现代传感技术第3章课件

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。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图像传感技术3.1CCD图像传感器3.2CMOS图像传感器CMOS传感器结构与工作原理CMOS图像传感器的性能指标典型CMOS图像传感器3.3CCD与CMOS传感器的比较3.4图像测量技术图像传感技术3.1CCD图像传感器2CCD图像传感器CCD（ChargeCoupledDevice）全称为电荷耦合器件，是20世纪70年代发展起来的新型固体成像器件。它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。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、结构简单、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、广播、电视、传真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（ChargeCoupledDev3CCD图像传感器CCD有两种基本类型：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，这类器件称为表面沟道CCD器件（简称SCCD）；另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向转移，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）.一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD图像传感器CCD有两种基本类型：4CCD图像传感器CCD的MOS结构及存储电荷原理CCD的MOS结构电荷的传输电荷读出CCD图像传感器基本特征参数CCD摄像器件线阵CCD摄像器件面阵CCD摄像器件CCD图像传感器CCD的MOS结构及存储电荷原理5CCD的MOS结构及存储电荷原理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，其结构如图3‑1所示。图3‑1CCD基本结构和工作原理图CCD的MOS结构及存储电荷原理CCD由多个光敏像元组成，6CCD的MOS结构及存储电荷原理1.电荷的传输CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器（或光敏二极管），它的表面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电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。在MOS电容紧密排列，使相邻的MOS电容势阱相互“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结构及存储电荷原理1.电荷的传输7CCD的MOS结构及存储电荷原理1.电荷的传输为了保证信号电荷按确定路线转移，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。三相CCD的结构及工作原理二相CCD的结构及工作原理CCD的MOS结构及存储电荷原理1.电荷的传输8CCD的MOS结构及存储电荷原理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3‑5电荷读出方法CCD的MOS结构及存储电荷原理2.电荷读出图3‑59CCD图像传感器基本特征参数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图像传感器基本特征参数CCD图像传感器特征主要是指其光10CCD图像传感器基本特征参数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和曝光量图3‑6CCD的光电转换特性CCD图像传感器基本特征参数1.光电转换特性图3‑6C11CCD图像传感器基本特征参数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400~1100nm。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3~5mm和8~14mm。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103~104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能力。暗电流的大小与光积分时间、周围环境密切相关，通常温度每上升30~35℃，暗电流提高约一个数量级。CCD摄像器件在室温下暗电流约为5~10nA/cm2。CCD图像传感器基本特征参数2.光谱响应12CCD图像传感器基本特征参数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(ModulationTransferFunction)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3‑7某线阵CCD的评价曲线CCD图像传感器基本特征参数5.分辨率图3‑7某线阵C13CCD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，获得一维的图像信号。若想用线阵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对匀速运动物体进行扫描成像是非常方便的。现代的扫描仪、传真机、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。CCD摄像器件CCD电荷耦合摄像器件简称ICCD，它的功能是14CMOS传感器结构与工作原理CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor,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、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。根据像素的不同结构，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传感器结构与工作原理CMOS（Complement15CMOS传感器结构与工作原理图3‑13CMOS图像传感器芯片结构框图

图3‑14CMOS图像传感器像素阵列

CMOS传感器结构与工作原理图3‑13CMOS图像传感16CMOS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）。图示为CMOS图像传感器的光谱响应特性曲线。由图可见，其光谱范围为350~1100nm，峰值响应波长在700nm附近，峰值波长响应度达到0.4A/W。CMOS图像传感器的性能指标1.光谱性能与量子效率图示为CM17CMOS图像传感器的性能指标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种输出模式：线性模式双斜率模式对数特性模式校正模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2.填充因子18CMOS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别。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（2）MOS场效应晶体管中的噪声（3）CMOS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。CMOS图像传感器的性能指标4.噪声19典型CMOS图像传感器以FillFactory公司的IBIS4SXGA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）现象有抗晕能力可做取景控制典型CMOS图像传感器以FillFactory公司的IBIS20典型CMOS图像传感器成像器件的原理结构图3‑25SXGA图像传感器原理结构图

典型CMOS图像传感器成像器件的原理结构图3‑25SX21典型CMOS图像传感器SXGA型CMOS成像器件的光谱特性加入彩色滤光片后，光谱响应普遍降低。此外，3条单色光谱响应曲线有一些差异，可以通过白平衡校正电路进行校正。典型CMOS图像传感器SXGA型CMOS成像器件的光谱特性加22典型CMOS图像传感器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3‑29

SXGA型CMOS成像器件输出放大器电路原理图典型CMOS图像传感器输出放大器图3‑29SXG23CCD与CMOS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）进行光电转换，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行放大输出；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汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。CCD与CMOS传感器的比较数字数据传送的方式24CCD与CMOS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）成本差异（3）分辨率差异（4）噪声差异（5）功耗差异CCD与CMOS传感器的比较由于数据传送方式不同，因此CCD25CMOS与CCD图像传感器的性能比较序号参数COMS成像器件CCD成像器件1填充率接近100%2暗电流（pA/m2）10～100103噪声电子数≤20≤504FPN（%）可在逻辑电路中校正<15DRNU（%）<101~106工艺难度小大7光探测技术可优化8像敏单元放大器有无CMOS与CCD图像传感器的性能比较序号参数COMS成像器件26CMOS与CCD图像传感器的性能比较序号参数COMS成像器件CCD成像器件9信号输出行、列开关控制,可随机采样CCD为逐个像敏单元输出,只能按规定的程序输出10ADC在同一芯片中可设置ADC只能在器件外部设置ADC11逻辑电路芯片内可设置若干逻辑电路只能在器件外设置12接口电路芯片内可以设有接口电路只能在器件外设置13驱动电路同一芯片内设有驱动电路只能在器件外设置,很复杂CMOS与CCD图像传感器的性能比较序号参数COMS成像器件27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图像信号，并根据确定的时空参数间的相互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、成本低等优点，故已成为现代光电子学和现代测试技术中最活跃的传感器，被广泛的应用于各种光电系统中。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28CCD图像测量系统结构与测量原理CCD图像测量系统的结构由图像传感器、摄像控制器、像素检测器三个主要单元组成。CCD图像测量系统结构与测量原理CCD图像测量系统的结构由29图3‑37线扫描摄像测长系统CCD图像测量系统结构与测量原理结束图3‑37线扫描摄像测长系统CCD图像测量系统结构与测30三相CCD的结构及工作原理三相CCD结构如图3‑2所示。每一个像元，有两个相邻电极，每隔两个电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3‑2三相CCD电荷传输原理图三相CCD的结构及工作原理三相CCD结构如图3‑2所示。每31二相CCD的结构及工作原理采用不对称的电极结构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中多采用二相结构。实现二相驱动的方案有（1）阶梯氧化层电极

阶梯氧化层电极结构如图3‑3所示。此结构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，则在同一电压下，左边电极下的位阱浅，自动起到了阻挡信号倒流的作用。图3‑3采用阶梯氧化层电极形成的二相结构二相CCD的结构及工作原理采用不对称的电极结构也可以引进不32二相CCD的结构及工作原理采用不对称的电极结构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中多采用二相结构。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，则位阱浅。采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处，则该处位阱就较浅，任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动。图3‑4采用势垒注入区形成二相结构二相CCD的结构及工作原理采用不对称的电极结构也可以引进不33线阵CCD摄像器件线阵CCD摄像器件有两种基本形式：单沟道线阵CCD双沟道线阵CCD线阵CCD摄像器件线阵CCD摄像器件有两种基本形式：34线阵CCD摄像器件单沟道线阵CCD单沟道线阵CCD由光敏元阵列、转移栅、CCD模拟移位寄存器和输出放大器等单元构成。这种结构的线阵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3‑8单沟道线阵CCD线阵CCD摄像器件单沟道线阵CCD图3‑8单沟道线阵C35线阵CCD摄像器件双沟道线阵CCD具有两列CCD模拟移位寄存器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提高。在要求提高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3‑9双沟道线阵CCD的结构线阵CCD摄像器件双沟道线阵CCD图3‑9双沟道线阵C36面阵CCD摄像器件按照一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，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。面阵CCD摄像器件按照一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及371.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）暂存区水平读出寄存器图3‑10帧转移三相面阵摄像器的原理结构图1.帧转移面阵CCD帧转移三相面阵摄像器的构成：图3‑10382.隔列转移型面阵CCD2.隔列转移型面阵CCD392.隔列转移型面阵CCD隔列转移型面阵CCD的结构如图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寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存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寄存器单元。读出寄存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寄存器所隔，因此，这种面阵CCD称为隔列转移型CCD。2.隔列转移型面阵CCD隔列转移型面阵CCD的结构如图3‑402.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寄存器单元的结构示意图。连续的多晶硅，它经过选择掺杂构成二相转移电极系统，称为多晶硅寄存器栅极系统。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。2.隔列转移型面阵CCD图3‑11b是隔列转移型面阵CCD413.线转移型面阵CCD3.线转移型面阵CCD423.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，多了一个线寻址电路。它的像敏单元一行行地紧密排列，很类似于帧转移型面阵CCD的光敏区，但是它的每一行都有确定的地址；它没有水平读出寄存器，只有一个垂直放置的输出寄存器。当线寻址电路选中某一行像敏单元时，驱动脉冲将使该行的光生电荷包一位位地按箭头方向转移，并移入输出寄存器。输出寄存器在驱动脉冲的作用下使信号电荷包经输出放大器输出。根据不同的使用要求，线寻址电路发出不同的数码，就可以方便地选择扫描方式，实现逐行扫描或隔行扫描。也可以只选择其中的一行输出，使其工作在线阵CCD的状态。因此，线转移型面阵CCD具有有效光敏面积大，转移速度快，转移效率高等特点，但其电路比较复杂，使它的应用范围受到限制。3.线转移型面阵CCD如图3‑12所示，与前面两种转移方式43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。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图像传感技术3.1CCD图像传感器3.2CMOS图像传感器CMOS传感器结构与工作原理CMOS图像传感器的性能指标典型CMOS图像传感器3.3CCD与CMOS传感器的比较3.4图像测量技术图像传感技术3.1CCD图像传感器45CCD图像传感器CCD（ChargeCoupledDevice）全称为电荷耦合器件，是20世纪70年代发展起来的新型固体成像器件。它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。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、结构简单、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、广播、电视、传真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（ChargeCoupledDev46CCD图像传感器CCD有两种基本类型：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，这类器件称为表面沟道CCD器件（简称SCCD）；另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向转移，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）.一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD图像传感器CCD有两种基本类型：47CCD图像传感器CCD的MOS结构及存储电荷原理CCD的MOS结构电荷的传输电荷读出CCD图像传感器基本特征参数CCD摄像器件线阵CCD摄像器件面阵CCD摄像器件CCD图像传感器CCD的MOS结构及存储电荷原理48CCD的MOS结构及存储电荷原理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，其结构如图3‑1所示。图3‑1CCD基本结构和工作原理图CCD的MOS结构及存储电荷原理CCD由多个光敏像元组成，49CCD的MOS结构及存储电荷原理1.电荷的传输CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器（或光敏二极管），它的表面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电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。在MOS电容紧密排列，使相邻的MOS电容势阱相互“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结构及存储电荷原理1.电荷的传输50CCD的MOS结构及存储电荷原理1.电荷的传输为了保证信号电荷按确定路线转移，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。三相CCD的结构及工作原理二相CCD的结构及工作原理CCD的MOS结构及存储电荷原理1.电荷的传输51CCD的MOS结构及存储电荷原理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3‑5电荷读出方法CCD的MOS结构及存储电荷原理2.电荷读出图3‑552CCD图像传感器基本特征参数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图像传感器基本特征参数CCD图像传感器特征主要是指其光53CCD图像传感器基本特征参数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和曝光量图3‑6CCD的光电转换特性CCD图像传感器基本特征参数1.光电转换特性图3‑6C54CCD图像传感器基本特征参数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400~1100nm。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3~5mm和8~14mm。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103~104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能力。暗电流的大小与光积分时间、周围环境密切相关，通常温度每上升30~35℃，暗电流提高约一个数量级。CCD摄像器件在室温下暗电流约为5~10nA/cm2。CCD图像传感器基本特征参数2.光谱响应55CCD图像传感器基本特征参数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(ModulationTransferFunction)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3‑7某线阵CCD的评价曲线CCD图像传感器基本特征参数5.分辨率图3‑7某线阵C56CCD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，获得一维的图像信号。若想用线阵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对匀速运动物体进行扫描成像是非常方便的。现代的扫描仪、传真机、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。CCD摄像器件CCD电荷耦合摄像器件简称ICCD，它的功能是57CMOS传感器结构与工作原理CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor,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、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。根据像素的不同结构，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传感器结构与工作原理CMOS（Complement58CMOS传感器结构与工作原理图3‑13CMOS图像传感器芯片结构框图

图3‑14CMOS图像传感器像素阵列

CMOS传感器结构与工作原理图3‑13CMOS图像传感59CMOS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）。图示为CMOS图像传感器的光谱响应特性曲线。由图可见，其光谱范围为350~1100nm，峰值响应波长在700nm附近，峰值波长响应度达到0.4A/W。CMOS图像传感器的性能指标1.光谱性能与量子效率图示为CM60CMOS图像传感器的性能指标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种输出模式：线性模式双斜率模式对数特性模式校正模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2.填充因子61CMOS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别。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（2）MOS场效应晶体管中的噪声（3）CMOS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。CMOS图像传感器的性能指标4.噪声62典型CMOS图像传感器以FillFactory公司的IBIS4SXGA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）现象有抗晕能力可做取景控制典型CMOS图像传感器以FillFactory公司的IBIS63典型CMOS图像传感器成像器件的原理结构图3‑25SXGA图像传感器原理结构图

典型CMOS图像传感器成像器件的原理结构图3‑25SX64典型CMOS图像传感器SXGA型CMOS成像器件的光谱特性加入彩色滤光片后，光谱响应普遍降低。此外，3条单色光谱响应曲线有一些差异，可以通过白平衡校正电路进行校正。典型CMOS图像传感器SXGA型CMOS成像器件的光谱特性加65典型CMOS图像传感器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3‑29

SXGA型CMOS成像器件输出放大器电路原理图典型CMOS图像传感器输出放大器图3‑29SXG66CCD与CMOS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）进行光电转换，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行放大输出；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汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。CCD与CMOS传感器的比较数字数据传送的方式67CCD与CMOS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）成本差异（3）分辨率差异（4）噪声差异（5）功耗差异CCD与CMOS传感器的比较由于数据传送方式不同，因此CCD68CMOS与CCD图像传感器的性能比较序号参数COMS成像器件CCD成像器件1填充率接近100%2暗电流（pA/m2）10～100103噪声电子数≤20≤504FPN（%）可在逻辑电路中校正<15DRNU（%）<101~106工艺难度小大7光探测技术可优化8像敏单元放大器有无CMOS与CCD图像传感器的性能比较序号参数COMS成像器件69CMOS与CCD图像传感器的性能比较序号参数COMS成像器件CCD成像器件9信号输出行、列开关控制,可随机采样CCD为逐个像敏单元输出,只能按规定的程序输出10ADC在同一芯片中可设置ADC只能在器件外部设置ADC11逻辑电路芯片内可设置若干逻辑电路只能在器件外设置12接口电路芯片内可以设有接口电路只能在器件外设置13驱动电路同一芯片内设有驱动电路只能在器件外设置,很复杂CMOS与CCD图像传感器的性能比较序号参数COMS成像器件70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图像信号，并根据确定的时空参数间的相互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、成本低等优点，故已成为现代光电子学和现代测试技术中最活跃的传感器，被广泛的应用于各种光电系统中。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71CCD图像测量系统结构与测量原理CCD图像测量系统的结构由图像传感器、摄像控制器、像素检测器三个主要单元组成。CCD图像测量系统结构与测量原理CCD图像测量系统的结构由72图3‑37线扫描摄像测长系统CCD图像测量系统结构与测量原理结束图3‑37线扫描摄像测长系统CCD图像测量系统结构与测73三相CCD的结构及工作原理三相CCD结构如图3‑2所示。每一个像元，有两个相邻电极，每隔两个电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3‑2三相CCD电荷传输原理图三相CCD的结构及工作原理三相CCD结构如图3‑2所示。每74二相CCD的结构及工作原理采用不对称的电极结构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中多采用二相结构。实现二相驱动的方案有（1）阶梯氧化层电极

阶梯氧化层电极结构如图3‑3所示。此结构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，则在同一电压下，左边电极下的位阱浅，自动起到了阻挡信号倒流的作用。图3‑3采用阶梯氧化层电极形成的二相结构二相CCD的结构及工作原理采用不对称的电极结构也可以引进不75二相CCD的结构及工作原理采用不对称的电极结构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中多采用二相结构。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，则位阱浅。采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处，则该处位阱就较浅，任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动。图3‑4采用势垒注