电荷耦合器件CCD及其在安防中的应用

      1970年，美国贝尔实验室的W.B.Boyle和G.E.Smith等人成功地研制出了新型的电荷耦合器件（CCD）,从而揭开了电荷传输器件的序幕。随着光电与微电子技术的发展，CCD的发展异常迅速，并且在国民经济、军事、安防、科研直至生活等各个领域，均展现了十分广阔的应用。

       CCD是在MOS晶体管的基础上发展起来的，其基本结构是MOS（金属-氧化物-半导体）电容结构，如图4-5所示，它是在半导体P型硅（Si）作为衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度为100〜150nm的SiCh,再在SiCh表面蒸镀一层金属（如铝），在衬底和金属电极间加上一个偏置电压（称为栅电压），就构成了一个MOS电容器。所以，CCD是由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列构成的。若金属电极与半导体之间施加的栅电压为VG,则电压一部分降落在氧化层（SiO2）上，而另一部分降落在半导体与SiCh界面的半导体表面层，形成表面电势ΦS即 

UG=UO+ΦS            (4-1)

式中，Uo是降落在氧化层上的电压。由于氧化层是绝缘的，所以在绝缘层中无电荷，其电场是均匀的。当氧化层厚度一定时，半导体上的表面电势Φs由加在电极上的电压UG决定。

       (1)光电转换。当一束信号光投射到MOS电容上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型硅(Si)衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带，从而产生电子-空穴对。它们在外加电场的作用下，就会分别向电极两端移动，因而产生光生信号电荷。

       (2)电荷的存储。当栅极施加正偏压UG(此时UG小于P型半导体的阈值电压Uth)后，空穴被排斥，产生耗尽区。当U/G>Uth时，半导体与绝缘体界面上的表面势Φs变高到将半导体体内的电子(少数载流子)吸引到表面，形成一层极薄的(约10¯²μm)但电荷浓度很高的反型层。信号电子所以被吸引到氧化层与半导体的交界面处，是因为那里的势能最低，即存在势阱。据估算，势阱中能存储的电子数可高达106个。表面势与栅极电压％、氧化层厚度dox有关，即与MOS电容容量Cox与UG的乘积有关，因此，势阱的横截面积取决于栅极电极的面积，，所以MOS电容存储信号电荷的容量为

Q=COxUGA                         (4-2)

       (3)电荷的转移。三相CCD中电荷的转移过程如图4-6所示。取CCD中四个彼此靠得很近的电极来观察，若开始有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于阈值的较低电压(如2V)。设图4-6(a)为零时刻(初始时刻)，过t1时刻后，各电极上的电压变为如图4-6(b)所示，第二个电极仍保持为10V,第三个电极上的电压由2V变到10V,因这两个电极靠得很近(几μm),它们各自的对应势阱将合并在一起。即原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有，如图4-6(b)和图4-6(c)所示。若此后电极上的电压变为图4-6(d)所示，第二个电极电压由10V变为2V,第三个电极电压仍为10V,则共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中，如图4-6(e)所示。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。通常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。CCD的内部结构决定了使其正常工作所需的相数。图4-6所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形如图4-6(f)所示，这样的CCD称为三相CCD。其电荷传输方式必须在三相交叠脉冲的作用下才能以一定的方向，逐单元地转移。

图4-6   三相CCD中电荷的转移过程

       显然，CCD电极间隙必须很小，如电极间隙比较大，则两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，而不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极平滑地转移。能够产生电荷完全耦合（这就是电荷耦合器件名称的由来，显然它不是什么光耦合器件）条件的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因素决定。理论计算和实验证实，间隙的长度应小于3μm，这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的尺寸。当然，如果氧化层厚度、表面态密度不同，结果也会不同。但对绝大多数CCD,1μm的间隙长度是足够小的。

       值得指出的是，我们通常所说的CCD的位数的位，不是这里的一个栅电极。对三相CCD来说，电荷包转移了三个栅电极是时钟脉冲的一个周期，我们把这三个栅电极称为CCD的一个单元或CCD的一位，也就是我们通常所说的一个像元。显然，对二相CCD来说，就是两个栅电极为一位；对四相CCD则一位是四个栅电极了，所以千万不能混淆。

       如果将一系列的MOS电容器排列起来，并以两相、三相或四相工作方式把相应的电极并联在一起，并在每组电极上加上一定时序的驱动脉冲，这样就具备了CCD的基本功能。

       以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD,简称为N型CCD；而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD,简称为P型CCD。由于电子的迁移率（单位场强下的运动速度）远大于空穴的迁移率，因此，N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。

      由于光敏二极管和MOS电容器相比，具有灵敏度高、光谱响应宽、蓝光响应好、暗电流小等特点，因而目前CCD器件均釆用光电二极管代替过去的MOS电容器。将光电二极管反向偏置，就可在光电二极管中产生一个定向电荷区（称为耗尽区）。在定向电荷区中，光生电子和光生空穴分离，光生电子被收集在空间电荷区中。空间电荷区对带负电的电子是一个势能特别低的区域，即势阱。投射光产生的光生电荷就储存在这个势阱之中，势阱能够储存的最大电荷量又称为势阱容量，势阱容量与所加栅压近似成正比。

       CCD要想同其他器件一样加上电源就可以用，还必须要有电荷的输入、输出机构及外围驱动电路才行。

    （1）CCD的输入机构。CCD的输入机构即电荷的注入，一般电荷的注入可分为两类：光注入和电注入。

      ①光注入。当光照射到CCD硅片上时，在半导体体内产生电子-空穴对，其栅极附近的多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又可分为正面照射式及背面照射式。CCD摄像器件的光敏单元即为光注入方式，其光注入电荷为

式中，η为材料的量子效率；q为电子电荷量；△ne。为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积；Tc为光注入时间。

       ②电注入。CCD通过输入机构对信号电压或电流进行釆样，将信号电压或电流转换为信号电荷。电注入的方法很多，这里仅介绍常用的电流注入法。

       图4-7所示为电流注入法，由N+扩散区和P型衬底构成注入二极管。IG为CCD的输入栅，其上加适当的正偏压以保持开启，并作为基准电压。模拟输入信号UIN加在输入二极管ID上。当Φ2为高电平时，可将ID极（N+区）看作MOS场效应管的源极，1G为栅极，而Φ2为其漏极。当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为

式中，W为信号沟道宽度；LG为注入栅IG的长度；μ为载流子表面迁移率；Cox为注入栅IG的电容；UiG为输入栅的偏置电压；Uth为硅材料的阈值电压。

       在经过Tc时间的注入后，Φ2下势阱的信号电荷量为

       由式（4-5）可见，这种注入方式的信号电荷Qs不仅依赖于UIN和Tc，而且与输入二极管所加偏压的大小有关，因此Qs与UIN不是一种线性关系。

    （2）CCD的输出机构。在CCD中，信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合,但在输出端则不可避免。因此，要选择适当的输出电路，使之尽可能地减小时钟脉冲容性馈入输出电路的程度，即减小其容性干扰。目前，CCD输出方式很多，这里介绍一种电流输出方式。

      图4-8所示是使用较多的一种电流输出方式。当信号电荷转移到最末一个电极Φ2下的势阱中后，若Φ2电极上的电压由高变低时，信号电荷将通过加有恒定电压的输出栅OG下的势阱，进入反向偏置二极管（即图中N*区）中；因为这个二极管是反向偏置，它会形成一个深陷信号电荷的势阱，所以转移到Φ2电极下的电荷包会越过输岀栅，流入这个深势阱中。直流偏置的输出栅0G用来使漏扩散和时钟脉冲之间退耦。由反向偏置二极管收集来的信号电荷，使A点的电位发生变化。所以，可用A点的电位来检测注入输出二极管中的电荷量。若二极管输出电流为/D,则注入二极管中的信号电荷量Qs为

Qs=IDdt                                            （4-6）

       由此看出，输出电流/D与信号电荷量Qs呈线性关系。最后，A点的电位变化通过隔直电容由场效应管放大器输岀。此外，在图4-8中，A点上面的场效应复位管用于对输出二极管的深势阱复位，它导通让剩余电荷流入电源，从而使A点的电位恢复到原起始的电平，准备接收新的信号电荷。

     （3）CCD的外围驱动电路。为说明CCD需要外围驱动电路，现以日本东芝生产的线阵2048位TCD142D为实例进行介绍。线阵CCD国外已很成熟，目前已达7000位，国内只生产了低位数。TCD142D器件的管脚引线排列情况如图4-9所示。由图看出，该器件为二相CCD：需要相差180。的二路驱动脉冲Φ1与Φ2，一路转移控制脉Φsh,一路复位脉冲ΦR。其驱动脉冲的波形如图4-10所示。

       值得注意的是，由于结构上的安排，器件的OS输岀端首先输出12个虚设单元的脉冲，再输出51个暗信号脉冲后才连续输出2048个信号脉冲，最后输出11个暗电流脉冲，接下去输出多余无信号脉冲。由于该器件是两列并行传输，所以在一个Φsh周期中至少要有1061个Φ1脉冲，即TSH>1061X1。图4-10中的ΦR是复位脉冲，复位一次输岀一个光信号。器件的补偿输出DOS端，用于检取驱动脉冲（尤其复位脉冲）对输出电路的容性干扰信号，若将OS端与DOS端的输出分别送到差分放大器的两个输入端，则在输出端将得到被放大的没有驱动脉冲干扰的光电信号。 

图4-9TCD142D管脚排列图

图4-10       TCD142D摄像器驱动时钟脉冲

      由图4-9与图4-10可看出，TCD142D的外围驱动电路必须由两部分组成，即脉冲产生电路与驱动电路。据此，设计的原理电路框图如图4-11所示。

图TCD  142D 外围电路框图

       由图4-11可知，由晶体振荡器输出频率为4MHz的方波脉冲，经JK触发器分频得到频率为2MHz的方波脉冲，将4MHz与2MHz脉冲相与即经Φr脉冲形成电路而形成脉冲占空比为1：3的频率为2MHz的Φ1脉冲；将Φ1脉冲再经JK触发器分频而产生频率为1MHz的脉冲；经的脉冲形成电路而形成脉冲为1MHz的兩脉冲；将Φ1脉冲经反相器反相后而形成Φ2脉冲（1MHz）；将1MHz的脉冲送入分频器，经译码电路而由Φsh脉冲形成电路而产生周期Tsh>l061μs的转移控制脉冲ΦSH。至此，TCD142D所需的四路脉冲均已产生。这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加速电路送至DS0026驱动器以驱动TCD142D进入正常工作DS0026驱动器实际是一驱动门电路，它将电平由5V转为12V,并反相。

      显然，三相CCD外围驱动电路的配置，需围绕要产生相位差120。的三相驱动脉冲进行。如可用一片4联D触发器产生三相交叠脉冲，三个D触发器的时钟端CK联在一起，接到晶体振荡器的输出端，三个D触发器的复位端R也联在一起，接至开机自动复位电路上。至于Φsh与Φr，根据器件要求设计配置电路即可。

      （1）二相CCD。对于单层金属化电极结构，为了保证电荷定向转移，驱动脉冲至少需要三相。因为当信号电荷自Φ2电极向Φ3电极转移时，在Φ1电极下面要形成势垒，以阻止电荷倒流。如果用二相脉冲驱动，就必须在电极结构中设计并制造出某种不对称性，即由电极结构本身保证电荷转移的定向性。产生这种不对称性最常用的方法，是利用绝缘层厚度不同的台阶以及离子注入产生的势垒。现在多用二相硅铝交叠栅结构，这种交叠栅结构的第一层电极采用低电阻率多晶硅；第二层电极釆用铝栅，其栅下绝缘厚度与硅栅下不同，因而在相同栅压下形成势垒。相邻的一个铝栅（表面电极）和一个硅栅（SiCh中的电极）并联构成一相电极，加时钟脉冲Φ1；另一相电极加时钟脉冲Φ2。相对于硅栅，铝栅下面是势垒，其作用是将各个信号电荷包隔离，并限定电荷转移的方向。由于电荷将处在势阱比较深的右半部内，厚氧化区下方势垒阻挡住电荷，从而使电荷只能向右转移。

      （2）三相CCD。目前多用三相交叠硅栅结构，即使电极间隙极窄、转移沟道封闭的CCD的方法。最常见的是三层多晶硅交叠栅，其电极间隙仅为电极间氧化层的厚度，只有几百毫微米，且单元尺寸也小，沟道是封闭形式，因而广泛釆用。在工艺过程中，釆用氮化硅是在腐蚀多晶硅电极图形时，保护下面的氧化层。同样的电极结构也可以通过不采用氮化硅的工艺流程得到，即在每组电极下面重新生长氧化层。此外，还曾经用铝电极制成交叠栅结构，用阳极氧化工艺提供电极之间的绝缘层的方法。

      （3）四相CCD。四相CCD的电极结构有：用两层金属（如铝）、电极中间淀积l00nm厚的二氧化硅做绝缘；与多晶硅-铝交叠栅结构相似，只是各M电极下绝缘层厚度相同，各电极面积也相同；用两层多晶硅r电极。四相CCD虽然时钟驱动电路比较复杂，但其优点是f连接两个电荷包之间有双重势垒相隔，这有助于提高转移效率；电荷在转移过程中由于表面势分布呈台阶状（如图4-12所示），因而不会产生二、三相转移过程中出现的“过冲现象”；与三相、二相器件相比，较为适应很高的时钟频率（如100MHz）,波形接近正弦的驱动脉冲。 

图4-12   四相器件的表面势分布

       (1)表面沟道CCD(简称SCCD)。前面所介绍的CCD,其信号电荷的转移沟道在半导体与氧化层交界的半导体表面，所以都是表面沟道CCDo这种SCCD除存储容量大一些外，界面态会引起信号电荷的转移损失与噪声。为克服其缺点，而引入了下列结构。

       (2)体沟道CCD(简称BCCD)。这是从结构设计方面釆取提高转移效率的措施。为了避免界面态对信号电荷的俘获，在薄氧化层下用离子注入，扩散或外延的方法做成与衬底导电类型相反的区域，如图4-13(a)所示。利用重掺杂N+输出二极管N型表面层加足够的偏压(相对于P型衬底为正)，使N掺杂的电子全部被扫出。然后给时钟栅极加偏压，使电位最小值在N型层形成，而不在半导体表面，从而使电荷在体内转移(也称埋沟)。

图4-13埋沟CCD

      由于在沟道末端的反向偏置二极管，使整个N型区和邻近的P型衬底的一部分可动载流子耗尽，如图4-13(b)所示的电势剖面图，这里画的是电势的负值。其显著特点是最小电势能偏离Si-SiO2界面，这就意味着信号电荷在硅体内转移，而消除了界面态对信号电荷的俘获，同时也意味着自由载流子迁移率的大小接近于体内的值。这两种因素增加了转移效率，而减少了金属栅与沟道的电容。但电容过小，造成很深的势阱，这种深势阱影响栅极下的势阱不能恰当的控制信号的存储与转移。因此，在工艺上釆用电阻栅结构或交叠栅结构，来控制电极间的间隙不得超过氧化层的厚度，使信号电荷在沟道内转移，从而避免了界面态俘获效应的影响。

        这种体沟道也称为隐埋沟道，与SCCD相比，BCCD的特点是：

      为解决势阱电容小的缺点，还可釆取在P型Si衬底轻掺杂N型的外延层上再注入N+层，这种结构称为蠕动CCD,即所谓的PCCD.

       由于BCCD有低噪声的特点，所以多用于低照度摄像。

        (1)线阵CCD(CCLID)。线阵CCD摄像器件有单、双沟道线阵两种基本形式。三相单沟道线阵CCD的结构如图4-14所示。由图可见，光敏阵列与转移区-移位寄存是分开的，移位寄存器被遮挡。这种器件在光积分周期里，光栅电极电压为高电平，光敏区在光的作用下产生电荷存于光敏MOS电容势阱中。当转移脉冲到来时，线阵光敏阵列势阱中的信号电荷并行转移到CCD移位寄存器中，最后在时钟脉冲的作用下一位位地移岀器件，形成视频脉冲信号。这种结构的CCD的转移次数多、效率低、调制传递函数较差，只适用于像敏单元较少的摄像器件。

        图4-15为双沟道线阵摄像器件，它具有两列CCD移位寄存器A与B,分列在像敏阵列的两边。当转移栅A与B为高电位（对于N沟器件）时，光积分阵列的信号电荷包同时按箭头方向转移到对应的移位寄存器内，然后在驱动脉冲的作用下，分别向右转移，最后以视频信号输岀。显然，同样像敏单元的双沟道线阵CCD要比单沟道线阵CCD的转移次数少一半，它的总转移效率也大大提高。故一般高于256位的线阵CCD都为双沟道型的。

图4-15双沟道线阵CCD结构

     （2）面阵CCD（CCAID）。按一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵CCD。由于排列和组成方式不同，面阵CCD有许多种形式,但其基本形式是下面两种。

       ①帧转移型面阵CCD的结构。三相面阵帧转移型CCD的结构，如图4-16所示，它由成像区（光敏区）、暂存区和水平读出寄存器三部分构成。成像区由并行排列的若干电荷耦合沟道组成（图中的虚线方框），各沟道之间用沟阻隔开，水平电极横贯各沟道。假定有M个转移沟道，每个沟道有N个成像单元，整个成像区共有M'N个单元。暂存区的结构和单元数都和成像区相同。暂存区与水平读出寄存器均被遮蔽。

       这种面阵CCD的特点是：结构简单，可正、反两面光照，灵敏度较高，光敏单元的尺寸可以很小，容易做成高分辨率的器件，并使其模传递函数MTF较高。但光敏面积占总面积的比例小，图像有拖影发晕现象。

       ②行间转移型面阵CCD的结构。如图4-17（a）所示，它的像敏单元（图中虚线方块）呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转移控制栅。由图可见，每一像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器单元（图中斜线表示被遮蔽，斜线部位的方块为读出寄存器单元）。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。由于每行像敏单元均被读出寄存器所隔，因此，这种面阵CCD称为行间转移型CCD。图中最下面是二相时钟脉冲Φ1、Φ2驱动的水平读出寄存器。

       图4-17（b）是隔行转移面阵CCD的二相注入势垒器件的像敏单元和寄存器单元的结构图。釆用两层多晶硅，第一层提供像敏单元上的MOS电容器电极，又称为多晶硅光控制极；第二层基本上是连续的多晶硅，选择掺杂后得到二相转移电极系统，称为多晶硅寄存器栅极系统。转移方向用离子注入势垒造成，使电荷只能按规定的方向转移，其沟阻常用来阻止电荷向 外扩散。

图4-16三相帧转移面阵CCD结构图

图4-17行间转移型面阵CCD结构图

       这种IT-CCD的特点是：因为电荷转移距离比FT-CCD的距离短，所以工作频率高些；由于行间转移器件小些，有些受光面小些，产生的固定图案噪声小些；由于是隔行转移，可以与棋盘图案的滤色片配用，多为彩色摄像机所选用。由于IT-CCD总的转移次数较少，拖影效应不严重，但它只能正面光照，且结构比较复杂，工艺难度大，价格相对较高。

       此外，松下公司推出了帧行间转移型面阵FIT-CCD,它在IT-CCD的基础上增加了一个场存储器，以存储由垂直移位寄存器快速转移来的电荷，并且改进光屏蔽层的结构，所以使得该器件具有极好的抗拖尾性能；另外，取消了存储区，多了一个线寻址电路的线转移型面阵CCD,以及在y辐射、X射线或微光中应用的虚相面阵VP-CCD等。

     (1)转移效率η及转移损失率屛勺关系。电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数。把一次转移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率。如t=0时，某电极下的电荷为Q(0),在时间t后，转移到下一个电极下势阱中的电荷为Q(t），则转移效率

η为

转移损失率ε为

     如果线阵CCD有n个栅电极，则总的转移效率ηQ和损失率的关系式为

或者ε=(1-ηQ)/n                                    (4-10)

       (2)影响SCCD转移效率的主要原因：界面态对电荷的俘获：电极间隙存在势垒(电极间隙大于3μm,转移效率明显下降)；某些电荷转移不够迅速等。

        (3)提高SCCD转移效率的方法：采用交叠栅的电极结构，使电极间隙小到信号电荷能平滑地过渡，以克服电极间隙势垒的影响；采用"胖零”工作模式，即让''零”信号有一定的电荷填满界面态陷阱，以克服界面态对信号的俘获；采用埋沟结构(即BCCD),以克服SCCD的缺陷。

       (1)工作频率的下限f下。CCD是一种非稳态器件，如果驱动脉冲电压变化太慢，则在电荷存储时间内，MOS电容已向稳态过渡，即热激发产生的少数载流子不断加入到存储的信号电荷中，会使信号受到干扰，如果热激发产生的少数载流子很快填满势阱，则注入电荷的存储和转移均成泡影，因此，驱动时钟脉冲电压必须有一个下限频率的限制。为了避免由于热产生的少数载流子对于注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到下一个电极所用的转移时间t，必须小于少数载流子的平均寿命t，即t＜t。在正常工作条件下，对于三相CCD,t=T/3=l/3f<t,其中，T为时钟脉冲的周期，于是可得工作频率的下限为

f下>1/(3t)                        (4-11)

       对二相与四相CCD,其工作频率的下限，只需将式(4-11)中的3换成2或4即可。由此可见，CCD的工作频率的下限与少数载流子的寿命t有关。t愈长，f下愈低。

       (2)工作频率的上限f上。由于CCD的电极长度不是无限小，信号电荷通过电极需要一定的时间。若驱动的时钟的脉冲变化太快，在转移势阱中的电荷全部转移到接收势阱中之前，时钟脉冲电压的相位已经变化了，这就使部分剩余电荷来不及转移，引起电荷转移损失。即当工 作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的转移时间，大于驱动脉冲使其转移的时间T/3,那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，将会使转移效率大大下降。为此,若要电荷有效地转移，对三相CCD来说，必须使转移时间t≤T/3,即

f上≤I（3t）                        （4-12）

同样，对二相与四相CCD,只需将式（4-12）中的3换成2或4即可。

       这就是电荷自身的转移时间对驱动脉冲频率上限的限制。由于电荷转移的快慢与载流子迁移率、电极长度、衬底杂质浓度和温度等因素有关，因此对于相同的结构设计，N沟CCD比P沟CCD的工作频率高。

     （3）驱动脉冲频率/与损失率ε间的关系。三相多晶硅N沟道SCCD实测驱动脉冲频率f与损失率ε间的关系曲线，如图4-18所示，由图可以看出，表面沟道CCD的驱动脉冲频率的上限为10MHz。高于10MHz后，CCD的转移损失率将急骤增加。这是因为工作频率高于f上信号电荷来不及转移所致。

图4-18   脉冲频率F与损失率εDE GUN

       如果信号电荷的转移时间t不知道，工作频率的上限f上也可通过电荷的转移损失率ε得到。一般，CCD的势阱中的电量因热扩散作用的衰减的时间常数为tD=10-8s（与所用材料和栅极结构有关）。若使ε不大于要求的转移损失率ε0值，则对三相CCD,有f上为

对于二相与四相CCD,只需将式（4-13）中的3换成2或4即可。

       在CCD中，信号电荷是由入射光子被硅衬底吸收产生的少数载流子形成的，一般它具有良好的光电转换特性。通常，CCD的光电转换因子y可达到99.7%,即y≈1。

       一般地，CCD是低照度器件，它的低照度线性非常好。当输入光照度大于100lx以后,CCD的输出电压便会逐渐趋向饱和。

       用半导体硅（si）作衬底的CCD,其光谱响应曲线在背面光照时与硅光电二极管一样，其光谱响应范围为0.4〜1.11μm（如图4-19所示），响应的峰值波长也基本为0.8〜0.9μm。背面光照能得到高而均匀的量子效率，是因为器件背面没有复杂的电极结构。短波长处的响应减小是由于体内和背部表面复合造成的；长波长处的减少则是红外透过减薄的衬底引起不完全吸收之故。

       背照器件主要困难是衬底必须减薄到小于一个分辨单元的尺寸，通常要求小于30μm左右。这是因为绝大部分可见光在硅片表面下4μm处已被吸收，少数光生载流子必须扩散到衬底正面的势阱位置。为了不使载流子因横向扩散而损失空间分辨率，器件就 必须减薄。通常衬底减薄只在光敏区进行，为了保持一定的机械强度，光敏区四周留有加强环，也可作为焊点区。此外，背部表面必须保持积累状态，以尽量减小载流子在表面复合：-般还附加有表面抗反射层，以减少入射光能的损失。背面光照方式虽有优越性，但又不能推广。其原因是，除上述工艺难度大外，还受到器件结构的限制，目前只有在帧转移型CCD摄像器件中使用。

        正面光照的光谱响应曲线也如图4-19所示。由于CCD的正面布置有很多电极，这些电极对入射光的吸收、反射和散射作用，使得正面光照的灵敏度比背面光照时低。图中，曲线有起伏，是由于多次反射引起某些波长的光产生干涉现象所致。其中，蓝光（0.42〜0.45μm）损失最大，黄光（0.56〜0.59μm）次之。提高正面光照灵敏度的措施有：

      （1）用透明导电金属氧化物（ITO）做透光栅极材料，取代多晶硅材料。

      （2）釆用高灵敏度的光导膜制成叠层结构器件，或采用特殊结构扩大开口率，如虚相结构等。

      （3）用P-N结光敏二极管代替MOS电容器为像元，光敏元上面只有一层绝缘物而无电导层，同时也改善了灵敏度。

      （4）通过适当设计和控制多层薄膜厚度，可以使入射光至衬底的透射率增大。如釆用多晶硅、氮化物和氧化物电极系统，要求设计的空气/水汽/多晶硅/氮化物/氧化物/硅序列的各层厚度，对5000K黑体辐射源，在0.5〜0.9μn光谱范围内具有最佳的响应率。这种响应比一般未加特殊结构设计的器件改善了近50%。

       分辨率是成像器件与成像系统最重要的一个参数，因为它是指成像器件与成像系统对物像中明暗细节的分辨能力。这一参数一直是不懂光学与光电的人们所不清楚的，尤其与分辨力参数容易混淆。

分辨率一般有两种表示法。

     （1）极限分辨率。它是在一定的测试条件之下定义的。当以一定性质的鉴别率图案（有100%对比度的专门的测试卡）投射到CCD光敏面时，在输出端观察到的最小空间频率（即用眼睛分辨的最细黑白条纹对数），就是该器件的极限分辨率。分辨率通常用每毫米黑白条纹对数（单位为线对/mm）或每帧高电视行数（单位为TVL）表示。摄像机指的清晰度多是用的TVL数。这两种极限分辨率的单位，具有确定的换算关系。

       CCD是离散采样器件，根据奈奎斯特采样定理，一个摄像器件能够分辨的最高空间频率等于它的空间采样频率的一半，这个频率称为奈奎斯特极限频率。如果某一方向上的像元间距为a,则该方向上的空间釆样频率为1/a（线对/mm）,它可以分辨的最大空间频率为

fmax=l/（2a）（线对/mm）        （4-14）

       设线阵CCD像敏器光敏区的总长度为用Z,乘式（4-14）两端，可以得到CCD像敏器的最大分辨率为

fmax.L=L/（2a）=N/2                  （4-15）

       式中，N为CCD像敏器的位数。对2048位线阵CCD像敏器，其N=2048,故得fmax.L=l024,即2048位线阵CCD,最多可分辨1024对线。

       实际上，CCD用极限TVL来表示更简单，即在某一方向的像元素就是极限TVL数。显然，TVL数的一半与CCD光敏面的高度尺寸的比值，就是相对应的每毫米线对数（线对/mm）,  所以CCD的像素越高，其分辨率也越高。

      上述极限分辨率的表示方法，虽然有专门的测试卡测量，而使用方便，但不客观科学，其原因如下。

       ①每个人的视觉不一样，其观测值带有主观性。

       ②测试卡的对比度与几何尺寸，以及观测时的照度不一样，观测的结果也会有不同。如当被摄图像对比度低于30%时，所观测的分辨率值就会明显下降。

       ③观测的分辨率值是系统的总体特性，而不能分摊到各个部件上。

       为此，目前国际上一般均采用调制传递函数(MTF)来表示分辨率。

       (2)调制传递函数(MTF)。所谓调制传递函数，是指输出调制度Mout与输入调制度Min之比，即

MTF=Mout/MinX100%     （4-16）

       或者说，调制传递函数是调制度与空间频率的关系，如图4-20所示。当输入正弦光波(即一个确定的空间频率的物像投射在CCD±)时，如图4-20(a)所示，CCD的输出也将是随时间变化的一种正弦波，如图4-20(b),设波峰为，，波谷为3,则可得调制度M为

       在调制恒定的条件下，可以画出调制深度与空间频率的关系曲线，如图4-20(c)所示。通常，用零空间频率下的值进行归一化，得到无量纲量，即调制传递函数MTF。由图4-20(c)可知，MTF随空间频率的增高而减小。

图4-20调制深度和空间频率

       由于MTF表示的是转移过程前后调制度M的比值，它与图像的形状、尺寸、对比度、照度等无关，因此是客观而科学的，而且由于MTF是正弦波空间频率振幅的响应，在给定的空间频率下，整个系统的MTF等于系统各部分MTF的乘积，即

MTF总=MTF1XMTF2x...xMTFn                     (4-18)

        值得提出的是，有时还用对比传递函数(CTF)来评价分辨率。所谓对比传递函数，就是方波空间频率振幅的响应。同MTF一样，CTF也随空间频率的增高而减小，但是，CTF不能像式(4-18)一样，按各部分的乘积来评价，不过方波的振幅响应容易测量，所以也常釆用。

       在正常工作的情况下，MOS电容不为电荷所饱和，处于非平衡态。随着时间的推移，由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡，因此，即使在没有光照或其他方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存在不希望有的暗电流。众所周知，暗电流是大多数摄像器件所共有的特性，也是判断一个摄像器件好坏的重要标准。尤其是暗电流在整个摄像区域不均匀时，更是如此。产生暗电流的主要原因有：

       但在许多器件中，有许多单元每平方厘米可能有几百nA的局部暗电流密度，这个暗电流的来源是由于一定的体内杂质，它们产生引起暗电流的能带间复合中心。这些杂质在原始硅材料中就有，在制造器件时也可能被引入，所以，为了减小暗电流，应釆用缺陷尽可能少的晶体和减少沾污。

       此外，暗电流还与温度有关。温度越高，热激发产生的载流子越多，因而，暗电流就越大。据计算，温度每降低10°C,暗电流可降低1/2,因此，釆用制冷法，暗电流可大大下降，从而可使CCD适用于低照度工作。

       在CCD阵列中，局部产生大暗电流的地方，多数会出现暗电流的尖峰。对每个器件而言，产生暗电流尖峰的缺陷总是出现在相同位置的单元上。我们可利用信号处理技术，把出现电流尖峰的单元位置存储在PROM中，读出时只除去该单元的信号，并立刻读取相邻单元的信号值，就能消除暗电流尖峰的影响。

CCD摄像器件的动态范围是指其输出的饱和电压与暗场下噪声峰-峰电压之比，即

动态范围=Usat/Unp-p               （4-19）

式中，Usat为输出饱和电压；UNp-p为噪声的峰-峰值。

       动态范围也可这样来定义和计算，即由CCD势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的电荷量之比。

     （1）势阱中的最大信号电荷量。由式（4-2）可知，CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量与电极面积A或与栅极电压％或与MOS电容容量Cox成正比。此外，还与器件的结构（SCCD或BCCD）、时钟脉冲驱动方式（二相、三相或四相）等因素有关。如某CCD的电极面积为10x20μm²，P型Si的杂质浓度NA为1015cm-3,二氧化硅膜的厚度为0.1μm,栅极电压为10V,则SCCD势阱中的电荷最大存储量为3.7x106个电子。

      若为BCCD结构，则存储电荷容量的计算比较复杂，随着沟道深度的增加，势阱中可容纳的电荷量减少。对于与上述SCCD相同条件的BCCD,若氧化膜厚度为0.1μn,相当于沟道深度外延层厚度为21μm,则OSCCD/QBCCD约为4.5。若为二相驱动CCD,则实际能容纳电荷的电极面积是整个电极面积的一半。因此，在二相驱动阶梯转移电极结构的情况下，势阱中存储的电荷量要比三相交叠栅转移电极结构的CCD存储的电荷容量少一半。

      （2）噪声。CCD的噪声主要由以下三方面引起。

        ①电荷注入器件引起的噪声。将输入二极管与CCD放同一基片上可减小。

        ②电荷转移过程中，电荷量的变化引起的噪声。这种噪声主要是SCCD背景电荷（即“胖零"）引起的散粒噪声，而BCCD则没有这种背景电荷的噪声。

       ③电荷输岀产生的噪声。将输出放大器与CCD放同一基片上也可减小这种噪声。

       因此，CCD是一种低噪声器件，可用于微光成像。由上可知，动态范围表征了成像器件能够正常工作的照度范围，其中允许的最小照度值受器件的噪声限制，而最大照度值受势阱所能容纳的电荷量的限制。 

       CCD主要用来构成CCD摄像机，在安防中作为视频监控系统的前端，如有黑白型、彩色型、超低照度型、超动态型、高清型、日夜转换型、红外夜视型、无线移动型、网络型、自动聚焦型、高速球型、十字标尺型等CCD摄像机。

        由于有人对摄像机的组成部分都不清楚，说CCD就是摄像机，甚至有的还把指示灯之类都说成摄像机的组成部分，因而这里有必要把一个摄像机的基本组成介绍如下。利用CCD组成的黑白摄像机的原理如图4-21所示。

图4-21   黑白CCD摄像机原理框图

       由图4-21可看出，CCD黑白摄像机一般由电荷耦合器件CCD、扫描驱动及同步信号产生、视频图像处理及放大、摄像镜头、电源变换器5大部分组成。

       含有行、场同步信息和行、场消隐信息的黑白全电视信号的波形如图4-22所示。其中，图4-22(a)为场正程期间的行信号波形；图4-22(b)为场逆程期间的信号波形。

图4-22黑白全视频信号波形

       如果是CCD彩色摄像机，只要在黑白摄像机的基础上增加彩色滤波器阵列、红外截止滤光片与彩色信号的处理电路等即可组成。至于网络摄像机，除前面所说的摄像机的基本部分外,至少要增加能实现网络传输的功能，即要增加视频压缩处理与视频服务器等。 

       CCD的用途很广，在安防中主要用作各种各样监控摄像机（详情将在专业课中论述），还可用于图像型火灾探测（见4.3.4节）。此外，它还可用于图像测量与图像识别等中，下面仅介绍用作成像测距。

       自1990年单点测距仪技术成熟后，就开始研究二维点阵列测量技术（2D技术），即成像测距仪。这种成像测距仪在军事和生物医学领域应用得较多，它也称为成像激光雷达或三维成像。对其感兴趣的理由，起源于距离信息加入图像形态学所带来的好处。近年来，一个与其他技术并行而又独立的技术一一多光谱成像技术也已经发展成熟了，它提供许多包含现场的详细信息，频率范围在可见光（人=0.38〜0.78μm）、近红外（人=0.78〜2μm）和中远红外（人=2〜12μm）之间。大信息量对于目标自动识别（ATR）有很大的帮助，特别是在军事和机器人的应用方面。

       成像测距仪将单点测距仪技术和二维扫描装置相结合，因而它的工作原理类似于电视的扫描。在激光器的输出光路中，还设有一个光开关，当扫描光点到达一行的末端时，光开关即关闭，这时光束迅速回到下一行的开始。在扫描器内部有一对反光镜X和Y,它们固定在电流调节器上。用这种方法可得到一个图像，通常有踞100x100个像素,视场角为5°x5º，画面的重复率为10〜30帧/秒，光开关用电光调Q方式（KDP或LiNbOa晶体）或用声光调Q方式（LiNbCh或CdTe）,这两种开关非常快（μs级），完全可以和电扫描系统匹配。其工作波长可以根据实际需要调节，如用激光二极管，波长可从可见光到近红外、中红外，甚至可达远红外。在远红外区，有助于降低散射衰减和扰动效应，这种仪器通常可在一般大气、雾天和阴天使用。在良好和较差的可视条件下，有几种成像激光雷达可以在几个波长下从10卩m到10工作。

       由于测量时间要分成N个像素，所以从理论上说，典型的成像测距仪精度要比单点测距仪差一个因子但这对实际应用不是一个严重的障碍，与单点测距仪相比，它从一帧中得到的大量信息可以降低对分辨率和精度的要求。

        近年来，正弦波调制的测距方法也被用在3D成像方面，使用正弦波调制技术的优点是可以使用一个图像探测器（如CCD）,并从每个像素上获取所需相位，而不用扫描整个场。例如,利用一个大角度的二极管激光束光源，其功率为900mW.用它照亮一个64X25像素的场。该光源在20MHz振幅调制下工作，这时无不确定性的距离为Lna=7.5m,它通过一个物镜接受场的漫反射光，每一个场的像素与一个CCD的像素是共辆关系。在CCD中，当频率在20MHz时，电极是由调制波形驱动的，它控制光发生器存储和充电。电荷的收集效率与存储电极的电压有关，所以CCD电流输出是由光辐射和调制波形产生的，或者由位相伊=2ks产生。这个位相的分辨率＜10¯³,这时距离的误差是几厘米。

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