[拼音]：guti tuxiang chuanganqi

[外文]：image solid transducer

采用固體圖像敏感器件將二維圖像變換為電信號(hào)的光電式傳感器。固體圖像敏感器件是高度集成化(即固體化)的半導(dǎo)體光敏元陣列。70年代以來,隨著硅半導(dǎo)體工藝和集成電路技術(shù)的發(fā)展，已能在大尺寸的硅襯底上制成特性均勻的半導(dǎo)體結(jié)、并能達(dá)到很高的集成度。這就為制造固體圖像敏感器件創(chuàng)造了條件，使固體圖像傳感器迅速發(fā)展起來。與傳統(tǒng)的攝像管（電真空器件）相比，固體圖像傳感器具有尺寸小、價(jià)廉、工作電壓低、壽命長、性能穩(wěn)定和圖像邊緣無疇變等優(yōu)點(diǎn)。

組成

固體圖像傳感器由物鏡、固體圖像敏感器件、驅(qū)動(dòng)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(qū)清晰地成像。固體圖像敏感器件有一維和二維兩種。在采用一維敏感器件的傳感器中，由敏感器件完成一維掃描，同時(shí)將圖像作另一維方向的移動(dòng)，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(shí)每個(gè)光敏元本身對應(yīng)著圖像的一個(gè)像素,在驅(qū)動(dòng)電路的作用下按行輸出脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖的幅值與它所對應(yīng)的像素的光強(qiáng)度成正比。最后，圖像脈沖信號(hào)被送往信息處理電路進(jìn)行放大和處理，變成適于后續(xù)設(shè)備接收處理的信號(hào)。固體圖像敏感器件是圖像傳感器的核心，可分為電荷耦合器件、光電二極管陣列、電荷耦合光電二極管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(shí)驗(yàn)室的W.S.博伊爾和G.E.史密斯于1970年發(fā)明。CCD有線陣和面陣兩種。線陣最大達(dá)2048位(每位為一個(gè)光敏元)，相鄰兩位中心距在13～16微米間。驅(qū)動(dòng)電路工作方式有再充電脈沖模式（最大掃描速度達(dá)10兆赫）及取樣和保持方波輸出模式（最大掃描速度達(dá)2兆赫）。CCD芯片是在N型或P型硅襯底上生長一薄層二氧化硅，然后在二氧化硅薄層上依次沉積金屬電極形成規(guī)則排列的金屬氧化物（MOS）電容器陣列,最后在兩端加上輸入輸出二極管而制成。工作時(shí),CCD通過電荷轉(zhuǎn)移把光信號(hào)變換成電脈沖信號(hào)輸出。脈沖幅度與它所對應(yīng)的光敏元的受光強(qiáng)度（對應(yīng)于圖像的某個(gè)像素）成正比，而脈沖順序則反映光敏元的位置。圖1為一維CCD器件中電荷轉(zhuǎn)移的原理圖。它有64個(gè)光敏元，每個(gè)光敏元上有3個(gè)轉(zhuǎn)移柵電極：1、2、3。光照時(shí)，因光子轟擊而產(chǎn)生電子-空穴對，即光生電荷,其電荷量正比于入射光強(qiáng)度。通過驅(qū)動(dòng)電路對 3個(gè)相鄰電極分別加以時(shí)間上交迭的時(shí)鐘脈沖電壓φ₁、φ₂、φ₃來實(shí)現(xiàn)光敏元電荷的轉(zhuǎn)移。設(shè)在t₁時(shí)刻φ₁為低電平，使電極1下的N型硅襯底中的電子受排斥而離開二氧化硅界面（即產(chǎn)生一個(gè)勢阱），而電極2、3分別加高電位的φ₂、φ₃（即產(chǎn)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t₃時(shí)刻φ₁、φ₂為低電平，φ₃仍為高電平，電荷開始向電極2之下轉(zhuǎn)移。在t₃時(shí)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(xù)下去電荷移到電極3之下。再繼續(xù)下去光敏元64的光生電荷移到輸出端經(jīng)二極管輸出，同時(shí)光敏元63的電荷進(jìn)入64，62進(jìn)入63等等。一直進(jìn)行下去就在輸出端G₀依次得到光敏元64、63、62、…的電荷，經(jīng)放大后就得到傳輸圖像的電脈沖信號(hào)。還可在輸入端C₁輸入被轉(zhuǎn)移的電荷或用以補(bǔ)償轉(zhuǎn)移損失的電荷。

光電二極管陣列

它的英文縮寫為SSPD，是在最新的集成電路技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。SSPD也是制作在硅片上的，感光元件可采用光電二極管、光晶體管以及MOS二極管。SSPD也有線陣和面陣兩種。線陣通常為256～1048位。相鄰兩位二極管的中心距為15～100微米。驅(qū)動(dòng)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(dá)10兆赫。圖2是采用當(dāng)前集成度最高的 MOS大規(guī)模集成電路制成的SSPD的示意圖。圖中將光電二極管排列在水平和垂直兩個(gè)方向上構(gòu)成光敏元陣列。MOS晶體管是掃描電路的開關(guān)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(hào)到來時(shí)讀出光電二極管的敏感信號(hào)。SSPD的讀出在垂直掃描電路控制下依行進(jìn)行，并由水平掃描電路控制取出各行中每個(gè)光敏元的信號(hào)，這樣就能在一條輸出線上得到按行掃描的圖像信號(hào)。

電荷耦合光電二極管陣列

它的英文縮寫為CCPD。CCPD以光電二極管作為光敏元并以電荷轉(zhuǎn)移方式讀出圖像信號(hào)。它兼有 CCD噪聲低和SSPD響應(yīng)一致性好的優(yōu)點(diǎn)。目前CCPD最大的線陣列達(dá)1728位，相鄰兩位中心距為16微米。驅(qū)動(dòng)電路工作方式為再充電脈沖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(jīng)過多次轉(zhuǎn)移,而CID則采用完全不同的讀出方式。CID的每個(gè)敏感元實(shí)際上由一個(gè)MOS電容器構(gòu)成。除公共襯底外,還有兩個(gè)電極。一個(gè)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。電極電位不等于襯底電位時(shí)，電荷保持在電容器中。兩電極電位同時(shí)等于襯底電位時(shí)，電荷就被注入襯底。光子在各敏感單元產(chǎn)生的電荷用X–Y尋址方式讀出,當(dāng)電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一電極時(shí),可在它們注入襯底時(shí)探測,也可用非破壞性讀出系統(tǒng)測出。CID主要采用二維陣列形式，在工業(yè)中尚未廣泛應(yīng)用。

應(yīng)用

固體圖像傳感器可用于電視攝像、機(jī)器人視覺、圖像識(shí)別、快速動(dòng)態(tài)測量和信息存儲(chǔ)等方面。在航天器的姿態(tài)確定和控制系統(tǒng)中，固體圖像傳感器可用作星敏感器，實(shí)現(xiàn)航天器相對于遙遠(yuǎn)恒星方位姿態(tài)的精確測量。在小零件的自動(dòng)檢測方面，經(jīng)過適當(dāng)?shù)男畔⑻幚砗?，分辨率可達(dá)光敏元間距的1/10（微米量級），并可實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)監(jiān)測。當(dāng)零件關(guān)鍵尺寸與儲(chǔ)存在檢測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)相差過大時(shí)，系統(tǒng)能產(chǎn)生“失效”信號(hào)，并自動(dòng)舍棄超差零件。圖3是采用固體傳感器的鈔票檢查系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用兩個(gè)二維光敏元陣列，使兩列鈔票分別通過其下,并在各自的光敏元陣列上成像,從而分別輸出兩列圖像信號(hào)，經(jīng)過比較器處理后，能發(fā)現(xiàn)它們的不同特征,證實(shí)缺陷的存在。圖4為防盜檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用二維光敏陣列制作的照相機(jī)監(jiān)視關(guān)鍵部位（例如門）。現(xiàn)場用可見光或紅外線照射，并用輔助電路計(jì)算被遮位的光敏元數(shù)目，從圖像信息中能獲得闖入者的性質(zhì)，例如能分辨出鳥、貓或人。還可用帶有光學(xué)系統(tǒng)的線陣或面陣圖像傳感器制成光學(xué)字符識(shí)別系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能獲得高達(dá)3000字／秒的分辨速度，能用于：

（1）標(biāo)準(zhǔn)信件識(shí)別分選；

（2）貼有價(jià)格標(biāo)簽的商品計(jì)價(jià)；

（3）文字閱讀機(jī)。

參考書目

1. 齊丕智等編著：《光敏器件及其應(yīng)用》，科學(xué)出版社，北京，1987。
2. 袁希光主編：《傳感器技術(shù)手冊》，國防工業(yè)出版社，北京，1986。

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標(biāo)簽：固體圖像傳感器

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文章名稱：《固體圖像傳感器》

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