （ photo-diode） 進(jìn) 行 光 、 電 的 轉(zhuǎn)換 。 在 相 同 解 析 度 下 ， CMOS價(jià) 格 比 CCD便 宜 ，但 是 CMOS器 件 產(chǎn) 生 的 圖 像 品 質(zhì) 相 比 CCD來 說 要 低 一 些 。 79 先 天 構(gòu) 造 不 同 兩 種 圖 像 傳 感 器 也 有 不 同 特 點(diǎn) CCD： 在 信 號(hào) 處 理 的 技 術(shù) 上 ， 是 在 快 門 關(guān) 閉 之 后 像 素 進(jìn) 行 轉(zhuǎn) 移 動(dòng) 作 ， 能 順 序 地 將 每 個(gè) 像 素 的 電 荷 信 號(hào) 傳 入 緩 沖 器 中 ， 并 由 底 端 的 線 路 輸 出 至 CCD旁 的 放 大 器

35、 進(jìn) 行 放 大 ， 串 行 由 ADC輸 出 ； 圖 像 處 理 過 程 較 為 復(fù) 雜 。 CMOS： 影 像 處 理 概 念 就 比 較 簡 單 ， 是 以 像 素 連 接 到 ADC， 光 電 轉(zhuǎn) 化 后 直 接 將 信 號(hào) 放 大 ， 再 經(jīng) 由 總 線 移 動(dòng) 至 ADC中 轉(zhuǎn) 換 成 數(shù) 字 信 號(hào) 。 80 CMOS制 程 、 量 產(chǎn) 良 品 率 上 優(yōu) 于 CCD 與 CCD相 比 之 下 ， CMOS屬 于 半 導(dǎo) 體 中 常 用 的CMOS制 程 ， 容 易 實(shí) 現(xiàn) 邏 輯 電 路 在 內(nèi) 的 SoC技 術(shù) ，CCD則 是 采 用 電 荷 傳 遞 的 方 式 輸 出 信

36、號(hào) ， 需 要 較為 復(fù) 雜 的 制 造 工 藝 。 CCD有 較 好 的 感 光 度 及 畫 質(zhì) 解 析 度 CMOS特 性 ， 因 為 在 每 一 個(gè) 畫 素 中 都 含 有 個(gè) A/D轉(zhuǎn) 換 電 路 （ A/D Converter） 及 ADC放 大 器 ，因 此 ， 便 影 響 到 像 素 感 光 區(qū) 域 表 面 積 的 大 小 ， 如果 以 同 樣 尺 寸 的 傳 感 器 、 大 小 一 樣 的 像 素 ， CCD感 光 度 就 優(yōu) 于 CMOS表 現(xiàn) 。 81 噪 聲 干 擾 是 CMOS最 大 缺 點(diǎn) ， CCD耗 電 量還 須 努 力 CMOS所 產(chǎn) 生 的 噪 聲 比 較 多

37、 ， 影 像 畫 面 效果 就 稍 差 一 些 。 CCD電 源 設(shè) 計(jì) 是 屬 于 被 動(dòng) 輸 出 電 壓 方 式 ，為 了 使 像 素 中 電 荷 能 在 平 順 移 動(dòng) 的 狀 態(tài) 下能 讓 圖 像 順 利 輸 出 ， 必 須 要 外 加 12伏 特（ V） 以 上 的 電 壓 82 CCD CMOS設(shè) 計(jì) 單 一 感 光 器 感 光 器 連 結(jié) 放 大 器靈 敏 度 同 樣 面 積 下 較 高 稍 低成 本 較 高 低解 析 度 高 傳 統(tǒng) 技 術(shù) 低 ， 新 的技 術(shù) 擺 脫 面 積 限 制噪 聲 單 一 放 大 器 主 控 -低 多 元 放 大 器 ， 誤 差大 -高耗 能 比 需

38、 外 加 電 壓 導(dǎo) 出 電荷 -高 低 83 CMOS 與 CCD 技 術(shù) 相 比 之 下 ， 有 幾 方 面 是 十 分 出 色 的 。 1. 低 耗 電 量 使 電 池 使 用 時(shí) 間 增 長 2. 低 熱 量 可 增 長 曝 光 時(shí) 間 ， 同 時(shí) 可 使 電 子 組 件 損 耗 減 低 3. 內(nèi) 置 感 測(cè) 快 門 可 處 理 動(dòng) 態(tài) 影 像 4. 攝 取 速 度 較 CCD快 84 對(duì) 于 CMOS來 說 ， 具 大 規(guī) 模 生 產(chǎn) ， 且 速 度快 、 成 本 較 低 ， CCD的 停 滯 不 前 相 比CMOS作 為 新 生 事 物 而 展 示 出 了 蓬 勃 的 活力 。 作

39、 為 典 型 的 圖 像 傳 感 器 ， CMOS以 已 經(jīng) 有逐 漸 取 代 CCD的 趨 勢(shì) ， 并 有 希 望 在 不 久 的將 來 成 為 主 流 的 圖 像 傳 感 器 。 85 由 于 技 術(shù) 上 的 限 制 ， CCD無 法 采 集 超 大 幅 的 圖 像 。而 CIS相 機(jī) 可 以 非 常 方 便 在 應(yīng) 用 于 超 大 幅 圖 像 的采 集 。 該 相 機(jī) 為 獨(dú) 立 的 組 件 模 塊 ， 可 方 便 地 應(yīng) 用于 各 種 圖 像 掃 描 采 集 系 統(tǒng) 。 CIS是 一 種 基 于 CMOS技 術(shù) 的 傳 感 器 ， 由 于 結(jié) 構(gòu)關(guān) 系 ， CIS技 術(shù) 通 常 只 用

40、 于 掃 描 儀 。 CIS掃 描 儀將 光 源 、 聚 焦 鏡 片 及 感 應(yīng) 器 一 同 固 定 于 一 個(gè) 外 罩內(nèi) ， 不 須 調(diào) 節(jié) 、 預(yù) 熱 ， 所 以 比 CCD掃 描 儀 起 動(dòng) 快 。CIS掃 描 儀 體 積 比 CCD掃 描 儀 更 小 ， 而 制 造 成 本也 更 少 。 86 產(chǎn) 品 指 標(biāo) ： 相 機(jī) 尺 寸 ： 700 100 200 mm 像 元 數(shù) ： 9500位 像 元 密 度 ： 16位 /mm 分 辨 率 ： 400dpi 掃 描 范 圍 ： 650mm 掃 描 速 度 ： 0.6ms/line 輸 出 接 口 ： CameraLink接 口 87 PM

41、T是 最 早 出 現(xiàn) 的 圖 像 傳 感 器 ， 從 五 十 年 代 發(fā) 展到 現(xiàn) 在 ， 技 術(shù) 已 經(jīng) 非 常 成 熟 ， 是 目 前 性 能 最 好 的傳 感 器 。 它 就 像 一 個(gè) 圓 柱 體 小 燈 泡 ， 直 徑 約 一 寸 ，長 度 約 二 寸 ； 內(nèi) 置 多 個(gè) 電 極 ， 將 進(jìn) 入 的 光 信 號(hào) 轉(zhuǎn)化 為 電 信 號(hào) ， 即 使 很 微 弱 的 光 線 也 可 準(zhǔn) 確 補(bǔ) 捉 。其 最 高 動(dòng) 態(tài) 范 圍 可 達(dá) 4.2， 相 對(duì) 于 其 它 類 型 只 能達(dá) 到 3.2-3.6的 傳 感 器 ， PMT要 勝 出 不 少 ； 而 且它 非 常 耐 用 ， 可 以 運(yùn) 作 十 萬 小 時(shí) 以 上 。 但 是 由 于其 造 價(jià) 相 當(dāng) 高 ， 只 能 應(yīng) 用 于 專 業(yè) 的 印 刷 、 出 版 業(yè)掃 描 儀 及 工 程 分 析 儀 等 。 88 89 相 機(jī) 的 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 ： 2000萬 像 素 ？ ？ 90 美 國 國 家 航 空 航 天 局 （ NASA） 特 別 研 制 的 一 部相 機(jī) ， 通 過 線 性 CCD掃 描 實(shí) 現(xiàn) 超 高 的88000 44000分 辨 率 照 片 ， 像 素 高 達(dá) 近 40億 ，未 壓 縮 的 原 文 件 大 小 達(dá) 24G。 91 92 93 94 95 96 97