固态图像传感器

定义与基本特征

固态图像传感器是具有空间分辨能力的光电器件，不仅能检测入射光强度，还能检测光点的位置、颜色及空间明暗分布。与常规光电器件（仅检测辐射光功率大小）相比，其核心区别在于将光强按空间位置离散化，形成二维图像信号。

分类

按结构与信号读出方式，固态图像传感器主要分为三类：

1. 光电二极管阵列（又称自扫描光电二极管阵列，SSPA）：由光敏二极管与MOS晶体管构成，可指定XY地址、选择性输出。
2. 电荷耦合器件（CCD）：以电荷包形式存储和传递信息，在同步信号和时钟信号配合下以帧或行方式串行转移电荷，由末端放大器输出。
3. CMOS图像传感器：像素内通常含放大与读出电路，A/D转换电路可位于像素级、列级或芯片共享级，以类似DRAM的方式输出信号。

CCD与CMOS的主要差异在于信号读出方式：CCD以模拟电荷包在时钟控制下串行转移至末端读出，电路较复杂、读出速率通常较低，但图像质量较高；CMOS在像素内或列级完成放大与读出，电路较简单、读出速率通常较高，功耗、体积、制造成本有优势。两者均利用光敏二极管进行光电转换，典型产品为数码相机、数码摄像机等。

像素采样与灰度信号

图像传感器将视场划分为离散的像素单元。单个光敏二极管只能检测其感光面积上的平均光强；将二极管做小并组成阵列，即可获得光强分布图像。每个像素单元由PN结感光，通过线路连接输出。CCD仅测量光照强度，生成灰度图，在计算机中以二维数组（矩阵）形式存储，像素值通常为无符号8位整数（uint8），数值大小对应明暗程度。

CCD工作原理

CCD的基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和输出。其单元结构为MOS电容器：金属电极（栅极，通常为多晶硅薄膜）、氧化物绝缘层（SiO₂）、半导体衬底。

电荷存储：以P型硅衬底为例，当栅极加正电压UG（衬底接地）时，P型硅中的多数载流子空穴被排斥，表面形成耗尽区（电子势阱）。势阱深度随UG增大而加深，但受阈值电压、掺杂浓度、耗尽电容及已存储电荷影响，并非无条件线性正比。光照时，半导体吸收光子产生电子-空穴对，光生电子被势阱收集，收集的电子数与光强成正比；空穴被电场排斥出耗尽区。势阱中电子数目反映光的强弱，实现光信号向电荷信号的转变。停止光照后，电荷在一定时间内不损失，实现光照记忆。

电荷转移：相邻MOS光敏单元间距约15～20 μm，共用同一半导体衬底，氧化层均匀连续。若相邻栅压UG1 < UG2，则表面势φs2 > φs1，电子静电位能-eφs2 < -eφs1，电子向势阱更深的方向转移。串联多个光敏元并施加递增栅压，可形成电子输运路径。

电荷输出：CCD阵列末端制作输出二极管，加反向偏压。转移至终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被PN结收集，在负载电阻RL上形成脉冲电流I0，输出电流与信号电荷大小成正比，通过RL转换为信号电压Uo输出。

CCD分类

• 线阵CCD：直接接收一维光信息，需扫描获得二维图像。由线阵光敏区、转移栅、模拟移位寄存器、偏置电荷电路、输出栅和信号读出电路组成。感光区由一列N个光敏单元（MOS电容结构）组成，用透明低阻多晶硅薄条作为共同电极（光栅）。传输区遮光，防止光生噪声电荷干扰。工作过程：转移栅关闭时，光敏单元势阱收集光信号电荷，经积分时间形成与空间光强分布对应的电荷图像；积分周期结束时，转移栅打开，各光敏单元电荷并行转移到移位寄存器相应单元；转移栅关闭后，光敏单元开始下一行积分，已转移的上一行信号电荷通过移位寄存器行输出。
• 面阵CCD：感光单元呈二维矩阵排列，按传输和读出方式分为行传输（LT）、帧传输（FT）和行间传输（ILT）。行传输有效光敏面积大、转移速度快、效率高，但需行选址电路，结构复杂，且电荷转移与光积分同时进行会产生“拖影”。帧传输由感光区、暂存区和输出寄存器组成，设置暂存区可消除拖影，光敏单元密度高、电极简单，但器件面积增大一倍。

彩色信号

CCD本身仅测量光照强度，生成灰度图。彩色图像需在像素阵列上覆盖滤色片（如红、绿、蓝）或采用其他分光方式，使不同像素分别响应不同波段，再经信号处理合成彩色信息。

主要参数与噪声

暗电流是暗电荷的产生率，暗电荷随光积分时间累积，二者均与温度密切相关；温度每降低10℃暗电流约减小一半是器件与温度区间相关的经验近似。暗电流尖峰出现在固定位置单元，可通过存储位置信息并单独读取相应单元信号来消除影响。噪声来源包括转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输入噪声等。CCD是低噪声器件，散粒噪声在低照度、低反差下影响显著，决定噪声极限值。

应用

CCD图像传感器主要用于：计量检测仪器（尺寸、位置、表面缺陷非接触在线检测）、光学信息处理（OCR、标记识别、图形识别、传真、摄像）、生产过程自动化（自动工作机械、自动售货机、监视装置）、军事应用（导航、跟踪、侦查）。