第九章2图像传感器改

1、现代检测技术现代检测技术 图像传感器图像传感器精勤求学 敦笃励志 果毅力行 忠恕任事Xian Jiaotong University主要内容主要内容图像传感器图像传感器 图像测量系统图像测量系统 图像处理技术图像处理技术 CCD, CMOS 照明、镜头、图像传感器、图像采集、图像处理照明、镜头、图像传感器、图像采集、图像处理 基本概念、图像增强、图像分析基本概念、图像增强、图像分析 Xian Jiaotong University图像测量系统图像测量系统 控制中枢、图像处理控制中枢、图像处理 照明照明 镜头、图像传感器镜头、图像传感器 图像采集图像采集 视频信号视频信号 Xian Jiaoto

2、ng University图像传感器图像传感器v 图像传感器是在光电技术基础上发展起来的图像传感器是在光电技术基础上发展起来的将光学图像转将光学图像转换成电信号换成电信号的器件，分为真空管图像传感器和半导体图像的器件，分为真空管图像传感器和半导体图像传感器。传感器。v 固态图像传感器是高度集成的半导体光电器件，在一个器固态图像传感器是高度集成的半导体光电器件，在一个器件上可以完成光电信号的转换、传输和处理。件上可以完成光电信号的转换、传输和处理。v 固态图像传感器的核心是电荷转移器件，有五种类型：固态图像传感器的核心是电荷转移器件，有五种类型： 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD） 互补式金属

3、互补式金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（CMOS）型）型 电荷注入器件（电荷注入器件（CID） 电荷引发器件（电荷引发器件（CPD） 叠层型成像器件叠层型成像器件Xian Jiaotong University电荷耦合器件电荷耦合器件（Charge Coupled Device，简称，简称CCD）是以阵列形式排列在衬底材料上的金属氧化物半导体是以阵列形式排列在衬底材料上的金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor，简称，简称MOS）电容器组成的，）电容器组成的，具有光生电荷、积蓄和转移的功能。具有光生电荷、积蓄和转移的功能。MOS 光敏单元电荷生成光敏单元电荷生成

4、电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD) CCD以以电荷电荷作为作为信号的载体，而不信号的载体，而不是电压或电流。是电压或电流。Xian Jiaotong UniversityCCD光敏像元阵列光敏像元阵列Xian Jiaotong University以以P型衬底型衬底MOS结构为例，如果在结构为例，如果在金属电极金属电极栅极栅极上上施加一足够大的正点压，半导体表面将处于深耗尽状态，在施加一足够大的正点压，半导体表面将处于深耗尽状态，在半导体表面形成电子半导体表面形成电子势阱势阱。半导体表面相对于体内的电势差。半导体表面相对于体内的电势差称为势阱深度。势阱可以存储少数载流子（在称为势阱深度。势阱可

5、以存储少数载流子（在P型衬底情况型衬底情况下少数载流子是电子），势阱越深存储电荷越多。下少数载流子是电子），势阱越深存储电荷越多。当光照射到硅片上时，在光子作用下产生电子当光照射到硅片上时，在光子作用下产生电子-空穴对，空穴对，自由电子会被势阱收集，电子数主要取决于光照强度和收集自由电子会被势阱收集，电子数主要取决于光照强度和收集（积分）时间的长短。（积分）时间的长短。 CCD电荷的产生电荷的产生 Xian Jiaotong University 为了将势阱中的电荷转为了将势阱中的电荷转移并输出，每个光敏单元一移并输出，每个光敏单元一般包括般包括3个相邻的电极个相邻的电极，电，电极上的脉冲电压

6、相位依次相极上的脉冲电压相位依次相差差120，波形都是前缘陡，波形都是前缘陡峭后缘倾斜。峭后缘倾斜。 电荷积蓄、转移电荷积蓄、转移 CCD电荷的收集和移位电荷的收集和移位 Xian Jiaotong University132t1t5t4t3t2198765432 在在t1时刻，电极时刻，电极1、4、7下方出现势阱，并收集下方出现势阱，并收集到光生电荷，电荷的多少到光生电荷，电荷的多少与光强有关。在与光强有关。在t2时刻，时刻，电压电压1下降，电压下降，电压2最高，最高，电极电极2、5、8下方势阱最下方势阱最深，原来存储在电极深，原来存储在电极1、4、7下方的电荷将在电场作下方的电荷将在电场作

7、用下转移到用下转移到2、5、8下方。下方。到到t3时刻，电荷全部向右时刻，电荷全部向右转移的一步。依次类推，转移的一步。依次类推，在在t5时刻，电荷将转移到时刻，电荷将转移到电极电极3、6、9下方。下方。 CCD电荷的收集和移位电荷的收集和移位 Xian Jiaotong UniversityCCD电荷的收集和移位电荷的收集和移位 Xian Jiaotong UniversityCCD可以把光信号转换为电脉冲信号。每一个脉冲反可以把光信号转换为电脉冲信号。每一个脉冲反应一个光敏元的受光情况，应一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱光的强弱，输出脉

8、冲的顺序可以反映光敏元的位置输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就构，这就构成了图像传感器。成了图像传感器。CCD结构结构 CCD结构主要功能模块：结构主要功能模块： p 光敏区（成像区、光电转换）光敏区（成像区、光电转换）p 转移栅（隔离，转移电荷）转移栅（隔离，转移电荷）p 电荷移位寄存器阵列（电荷移位输出）电荷移位寄存器阵列（电荷移位输出）p 电荷电荷/电压转换器和电压放大器（输出视频信号）电压转换器和电压放大器（输出视频信号）Xian Jiaotong University CCD图像传感器一般分为图像传感器一般分为线型线型和和面型面型。二者的原理类。二者的原理类似，都是通过似，都是

9、通过光学成像系统光学成像系统将景物图像成在将景物图像成在CCD的的像敏面像敏面上。上。CCD图像传感器分类图像传感器分类 线型线型CCD可以直接接收一维光信号，主要用于测试、可以直接接收一维光信号，主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。传真和光学文字识别技术等方面。按一定的方式将一维线型按一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及移位寄存的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成二维面型器排列成二维阵列，即可以构成二维面型CCD。Xian Jiaotong University光敏单元转移栅输出不透光最简单的线型最简单的线型CCD是是单通道单通道式的，它包括式的，它包括感光区感光区（光

10、积分单（光积分单元）和元）和传输区传输区两部分：感光区由一列光敏单元组成；传输区由转两部分：感光区由一列光敏单元组成；传输区由转移栅及一列移位寄存器组成。光照产生的信号电荷存储于感光区移栅及一列移位寄存器组成。光照产生的信号电荷存储于感光区的势阱中。在转移脉冲到来时，光敏阵列势阱中的电荷被并行转的势阱中。在转移脉冲到来时，光敏阵列势阱中的电荷被并行转移到移位寄存器中，最后在时钟脉冲的作用下一位位的移出，形移到移位寄存器中，最后在时钟脉冲的作用下一位位的移出，形成视频信号。传输区是遮光的，以防止因光生噪声电荷的干扰造成视频信号。传输区是遮光的，以防止因光生噪声电荷的干扰造成图像模糊。成图像模糊。

11、线型线型CCD工作原理工作原理 Xian Jiaotong University 为了减少信号电荷在转移过程中的损失，通常采用为了减少信号电荷在转移过程中的损失，通常采用双双通道式结构通道式结构。双通道式。双通道式CCD有两列移位寄存器，平行的有两列移位寄存器，平行的分置在感光区两侧。同样感光区的双通道线型分置在感光区两侧。同样感光区的双通道线型CCD比单比单通道线型通道线型CCD的转移次数减少一半，降低了传输损耗，的转移次数减少一半，降低了传输损耗，同时也缩短了器件尺寸。同时也缩短了器件尺寸。 光敏单元转移栅输出线型线型CCD工作原理工作原理 Xian Jiaotong University

12、线型线型CCD工作原理工作原理 线扫相机线扫相机视觉检测平台视觉检测平台Xian Jiaotong University 隔列转移结构隔列转移结构的像敏单元的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元被呈二维排列，每列像敏单元被遮光的垂直移位寄存器隔开，遮光的垂直移位寄存器隔开，像敏单元与垂直移位寄存器之像敏单元与垂直移位寄存器之间又有转移控制栅。像敏单元间又有转移控制栅。像敏单元中的信号电荷在转移栅电压控中的信号电荷在转移栅电压控制下转移到垂直移位寄存器，制下转移到垂直移位寄存器，然后在读出脉冲作用下逐行转然后在读出脉冲作用下逐行转移到水平移位寄存器中，再由移到水平移位寄存器中，再由水平移位寄存器快速

13、输出，得水平移位寄存器快速输出，得到视频信号。到视频信号。垂直移位寄存器水平移位寄存器输出光敏单元转移栅常见的结构有常见的结构有隔列转移结构（行间传输）隔列转移结构（行间传输）和和帧转移结构帧转移结构（场传输）（场传输）。面型面型CCD工作原理工作原理 Xian Jiaotong University帧转移结构帧转移结构包括包括成像区成像区（光（光敏区）、敏区）、电荷移位寄存器电荷移位寄存器和和水水平移位寄存器平移位寄存器三部分。三部分。当光积分周期结束时，加在当光积分周期结束时，加在成像区和存储区电极上的时钟成像区和存储区电极上的时钟脉冲使所收集到的信号电荷迅脉冲使所收集到的信号电荷迅速转移

14、到存储区中。然后逐行速转移到存储区中。然后逐行转移到读出寄存器并输出。转移到读出寄存器并输出。在第一帧读出的同时，成像在第一帧读出的同时，成像区开始收集第二帧信号电荷。区开始收集第二帧信号电荷。一旦第一帧信号被全部读出，一旦第一帧信号被全部读出，马上传送第二帧信号，实现连马上传送第二帧信号，实现连续输出。续输出。面型面型CCD工作原理工作原理 Xian Jiaotong University彩色彩色CCD结构结构 CCD硅芯片不能区分不同光谱的颜色，为了区分硅芯片不能区分不同光谱的颜色，为了区分光谱的光谱的RGB三基色，常采用两种方式：三基色，常采用两种方式：1. 三晶片结构三晶片结构： 利用

15、三棱镜组将利用三棱镜组将图像分为图像分为RGB三基色三基色图像，分别投影到三图像，分别投影到三片片CCD芯片上。芯片上。图片质量高；结图片质量高；结构复杂，价格昂贵构复杂，价格昂贵Xian Jiaotong University彩色彩色CCD结构结构2. 彩色滤波阵列彩色滤波阵列Bayer滤波器模式滤波器模式 彩色滤波马赛彩色滤波马赛克；克；牺牲分辨率，牺牲分辨率，简化结构，降简化结构，降低价格；低价格；通过反马赛克通过反马赛克算法从算法从Bayer模式图像恢复模式图像恢复出出RGB模式模式图像。图像。Xian Jiaotong University彩色彩色CCD结构结构 基于基于USB2.0

16、总线的高分辨数字图像传感器（总线的高分辨数字图像传感器（12801280* *10241024） Xian Jiaotong UniversityCCD的长宽比和尺寸的长宽比和尺寸 v CCD长宽比为长宽比为4：3，尺寸如图所示：，尺寸如图所示：CCD像元密度像元密度Z有效区内采样的点数：有效区内采样的点数：768*576, 1024*768, 2048*2048等等Xian Jiaotong University1. 响应度（灵敏度）响应度（灵敏度）：光电转换效率，输出电信号与：光电转换效率，输出电信号与输入光信号能量之比；与入射光波长有关，因此分输入光信号能量之比；与入射光波长有关，因此分

17、为为光谱响应度光谱响应度（对特定波长入射光）和（对特定波长入射光）和积分响应度积分响应度（对连续波长辐射光）；（对连续波长辐射光）；2. 光谱特性光谱特性：响应度与入射光频率或波长的关系（光：响应度与入射光频率或波长的关系（光谱峰值）；谱峰值）； CCD硅晶片对硅晶片对400nm至至1060nm的光波都很敏感，的光波都很敏感，为使为使CCD和人眼对外界图像的感应尽可能一致，常和人眼对外界图像的感应尽可能一致，常在在CCD前方加入红外滤波器（前方加入红外滤波器（Infra-Red Filter）。）。 在机器视觉中，可将在机器视觉中，可将IR滤波器去掉，或加入特定光滤波器去掉，或加入特定光谱滤波

18、器，制成红外光感应器。谱滤波器，制成红外光感应器。CCD的基本特性参数的基本特性参数 Xian Jiaotong UniversityCCD的光谱特性的光谱特性 Xian Jiaotong UniversityCCD的光谱特性的光谱特性 可见光与近红外混合成像，波长约为可见光与近红外混合成像，波长约为400-1200nm Xian Jiaotong UniversityCCD的基本特性参数的基本特性参数3. 暗电流暗电流：无光信号时的输出电流：无光信号时的输出电流图像噪声；图像噪声；4. 分辨率分辨率：取决于光敏单元间距，常用光敏单元数表示，：取决于光敏单元间距，常用光敏单元数表示，一般像元越

19、多分辨率越高；实际分辨率还与一般像元越多分辨率越高；实际分辨率还与CCD光敏单光敏单元的中心间距、光学系统的放大率有关。元的中心间距、光学系统的放大率有关。CCD实际分辨率实际分辨率=光敏单元中心距光敏单元中心距/光学系统放大倍率光学系统放大倍率最大被测物尺寸最大被测物尺寸=最大成像尺寸最大成像尺寸/光学系统放大倍数光学系统放大倍数5. 均匀性均匀性：光敏单元对光强度响应的一致性。：光敏单元对光强度响应的一致性。Xian Jiaotong University非接触检测非接触检测;响应快响应快;可靠性高可靠性高,维修简便维修简便;测量精度高测量精度高;体积小体积小,重量轻重量轻; 容易与计算机连接；容易与计算机连接；对被测物体需要强光照射对被测物体需要强光照射;受被测物体以外的光的影响受被测物体以外的光的影响.CCD传感器的应用特点传感器的应用特点 Xian Jiaotong UniversityCMOS图像传感器图像传感器 v CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor） 互补式金属互补式金属-氧化物氧化物-半导体半导体，NMOS和和PMOS串联；串联； 是集成电路中广泛使用的一个基本单元，在动态存储器中广泛是集成电路中广泛使用的一个基本单元，在动态存储器