专题11 视觉传感器

1、专题专题11 视觉传感器视觉传感器2022-5-1027.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n1）概述）概述n人从自然界获取的信息中以视觉获取的量最多，约占信息总量的80%。视觉传感器扩展人的视觉范围，使人看到视觉范围外的微观和宏观世界。视觉技术快速发展，使信息摄取方法由一维发展到二维及三维，敏感器件由一维线阵发展到二维面阵。 CCD和CMOS图像传感器是典型代表。nCCD的特点的特点：基于内光电效应，由光敏单元集成的一种光传感器，集电荷存储、移位和输出为一体。单个光敏单元称为像素，以一定尺寸大小按某一规则排列，组

2、成线阵或面阵。n基本类型基本类型：一是光生电荷存储在半导体与绝缘体的界面上，并沿界面转移，称为表面沟道电荷耦合器件表面沟道电荷耦合器件(SCCD)；二是光生电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在体内沿一定的方向转移，称体沟道或埋沟道电荷耦合器件体沟道或埋沟道电荷耦合器件(BCCD)。2022-5-1037.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n2) CCD的工作原理的工作原理n如图a所示，MOS光敏元，即一种金属氧化物半导体结构的电容器是组成CCD的基本单位。在P型硅基片上热氧化生成SiO2，再在SiO2层上沉积

3、一层金属电极（栅极）就构成一个孤立的MOS电容器。光照到MOS光敏元使栅极附近硅层产生电子空穴对，多数载流子（空穴）被栅极电压UG决定的电势排斥，少数载流子（电子）被收集在势场中，形成光生电荷。2022-5-1047.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n2) CCD的工作原理的工作原理n(a) 光生电荷存储光生电荷存储n光敏元存储光生电荷的能力取决于栅极所加正阶跃电压UG。 未加UG时P型Si的空穴分布均匀；加UG后，排斥空穴后产生耗尽区。增大UG，耗尽区向半导体内延伸。UGUth(阈值电压)时，氧化层对P型Si体

4、内的电势(界面势s)足够大，形成一个稳定的耗尽区。此时光生电子被耗尽区吸收，如上图b所示。n(b) 电荷移位电荷移位（耦合）n多个MOS光敏元依次相邻排列（间隔13 m），耗尽区可交叠，即发生势阱“耦合”。势阱中的光生电子在互相耦合的势阱间流动。下图a所示为CCD结构原理图，三个相邻栅极分别加时钟脉冲1、2及3，三相时钟（驱动）脉冲时序波形如图b所示。电荷移位过程如图c所示，按驱动脉冲时序，栅极下光生电荷沿半导体表面按一定方向逐个单元转移。2022-5-1057.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n2) CCD的工

5、作原理的工作原理 图a CCD结构原理图 图b 三相驱动脉冲时序波形图c 电荷移位过程2022-5-1067.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n(c)电荷注入方式电荷注入方式n光注入光注入: : 光注入方式有正面照射、背面照射和微孔直射三种。正面照射是光子从栅极通过透明绝缘层进耗尽区；背面照射是光从基底射入耗尽区；微孔直射方式是在光敏元的中心电极下开小孔，入射光直射到硅片上。由于CCD正面布置了很多栅电极，电极的反射和散射作用使正面照射的光谱灵敏度比背面照射低，背面照射方式比正面照射方式好。n电注入：上图a的左端

6、，由N+扩散区和P型基底构成电注入二极管VD1。G1为CCD的输入栅极，其加适当正偏压。保持开启并作为基准电压。输入模拟信号加到VDI上，1保持高电平，通过PN结注入基底的电子进入1势阱中。电注入就是CCD通过输入结构VDI-G1对输入模拟信号进行采样，然后将其转换为信号电荷注入响应势阱（1）中。2022-5-1077.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n(d) 电荷转出方式电荷转出方式nCCD输出电荷信号的方式一般为电流方式。上图a的右端，当3的电压由高变低时，信号电荷将通过加恒定电压的输出栅极Go下势阱进入反向

7、偏置二极管VDo的N+区中。由基底P和N+区，外加电源构成一个二极管反偏电路，对信号电荷是一个很深的势阱，进入反偏二极管VDo的信号电荷将产生电流Id，其大小与注入的信号电荷量Qs成正比。2022-5-1087.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n3) CCD的基本参数的基本参数n(1) 光电转换特性光电转换特性n入射光子能量被硅层吸收转换成光生电荷聚集在势阱中。光生信号电荷Qin与光照强度（光子流速率n）成正比，与光敏元受光面积A成正比，有: Qin=enAtc 式中，为材料的光量子效率；e为电子电量；A为光敏元

8、受光面积；tc为光照时间(光积分时间)，由电荷移位脉冲周期决定.n光敏元结构确定后，面积A一定，Qin取决于光子流速率n。由于光子流速率n与光谱辐射通量e呈线性关系，有 n=e/(h) 式中，h为普朗克常量；为入射光频率。则信号电荷为 Qin=eAtce /(h)n显然，信号电荷Qin与入射光谱辐射通量e呈线性关系。2022-5-1097.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n(2) 开启电压开启电压: MOS场效应管开始产生沟道时所需的栅压。n为使CCD有效工作，表面应始终保持耗尽状态，驱动脉冲信号低电平应在开启电

9、压之上。栅极加正阶跃电压UG（210V），低电平2 V大于开启电压，可以使表面始终保持耗尽状态。n(3) 电荷容量电荷容量nMOS光敏元存储光生电量Qs取决于栅极面积A1、驱动脉冲电压的幅值UG、驱动方式及光敏元结构等因素。Qs表达式如下: Qs=CaxUGA1；其中Cax为SiO2氧化层单位面积的电容量。n不考虑电荷转移传输损失的输出电流(单位时间转移的电量)： Id=Qsf=CaxUGA1f 式中，f为电荷移位脉冲周期T的倒数，即频率；A1为栅极面积；Cax为SiO2氧化层单位面积电容量；UG为栅极电压。2022-5-10107.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传

10、感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n(4) 转移损失率转移损失率n每次电荷转移中未转移电荷所占百分比；它决定CCD信号电荷能被传递的次数。设原始光生电荷为Q0，n次转移后剩电荷为Qn=Q0(1)n。如n=103，设Qn=0.9Q0，则=1.054x104x100%。设每次转移效率为，有=1，且Qn/Qf=n。n(5) 工作频率工作频率：加载于转移栅的驱动脉冲电压的时钟频率。 （1）工作频率下限。为避免热激发少数载流子对注入信号电荷的干扰，注入信号电荷从一个电极转移到另一电极所用时间t必须小于少数载流子的平均寿命i，即ti。正常条件下，对三相电荷耦合器件，t=T/3=1/(3

11、f)i，则有f1/(3i)。n可见，CCD工作频率下限与少数载流子的平均寿命有关。少数载流子的平均寿命与器件工作温度有关，工作温度越高，热激发少数载流子的平均寿命越短，工作频率下限越高。2022-5-10117.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n(5) 工作频率工作频率n（2）工作频率上限。当工作频率提高时，受电荷从一个电极转移到另一电极所需的固有时间g的限制，驱动脉冲使电荷从一个电极转移到另一个电极的时间t应大于g，才能保证电荷完全转移；否则，信号电荷跟不上驱动脉冲变化，降低转移效率。要求转移时间t=T/3g，

12、可得到f1/（3g），这是电荷转移工作频率的上限。n工作频率上限受SiO2-Si界面势s对电荷的俘获作用和电荷在势阱间转移速度的限制，这与载流子迁移率、电极长度、基底掺杂浓度和工作温度等有关。2022-5-10127.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n4) 线阵线阵CCDn光学成像系统把图像成像在CCD光敏元阵列上，将光强分布信号转变成光电荷密度分布信号；由驱动脉冲使光电荷转移，从移位寄存器中转移出去，获得一维图像信号。n用线性CCD获得二维图像的典型：扫描仪、传真机和复印机等n(1) 单线结构线阵单线结构线阵C

13、CD n组成:光敏元阵列+转移控制栅+CCD模拟移位寄存器 转移控制栅用于隔离或沟通光敏单元阵列和CCD移位寄存器。 转移控制栅的低电平时间长，高电平时间短，光积分时间大于 转移时间。在每次光积分时间里，CCD在三相时钟脉冲作用 下，将移位寄存器中的信号电荷由 输出端依次输出，经放大形成时序 信号（又称视频信号）。2022-5-10137.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n4) 线阵线阵CCDn(1) 单线结构线阵单线结构线阵CCD n光敏元（像素）做得很小，其间隔也很微小，但其尺寸仍是提高CCD分辨率的主要障碍

14、。n分辨率：评价CCD识别微小光像和再现光像能力的指标，一般用传感器调制传递函数MTF表示。MTF以空间频率作参变量来描述输入光像与输出电信号之比。空间频率是指明、暗相间光线条纹在空间出现的频度，单位是线对/mm。明、暗相间两条纹为一对，线对宽度等于两明线或两暗线中心距。n线阵CCD的光敏元越多，分辨率越高。测物体尺寸时，高位数的光敏元线阵CCD可获得较高的测量精度。但增加光敏元数目会提高电荷转移损失率。每个光敏元的尺寸乘以光敏元数为CCD的工作长度。2022-5-10147.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n4

15、) 线阵线阵CCDn(2)双线结构线阵双线结构线阵CCD n单线结构线阵CCD转移次数多、效率低，导致分辨率较差，用双线阵结构可部分解决此问题。如图所示，两列CCD模拟移位寄存器分列于光敏单元上、下两侧，当转移控制栅为高电平时，光敏单阵列势阱里聚集的信号电荷将同时按箭头方向分别转移到对应移位寄存器内。双线阵结构比单线阵结构输出转移时间少一半，提高了转移总效率，减少了转移损失率。n目前，线阵CCD向更多位光敏单元方向发展，从256x1发展到了7500 x1，另外还有三行的线阵CCD，如 2700 x3、5340 x3、10550 x3等多种规格。2022-5-10157.1 光参量传感器光参量传

16、感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n5) 面阵面阵CCDn分辨力分辨力：面阵CCD输出信号按电视扫描制式，用其水平分辨力来评价整个CCD面阵的分辨力且利用电视系统对图像分辨力的评价方法电视线评价法(在一幅图像上，在水平方向能分辨出的黑白条纹数)。n水平分辨力与水平方向上CCD光敏元数目有关；光敏元数目越多，分辨力越高。目前，面阵CCD光敏元数目已从512500发展到10241024、20482048、40964096等多种规格。n面阵CCD的光敏单元阵列是二维阵列，根据信号电荷向移位寄存器转移方式的不同，可分为帧转移型、列转移型和线转移型

17、等类型。2022-5-10167.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n(1) 帧转移面阵帧转移面阵CCDn构成构成：光敏区+暂存区+行读出寄存器n光敏元阵列：横排M个用沟阻隔开的电荷耦合沟道(虚线)， 竖排N个贯穿各电荷耦合沟道的水平栅。暂存区与光敏区结 构相同，暂存区与水平读出寄存器被遮光（斜线区）。n工作过程工作过程：首先光积分, 光敏区水平栅 为高电平，光电荷收集到势阱中成为 电荷图像；第二步帧转移，高电平下 光敏区电荷对应位全帧转移到暂存区； 第三步行转移，行读出寄存器逐行转 移暂存区信息，开始下轮光积分。

18、第 二个光积分时，完成行信号输出。n结构特点结构特点：简单，光敏元小，MTF较 高，但光敏区占总面积的比例小。2022-5-10177.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n4） 面阵面阵CCDn（2）列转移面阵）列转移面阵CCDn如图所示，光敏元列与遮光暂存区隔开排列，中间加转移控制栅，下部为水平读出位移寄存器和输出放大器。光积分期，光敏元列势阱与读出寄存区隔开。积分结束，光敏元列信号电荷并行转移到垂直读出寄存区对应位。并行转移后，光敏元列与 垂直读出寄存区又隔开。下次积分的 同时，垂直驱动脉冲将各垂直读出寄 存区

19、的最下一位组成一列信号电荷转 移到水平读出移位寄存器中，经水平 读出、放大输出。在第二次积分期完 成第一次的信号输出。2022-5-10187.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n（3）线转移面阵）线转移面阵CCDn如图所示，1为线寻址电路，2为输出寄存器驱动脉冲，3为垂直输出寄存器。线转移型相当于取消暂存区的帧转移型，多一个线寻址电路。光敏元的各行都有确定地址，无水平读出寄存器，只有垂直输出寄存器。n光积分后，线寻址电路选中某行光敏元 时，驱动脉冲使该行信号电荷按位依方 向转移至垂直输出寄存器，再由驱动脉 冲使信

20、号电荷经输出放大器输出。根据 不同使用要求，线寻址电路发出不同数 码，可选择不同扫描方式，如逐行或隔 行扫描，也可选其中一行输出，使其工 作在线阵CCD状态下。线转移型的有效光敏面积大，转移快， 转移效率高，缺点是电路复杂。2022-5-10197.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n4) 应用应用1：线阵：线阵CCD测工件尺寸测工件尺寸nCCD器件有光电荷存储和转移功能，取消了扫描系统，降低了再生图像失真，适用于自控和自动测量中的图像采集和识别。CCD可实现危险场地或人机不可到达的场地的检测和控制，可测物位（距离

21、）、尺寸形状、工件损伤、颜色变化等。n如下图所示测长方案，由几何光学原理有被测物长nL=nd/= nd /(b/a)= nd (a/f1) 式中，为光学系统放大倍率；a为物距；b为像距；f为透镜焦距；n为光敏单元数目；d为光敏单元中心距。n如果透镜焦距f已选定并已知物距a，则可由上式确定线阵CCD最小长度为：Lmin=Lb/a=Lf/(af) n测量精度取决于光敏单元数目n与透 镜视场L的比值。2022-5-10207.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.5 7.1.5 视觉传感器视觉传感器-CCD-CCD图像传感器件图像传感器件n若线阵CCD工作长度不满足要求，可拼接线阵CCD。n方式：机

22、械拼接、光学拼接和芯片拼接。机械拼接工艺简单，易实现，但器件两端的虚设单元及电路引线和封装等原因，一般线阵CCD的有效光敏元数比名义的少，导致机械拼接线阵的首尾不能完全接成一条直线，有一定距离。n示例：测生产线上的钢带宽度，如图所示，用两个线阵CCD分开的机械拼接法。优点是板材的左右摆动不影响测量结果。 对尺寸较大但变化并不大的宽度控制，可在钢板的测量边分别置放线阵CCD测量边缘尺寸变化，即用两已知距离的线阵CCD测被测物边缘的图像位置，再计算被测总尺寸，即： n D=dN1/1+dN2/2+L 式中，N1、N2分别为两线阵CCD所遮挡光敏单 元数目；1、2分别为各自的光学成像放大倍 率；L为

23、两线阵CCD间距。2022-5-10217.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.6 COMS图像传感器件图像传感器件*nCMOS成像器件和CCD几乎同时出现，两种器件采用相同硅材料，它们的光谱响应和量子效率基本相同，两者的光敏单元和电荷存储容量也相近。但结构和制作工艺方法不同，其性能差别很大。CMOS器件由光敏二极管、MOS场效应管、MOS放大器和MOS开关电路在同一芯片上集成而成，用于摄像质量要求不高的场合。CCD的驱动电路、接口电路、逻辑电路和A/D转换电路必须在器件外设置。相比之下，CCD有更好的图像质量和灵活性，占据高端应用领域。目前，CMOS技术发展较快，使两者的性能差距越来越小。

24、2022-5-10227.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.6 COMS图像传感器件图像传感器件n1）CMOS成像器件的工作原理成像器件的工作原理n（1）主动式光敏单元结构）主动式光敏单元结构n早期CMOS器件为“被动式光敏元”结构， 由一个光敏二极管和场效应管地址选通 开关组成。各光敏元的地址选通开关压 降差异和暗电流造成固定图像噪声 大、信噪比低。n主动式结构：各光敏元光电信号经放大 后经场效应管地址选通开关输出。右上 图为主动式光敏单元的基本电路图。 V1为光敏二极管的负载，其栅极接复位信号线。复位脉冲出现 时V1导通，光敏二极管被瞬时复位。复位脉冲结束后，V1截 止，光敏二极管开始

25、光信号积分。2022-5-10237.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.6 COMS图像传感器件图像传感器件n三管式主动光敏单元结构（前图）：场效应管V2是源极跟随放大器，放大光敏二极管高阻抗输出信号电流。地址选通脉冲开启，选址模拟开关V3导通，被放大的光电信号送到列总线上。n为更加完善对曝光的控制，在三管式基础上增加一个复位开关管和一个储存开关管，构成五管式主动光敏单元结构，如下图所示。储存控制开关管将光敏二极管积分的光信号迅速存储在电容中，曝光开关实现帧间信号的隔离。实用光敏单元结构因光敏二极管电压偏置方法和信号放大电路不同有多种形式。2022-5-10247.1 光参量传感器光参量传

26、感器n7.1.6 COMS图像传感器件图像传感器件n（2）CMOS器件的结构器件的结构n如图所示，结构分光敏元阵列和输出及信号处理电路两部分，两部分集成在一片硅片上。光敏元阵列按水平X方向和垂直Y方向布阵，阵列中任一光敏元分别由X方向和Y方向地址译码器确定其唯一地址。每列光敏元对应一个列放大器，光敏元光电信号经放大器送入（由X方向地址译码控制选择的）多路模拟开关输出。输出信号送右端信号处理电路经A/D转换、预处理后通过接口电路输出。n整个电路由时序脉冲电路提 供驱动，并受控于接口电路 输入的同步控制信号。CMOS 器件光敏元阵列的信号输出 方式与CCD不同，可用不同 方式输出。2022-5-1

27、0257.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.6 COMS图像传感器件图像传感器件n（2）CMOS器件的结构器件的结构n如图所示，对信号Sij，其地址是由Y方向地址译码器（或移位寄存器）选定i行，X方向地址译码器（或移位寄存器）选定j列来确定的。由于设定了行与列开关，由Y-X地址译码器选通控制，确定Sij的地址。CMOS器件可只输出某一行或某一列，或逐行扫描输出。要输出第i行信 号，首先由Y地址译码器选定第I 行，接通模拟开关，将第i行的光 敏元信号送到总列线上，再由X 地址译码器控制，把信号送入列 放大器，经多路模拟开关输出。2022-5-10267.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.

28、6 COMS图像传感器件图像传感器件n(3) CMOS器件的工作流程器件的工作流程n时序脉冲电路提供工作脉冲，这些脉冲决定CMOS各单元的工作时序，各单元按程序设定的顺序工作。时序脉冲如图所示。n由时序脉冲决定的CMOS工作流程分为如下四个部分： （a）初始化设定器件工作模式。 设定输出偏压、放大器增益、取 景器开通和光积分时间等。 （b）行操作。 行启动脉冲SYNC-YR使行复位移 位寄存器初始化，行读出脉冲nSYNC-YL启动，读出移位寄存器从第一行（Y=0）开始读出。2022-5-10277.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.6 COMS图像传感器件图像传感器件n(3) CMOS器件

29、的工作流程器件的工作流程n（c）列操作）列操作n列启动脉冲SYNC-X启动，启动X（列）移位寄存器读出，从X=0至X=Xmax为X移位寄存器的一帧图像信号。从工作流程上看，行操作与列操作是交替的，到Y=Ymax、X=Xmax结束。先进行行操作，送入列总线，再进行列操作，读一行后，循环操作，直至读完全帧图像。n（d）复位操作）复位操作n行读出SYNC-YL启动后至下一SYNC-YR脉冲出现时间间隔为光敏单元光积分时间，同帧复位至第二次RS复位间隔时间一致。行复位由SYNC-YL控制。SIN脉冲信号控制输出放大器复位，保证清除前一光敏单元信号的影响。光敏单元复位RS有两次复位操作，第二次是配合曝光

30、控制设定的。2022-5-10287.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.6 COMS图像传感器件图像传感器件n2) CMOS器件的主要性能器件的主要性能n(1) 光谱响应与量子效应光谱响应与量子效应nCMOS成像器件的光谱响应与量子效率取决于光敏二极管，并 受器件表面光反射、干涉、表层透过率的差异和电子复合等因 素影响。n其光谱响应范围0.351.1 m，响应峰值在0.7 m附近，峰值 波长响应达0.4 A/W，如图所 示。其中不平行斜率线表示量 子效率与波长变化关系，其中 量子效率总低于100%。2022-5-10297.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.6 COMS图像传感器件图像

31、传感器件n2) CMOS器件的主要性能器件的主要性能n(2）填充率）填充率n填充率是光敏面积对光敏器件的面积之比，它决定器件的有效灵敏度、噪声、响应时间、调制传递函数MTF等。提高填充率，扩大光敏面积，减少驱动，放大和处理电路所占面积是充分利用半导体器件大光敏面积CMOS器件的关键。提高填充率的方法有两种。n（a）在CMOS器件光敏单元上装一层矩形面阵微透镜，将全部入射光聚集到面积很小的光敏单元上。光敏单元面积减小可提高灵敏度，降低噪声，减小结电容，提高响应速度。2022-5-10307.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.6 COMS图像传感器件图像传感器件n2) CMOS器件的主要性能器

32、件的主要性能n(2）填充率）填充率n（b）采用填充率较高的特殊光敏单元结构。在这种光敏单元中，表层的光敏二极管、电路及其阻挡层均很薄，且是透明的，入射光透射后到达外延的光敏层，所产生的光电子几乎可以全部扩散到光敏二极管中。尽管光敏二极管面积不大，但光敏单元表面却是整个单元的表面积，所以填充率接近100%。n(3) 输出特性输出特性n下图示出了线性、双斜率、对数特性和校正四种输出模式，它们的动态范围相差很大，特性也有较大区别。（a）线性模式的输出与光强成正比，适合连续测量场合，其动态范围小，线性范围高端信噪比大。测小信号时，信噪比低。2022-5-10317.1 光参量传感器光参量传感器n7.1

33、.6 COMS图像传感器件图像传感器件n2) CMOS器件的主要性能器件的主要性能（b）双斜率模式用两种曝光时间。信号弱时，长时曝光，输出曲线斜率大；信号强时，短时曝光，输出曲线斜率小，从而扩大动态范围。也可用多种曝光时间改变曲线的平滑性。（c）对数输出模式动态范围大，可方便地设计出具有对数响应特性的电路。这种输出模式有良好的性能，接近人类视觉对光的响应规律。（d）校正输出模式的表达式为 U=KeE，其中，U为信号输出 电压；E为输入光强；K为常数； 为校正因子（1）。这种模 式使输出的电压信号渐缓。2022-5-10327.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.6 COMS图像传感器件图像传

34、感器件n3) 典型的典型的CMOS成像器件成像器件nSXGA型彩色（或黑白）面阵CMOS器件：n工作原理如图所示，其中增加了Y方向复位移位寄存器，用于 对各光敏元复位，清除帧之间的影响。各光敏元复位后，即开 始光信号积分，当Y方向移位寄存器启动时，迅速读出信号， 这一时间间隔为曝光时间。该 器件光敏元面阵为12861030， 其中每行和每列起始及末尾各有 3个虚设单元。各光敏元为三管 式主动光敏元结构，光敏元上贴 RGB三色滤光片可实现彩色成像。2022-5-10337.1 光参量传感器光参量传感器n7.1.6 COMS图像传感器件图像传感器件n3) 典型的典型的CMOS成像器件成像器件nSX

35、GA型CMOS器件的光谱特性如左下图所示。其彩色成像因加入彩色滤光片使光谱响应下降，且响应曲线有差异(不同步)nSXGA型CMOS器件输出特性曲线如右下图所示，曲线中线性段的动态范围仅66 dB。横坐标Me为光敏面上的照度，纵坐标U为输出电压。2022-5-1034(4) CCD图像传感器图像传感器 CCD全称电荷耦合器件，全称电荷耦合器件，它具备光它具备光电转换、信息存贮和传输等功能，具有电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。围大等优点。 CCD图像传感器被广泛应图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、用

36、于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。通信以及工业检测和自动控制系统。 2022-5-1035CCD的基本工作原理的基本工作原理 一个完整的一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到移栅信号驱动下，转移到CCD内部

37、的移位寄存内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。 2022-5-1036MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片 彩色彩色CCD显微照片（放大显微照片（放大7000倍）倍）2022-5-1038C

38、CD图像传感器的分类图像传感器的分类 1. 1. 线阵线阵CCD外形外形 2022-5-10392.面阵面阵CCD 面阵面阵CCD能在能在x、y两两个方向都能实现电子个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。自扫描，可以获得二维图像。 2022-5-1040面阵面阵CCD外形（续）外形（续） 200万和万和1600万像素的面阵万像素的面阵CCD 2022-5-1041面阵面阵CCD外形（续）外形（续） 2022-5-1042面阵面阵CCD外形（续）外形（续） 2022-5-1043CCD的基本特性参数的基本特性参数 CCD的基本特性参数有：的基本特性参数有： 光谱响应、动态范围、信噪比、光谱响应、动态范围、信噪比