CMOS摄像器件和红外焦平面器件课件.ppt

1、1.3、CMOS摄像器件摄像器件 1990s，CMOS技术用于图像传感器，其优点结技术用于图像传感器，其优点结构简单，耗电量是普通构简单，耗电量是普通CCD的的1/3，制造成本比，制造成本比CCD低，可将处理电路等完全集成。低，可将处理电路等完全集成。1、CMOS像素结构像素结构 无源像素结构，无源像素结构，1967，Weckler无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的读出无源像素传感器的读出噪声较高噪声较高，而且随着，而且随着像素数

2、目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。无源像素型（无源像素型（PPS）和有源像素型（）和有源像素型（APS）由一反向偏置光由一反向偏置光敏二极管和一个开关敏二极管和一个开关管构成，开关管开启，管构成，开关管开启，二极管与垂直列线连二极管与垂直列线连通，信号电荷通，信号电荷 读出。读出。有源像素结构有源像素结构APS（Active Pixel Structure)光电二极管型有源像素（光电二极管型有源像素（PPAPS）1994，哥伦比亚大学，哥伦比亚大学 在像元内引入缓冲器或放大器，在像元内引入缓冲器或放大器，可改善像元性能，称为有源像素传可改善像

3、元性能，称为有源像素传感器。功耗小，量子效率高。每个感器。功耗小，量子效率高。每个像元有像元有3个晶体管。大多数中低性个晶体管。大多数中低性能的应用能的应用。光栅型有源像素结构（光栅型有源像素结构（GPAPS）光栅型有源像素型光栅型有源像素型CMOS每个每个像素像素5个晶体管，采用个晶体管，采用0.25um CMOS工艺允许达到工艺允许达到5um像素间距，像素间距，浮置扩散电容的典型值为浮置扩散电容的典型值为10-14F量量级，产生级，产生20uV/e的增益，读出噪声的增益，读出噪声可达可达5-20均方根电子。成像质量高。均方根电子。成像质量高。工作过程：工作过程：光生信号电荷积分在光栅光生信

4、号电荷积分在光栅PG下，浮置扩散节点下，浮置扩散节点A复位（电压复位（电压VDD）；然后改变光栅脉冲，收集在光）；然后改变光栅脉冲，收集在光栅下的信号电荷栅下的信号电荷 转移到扩散节点。复位电压水平与转移到扩散节点。复位电压水平与信号电压水平之差即传感器的输出信号。信号电压水平之差即传感器的输出信号。p1997年年，东芝公司研制成功，东芝公司研制成功640*640像素光敏二极像素光敏二极管型管型CMOS APS，像素尺寸，像素尺寸5.6um*5.6um，具有彩色，具有彩色滤色膜和微透镜阵列。滤色膜和微透镜阵列。p2000年年，美国，美国Foveon公司和美国国家半导体公司公司和美国国家半导体公

5、司采用采用0.18umCMOS工艺研制成功工艺研制成功4096*4096像素像素CMOS APS，像素尺寸，像素尺寸5um*5um，管芯尺寸，管芯尺寸22mm*22mm，是集成度最高，分辨率最高的，是集成度最高，分辨率最高的CMOS固体摄像器件。固体摄像器件。微透镜改善低光特性微透镜改善低光特性 CMOS APS图像传感器的功耗较小。但与图像传感器的功耗较小。但与PPS相比，有源相比，有源像素结构的填充系数小，典型值为像素结构的填充系数小，典型值为20%-30%。像素尺寸减小后像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低低光照下灵敏度迅速降低，采用，采用滤色片和在滤色片和在CMOS上制作微透上制作微透

6、镜组合镜组合以及以及CMOS工艺的优势，前景好于工艺的优势，前景好于CCD。p外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元选通相应的行像素单元，单元内信号电荷通过各单元选通相应的行像素单元，单元内信号电荷通过各自所在列总线传输到对应的模拟信号处理器自所在列总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。变换器，转换成相应的数字图像信号输出。p行选通单元扫描方式：行选通单元扫描方式：逐行扫描逐行扫描和和隔行扫描隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度

7、。清晰度。p行行选通逻辑单元和选通逻辑单元和列列选通逻辑单元配合，可以实现选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像，读出感兴趣窗口内像元的图像信息。信息。2、CMOS摄像器件的总体结构摄像器件的总体结构MOS MOS 摄像器件的工作原理：摄像器件的工作原理：Y1 Y2信号输出信号输出Y移移位位寄寄存存器器X 移位寄存器移位寄存器X1X2RLEMOS开关开关光电二极管光电二极管A/D数字信号输出数字信号输出3、CMOS与与CCD器件的比较器件的比较 CCD摄像器件摄像器件p灵敏度高、噪声低、像素面积小灵敏度高、噪声低、像素面积小p难与驱动电路及信

8、号处理电路单片集成，需要使用难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用相对高的工作电压，制造成本比较高相对高的工作电压，制造成本比较高 CMOS摄像器件摄像器件p集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低动态范围宽、抗辐射和制造成本低p需进一步提高器件的信噪比和灵敏度需进一步提高器件的信噪比和灵敏度CMOS与与CCD器件的对比器件的对比 CCD vs.CMOSpIntegrationpPower Consumption pResolutionpImage Quality pSpeed pCostExcellent 20-

9、50 mWUp to 12 MpixBeing improvedUp to thousands frame/s Poor2-5 WUp to 14 MpixHistorically bestUsually up to 100 frame/sNikon D100$2,500Canon 300D$8001.4、红外焦平面器件、红外焦平面器件 Infrared Focal Plane Arrays,IRFPA红外热像仪的基本结构红外热像仪的基本结构红外热像仪的核心红外热像仪的核心-红外焦平面器件红外焦平面器件克服了主动红外夜视需要依靠人工热辐射，并由克服了主动红外夜视需要依靠人工热辐射，并由此产生容

10、易自我暴露的缺点；此产生容易自我暴露的缺点；克服了被动微光夜视完全依赖于环境自然光和无克服了被动微光夜视完全依赖于环境自然光和无光不能成像的缺点光不能成像的缺点;穿透烟雾和尘埃的能力很强；穿透烟雾和尘埃的能力很强；目标伪装困难；目标伪装困难；远距离、全天候观察；远距离、全天候观察；有很高的温度灵敏度和较高的空间分辨能力有很高的温度灵敏度和较高的空间分辨能力热成像技术的优势：热成像技术的优势：由于这类器件工作是一般安放在成像透镜的焦面上，由于这类器件工作是一般安放在成像透镜的焦面上，所以它们又被叫做红外焦平面器件（所以它们又被叫做红外焦平面器件（IRFPA）。）。成像透镜成像透镜红外焦平面器件结

11、构红外焦平面器件结构 1、的工作条件的工作条件 pIRFPA通常工作于通常工作于13um、35um和和812um的红外的红外波段并多数探测波段并多数探测300K背景背景中的目标中的目标;p红外成像条件是在红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为背景中探测温度变化为0.1K的目标的目标;p随波长的变长，随波长的变长，背景辐射背景辐射的光子密度增加。的光子密度增加。由普朗克定律计算出红外波段由普朗克定律计算出红外波段300K背景的光谱辐射光子密度。背景的光谱辐射光子密度。p通常光子密度高于通常光子密度高于1013/cm2s的背景称为的背景称为高背景条件高背景条件，p辐射对比度辐射对比度背景温度

12、变化背景温度变化1K所引起光子通量变所引起光子通量变化与整个光子通量的比值，它随波长增长而减小。化与整个光子通量的比值，它随波长增长而减小。pIRFPA工作条件：工作条件：高背景、低对比度高背景、低对比度 1、IRFPA的工作条件的工作条件 2、IRFPA的分类的分类 p按照结构可分为按照结构可分为单片式和混合式单片式和混合式p按照光学系统扫描方式可分为按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型扫描型和凝视型p按照读出电路可分为按照读出电路可分为CCD、MOSFET和和CID等类型等类型p按照制冷方式可分为按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型制冷型和非制冷型 1.13m波段波段 代表材料代表材料H

13、gCdTe碲镉汞碲镉汞2.35m波段波段 代表材料代表材料HgCdTe、InSb锑化铟、锑化铟、PtSi硅化铂硅化铂3.812m 波段波段 代表材料代表材料HgCdTe p按照响应波段与材料可分为按照响应波段与材料可分为表：一些典型的各波段探测器。表：一些典型的各波段探测器。3、IRFPA的结构的结构材料的红外光谱响材料的红外光谱响应应有利于电荷的存储与转移有利于电荷的存储与转移红外光敏部分红外光敏部分信号处理部分信号处理部分 目前没有能同时很好地满足二者要求的材料目前没有能同时很好地满足二者要求的材料 IRFPA结构多样性结构多样性单片式单片式混合式混合式类似于可见光类似于可见光CCD，红外

14、光敏阵列和转移机构同，红外光敏阵列和转移机构同做在窄禁带本征或掺杂非本征半导体材料上。做在窄禁带本征或掺杂非本征半导体材料上。混合式：红外光敏做在上述半导体材料上，信号混合式：红外光敏做在上述半导体材料上，信号处理部分则做在硅片上。两者之间用导线连接。处理部分则做在硅片上。两者之间用导线连接。单片式单片式IRFPA 缺点：需制冷、响应度均匀性差。缺点：转移效率低、响应均匀性差，存储容量较小。响应均匀性好，但量子效率较低。响应均匀性好，但量子效率较低。混合式混合式IRFPA p直接注入方式直接注入方式 是将探测器阵列与转移部分直接用是将探测器阵列与转移部分直接用导线相连导线相连。特点：结构简单、

15、功耗低，有直流成分。特点：结构简单、功耗低，有直流成分。p间接注入方式间接注入方式 是通过是通过缓冲级（有源网络）缓冲级（有源网络）进行连接。进行连接。改善探测器阵列同转移部分的改善探测器阵列同转移部分的匹配匹配性能。增加器件性能。增加器件功耗，增大尺寸和工艺复杂性。功耗，增大尺寸和工艺复杂性。探测器阵列采用窄禁带本征半导体材料制成，探测器阵列采用窄禁带本征半导体材料制成，电荷转移部分用硅材料。电荷转移部分用硅材料。如何建立联系？如何建立联系？电学连接方式：电学连接方式：探测器阵列与转移部分的连接：探测器阵列与转移部分的连接：倒装式倒装式 互连技术：每个探测互连技术：每个探测器与多路传输器对准

16、器与多路传输器对准配接。配接。p采用背照方式采用背照方式4、典型的、典型的IRFPA pInSb是一种比较成熟的是一种比较成熟的中波红外探测器中波红外探测器材料。材料。pInSb IRFPA是在是在InSb光伏型探测器光伏型探测器基础上，采用多基础上，采用多元器件工艺制成焦平面阵列，然后与信号处理电路元器件工艺制成焦平面阵列，然后与信号处理电路进行进行混合集成混合集成。p采用前光照结构的采用前光照结构的132、1128、1256、1512的的线列线列IRFPA和背光照结构的和背光照结构的5862、128128、256256、640480、10241024的的面阵面阵IRFPA InSb IRF

17、PAHg1-xCdxTe IRFPA p通常通常HgCdTe IRFPA是是由由HgCdTe光伏探测器阵列和光伏探测器阵列和CCD或或MOSFET读出电路通过铟柱互连而组成混合读出电路通过铟柱互连而组成混合式结构式结构。pHgCdTe IRFPA的像素尺寸目前可作到的像素尺寸目前可作到1818um2 HgCdTe材料是目前最重要的红外探测器材料，研材料是目前最重要的红外探测器材料，研制与发展制与发展HgCdTe IRFPA是目前的主要方向。是目前的主要方向。p用于空间成像光谱仪的用于空间成像光谱仪的10241024短波短波(12.5um)HgCdTe IRFPA；p用于战术导弹寻的器和战略预警

18、、监视系统的用于战术导弹寻的器和战略预警、监视系统的640480的中波的中波(35um)HgCdTe IRFPA；p应用十分广泛的长波应用十分广泛的长波(812um)HgCdTe IRFPA；p目前目前4N系列（系列（4288、4480、4960）的扫描型）的扫描型和和6464、128128、640480凝视型的凝视型的HgCdTe IRFPA已批量生产。已批量生产。硅肖特基势垒硅肖特基势垒IRFPA p已实现了已实现了256256、512512、640480、10241024、19681968等多种型号的器件等多种型号的器件p硅肖特基势垒硅肖特基势垒IRFPA的像素目前可作到的像素目前可作到

19、1717um2 硅肖特基势垒硅肖特基势垒IRFPA目前已被广泛应用于目前已被广泛应用于近红外近红外与中红外波段的热成像与中红外波段的热成像，目前唯一利用已成熟的硅超，目前唯一利用已成熟的硅超大规模集成电路技术制造的红外传感器。大规模集成电路技术制造的红外传感器。非制冷非制冷IRFPA p热释电探测器阵列热释电探测器阵列p测辐射热计阵列，热释电测辐射热计阵列，热释电氧化钒、非晶硅等氧化钒、非晶硅等 多量子阱（多量子阱（MQW）IRFPA p先进的先进的晶体材料外延晶体材料外延工艺工艺，在一定，在一定的衬底的衬底材料上，材料上，用用这两种这两种工艺交替工艺交替地淀积两种不同地淀积两种不同半导体薄层

20、，周期性半导体薄层，周期性结结构，薄层厚度从几个到几十个原子层，形成一种全新的构，薄层厚度从几个到几十个原子层，形成一种全新的材料，称为材料，称为超晶格超晶格材料材料，性质，性质取决于取决于A和和B的性质及它的性质及它们的层厚，性能也与原来大不相同们的层厚，性能也与原来大不相同。分。分三三种超晶格材料种超晶格材料。p工作原理工作原理：利用子带间的电子吸收红外辐射跃迁，在：利用子带间的电子吸收红外辐射跃迁，在外电路作用下形成光电流，适宜于制作长波红外探测器。外电路作用下形成光电流，适宜于制作长波红外探测器。p优点：稳定性好、抗辐射能力强，均匀性好。优点：稳定性好、抗辐射能力强，均匀性好。多晶硅非制冷焦平面（多晶硅非制冷焦平面（UFPA）制冷制冷HgCdTe Micro bolometer 320256（320240）30m30m 45 m 45m 3.7m4.8m 7.7m9.5m812 m