固态成像器件原理及应用第一讲-绪论

1、202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第1 1 1页页页固态成像器件原理及应用固态成像器件原理及应用长春理工大学长春理工大学刘智刘智2008年年10月月10日日202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第2 2 2页页页主要内容主要内容一、课程简介一、课程简介 二、主要内容二、主要内容三、绪论三、绪论四、小结四、小结五、作业五、作业202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第3 3 3页页页一、课程简介一、课程简介 本课程将对固态图像传感器的发展历史进行本课程将对固态图像传感器的发展历史进行简要的了解，掌握图像传

2、感器的基本概念，简要的了解，掌握图像传感器的基本概念，种类及其应用方式；种类及其应用方式； 成像系统相关知识介绍；成像系统相关知识介绍； 图像传感器简要介绍：种类，性能参数等；图像传感器简要介绍：种类，性能参数等； 理解固态成像器件的主要成员：理解固态成像器件的主要成员：CCD和和CMOS图像传感器的工作原理和应用方法；图像传感器的工作原理和应用方法； 在上述基础上，了解基于固态成像器件的图在上述基础上，了解基于固态成像器件的图像应用系统的构建方法。像应用系统的构建方法。 202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第4 4 4页页页参考文献参考文献 米本和也著米本和也

3、著. CCD/CMOS图像传感器基础图像传感器基础与应用与应用. 科学出版社科学出版社. 2007年年 从从CCD图像传感器的基本工作原理出发，图像传感器的基本工作原理出发，利用丰富的插图，简明易懂地介绍利用丰富的插图，简明易懂地介绍CCD图图像传感器的各种构造及工作方式，各种特像传感器的各种构造及工作方式，各种特性和应用技术等。另外，也对随着片上系性和应用技术等。另外，也对随着片上系统的研发成功在广泛领域期待应用的统的研发成功在广泛领域期待应用的CMOS图像传感器，如特征与技术、片上图像传感器，如特征与技术、片上系统等进行详细介绍。系统等进行详细介绍。202220222022年年年5 5 5

4、月月月5 5 5日日日 第第第5 5 5页页页参考文献参考文献 王庆有著王庆有著. 图像传感器应用技图像传感器应用技术术.电子工业出版社电子工业出版社. 2003年年 从应用的角度讲述从应用的角度讲述CCD,CMOS半导体图像传感半导体图像传感器和热像图像传感器等的基器和热像图像传感器等的基本工作原理，基本特性与特本工作原理，基本特性与特性参数；典型图像传感器的性参数；典型图像传感器的驱动方式及其与计算机的接驱动方式及其与计算机的接口方法；典型光源、光学系口方法；典型光源、光学系统的基本概念与计算方法等。统的基本概念与计算方法等。 最后列举了一些典型的应用最后列举了一些典型的应用实例。实例。2

5、02220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第6 6 6页页页二、课程主要内容二、课程主要内容图像与图像传感器的历史与现状图像与图像传感器的历史与现状图像传感器技术简介图像传感器技术简介成像系统技术基础成像系统技术基础固态图像传感器原理和特性固态图像传感器原理和特性固态图像传感器的应用固态图像传感器的应用202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第7 7 7页页页三、绪论三、绪论 图像及其重要作用图像及其重要作用 图像的获得图像的获得 图像传感器的定义图像传感器的定义 图像传感器的起源图像传感器的起源 图像传感器发展历史图像传感器发展历史 图像传

6、感器的发展现状图像传感器的发展现状 图像传感器的主要用途图像传感器的主要用途 什么是固态图像传感器？什么是固态图像传感器？ 参考文献参考文献 作业作业202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第8 8 8页页页图像及其重要作用图像及其重要作用这些由星际尘埃及这些由星际尘埃及气体组成的云气，气体组成的云气，如同纤柔娇贵的宇如同纤柔娇贵的宇宙花瓣，远远地盛宙花瓣，远远地盛开在开在1300光年远的光年远的仙王座恒星丰产区。仙王座恒星丰产区。有时它被称为彩虹有时它被称为彩虹星云，有时人们又星云，有时人们又叫她艾丽斯星云，叫她艾丽斯星云，而被编入目录的则而被编入目录的则是是NG

7、C 7023。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第9 9 9页页页雄伟的螺雄伟的螺线星系线星系NGC 4414。距。距离地球大离地球大约约60万光万光年。年。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第101010页页页三裂星云位三裂星云位于黄道星座于黄道星座之一的人马之一的人马座座(射手座射手座)内，内，也常被称为也常被称为M20。星云内。星云内的恒星诞生的恒星诞生过程，不仅过程，不仅产生了五彩产生了五彩缤纷的色彩，缤纷的色彩，也造成纷扰也造成纷扰混乱的景象。混乱的景象。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日

8、 第第第111111页页页 http:/ 5 5月月月5 5 5日日日 第第第121212页页页202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第131313页页页图像及其重要作用图像及其重要作用 红外图像红外相机获得的图像红外图像红外相机获得的图像202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第141414页页页202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第151515页页页图像及其重要作用图像及其重要作用图像可见图像光学图像数学图像不可见的物理图像图片连续函数离散函数照片画片物体图像： 一个物体或事物的形象化描述1图像是物体

9、集合的一个子集202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第161616页页页图像及其重要作用图像及其重要作用 人类获取的信息中超过人类获取的信息中超过70%是图像信息；是图像信息； 获取图像信息是人类文明生存和发展的基获取图像信息是人类文明生存和发展的基本需要，也是获取信息最方便和最快捷的本需要，也是获取信息最方便和最快捷的手段；手段； 为了尽可能地获得不同光谱段，不同环境为了尽可能地获得不同光谱段，不同环境下清晰，亮度、对比度较好的图片，需要下清晰，亮度、对比度较好的图片，需要有高质量的图像传感器和图像采集系统。有高质量的图像传感器和图像采集系统。202220222

10、022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第171717页页页图像的获取图像的获取202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第181818页页页图像的获取图像的获取202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第191919页页页202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第202020页页页图像的获取图像的获取 哈勃空间望远镜（哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope，缩写，缩写为为HST），是以天文学家爱德温），是以天文学家爱德温哈勃（哈勃（Edwin Powell Hubble）为名，在轨

11、道上环绕着地球的望）为名，在轨道上环绕着地球的望远镜。它的位置在地球的大气层之上，因此获得远镜。它的位置在地球的大气层之上，因此获得了地基望远镜所没有的好处了地基望远镜所没有的好处-影像不会受到大气湍影像不会受到大气湍流的扰动的影响。流的扰动的影响。 1990年发射之后，已经成为天文史上最重要的仪年发射之后，已经成为天文史上最重要的仪器。它已经填补了地面观测的缺口，帮助天文学器。它已经填补了地面观测的缺口，帮助天文学家解决了许多根本上的问题，对天文物理有更多家解决了许多根本上的问题，对天文物理有更多的认识，哈勃的使天文学家能够获得的最深入的认识，哈勃的使天文学家能够获得的最深入（最敏锐的）的光

12、学影像。（最敏锐的）的光学影像。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第212121页页页202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第222222页页页图像的获取图像的获取图像传感器靶面图像传感器靶面靶面：图像传感器的光敏面靶面：图像传感器的光敏面放在光学系统的像面放在光学系统的像面UV202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第232323页页页图像的获取图像的获取202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第242424页页页物体(信号源)传输介质光学系统(信号分析器)光电摄像器件(信

13、号变换器)显示器人眼光源光信号光信号光信号信号信号背景噪声背景噪声噪声噪声其中光电成像器件是光电成像系统的核心。其中光电成像器件是光电成像系统的核心。 图像的获取图像的获取202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第252525页页页图像传感器的定义图像传感器的定义 图像传感器是一种光电变换器件，它将传感图像传感器是一种光电变换器件，它将传感器感光面上的光像转换为与光像成相应比例器感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的关系的“图像图像”电信号；电信号； 按照工作方式，可分为直视型光电成像器件，按照工作方式，可分为直视型光电成像器件，非直视型光电成像器件；非直视型光

14、电成像器件； 按照成像光谱分布，可分为红外、可见光、按照成像光谱分布，可分为红外、可见光、紫外、紫外、X射线、亚毫米波等非可见辐射探测射线、亚毫米波等非可见辐射探测用图像传感器；用图像传感器； 按照发展历史和制造工艺，可分为电真空器按照发展历史和制造工艺，可分为电真空器件、固态成像器件。件、固态成像器件。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第262626页页页图像传感器的起源及发展图像传感器的起源及发展 1873年，光电导现象的发现（史密斯）年，光电导现象的发现（史密斯） 1900年，光的量子属性被发现（普朗克）年，光的量子属性被发现（普朗克） 1916年，量子

15、理论的完善（爱因斯坦），揭示了内光电效年，量子理论的完善（爱因斯坦），揭示了内光电效应的本质；应的本质； 1887年，发现紫外辐射对放电过程的影响（赫兹）年，发现紫外辐射对放电过程的影响（赫兹） 20世纪初光电发射基本定律的建立（斯托列托夫，爱因斯世纪初光电发射基本定律的建立（斯托列托夫，爱因斯坦，勒纳）坦，勒纳） 1923年，光电摄像管（年，光电摄像管（iconoscope）诞生（）诞生（Zworykin） 1929年，红外变像管（科勒）年，红外变像管（科勒） 19361963年，像增强器（格列胥，萨默，西蒙，伊文思）年，像增强器（格列胥，萨默，西蒙，伊文思）202220222022年年年5

16、 5 5月月月5 5 5日日日 第第第272727页页页图像传感器发展历史图像传感器发展历史 1923年，真空光电摄像管年，真空光电摄像管202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第282828页页页图像传感器发展历史图像传感器发展历史202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第292929页页页图像传感器发展历史图像传感器发展历史202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第303030页页页图像传感器发展历史图像传感器发展历史 1936年，像增强器年，像增强器202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5

17、日日日 第第第313131页页页图像传感器发展历史图像传感器发展历史像增强器获得的图像202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第323232页页页图像传感器发展历史图像传感器发展历史紫外变像管紫外变像管202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第333333页页页图像传感器的主要用途图像传感器的主要用途 工业检测工业检测 安防监控安防监控 成像侦察成像侦察 玩具玩具202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第343434页页页什么是固态图像传感器什么是固态图像传感器 固态图像传感器是指在同一半导体衬底上固态图像传感

18、器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元和移位寄存器构成的布设的若干光敏单元和移位寄存器构成的集成化、功能化的光电器件。集成化、功能化的光电器件。 固态图像传感器是利用光电器件的光固态图像传感器是利用光电器件的光电电转换功能，将其感光面上的光像转换为与转换功能，将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的光像成相应比例关系的“图像图像”电信号的电信号的一种功能器件。即利用光敏单元的光电转一种功能器件。即利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成换成“图像图像”电信号。电信号。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日

19、 第第第353535页页页什么是固态图像传感器什么是固态图像传感器 固态图像传感器的结构有线列阵和面列阵两固态图像传感器的结构有线列阵和面列阵两种形式，它将光强的空间分布转换为与光强种形式，它将光强的空间分布转换为与光强成比例的大小不等的电荷包空间分布；成比例的大小不等的电荷包空间分布； 与光强成比例的大小不等的电荷包通过移位与光强成比例的大小不等的电荷包通过移位寄存器形成一系列幅值不等的时序脉冲序列寄存器形成一系列幅值不等的时序脉冲序列输出。输出。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第363636页页页什么是固态图像传感器什么是固态图像传感器 固态图像传感器具有体积小、重量轻、析固态图像传感器具有体积小、重量轻、析像度高、功耗低和低电压驱动等优点。像度高、功耗低和低电压驱动等优点。 目前已广泛应用于图像处理、电视、自动目前已广泛应用于图像处理、电视、自动控制、自动测量、资源普查、成像侦查和控制、自动测量、资源普查