固态图像传传感器

第三章固态图像传感器概述固态图像传感器敏感器固态图像传感器分类及主要特性固态图像传感器的接口和图像处理固态图像传感器的应用概 述固体图像传感器简介：图像传感器：利用光电器件的光-电转换功能，将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例的电信号“图像”的一种功能器件。固体图像传感器：在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元构成的集成化、功能化的光电器件。固体图像传感器主要有：电荷耦合器件CCD、电荷注入器件CID、戽链式器件BBD、金属-氧化物-半导体器件MOS、位置传感器PSD。概 述固体图像传感器发展过程：1970年由美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith提出，三十多年来由于CCD图像传感器技术研究的迅速发展，CCD器件在像素集成度、分辨率、灵敏度、工作速度等指标上取得了突破性进展，CCD以它无可比拟的优点，日渐成为现代光电技术和现代测试技术领域中最有发展前途的技术手段之一。20世纪70年代初，随着MOS技术的成熟，三种典型的固体图像传感器——CCD、CID、PSD（光敏二极管阵列）得到了飞速发展，其中CCD发展最为迅速，到90年代初，CCD技术已经比较成熟，并得到了非常广泛的应用。80年代中期MOS技术逐渐成熟，90年代初期采用标准MOS技术生产实用的像元尺寸质量高的固体图像传感器，可以在一个像元内集成多个晶体管，采用MOS技术可以将图像传感器阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模/数转换器、全数字接口电路完全集成在一起，从而实现单芯片成像系统。功耗仅为几十毫瓦。目前CMOS固体图像传感器已在大多数领域中取代CCD，成为应用数量最多的图像传感器概 述固体图像传感器的特点：由于是一种固体器件，体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长；图像失真度极小，尺寸重现性好。非常适合测试技术及图像识别技术；具有较高的空间分辨率，光敏元间距的几何尺寸精度高，可获得较高的定位精度；具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。相对于MOS，CCD功耗大、驱动时序较复杂、难以实现单片集成。而MOS灵敏度低、选址脉冲会混进信号形成脉冲噪声。固态图像传感器敏感器PSD器件工作原理CCD基本工作原理MOS器件工作原理CID电荷注入器件工作原理固态图像传感器敏感器PSD器件工作原理PositionSensitiveDetector（orPhotoSensingDevice）线性PSD固态图像传感器敏感器PSD器件工作原理线性PSD固态图像传感器敏感器PSD器件工作原理二维PSD固态图像传感器敏感器PSD器件工作原理二维PSD固态图像传感器敏感器电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice,缩写为CCD）体积小，结构紧凑，分辨率高。像元尺寸4μm左右。高灵敏度，低噪音。其量子效率达90%以上，电子转移效率几乎达100%，低温下工作几乎无暗电流。带图像增强器的CCD(ICCD)可在10-6lux（人眼能看到1Lux）照度下工作。光动态范围可达10个数量级。光谱范围宽，功耗小，仅几十毫瓦；几何尺寸稳定，耐过度曝光。固态图像传感器敏感器CCD基本工作原理CCD有两种类型：表面信道电荷耦合器件SCCD体向信道电荷耦合器件BCCDCCD是以阵列形式排列在衬底材料上的金属－氧化物－半导体（MetalOxideSemiconductor，简称MOS）电容器组成的具有光生电荷、积蓄和转移的功能。固态图像传感器敏感器CCD基本工作原理电荷存储和光信号注入MOS是CCD的基本结构（以P型衬底MOS结构为例）如果在栅极上施加一个幅值大于该MOS结构阈值电压的正脉冲，半导体表面将处于深耗尽状态。在半导体表面形成电子势阱。半导体表面相对于体内的电势差称为势阱深度。固态图像传感器敏感器CCD基本工作原理电荷存储和光信号注入势阱可以存储少数载流子（在P型衬底情况下少数载流子是电子），势阱越深能存储的电荷越多。势阱形成反型层需要一定的时间，CCD就利用达到热平衡前的弛豫时间工作。P型半导体+V金属电极氧化层耗尽区（势阱）欧姆接触少数载流子（信号电荷）固态图像传感器敏感器CCD基本工作原理电荷存储和光信号注入器件受光照射时，光被半导体吸收，产生电子－空穴对，少数载流子被收集到较深的势阱中。光照越强，势阱中收集到的电荷越多。存储电荷多少正比于照射的光强。正面照射：电极用透明导电材料或开光孔。背面照射：将衬底减薄，光从衬底射入P型半导体+V金属电极氧化层耗尽区（势阱）欧姆接触少数载流子（信号电荷）固态图像传感器敏感器CCD基本工作原理电荷转移（藕荷）彼此在有一定相位差的时钟脉冲下，使相邻电极下（MOS单元）耗尽区在某些时刻相通，即可实现电荷的耦合与转移。驱动脉冲有二相、三相等，相应的称为二相CCD和三相CCD。2V10V2V2VФ1Ф2Ф3存有电荷的势阱2V10V2→10V2VФ1Ф2Ф3新势阱2V10V10V2VФ1Ф2Ф3abc2V10→2V10V2VФ1Ф2Ф3d电荷移动2V2V10V2VФ1Ф2Ф3电荷移到新势阱e2V10VФ12V10VФ22V10VФ1abcde电荷转移固态图像传感器敏感器CCD基本工作原理CCD的输出三种方式：电流输出浮置扩散放大器输出浮置栅放大器输出电流输出、浮置扩散放大器输出：是一种一次性破坏性输出。浮置栅放大器：可实现在电荷转移过程中进行非破坏性的检测。固态图像传感器敏感器CCD基本工作原理CCD的输出电流输出：在CCD阵列的末端衬底上制作一个输出二极管，当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的PN结所收集，在负载RL上就形成脉冲电流Io。输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻RL变为信号电压Uo输出。固态图像传感器敏感器CCD基本工作原理CCD的输出浮置扩散放大器输出：由浮置扩散区收集的信号电荷控制MOS管栅极电位变化，引起源-漏极间电流变化，在源极或漏极输出电压信号固态图像传感器敏感器CCD基本工作原理CCD的输出浮置栅放大器输出：当电荷在浮置栅下通过时，在浮置栅上感应出镜像电荷，以此控制MOS管的栅极电位实现输出。在电荷转移过程中进行非破坏性的检测。固态图像传感器敏感器MOS基本工作原理它一般由光敏单元阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、片内模拟信号处理器构成。还可包括片内模数转换器（A/D）行选通逻辑定时和控制输出列选通逻辑光敏单元阵列列平行模/数转换器模拟信号处理器CMOS图像传感器总体结构固态图像传感器敏感器MOS基本工作原理固态图像传感器敏感器MOS基本工作原理MOS图像信号读出模式：整个阵列逐行扫描读出；窗口读出模式：仅读出感兴趣窗口内信号；跳跃式读出模式：每隔一个（两个或多个）像元读出，这种读出模式用降低分辨率为代价，允许图像取样，以增加读出速率。跳跃式读出和窗口读出模式的结合，可以实现电子全景摄像、倾斜摄像、和可变焦摄像。固态图像传感器敏感器CID电荷注入器件工作原理CID是CCD的一种特殊形式，它只有积蓄电荷的功能而无转移电荷功能。将电荷排入衬底所形成的电流或在排出电荷前衬底的电位作为输出信号。从像素排出信号电荷是CID区别与CCD的重要特征。VRVR积蓄00注入CID信号电荷的积蓄与读出固态图像传感器分类及主要特性固态图像传感器的分类：线型（CCD、MOS）：光积蓄式CCD：光敏列阵与位移寄存器合二为一，用机械快门，未实用。单沟道CCD：光敏列阵与位移寄存器分成并列的两列。双沟道CCD：位移寄存器分成两列分列在光敏列阵的两侧。一般大于256位的线阵CCD都为此形式MOS式（PAD光敏二极管+MOSFET）面型（CCD、CID、MOS）：帧场传输式：光敏区与电荷暂存区相互分离。行间传输式：光敏区与垂直转移寄存器相互邻接。X-Y选址式（MOS、CID）行选址式：光积蓄式并列通过垂直扫描进行行选址。固态图像传感器分类及主要特性线型（CCD、MOS）：单沟道CCD：光敏列阵与位移寄存器分成并列的两列。最简单的线型CCD是单通道式的，它包括感光区（光积分单元）和传输区两部分：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。固态图像传感器分类及主要特性线型（CCD、MOS）：双沟道CCD：位移寄存器分成两列分列在光敏列阵的两侧。一般大于256位的线阵CCD都为此形式为了减少信号电荷在转移过程中的损失。双通道式CCD有两列移位寄存器，平行的分置在感光区两侧。当转移脉冲到来时，光敏单元中的信号电荷同时按箭头方向转移到对应的移位寄存器中，然后在驱动脉冲作用下，分别向右移出。同样感光区的双通道线型CCD比单通道线型CCD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。固态图像传感器分类及主要特性面型（CCD、CID、MOS）：帧场传输式：光敏区与电荷暂存区相互分离。帧转移结构包括成像区（光敏区）、暂存区和水平移位寄存器三部分。在这种结构中，当光积分周期结束时，加在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速转移到存储区中。然后在驱动脉冲作用下，存储区中的电荷逐行转移到读出寄存器并输出。在第一帧读出的同时，成像区开始收集第二帧信号电荷。一旦第一帧信号被全部读出，马上传送第二帧信号，实现连续输出。固态图像传感器分类及主要特性面型（CCD、CID、MOS）：行间传输式：光敏区与垂直转移寄存器相互邻接。每列像敏单元被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移到水平移位寄存器中，再由水平移位寄存器快速输出，得到与光学图像对应的一行行视频信号。固态图像传感器分类及主要特性面型（CCD、CID、MOS）：X-Y选址式（MOS、CID）行选址式：光积蓄式并列通过垂直扫描进行行选址。固态图像传感器分类及主要特性固态图象传感器的主要特性：分辨率：取决于光敏单元间距，常用光敏单元数表示，像元越多分辨率越高；实际分辨率还与CCD光敏单元数的中心间距、光学系统的放大率有关。可用光学传递函数OTF中的调制传递函数MTF来评价。MTF横坐标一般为归一化空间频率，纵坐标为归一化电量输出（MTF）。空间频率：单位长度内所含明暗条纹对数1.00.80.60.40.2MTF0.60.20.40.8归一化空间频率MTF特性固态图像传感器分类及主要特性固态图象传感器的主要特性：输出饱和特性：暴光量（电荷积蓄时间乘照度）增加时传感器输出达到饱和的特性。暗输出特性：无光像信号照射时，传感器仍有微小输出的特性（暗电流）——图像噪声。灵敏度：单位照度产生的光电流，光电转换效率光谱响应：灵敏度与入射光频率或波长的关系（光谱峰值）固态图像传感器分类及主要特性固态图象传感器的主要特性：残像：某像素下一次扫描后读出的信号仍受上一次遗留信号电荷影响的现象。动态范围：势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比。均匀性：光敏单元对光强度响应的一致性。固态图像传感器的接口和图像处理固体图像传感器的接口固体图像传感器的扫描及驱动电路。图像数据采集系统：A/D数据采集，计算机接口。固体图像传感器扫描驱动扫描控制时序控制视频信号放大与预处理A/D转换帧存储器图像处理固态图像传感器的接口和图像处理固体图像传感器镜头和彩色图象光学镜头。彩色图象的获取。固态图像传感器的接口和图像处理固体图像传感器的接口固态图像传感器的接口和图像处理数字图像处理用计算机进行图像处理的方法。用各种手段得到的图像——原始图像，由于受到各种条件的限制和干扰，往往要用图像处理技术对取得的图像作预处理，再根据需要对图象进行分析判断处理。图像处理内容：图像数字化和编码、压缩；图像增强和恢复；图像分割和描述；图像识别。图像传感器信号量化设备计算机图像处理结果或识别结果输出设备数字图像处理与识别系统结构固态图像传感器的接口和图像处理数字图像处理图像数字化、编码和压缩；JPEG:联合照片专家组（JointPhotographicExpertsGroup）一种压缩标准TIFF:标签图像文件格式（TagImageFileFormat）MacGIF:可交换的图像文件格式（GraphicsInterchangeFormat）８位BMP:位图（Bitmap），可以是1位,4位,8位,16位,24位,和32位无压缩图像；PNG：可移植的网络图象文件格式(PortableNetworkGraphic)包括1位,4位,8位,16位灰度级图像;8位,16位索引图像;24位和48位RGB图像。固态图像传感器的接口和图像处理数字图像处理数字图像的表示数字图像通常以矩阵的形式存在。如果是一张黑白图像，那么该图像是单个矩阵；如果是一张彩色图像，那么它是以3个或者4个矩阵的形式存在。矩阵中每个元素的取值可以是整数，也可以是浮点数，取值分辨率与图像量化设备有关。数字图像处理数字图像的表示象素之间的关系邻域一个坐标为(x,y)象素p，它有四个纵向与横向邻域，其坐标为： (x+1,y)，(x-1,y)，(x,y+1)，(x,y-1)这样的象素集合称之为4-邻域，表示为N4(p)。N4(p)中的象素q称为象素p的4-邻近。象素的四个对角邻域坐标分别为： (x+1,y+1)，(x-1,y-1)，(x-1,y+1)，(x+1,y-1)这四个邻域表示为ND(p)，它们和N4(p)一起，合称为N8(p)。N8(p)中的象素q称为象素p的8-邻近。固态图像传感器的接口和图像处理固态图像传感器的接口和图像处理数字图像处理图像处理常用方法：图像平滑处理：消除图像的噪声。既能保持图像的细节不变，又能滤除噪声的干扰是它的关键。

邻域平均法：邻域平均法是一种局部空域方法。平滑后图像中的每个像素为原图像预定邻域像素灰度的平均值；优点：算法简单，计算速度快；缺点：图像产生模糊，邻域半径越大，模糊程度越大（边缘和细节）；改进方法：采用阈值法，引进一个非负阈值，当某些点和它们邻域的差值不超过阈值时，不进行平滑处理；超过阈值时，需要进行平滑处理。1111111111111111111111111111111111固态图像传感器的接口和图像处理数字图像处理图像处理常用方法：图像平滑处理：

几何均值滤波：与算术均值滤波不同，几何均值滤波在以象素(x,y)为中心的邻域Sxy内，对所有象素灰度值求积，然后求根。同算术均值滤波相比，几何均值滤波的滤波效果更为平滑。中值滤波：中值滤波就是在以象素(x,y)为中心的邻域内，用居中的灰度值取代象素(x,y)的灰度值中值滤波消躁能力强，尤其适用于脉冲噪声，且不引起平滑滤波中产生的混叠，因此应用较广中点滤波：中点滤波是在以象素(x,y)为中心的邻域内，用最大灰度值与最小灰度值的均值取代象素(x,y)的灰度值的滤波方法。随机分布噪声消躁非常好，如Gaussian噪声和均匀分布噪声。固态图像传感器的接口和图像处理数字图像处理图像处理常用方法：图像平滑处理：

低通滤波法：由于大多的噪声为高频成分，而相对地图像信息则处于较低的空间频率范围，抑制这些高频成分可有效抑制噪声干扰。有空间域和频率域低通滤波法等多幅图像叠加法：对于静止图像可用该对象的多幅图像在空间上对准后进行叠加。固态图像传感器的接口和图像处理频率域低通滤波效果对比：(a)初始图(b)理想滤波；(c)Butterworth滤波；(d)Gaussian滤波(a)(b)(c)(d)固态图像传感器的接口和图像处理数字图像处理图像处理常用方法：图像增强处理：对给定的图像的模糊状况以及它的应用场合，有目的地强调图像的整体特征或局部特征。是针对某一具体应用而言。边缘探测和增强就是其中之一，它是用像素点灰度值的梯度来检测图像的边缘，再进行增强，可有多种表现形式如图。固态图像传感器的接口和图像处理数字图像处理图像处理常用方法：图像的灰度变换：扩展图像的对比度，把感兴趣的那部分图像的灰度差别充分拉开，从而能被人眼更好地识别。逐点处理法：逐点运算来修改图像像素的灰度值。直方图修正法：一般常用直方图均衡。直方图处理前蓝色分量直方图；直方图处理后的彩色图.L-13L/4L/2L/400L/4L/23L/4L-1输入灰度r输出灰度s取反恒等n阶权值反对数对数n阶根灰度变换固态图像传感器的接口和图像处理数字图像处理图像处理常用方法：图像分割和描述：图像分割：把图像分割成若干有意义的区域的处理技术。最好是这些区域与景物中的各种目标相对应，当然非常困难。一般是按照图像的某些特性（如灰度，纹理等），将图像分成若干区域，每个区域内都有相同或