固态图像传感器

固态图像传感器第一页，共四十四页，编辑于2023年，星期日第十一章固态图像传感器器电荷耦合器件的工作原理电荷耦合器件的结构及分类图像传感器性能参数图像传感器的应用本章内容：测试技术基础第二页，共四十四页，编辑于2023年，星期日固态图像传感器：一种固态集成元件，其核心部分是电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，CCD)。CCD：以阵列形式排列在衬底材料上的金属——氧化物——硅(MetalOxideSemiconductor，简称MOS)电容器件组成的，具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。

固态图像传感器的分类：线阵型：目前一般有1024、1728、2048和4096个像素的传感器；面阵型：从512×512一直到512×768个像素的，最高分辨力的可达2048×2048个像素的。测量技术基础第三页，共四十四页，编辑于2023年，星期日在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。123456789测量技术基础第四页，共四十四页，编辑于2023年，星期日特点:(1)非接触检测；(2)响应快；(3)可靠性高，维修简便；(4)测量精度高；(5)体积小，重量轻；容易与计算机连接；(6)对被测物体需要强光照射；(7)受被测物体以外的光的影响。测量技术基础第五页，共四十四页，编辑于2023年，星期日应用：(1)宽度测量(2)外径测量(4)条形码扫描器(3)主轴径向跳动测量测量技术基础第六页，共四十四页，编辑于2023年，星期日一个完整的CCD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。CCD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CCD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、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。§11.1CCD的基本工作原理第七页，共四十四页，编辑于2023年，星期日(a)MOS光敏单元(b)1024单元阵列(c)线阵式摄像机§11.1CCD的基本工作原理第八页，共四十四页，编辑于2023年，星期日MOS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CCD读出移位寄存器的数据面显微照片§11.1CCD的基本工作原理第九页，共四十四页，编辑于2023年，星期日CMOS图像传感器CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，CMOS的各项技术指标有望超过CCD，它在图像传感器中的应用也将日趋广泛。尼康DSC中的CMOS§11.1CCD的基本工作原理第十页，共四十四页，编辑于2023年，星期日1)线阵CCD外形

§11.2CCD图像传感器的分类第十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期日1－CCD转移寄存器2－转移控制栅3－积蓄控制电极4—PD阵列SH—转移控制栅输入端RS—复位控制VOD—漏极输出OS—图像信号输出OG—输出控制栅线型图像传感器结构1)线阵CCD外形§11.2CCD图像传感器的分类第十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2)面阵CCD面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像

§11.2CCD图像传感器的分类第十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期日200万和1600万像素的面阵CCD

2)面阵CCD

§11.2CCD图像传感器的分类第十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2)面阵CCD

§11.2CCD图像传感器的分类第十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2)面阵CCD§11.2CCD图像传感器的分类第十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期日3)面型固态图像传感器§11.2CCD图像传感器的分类第十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期日3)面型固态图像传感器§11.2CCD图像传感器的分类第十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期日光谱响应、动态范围、信噪比、CCD芯片尺寸等

在CCD像素数目相同的条件下，像素点大的CCD芯片可以获得更好的拍摄效果。大的像素点有更好的电荷存储能力，因此可提高动态范围及其他指标。§11.3CCD的基本特性参数

第十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期日CCD以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就成为其最重要的性能之一。把一次转移之后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率。好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般可达0.999995，所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。例如，一个有2048像元的CCD，其信号电荷的总的电荷转移效率为0.9999952048，即0.9898，损失率只有约0.1%。电荷转移效率(CTE)§11.3CCD的基本特性参数

第二十页，共四十四页，编辑于2023年，星期日量子效率(QE)

75502502001000800600400100量子效率(%)波长(nm)PDACIDPMTCCD通常造成QE下降的主要原因是CCD结构中的多晶硅电极或绝缘层把光子吸收了，尤其是对紫外部分的光吸收较多，这部分光子不产生光生电荷．许多线阵CCD对紫外光的响应较差就是这个原因。采用化学蚀刻将硅片减薄和背部照射方式，可以减少由吸收导致的量子效率损失。背部照射减薄的CCD在真空紫外区的工作极限可达1000Å。图中是典型的PMT(光电倍增管)、PDA(光电二极管阵列)、CID(电荷注入器件)和CCD的量子效率。可见，CCD的量子效率大大优于PDA和CID，在400~700nm波段优于PMT。§11.3CCD的基本特性参数

第二十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期日暗电流

CCD在低温工作时，暗电流非常低，暗电流是由热生电荷载流子引起的，冷却会使热生电荷的生成速率大为降低．但是CCD的冷却温度不能太低，因为光生电荷从各检测元迁移到放大器的输出节点的能力随温度的下降而降低．制冷到150K的CCD暗电流小于0.001个电子/检测元/秒。§11.3CCD的基本特性参数

第二十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期日动态范围DR的定义为：DR=VSAT/VDRK其中VSAT为饱和输出电压，VDRK为有效像元的平均暗电流输出电压。在正常工作条件下，CCD检测器的所有像元经历同时曝光，上式表示的是单个检测像元的动态范围，即简单动态范围。CCD的简单动态范围非常大，宽达10个数量级。以7500Å的红光光子为例，CCD可在1ms积分时间内对光强达每秒5×109个光子的光束响应．可以对每秒7×10-2个光子的光源响应，而且在整个动态范围内，都能保持线性响应。动态范围§11.3CCD的基本特性参数

第二十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期日§11.4图像传感器的应用彩色CCD显微照片（放大7000倍）第二十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期日

线阵CCD在扫描仪中的应用§11.4图像传感器的应用第二十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期日线阵CCD在图像扫描中的应用彩色印刷中的套色工艺监控风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描§11.4图像传感器的应用第二十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期日线阵CCD用于字符识别§11.4图像传感器的应用第二十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期日CCD数码照相机数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器(LCD)，内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。§11.4图像传感器的应用第二十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期日CCD用于图像记录§11.4图像传感器的应用第二十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期日数码相机的外形§11.4图像传感器的应用第三十页，共四十四页，编辑于2023年，星期日三基色分离原理CCD数码照相机的结构§11.4图像传感器的应用第三十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期日CCD数码相机的结构解剖(索尼F828)§11.4图像传感器的应用第三十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期日CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片§11.4图像传感器的应用第三十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期日

CCD数码摄像机§11.4图像传感器的应用第三十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期日CMOS视频摄像头

带红外LED照明的CMOS视频摄像头§11.4图像传感器的应用第三十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期日CMOS视频摄像头的外部结构§11.4图像传感器的应用第三十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期日CMOS视频摄像头的外形及内部结构

§11.4图像传感器的应用第三十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期日尺寸测量被测对象长度Ll1－视场l2－传感器的长度§11.4图像传感器的应用第三十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期日用于光学文字识别装置光学文字识别装置(OCR)原理§11.4图像传感器的应用第三十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期日用CCD线阵型摄像机作流水线零件尺寸在线检测。CCD线阵摄象机作二维零件尺寸在线检测§11.4图像传感器的应用第四十页，共四十四页，编辑于2023年，星期日三角法原理测量物体位移及轮廓采用摄像机利用