传感器原理与技术课件：视觉和图像传感器的组成与分类

VisionandimagesensorsCompositionandclassification同学们，今天我们学习的主要内容是视觉和图像传感器的组成与分类。视觉和图像传感器的组成与分类视觉和图像传感器的组成与分类新型传感器的应用感官人们通过感官从外界环境获取的信息中，85%来自视觉，其他来自于触觉、听觉等感觉器官。85%15%提取的最多最丰富多彩最可靠百闻不如一见视觉信息量人们的眼睛从自己周围的环境获取信息后传入大脑，有大脑根据指示或经验，对信息进行加工、推理等处理工作，最后识别、理解周围环境。视觉和图像传感器可以帮助提高人眼的视觉范围，看到人们暂时无法到达处发生的事情，帮助提高人眼的视觉范围看到人们暂时无法到达处发生的事情可见视觉和图像传感器在人们的文化、体育、生产、生活和科研中起到非常重要的作用。文化体育生产生活科研计算机技术和自动化技术在各个领域得到广泛的应用成为当今科学技术研究的重要发展方向首先，我们先来看看视觉和图像传感器的组成。视觉和图像传感器的组成图8-2-1位置传感器的组成框图1像素感光元件感受从被测物体射过来的光2将像素感光元件输出量转换为电量参数传感元件又称为变换器3将上述电量参数转换成电量输出送给其他的控制电路或显示电路接下来，我们学习的是视觉和图像传感器的分类。视觉和图像传感器的分类一CCD图像传感器电荷耦合器件图像传感器ChargeCoupledDevice它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，光线电荷保存因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想象来修改图像。根据需要和想象来修改图像CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。新型光电转换器件存储由光产生的信号电荷施加特定时序的脉冲它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。光敏单元输入结构输出结构光电转换信息存储延时集成度高功耗小已经在摄像、信号处理和存储3大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得了令人瞩目的发展。摄像信号处理存储取得了令人瞩目的发展CCD有面阵和线阵之分，面阵是把CCD像素排成一个平面的器件;而线阵是把CCD像素排成一直线的器件。面阵线阵（1）面阵CCD面阵。CCD的结构一般有三种：1面阵CCD①帧转性CCD②行间转移性CCD③帧行间转移性CCD第一种是帧转性CCD。它由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域。下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。①帧转性CCD上部分下部分集中像素的光敏区域被遮光而集中垂直寄存器的存储区域优点缺点结构较简单

CCD尺寸较大容易增加像素数易产生垂直拖影第二种是行间转移性CCD。它是目前CCD的主流产品，它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上，目前CCD的主流产品②行间转移性CCD像素群垂直寄存器特点在一个单片上价格低容易获得良好的摄影特性第三种是帧行间转移性CCD。它是第一种和第二种的复合型，③帧行间转移性CCD①帧转性CCD②行间转移性CCD复合型结构复杂大幅度减少垂直拖影容易实现可变速电子快门（2）线阵CCD。线阵CCD是用一排像素扫描过图片，做三次曝光--分别对应于红、绿、蓝三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。2线阵CCD线性传感器——捕捉一维图像初期应用于广告界拍摄态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。初期应用处理高分辨率的图像受局限于非移动的连续光照的物体第二，CMOS图像传感器。CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semicon-ductor)，中文学名为互补金属氧化物半导体，二CMOS图像传感器ComplementaryMetal-Oxide-Semicon-ductor互补金属氧化物半导体计算机系统内重要的芯片保存系统引导最基本的资料CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N(带-电)和P(带+电)级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。利用硅和锗做成的半导体共存着带N(带-电)和P(带+电)级的半导体电流被处理芯片纪录和解读成影像后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器(见图8-2-2)，加工作为数码摄影中的图像传感器下面，我们来看看CCD图像传感器和CMOS图像传感器的比较。VS被普遍采用的图像传感器利用感光二极管进行光电转换将图像转换为数字数据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;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每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路用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;造成差异的原因保证数据在传送时不会失真而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。传送距离较长时会产生噪声造成差异的原因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:数据传送方式不同在效能与应用上也有诸多差异(1)灵敏度差异CMOS传感器的每个像素4个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，(1)灵敏度差异晶体管晶体管晶体管晶体管感光二极管CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积（2）成本差异由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timinggenerator或DSP等)集成到传感器芯片中，（2）成本差异AGCCDSTiminggeneratorDSPCMOS工艺节省外围芯片的成本除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个像素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，（2）成本差异采用电荷传递的方式传送数据因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，（2）成本差异控制成品率困难许多＞有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平（3）分辨率差异CMOS传感器的每个像素都比CCD传感器复杂，其像素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。（3）分辨率差异CMOS传感器的每个像素都比CCD传感器复杂像素尺寸很难达到CCD传感器的水平＞例如，市面上CMOS传感器最高可达到210万像素的水平(OmniVision的OV2610，2002年6月推出)，其尺寸为1/2英寸，像素尺寸为4.25μm，ov2610市面上CMOS传感器最高可达到210万像素的水平（OmniVision的OV2610，2002年6月推出），其尺寸为1/2英寸，像素尺寸为4.25μm。Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸与OV2610相差不多(1/18英寸)，但分辨率却能高达513万像素，像素尺寸也只有278mm的水平。（4）噪声差异由于CMOS传感器的每个光敏二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，（4）噪声差异很难让每个放大器所得到的结果保持一致模拟电路光敏二极管放大器因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。CMOS传感器的噪声增加很多VS影响图像品质（4）噪声差异（5）功耗差异CMOS器图采方式为主动式，光敏二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，（5）功耗差异主动式图采方式光敏二极管产生的电荷会由晶体管放大输出被动式采集需外加电压让每个像素中的电荷移动外加电压通常需要达到12~18V因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加powerIC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。（5）功耗差异在电源管理电路设计上的难度更高（需外加powerIC）高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平举例来说，OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在30fps的速度下运行，功耗仅为40mW;OV7640OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在30fps的速度下运行，功耗仅为40mW

Sony公司推出的1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保持在90mW以上。CCD发热量比CMOS大不能长时间在阳光下工作综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，＞灵敏度分辨率噪声控制低成本低功耗高整合