[理学]现代传感技术第3章ppt课件

1、第三章 图像传感技术 图像传感器实际上也是光电传感器件中的一部分，主要器件有CCD、CMOS以及PSD等，PSD已经在光电传感器件中介绍，在这一章中主要讨论CCD和CMOS传感器件及图像测量技术。图像传感技术 3.1 CCD图像传感器 3.2 CMOS图像传感器 CMOS传感器构造与工作原理 CMOS图像传感器的性能指标 典型CMOS图像传感器 3.3 CCD与CMOS传感器的比较 3.4 图像测量技术CCD图像传感器 CCDCharge Coupled Device全称为电荷耦合器件，是20世纪70年代开展起来的新型固体成像器件。 它是在MOS集成电路技术根底上开展起来的，为半导体技术应用开

2、拓了新的领域。 它具有光电转换、信息存储和传输等功能，具有集成度高、功耗小、构造简单、寿命长、性能稳定等优点，能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次、内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、播送、电视、 通信以及工业检测和自动控制系统。 CCD是目前最为成熟，应用最为广泛的图像传感器，它的典型产品有数码相机、摄像机等。 CCD图像传感器 CCD有两种根本类型： 一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿着界面转移，这类器件称为外表沟道CCD器件简称SCCD； 另一种是电荷包存储在离半导体外表一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向转移，这类器件称为

3、体沟道或埋沟道器件简称BCCD. 一个完好的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位存放器及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD图像传感器 CCD的MOS构造及存储电荷原理 CCD的MOS构造 电荷的传输 电荷读出 CCD图像传感器根本特征参数 CCD摄像器件 线阵CCD摄像器件 面阵CCD摄像器件CCD的MOS构造及存储电荷原理 CCD由多个光敏像元组成，每个像元就是一个MOS电容器或一个光敏二极管。这种电容器能存储电荷，其构造如图 3 1所示。图 3 1 CCD根本构造和工作原理图 CCD的MOS构造及存储电荷原理 1.电荷的传输 CCD的移位存放器是一列排列严密的MOS电容器或光敏二极管，它的

4、外表由不透光的金属层覆盖，以实现光屏蔽。 MOS电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外加电压一定，势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小。利用这一特性，通过控制相邻MOS电容器栅极电压上下来调节势阱深浅。 在MOS电容严密排列，使相邻的MOS电容势阱互相“沟通，即相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小，且当改变相邻MOS两电极的电压值时，在信号电荷自感生电场的库仑力推动下，就可使信号电荷由浅处流向深处，实现信号电荷转移。CCD的MOS构造及存储电荷原理 1.电荷的传输 为了保证信号电荷按确定道路转移，通常MOS电容阵列栅极上所加脉冲电压为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲电压。 三

5、相CCD的构造及工作原理 二相CCD的构造及工作原理 CCD的MOS构造及存储电荷原理 2.电荷读出 CCD的信号电荷读出方法一般有两种：输出二极管电流法和浮置栅MOS放大器电压法。 图图 3 5 电荷读出方电荷读出方法法 CCD图像传感器根本特征参数 CCD图像传感器特征主要是指其光电转换特性，而性能参数主要包括灵敏度、分辨率、信噪比、光谱响应、动态范围、暗电流和图像滞后等。CCD摄像器件的优劣评判标准，就是采用这些参数衡量。CCD图像传感器根本特征参数 1.光电转换特性 横轴为曝光量，纵轴为输出信号电压值。它的光电转换特性与硅靶摄像管相似，具有良好的线性。特性曲线的拐点G所对应的曝光量叫饱

6、和曝光量图图 3 6 CCD的光电转换特性的光电转换特性 CCD图像传感器根本特征参数 2.光谱响应 目前广泛应用的CCD器件是以硅为衬底的器件，其光谱响应范围为4001100nm。红外CCD器件用多元探测器阵列替代可见光CCD图像器件的光敏元部分，光敏元部分用的主要光敏材料有InSb、PbSnTe和HgCdTe等，其光谱范围延伸至35mm和814mm。 3.动态范围 饱和曝光量和等效噪声曝光量的比值称为CCD的动态范围。CCD器件动态范围一般在103104数量级。 4.暗电流 暗电流的存在限制了器件动态范围和信号处理才能。暗电流的大小与光积分时间、周围环境亲密相关，通常温度每上升3035，暗

7、电流进步约一个数量级。CCD摄像器件在室温下暗电流约为510nA/cm2。CCD图像传感器根本特征参数 5.分辨率 分辨率是图像器件的重要特性，常用调制传递函数MTF Modulation Transfer Function来评价。图 3 7是用2856K白炽光源照明下某线阵CCD的MTF曲线。 MTF定义为：归一化的无量纲的零空间频率下的调制深度的值。图图 3 7 某线阵某线阵CCD的评价曲的评价曲线线 CCD摄像器件 CCD电荷耦合摄像器件简称ICCD，它的功能是把二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量的视频输出信号。 线阵 可以直接将接收到的一维光信号转换成时序的电信号输出，获得一维的

8、图像信号。 假设想用线阵CCD获得二维图像信号，必须使线阵CCD与二维图像做相对的扫描运动。 所以用线阵CCD对匀速运动物体进展扫描成像是非常方便的。 现代的扫描仪、 机、高档复印机和航空图像扫描系统等都采用线阵CCD作为图像传感器。 面阵CCD 面阵CCD是二维的图像传感器，它可以直接将二维图像转变为视频信号输出。CMOS传感器构造与工作原理 CMOSComplementary Metal Oxide Semiconductor, 互补金属氧化物半导体图像传感器也是目前最常见的数字图像传感器，广泛应用于数码相机、数码摄像机、照相手机以及摄像头等产品上。 采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列

9、、驱动和控制电路、信号处理电路、模/数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统，这已成为当前一个研究热点。 根据像素的不同构造，CMOS图像传感器可以分为 无源像素被动式传感器PPS 有源像素主动式传感器APS根据光生电荷的不同产生方式，APS又分为 光敏二极管型 光栅型 对数响应型CMOS传感器构造与工作原理图图 3 13 CMOS图像传感器芯片构造框图图像传感器芯片构造框图 图图 3 14 CMOS图像传感器像素阵列图像传感器像素阵列 CMOS图像传感器的性能指标 1.光谱性能与量子效率 CMOS成像器件的光谱性能和量子效率取决于它的像敏单元光敏二极管。CMOS图像传

10、感器的性能指标 2.填充因子 填充因子是指光敏面积对全部像敏面积之比，它对器件的有效灵敏度、噪声、时间响应、模传递函数MTF等的影响很大。 3.输出特性与动态范围 CMOS成像器件一般有4种输出形式： 线性形式 双斜率形式 对数特性形式 校正形式 它们的动态范围相差很大，特性也有较大的区别。CMOS图像传感器的性能指标 4.噪声 CMOS图像传感器的噪声来源于其中的像敏单元的光敏二极管、用于放大器的场效应管和行、列选择等开关的场效应管。这些噪声既有相似之处也有很大差异。此外，由光敏二极管阵列和场效应晶体管电路构成CMOS图像传感器时，还可能产生新的噪声。 1光敏器件的噪声 2MOS场效应晶体管

11、中的噪声 3CMOS成像器件中的工作噪声 5.空间传递函数 由于CMOS成像器件中存在空间噪声和串音，故实际的空间传递函数特性要降低些。 典型CMOS图像传感器以FillFactory公司的IBIS4 SXGA型CMOS成像器产品为例。这是一种彩色面阵CMOS成像器件，但也可以用做黑白成像器件。它的特点是：像素尺寸小填充因子大光谱响应范围宽量子效率高噪声等效光电流小无模糊Smear现象有抗晕才能可做取景控制典型CMOS图像传感器 成像器件的原理构造图图 3 25 SXGA图像传感器原理构造图图像传感器原理构造图 典型CMOS图像传感器 SXGA型CMOS成像器件的光谱特性典型CMOS图像传感器

12、 输出放大器 它主要由三部分组成： 增益可调的放大器、钳位器、偏压调节电路图图 3 29 SXGA型型CMOS成像器件输出放大器电路原理图成像器件输出放大器电路原理图CCD与与CMOS传感器的比较传感器的比较 数字数据传送的方式 CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管photodiode进展光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。 CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进展放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类

13、似内存电路的方式将数据输出。造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像素的数据可会聚至边缘再进展放大处理；而CMOS工艺的数据在传送间隔 较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。CCD与与CMOS传感器的比较传感器的比较 由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括： 1灵敏度差异 2本钱差异 3分辨率差异 4噪声差异 5功耗差异 CMOS与CCD图像传感器的性能比较CMOS与CCD图像传感器的性能比较图像测量技术 图像测量是一种视频测量技术。它通过自身扫描和光电转换功能将空间光强分布转换为时序的

14、图像信号，并根据确定的时空参数间的互相关系获得物体空间分布状态数据。 目前，在图像测量中，一般是采用CCD图像传感器。 CCD摄像器件是CCD图像测量系统的核心器件，由于它具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、本钱低等优点，故已成为现代光电子学和现代测试技术中最活泼的传感器，被广泛的应用于各种光电系统中。CCD图像测量系统构造与测量原理 CCD图像测量系统的构造由图像传感器、摄像控制器、像素检测器三个主要单元组成。图图 3 37 线扫描摄像测长系统线扫描摄像测长系统CCD图像测量系统构造与测量原理三相CCD的构造及工作原理 三相CCD构造如图 3 2所示。每一个像元，有两个相邻电极，每隔两个电

15、极的所有电极都接在一起，由3个相位相差120的时钟脉冲驱动，故称三相CCD。 CCD中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的。在三相CCD 中是靠时钟脉冲电压的时序控制，来形成非对称势阱。 图图 3 2 三相三相CCD电荷传输原理图电荷传输原理图 二相CCD的构造及工作原理 采用不对称的电极构造也可以引进不对称势阱，从而变成二相驱动的CCD。目前实用CCD中多采用二相构造。 实现二相驱动的方案有 1阶梯氧化层电极 阶梯氧化层电极构造如图 3 3所示。此构造中将一个电极分成两部分，其左边部分电极下的氧化层比右边的厚，那么在同一电压下，左边电极下的位阱浅，自动起到了阻挡信号倒流的作用。图图 3 3

16、 采用阶梯氧化层电极形成的二相构采用阶梯氧化层电极形成的二相构造造 二相CCD的构造及工作原理 采用不对称的电极构造也可以引进不对称势阱，从而变成二相驱动的CCD。目前实用CCD中多采用二相构造。 实现二相驱动的方案有 2设置势垒注入区 如图 3 4所示，对于给定的栅压，位阱深度是掺杂浓度的函数。掺杂浓度高，那么位阱浅。采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处，那么该处位阱就较浅，任何电荷包都将只向位阱的后沿方向挪动。图图 3 4 采用势垒注入区形成二相构造采用势垒注入区形成二相构造 线阵CCD摄像器件 线阵CCD摄像器件有两种根本形式： 单沟道线阵CCD 双沟道线阵CCD线阵CCD摄

17、像器件 单沟道线阵CCD 单沟道线阵CCD由光敏元阵列、转移栅、CCD模拟移位存放器和输出放大器等单元构成。 这种构造的线阵CCD的转移次数多、效率低、调制传递函数MTF较差，只适用于像敏单元较少的摄像器件。 图图 3 8 单沟道线阵单沟道线阵CCD 线阵CCD摄像器件 双沟道线阵CCD 具有两列CCD模拟移位存放器A与B，分列在像敏阵列的两边。 对同样的像敏单元来说，双沟道线阵CCD要比单沟道线阵CCD的转移次数少一半，转移时间缩短一半，它的总转移效率大大进步。 在要求进步CCD的工作速度和转移效率的情况下，常采用双沟道的方式。图图 3 9 双沟道线双沟道线阵阵CCD的构造的构造面阵CCD摄

18、像器件 按照一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及移位存放器排列成二维阵列，即构成二维面阵CCD。 由于排列方式不同，面阵CCD常有 帧转移方式 隔列转移方式 线转移方式 全帧转移方式 等。1.帧转移面阵CCD帧转移三相面阵摄像器的构成： 成像区像敏区 暂存区 程度读出存放器图图 3 10 帧转移三相面帧转移三相面阵摄像器的原理构造图阵摄像器的原理构造图2.隔列转移型面阵隔列转移型面阵CCD2.隔列转移型面阵CCD 隔列转移型面阵CCD的构造如图 3 11a所示。 它的像敏单元图中虚线块呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出存放器及沟阻隔开，像敏单元与读出存放器之间又有转移控制栅。 由图可见，每一像敏单元对应于两个遮光的读出存放器单元。读出存放器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。由于每列像敏单元均被读出存放器所隔，因此，这种面阵CCD称为隔列转移型CCD。2.隔列转移型面阵隔列转移型面阵CCD 图 3 11b是隔列转移型面阵CCD的二相注入势垒器件的像敏单元和存放器单元的构造示意图。 连续的多晶硅，它经过选择掺杂构成二相转移电极系统，称为多晶硅存放器栅极系统。转移方向用离子注入势垒方法完成，使电荷只能按规定的方向转移，沟阻常用来阻止电荷向外扩散。3.线转移型面阵线转移型面阵CCD3.线转移型面阵CCD如图 3 12所示，与前面两种转移方式相比，线转移型面阵CCD取消了存储区，