第4讲CCD图像传感器new

1、传感器原理及应用GCU图像传感器尿理孩底JR3.2光电器件-电荷耦合器件尿ML孩底原基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机Trends: Image Sensor TechnicalMigrationMt"1970 Professional DSC Motion Anatys-ls Medical-Radiology -Digital Endoscopy Low Powor Space Apps Aulomoirvo Computer Video Consumer ESC Bi&TMtriics Optical Mico Imaging Ph

2、ones Toys» BrCod® Security1980199020002010尿ML孩底原CCD结构示意图一、电荷耦合器件的结构和工作原理显微镜下的MOS元表面1 基本结构CCD基本结构分两部分：(1) MOS (金属一氧化物一半导体) 光敏元阵列；电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千(万)个光敏元， 一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。(2)读出移位寄存器。uG金届 0MOS电容CCD 是 由规则扌非列 的金属一氧化物一半导体(Metal Oxide Semiconductor,MOS)电容阵列组成。MetalOxideS

3、emiconductor2.电荷耦合器件的工作原理CCD光信息电脉冲I脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱I输岀脉冲的顺序可以反映一个光敏兀的位置完成图像传感厂信号电荷的产生信号电荷的存贮CCD基本工作原理信号电荷的传输3信号电荷的检测基本功能：电荷的存贮和转移特点：以电荷作为信号(1) 信号电荷的产生代表光线 代表电子导带价带O P*ay光电导效应尿ML孩底原(2) 信号电荷的存彳诸当金属电极上加正电压时， 由于电场作用，电极下P型 硅区里空穴被排斥入地成耗 尽区。对电子而言，是一势 能很低的区域，称“势阱” O 有光线入射到硅片上时，光 子作用下产生电子一空

4、穴对, 空穴被电场作用排斥出耗尽 区，而电子被附近势阱(俘 获)，此时势阱内吸的光子 数与光强度成正比。尿ML孩底原电荷存储原理动画演示电子被吸引 空穴被排斥 形成耗尽区 形成势阱MOS电容器电荷耦合器件的光电物理效应一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素， 把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包； > CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元, 每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；>如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图 象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。A这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。(3) 电荷转移原理读出移位寄存器a. C

5、CD电荷耦合器件是以 电荷为信号。b. 读出移位寄存器也是 MOS结构。c. 由三个十分邻近的电极 组成一个耦合单元，在三 个电极上分别施加脉冲波 三相时钟脉冲123。尿理孩底原电荷转移原理动画演示尿理孩底原尿理孩底原电荷的传输尿理孩底原尿理孩底原尿ML孩底原电荷转移原理动画演示V1V2V3tl t2 t3 t4 t5 te t7尿ML孩底原2CCD的输出端I瞬蜀扩散层銀区 2-输出揑制横3-复位控超楼 4HXD 漏极5-HOSFET(4)电荷耦合器信号输出CCD信号电荷 的输出的方式 主要有电流输 出、电压输出 两种，以电压 输出型为例： 有浮置扩散放 大器(FDA)、 浮置栅放大器(FGA

6、)在P型衬底中做出两个錠分别称为浮爲扩敬(3)电荷耦合器信号输出电荷的输岀社荷包转移到社极下 的势阱；1-浮置扩散层(N区)2-输出控制极3-复位控制极4 - CCD 漏极5-M0SFBT 管1、分类二、CCD器件CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD,结构上有多种 不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构 CCD、行间转移结构CCD。线阵CCD结构线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存 器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控 制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位 寄存器组成。读出移位寄存器的输出端Ga位位输出 信息，这一过程是一个串行输出过程

7、。尿ML孩底原、CCD詣件么线阵型i-PO-中T移位寄存器EF光积累中T n击2 _光和累 善1关闭t'3JUULTTLTLnL光敏元二I转移栅Ott包荷输出控制波形尿ML孩底原、CCD詣件I 121 2364位线阵CCD结构192个HllLliftr屯极O413转移栅123123 1 2364个光域兀QVt2CCD信号输入”°IRvt1o脉冲输出尿ML孩底原CCI）传感器感光部分 是光敏二极管线阵列© ®移位冷存器转移枫一光敏巾元一光敏单元眉面的虑 转務欄用来将光敏单 元感矍的电荷转移到 等存器移位寄存器将箱務栅转 过来的吐荷逐个单元綸出传输过稅中，托献

8、尊元 感哽的光强由转務柵转钊務住 奇存谿，由涉位等存器逐个输出厳眉生成谢像与斥物休栢同、CCD斋件b 面阵电荷耦合器b.面型CCD图像传感器面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部 分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。图（a）所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水 平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极 管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构 易于引起图像模糊。沟阻A输出寄存器行扫描发生器感光区二相驱动（Q）聲光区析像单元存储区视频输出OO输出栅2串行读出（6图(b)所示结构增加了具

9、有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存 储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行 的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向 右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开 始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等 优点，但增加了存储器。易g 孩n二相驱动输出寄存器检波二极管视频输出感光区垂直转移 寄存器光栅报时餅*二相驱动图(C)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图(b)中 感光元件与存储

10、元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光 的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控 制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期 内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位 寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位 到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单， 但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生产的产 品的单元数也越来越多，最多已达1024X1024像元。我国也能 生产512 X 320像元的面型CCD图像传感器。、CCD詣件对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同 的。不

11、同型号的CCD器件具有完全不同的外型结构和 驱动时序，在实际使用时必须加以注意。我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索 取相关资料，为CCD器件的应用提供技术支持。尿ML孩底原2、特性參魏CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述A内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有 关的特性，是器件理论设计的重要依据；A外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标 主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失 率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨三、应用举例> CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、 光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合, 主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。&

12、gt; CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高 新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法， CCD被广泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定 位和自动调焦等方面。利用CCD测量几何量CCD诞生后，首先在工业检 测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜 在CCD光敏元上造成影像，CCD输出的脉冲表征测 量工件的尺寸或缺陷；用于传真技术，文字、图象识别。例如用CCD识 别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；Illi自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视 装置、指纹机；CCD传感器应用传感器原理及应用CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件,取代摄像装置的光学扫描系统(电子束扫描)，与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压;作为机器人视觉系统； M2A摄影胶囊(Mouth anus ),由发光二极管做 光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。第3章光电式传感器传感器原理及应用实例1:测量拉丝过程中丝的线径.轧钢的直径.机械加工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。孩平行光线光电式传感器厂 d、/ 卩Y d空=2丫 / BI D = Ntl卩由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间 亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的 壁