第09课图像传感器及其应用

1、第09课图像传感器及其应用第1页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六OUTLINECCDCMOS图像传感及其应用第2页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六图像传感完成图像信息光电转换的功能器件称为“光电图像传感器”20世纪早期使用的是“光电摄像管”，灵敏度低，笨重1970年，Bell Lab的Boyle & Smith发明了电荷耦合器件（CCD），掀开了图像传感的革命。使图像传感从电子束扫描方式发展到固体自扫描方式。在CCD之前已经有CMOS图像传感器了，但当时的CMOS无论在灵敏度、噪声、功耗方面都比CCD差。近年来CMOS传感器发展迅速，上述性能逐渐接近

2、CCD，并且拥有许多独特的优势。CCD/CMOS在广播电视、工业监控、医疗成像、军事侦察、机器视觉、交通、安保等领域发挥了巨大的作用。第3页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六第4页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD概念CCD：电荷耦合器件Charge-coupled Device一种阵列型半导体光电图像传感器把光学影像转换为数字图像信号最小单元，像素（pixel）一块CCD像素越多，图像分辨率越高第5页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD像素单元结构构成CCD的基本单元是一个“金属氧化物半导体”结构（MOS结构）第6页，共6

3、9页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD像素单元结构当栅极和P型衬底之间加上正电压Ug时，相当于形成以SiO2为介质的平板电容（MOS电容）在Ug作用下，产生一个由栅极指向P衬底的电场，但不会形成电流，这个电场排斥空穴，吸引电子。靠近栅极的P衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子，构成耗尽层；同时P衬底中的少子电子被吸引到靠近栅极的表面，形成了一个N型薄层，称为反型层第7页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD像素单元结构当栅极电压Ug突然由0增大到阈值电压以上时，轻掺杂的半导体中少数载流子很少，不能立即建立反型层在不存在反型层的情况下，耗尽区会进一步向

4、体内延伸，Ug的绝大部分电压会降落在耗尽区上。反型层建立以后，耗尽区会收缩，表面势下降，氧化层上承担的电压增加当有足够的少数载流子时，表面势可降低到半导体材料费米能级的两倍，其余电压降落在氧化层上。第8页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD像素单元结构表面势s：P衬底与氧化层界面上的电势表面势反映了耗尽区的深度氧化层越薄，表面势与Ug之间的线性关系越好第9页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD像素单元结构电子被半导体与氧化层界面吸引的现象可以用“势阱”概念来描述。Ug越大，势阱越深电子填充势阱，势阱中能够容纳电子的多少取决于势阱的深度，即表面势的

5、大小，而表面势大小又取决于栅极电压的大小第10页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD工作原理三部曲：信号电荷注入（输入）信号传输（电荷转移）信号输出第11页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD电荷注入当光线透射到CCD的MOS结构上时，光子穿过透明电极和氧化层，进入P型Si衬底，激发过剩的载流子。电子空穴对在电场作用下分离，形成信号电荷，这些信号电荷存储在表面“势阱”中。Next Questions:这些“信号电荷”是如何输出的？电荷“耦合”的机制是怎样的？如何将CCD的信号输出转换成数字图像？第12页，共69页，2022年，5月20日，3点14

6、分，星期六CCD电荷转移第13页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六第14页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD电荷耦合CCD 电极之间的间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。（1um左右）以电子为信号电荷的CCD称为“n沟道CCD”，以空穴为信号电荷的CCD称为“p沟道CCD”，由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，所以n沟道CCD工作频率高第15页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD的信号输出电流输出方式由UD、R、衬底p和n区构成反向偏置二极管，相当于无限深势阱，进入反向偏置二极管的电荷将产生输出电流

7、ID，其大小与注入到二极管的信号电荷量成正比。由于ID的存在，使A点的电位发生变化，把A点的电位采样出来，通过放大器放大输出。第16页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD信号输出浮置扩散放大器输出前置放大器T2与CCD同做在一个硅片上，T1为复位管，RG为复位脉冲信号，RG脉冲到来时，把浮置扩散区的剩余电荷放走，当信号电荷到来时，复位管截止，收集的信号电荷控制T2的栅极电位变化，经放大管放大后输出。第17页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD信号输出浮栅放大器输出放大器T2并不是和信号电荷的转移沟道直接连接，而是和沟道上方的浮栅连接。当信号电荷转

8、移道浮栅下方的沟道时，在浮栅上感应镜像电荷，以此来控制T2的栅极电位，然后通过放大器输出。第18页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六线阵CCD器件目前大多数CCD器件采用光电二极管和移位寄存器分离的方式，移位寄存器被遮挡，不作为光敏单元。单沟道和双沟道：双沟道有效提高了转移效率，一般大于256像元的线阵CCD都是双沟道。第19页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六线阵CCD器件第20页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六TCD1304第21页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六TCD1304第22页，共69页，2022年

9、，5月20日，3点14分，星期六TCD1304第23页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六TCD1304第24页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六TCD1304第25页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六TCD1304第26页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六HAMAMATSU S104201106第27页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六第28页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六UV增强CCD第29页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD噪声第30页，共6

10、9页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD噪声第31页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD噪声第32页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD噪声第33页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六SNRCCD的信噪比衡量CCD测量信号质量的指标：信噪比改善信噪比：减小暗噪声；提高光信号减小暗噪声：制冷提高光信号：收集更多的光：收集光路、像素结构（微透镜）更高的量子效率：背照式CCD增加曝光（积分）时间采用Binning技术（像素合并）第34页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六降低CCD暗噪声TE Cooli

11、ng第35页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六背照式CCDBack-Illuminated CCD Back-thinned CCD第36页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六第37页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六第38页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六Binning 技术第39页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六第40页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六第41页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六Binning技术正常照度全分辨图像低照度全分辨图像低照

12、度2x8 Binning图像第42页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六增加曝光时间第43页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六面阵CCD结构CCD结构：感光二极管（photodiode）并行信号寄存器（shift register）串行信号寄存器（Transfer Register）输出信号放大器第44页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六面阵CCD面阵CCD可以分为：全帧（Full Frame）CCD间行（Interline）CCD第45页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六Interline CCD每个像素单元中，只

13、有30的面积用来制造光电二极管，剩余面积用来制造Shift Register，感光效率较低，所以通常在像素上面制造微透镜阵列收集光，增加微透镜后，等效集光面积可达到70。由于有Shift Register 存在，因此ILCCD不需要机械快门（电子快门），所以帧频高。第46页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六Full Frame CCD第47页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六第48页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六第49页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六第50页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星

14、期六彩色CCD由于光电二极管只能感应光的强度，无法感应光的颜色（波长），所以彩色成像CCD/CMOS必须在感光元件上访覆盖彩色滤光片（color filter）第51页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六第52页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CMOSCMOS图像传感器诞生时间比CCD早（1969），它是一种用传统的半导体芯片工艺方法将光敏元件、放大器、ADC、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路集成在一块硅片上的图像传感器。结构简单、成品率高、价格低廉应用广泛：网络摄像头超市、楼宇监控手机照相汽车倒车影像第53页，共69页，2022年，5月20日，3

15、点14分，星期六CMOS第54页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CMOS第55页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CMOS第56页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CMOSCMOS每个像素产生的电荷比较少，因此容易受到噪声的影响。第57页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CMOS按照像素单元的结构可以分为：无源像素传感器（PPS）有源像素传感器（APS）数字像素传感器（DPS）第58页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CMOSPPSPPS当开关管TX选通时，光电二极管中产生的光生电荷传送到列线

16、col下端的积分放大器，将该信号转换为电压输出。PPS结构简单，像素填充率高，量子效率高；但是读出噪声大PPS不利于向大型阵列发展，不利于提高读出速率，因为这样都会导致读出噪声增大。第59页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CMOSAPS当复位管M1打开时，光电二极管复位；然后进入取样，M1关闭光生电荷通过源跟随器M2放大，输出最后选通管M3打开，信号通过列总线输出APS引入了一个源跟随器M2，实现了信号的缓冲，改善了PPS的噪声问题；M2还可以加快总线电容的充放电，因此允许总线长度增加和像素矩阵规模扩大。APS具有更高的读出速率、更低的读出噪声，但是填充率只有2030，因

17、此通常需要使用微透镜聚光。第60页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CMOSDPSDPS和APS的区别在于ADC集成方式的不同，APS通常一个芯片上集成一个ADC，而DPS是每个像素上都集成了一个ADC，这样对ADC的工作速度要求就比较低了，降低了AD过程中的噪声，减少了模拟信号传输过程的信号损失，并且芯片工作速度很高。缺点：版图复杂，功耗高第61页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CMOS第62页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CMOS第63页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CMOS第64页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD 与 CMOS比较CCD和CMOS都是利用光电二极管进行光电转换，将图像转换为数字信息，其主要差异在于数据传送的方式不同CCD每一行中各个像素的电荷数据依次传递到下一个像素，由最低端输出。而在CMOS中每个像素都会邻接一个放大器和AD转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出第65页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六第66页，共69页，2022年，5月20日，3点14分，星期六CCD 与 CMOS比较CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面优于CMOSCMOS具有低成本（通用的半