256×256像素高帧频可见光CCD成像器件研究

摘要

高速摄影技术是处理高速瞬发事件的图像记录、保存技术。传统的胶片摄影机操作使用复杂，速度受到一定的限制，不能满足某些高速瞬发事件的信息详细记录要求。固体成像器件出现后，高灵敏度、高帧速的CCD成像技术可以实现极短曝光时间、较好的动态范围、大容量数据存储与图像回放等优点，已广泛应用于快速事件和过程的表征，如用于弹道学、超速碰撞、航空设计、功率产生等领域。为了满足某科研工程的需要，我们开展了256×256像素高帧频可见光CCD成像器件的研究，器件的技术指标是256×256像素、像素尺寸10μm×10μm、占空比大于66％、工作响应波长0.4μm～1.1μm、光灵敏度0.05Lx(峰值波长处，积分时间40ms)、帧速500帧/秒、动态范围54dB和响应非均匀性2％。 本文介绍了可见光CCD图像传感器的基础理论、工作原理和国内外发展现状，对器件性能参数与结构设计进行了重点讨论，介绍了256×256像素高帧频可见光CCD图像传感器的研制过程，CCD驱动电路设计与参数测试方法，最后给出了器件的测试结果、实物图和成像效果图。 256×256像素高帧频可见光CCD图像传感器采用MOS电容器作为光敏元和存贮单元，信号电荷转移的信道为CCD埋沟结构；256×256像素高帧频可见光CCD图像传感器的结构采用帧转移形式，因而器件结构简单，像素光敏元的占空比高。为实现高帧频工作，在器件设计上将256×256像素阵列分成4个子阵列，每个阵列有独立的信号输出端，这样在不提高一个信号输出端CCD的水平位移寄存器工作频率下，提高了整个CCD的信号读出速率，即提高了帧频。CCD水平位移寄存器的输出放大器采用两级源跟随放大器，对输出二极管、复位MOS管及放大MOS管的尺寸进行优化设计，达到降低放大器的输出噪声、提高了放大器的输出幅度和频率响应带宽。 在256×256像素高帧频可见光CCD图像传感器的研制工艺中，采用的硅工艺精度为2μm，在4英寸的NMOS工艺线上进行流片，硅片材料采用硅外延片。根据CCD的结构设计，采用三层交叠多晶硅栅工艺。器件的封装以24针陶瓷管壳，氮气环境中进行封装，既保证了CCD工作的可靠性要求，又避免了不同环境下对器件的影响。在CCD驱动电路方面，设计三相时钟脉冲驱动方式，直流电平脉冲的幅度和脉冲钳位电平可控制，使器件工作在最佳的性能状态下。 通过对256×256像素高帧频可见光CCD图像传感器的设计、工艺制作、可靠性试验和参数测试，器件性能指标达到了技术要求。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号和缩略词说明

独创性声明和学位论文版权使用授权书

第一章引言

第二章CCD图像传感器概述

2.1CCD工作原理概述

2.2 CCD在图像传感领域的应用及基本结构

2.3 可见光CCD图像传感器发展概况

第三章可见光CCD图像传感器的理论基础

3.1光的吸收

3.2光生载流子的收集

3.3光谱响应

3.4信号电荷的转移输出

第四章256×256像素高帧频可见光CCD参数分析

4.1占空比

4.2工作波长

4.3器件噪声分析

4.4器件灵敏度分析

4.5器件动态范围分析

4.6器件帧频

4.7响应非均匀性

第五章256×256像素高帧频可见光CCD的设计

5.1器件单元结构

5.2阵列结构设计

5.3 CCD沟阻掺杂浓度的设计计算

5.4埋沟(BCCD)的设计

5.5输出放大器设计和信号输出幅度

5.6器件工艺参数设计

5.7器件封装设计

5.8性能可靠性设计

第六章256×256像素高帧频可见光CCD研制过程

6.1工艺流程

6.2采用的设备仪器及主要原材料

6.3主要工艺讨论

第七章256×256像素高帧频可见光CCD驱动电路的研制

第八章256×256像素高帧频可见光CCD参数测试方法

8.1动态范围的测试

8.2响应非均匀性测试

8.3光谱响应

8.4灵敏度

8.5帧频

第九章256×256像素高帧频可见光CCD研制结果

9.1 高帧频256×256像素可见光CCD芯片及封装图

9.2管脚定义

9.3参数测试结果

9.4成像效果图

第十章结束语

参考文献

致谢!

个人简历

在学期间的研究成果及发表的学术论文