CN107809603B - 大满阱容量ccd信号转移控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大满阱容量CCD信号转移控制方法,所述大满阱容量CCD为多个像元构成的可见光帧转移结构的面阵CCD;单个像元包括四个转移控制栅、两个势垒区和两个势阱区;所述控制方法包括:所述大满阱容量CCD按成像周期连续工作;单个成像周期包括连续的三个阶段:光积分阶段、信号合并阶段、信号转移阶段;本发明的有益技术效果是:提出了一种大满阱容量CCD信号转移控制方法,该控制方法能与大满阱容量的CCD配合使用,最终起到改善图像的对比度和动态范围的效果。

Description

大满阱容量CCD信号转移控制方法
技术领域
本发明涉及一种CCD技术,尤其涉及一种大满阱容量CCD信号转移控制方法。
背景技术
可见光帧转移结构的面阵CCD(下简称可见光面阵CCD)是一种高灵敏度的光电传感器,在光谱测绘、图形扫描、快速扫描成像、定标测量等系统中都有广泛的应用,而且可见光面阵CCD具有很宽的光谱探测范围,对近紫外到近红外的光谱范围都有较好的响应。
虽然,可见光面阵CCD性能优良,但是,现有的可见光面阵CCD的满阱电子数一般在100ke-~500ke-范围内,其满阱容量较小,若将这种可见光面阵CCD用于卫星对地成像或者光谱扫描,由于成像区域较大,昼夜对比度大,光谱范围较宽,受器件满阱容量限制,图像的对比度和动态范围都较低,无法满足卫星对地成像或光谱扫描的需求。
为解决前述问题,发明人提出了一种大满阱容量的CCD(此方案已另案申请),其结构如下:所述CCD为多个像元构成的可见光帧转移结构的面阵CCD;单个像元包括四个转移控制栅、两个势垒区和两个势阱区;所述势垒区的周向轮廓为矩形,所述势阱区的周向轮廓为矩形;所述势垒区的左侧边所在方向记为A方向,与A方向垂直的方向记为B方向;势垒区和势阱区沿B方向排列:第一势垒区的右侧边与第一势阱区的左侧边相连,第一势阱区的右侧边与第二势垒区的左侧边相连,第二势垒区的右侧边与第二势阱区的左侧边相连,第二势阱区的右侧边形成像元的输出侧;两个势垒区和两个势阱区所组成的区域记为转移区,转移区的周向轮廓为矩形;第一转移控制栅设置在第一势垒区表面,第二转移控制栅设置在第一势阱区表面,第三转移控制栅设置在第二势垒区表面,第四转移控制栅设置在第二势阱区表面;单个势垒区在B方向上的尺寸为3μm,单个势阱区在B方向上的尺寸为52μm,转移区在A方向上的尺寸为62μm。
为应用前述的大满阱容量的CCD,需要为其设计一套相匹配的控制方法。
发明内容
针对背景技术中的问题,本发明提出了一种大满阱容量CCD信号转移控制方法,所述大满阱容量CCD为多个像元构成的可见光帧转移结构的面阵CCD;单个像元包括四个转移控制栅、两个势垒区和两个势阱区;所述势垒区的周向轮廓为矩形,所述势阱区的周向轮廓为矩形;所述势垒区的左侧边所在方向记为A方向,与A方向垂直的方向记为B方向;势垒区和势阱区沿B方向排列:第一势垒区的右侧边与第一势阱区的左侧边相连,第一势阱区的右侧边与第二势垒区的左侧边相连,第二势垒区的右侧边与第二势阱区的左侧边相连,第二势阱区的右侧边形成像元的输出侧;两个势垒区和两个势阱区所组成的区域记为转移区,转移区的周向轮廓为矩形;第一转移控制栅设置在第一势垒区表面,第二转移控制栅设置在第一势阱区表面,第三转移控制栅设置在第二势垒区表面,第四转移控制栅设置在第二势阱区表面;单个势垒区在B方向上的尺寸为3μm,单个势阱区在B方向上的尺寸为52μm,转移区在A方向上的尺寸为62μm;具体的控制方法包括:
所述大满阱容量CCD按成像周期连续工作;单个成像周期包括连续的三个阶段:光积分阶段、信号合并阶段、信号转移阶段;大满阱容量CCD中由像元构成的阵列记为像元阵列,同一列上的多个像元即构成一条信号转移通道,设第一势阱区和第二势阱区沿信号转移通道的转移方向顺次排列,则在单个成像周期中,按如下方式控制大满阱容量CCD工作:
将第一转移控制栅和第二转移控制栅短接,第一转移控制栅和第二转移控制栅即形成第一转移控制相,将第三转移控制栅和第四转移控制栅短接,第三转移控制栅和第四转移控制栅即形成第二转移控制相;在硬件结构中设置,四个转移控制栅,是为了使器件能够与现有的多次多晶硅工艺相兼容;
1)光积分阶段:将第一转移控制相和第二转移控制相保持在高电平状态,使两个势阱区(2)对像元内产生的光生电荷进行收集、存储;光积分阶段结束后,进入步骤2)的信号合并阶段;
2)信号合并阶段:将第一转移控制相切换为低电平状态,使第一势阱区内存储的光生电荷转移至第二势阱区内;信号合并阶段结束后,进入步骤3)的信号转移阶段;
3)信号转移阶段:采用两相转移控制方式对第一转移控制相和第二转移控制相的电平状态进行控制,使第二势阱区内存储的光生电荷沿信号转移通道转移并输出至后级电路中。
本发明的工作原理是:将第一势垒区的左侧边记为像元的输入侧;采用前述像元结构构成可见光面阵CCD时,将同一列上三个顺次排列的像元分别记为像元1、像元2和像元3,像元1的输出侧与像元2的输入侧相连,像元2的输出侧与像元3的输入侧相连,同一列中的多个像元按前述方式连接,多个转移区即形成一条转移通道;可见光面阵CCD工作时,其单个工作周期可分为三个阶段:第一阶段是光积分阶段,外部光线照射在像元上产生光生电子(光生电子存储在势阱区中);第二阶段是内部信号合并阶段,通过转移控制栅控制第一势阱区内的光生电子转移到第二势阱区中,从而将两个势阱区内的光生电子合并;第三阶段是转移阶段,仍然通过转移控制栅,按常规的垂直转移方式或水平转移方式,使多个像元内的光生电子沿转移通道顺次向外转移;
从硬件来看,像元内的势阱区面积较大,可以保证像元的满阱容量和平均量子效率都达到较高的水平,此外,由于单个像元内设置了两个势阱区,像元内信号向外转移前,能够先将两个势阱区内的光生电子进行信号合并处理,可以有效提高单个势阱区的满阱率,还有,势垒区的尺寸为3μm×62μm,势阱区的尺寸为52μm×62μm,二者的面积比为3︰52,相关尺寸为经多次试验验证后得到的最佳值,在相应尺寸条件下得到的像元,既可以保证满阱容量和平均量子效率都达到较高的水平,又可以保证势阱区之间的信号转移效率也保持在≥99.9995%的较高水平。
从控制来看,本发明与现有的CCD控制方法的实质区别,就是在光积分阶段和信号转移阶段之间插入了一信号合并阶段,用于将两个势阱内的光生电荷进行合并,考虑到现有技术中不存在前述的双势阱像元结构,因此,现有的控制方法中也就不可能存在“信号合并阶段”,这就使得本发明的控制方法与现有技术存在较大差异;考虑到常规CCD的控制方法是本领域的基本常识,而且本发明的核心改进点是在控制方法中加入“信号合并阶段”,并未改变CCD控制的基本原理,故发明人未对控制方法中与本发明改进点不相关的一些其他细节作赘述,本文如有未尽之处,本领域技术应参考现有技术来理解本发明。
本发明的有益技术效果是:提出了一种大满阱容量CCD信号转移控制方法,该控制方法能与大满阱容量的CCD配合使用,最终起到改善图像的对比度和动态范围的效果。
附图说明
图1、本发明的像元结构示意图一;
图2、本发明的像元结构示意图二(增加了蓝光窗口区后的方案);
图3、本发明的像元结构示意图三(增加了抗晕栅后的方案);
图4、同一转移通道上相邻两像元连接时的结构示意图;
图中各个标记所对应的名称分别为:势垒区1、势阱区2、蓝光窗口区3、抗晕栅4、沟阻5。
具体实施方式
一种大满阱容量CCD信号转移控制方法,所述大满阱容量CCD为多个像元构成的可见光帧转移结构的面阵CCD;单个像元包括四个转移控制栅、两个势垒区1和两个势阱区2;所述势垒区1的周向轮廓为矩形,所述势阱区2的周向轮廓为矩形;所述势垒区1的左侧边所在方向记为A方向,与A方向垂直的方向记为B方向;势垒区1和势阱区2沿B方向排列:第一势垒区1的右侧边与第一势阱区2的左侧边相连,第一势阱区2的右侧边与第二势垒区1的左侧边相连,第二势垒区1的右侧边与第二势阱区2的左侧边相连,第二势阱区2的右侧边形成像元的输出侧;两个势垒区1和两个势阱区2所组成的区域记为转移区,转移区的周向轮廓为矩形;第一转移控制栅设置在第一势垒区1表面,第二转移控制栅设置在第一势阱区2表面,第三转移控制栅设置在第二势垒区1表面,第四转移控制栅设置在第二势阱区2表面;单个势垒区1在B方向上的尺寸为3μm,单个势阱区2在B方向上的尺寸为52μm,转移区在A方向上的尺寸为62μm;其创新在于:
所述大满阱容量CCD信号转移控制方法包括:所述大满阱容量CCD按成像周期连续工作;单个成像周期包括连续的三个阶段:光积分阶段、信号合并阶段、信号转移阶段;大满阱容量CCD中由像元构成的阵列记为像元阵列,同一列上的多个像元即构成一条信号转移通道,设第一势阱区2和第二势阱区2沿信号转移通道的转移方向顺次排列,则在单个成像周期中,按如下方式控制大满阱容量CCD工作:
将第一转移控制栅和第二转移控制栅短接,第一转移控制栅和第二转移控制栅即形成第一转移控制相,将第三转移控制栅和第四转移控制栅短接,第三转移控制栅和第四转移控制栅即形成第二转移控制相;
1)光积分阶段:将第一转移控制相和第二转移控制相保持在高电平状态,使两个势阱区(2)对像元内产生的光生电荷进行收集、存储;光积分阶段结束后,进入步骤2)的信号合并阶段;
2)信号合并阶段:将第一转移控制相切换为低电平状态,使第一势阱区2内存储的光生电荷转移至第二势阱区2内;信号合并阶段结束后,进入步骤3)的信号转移阶段;
3)信号转移阶段:采用两相转移控制方式对第一转移控制相和第二转移控制相的电平状态进行控制,使第二势阱区2内存储的光生电荷沿信号转移通道转移并输出至后级电路中。
前述的大满阱容量CCD,还可与如下优选方案结合,以进一步提高其性能:在转移区的下侧设置有两个蓝光窗口区3;所述蓝光窗口区3的周向轮廓为矩形;蓝光窗口区3的上侧边与转移区的下侧边相连,第一蓝光窗口区3的右侧边与第一势阱区2的右侧边齐平,第二蓝光窗口区3的右侧边与第二势阱区2的右侧边齐平;单个蓝光窗口区3在B方向上的尺寸为53μm、在A方向上的尺寸为40μm。由于势垒区和势阱区表面均设置有转移控制栅,外部光线照射时,光量有一定损失,为了进一步提高像元的量子效率,于是发明人在像元中又设置了蓝光窗口区,蓝光窗口区表面无阻挡物,可以有效提高像元的量子效率;器件工作时,在光积分阶段,由蓝光窗口区产生的光生电子也储存在对应的势阱区中;
采用带蓝光窗口区3的方案时,经试验验证,可见光面阵CCD的满阱容量可达到13000ke-的量级(1.30E+07e-),动态范围可达40000:1,峰值量子效率可达54.5%,400nm~900nm全谱段平均量子效率可达43%。
基于现有技术可知,在像元结构中,还可增加抗晕栅4,以使器件具备抗晕性能,本发明的图3提供了一种抗晕栅4方案,该方案中为两个势阱区2各配备了一个抗晕栅4。采用最优方案时,大满阱容量CCD的单像元尺寸为110μm×110μm。

Claims (1)

1.一种大满阱容量CCD信号转移控制方法,所述大满阱容量CCD为多个像元构成的可见光帧转移结构的面阵CCD;单个像元包括四个转移控制栅、两个势垒区(1)和两个势阱区(2);所述势垒区(1)的周向轮廓为矩形,所述势阱区(2)的周向轮廓为矩形;将垂直向上的方向记为A方向,与A方向垂直且水平向右的方向记为B方向;势垒区(1)和势阱区(2)沿B方向排列:第一势垒区(1)的右侧边与第一势阱区(2)的左侧边相连,第一势阱区(2)的右侧边与第二势垒区(1)的左侧边相连,第二势垒区(1)的右侧边与第二势阱区(2)的左侧边相连,第二势阱区(2)的右侧边形成像元的输出侧;两个势垒区(1)和两个势阱区(2)所组成的区域记为转移区,转移区的周向轮廓为矩形;第一转移控制栅设置在第一势垒区(1)表面,第二转移控制栅设置在第一势阱区(2)表面,第三转移控制栅设置在第二势垒区(1)表面,第四转移控制栅设置在第二势阱区(2)表面;单个势垒区(1)在B方向上的尺寸为3μm,单个势阱区(2)在B方向上的尺寸为52μm,转移区在A方向上的尺寸为62μm;其特征在于:
所述大满阱容量CCD信号转移控制方法包括:所述大满阱容量CCD按成像周期连续工作;单个成像周期包括连续的三个阶段:光积分阶段、信号合并阶段、信号转移阶段;大满阱容量CCD中由像元构成的阵列记为像元阵列,同一列上的多个像元即构成一条信号转移通道,设第一势阱区(2)和第二势阱区(2)沿信号转移通道的转移方向顺次排列,则在单个成像周期中,按如下方式控制大满阱容量CCD工作:
将第一转移控制栅和第二转移控制栅短接,第一转移控制栅和第二转移控制栅即形成第一转移控制相,将第三转移控制栅和第四转移控制栅短接,第三转移控制栅和第四转移控制栅即形成第二转移控制相;
1)光积分阶段:将第一转移控制相和第二转移控制相保持在高电平状态,使两个势阱区(2)对像元内产生的光生电荷进行收集、存储;光积分阶段结束后,进入步骤2)的信号合并阶段;
2)信号合并阶段:将第一转移控制相切换为低电平状态,使第一势阱区(2)内存储的光生电荷转移至第二势阱区(2)内;信号合并阶段结束后,进入步骤3)的信号转移阶段;
3)信号转移阶段:采用两相转移控制方式对第一转移控制相和第二转移控制相的电平状态进行控制,使第二势阱区(2)内存储的光生电荷沿信号转移通道转移并输出至后级电路中。
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