第九章 2 图像传感器 改.ppt

现代检测技术 图像传感器 主要内容 图像测量系统 图像传感器 图像传感器是在光电技术基础上发展起来的将光学图像转换成电信号的器件，分为真空管图像传感器和半导体图像传感器。 固态图像传感器是高度集成的半导体光电器件，在一个器件上可以完成光电信号的转换、传输和处理。 固态图像传感器的核心是电荷转移器件，有五种类型： 电荷耦合器件（CCD） 互补式金属-氧化物-半导体（CMOS）型 电荷注入器件（CID） 电荷引发器件（CPD） 叠层型成像器件 CCD光敏像元阵列 CCD电荷的收集和移位 线型CCD工作原理 彩色CCD结构 彩色CCD结构 彩色CCD结构 CCD的长宽比和尺寸 CCD长宽比为4：3，尺寸如图所示： CCD的光谱特性 CCD的光谱特性 CCD的基本特性参数 CMOS图像传感器 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor） 互补式金属-氧化物-半导体，NMOS和PMOS串联； 是集成电路中广泛使用的一个基本单元，在动态存储器中广泛使用，如计算机内存； 出现于20世纪70年代初，早期CMOS图像传感器图片质量差，仅用于低端产品； 90年代后重新得到关注，低功耗、高集成度； 已广泛用于各种高、中、低端图像采集设备。 CCD和CMOS的工作框图 CCD和CMOS的集成度 Xi’an Jiaotong University 精勤求学 敦笃励志 果毅力行 忠恕任事 图像传感器 图像测量系统 图像处理技术 CCD, CMOS 照明、镜头、图像传感器、图像采集、图像处理 基本概念、图像增强、图像分析 控制中枢、图像处理 照明 镜头、图像传感器 图像采集 视频信号 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，简称CCD）是以阵列形式排列在衬底材料上的金属－氧化物－半导体（Metal Oxide Semiconductor，简称MOS）电容器组成的，具有光生电荷、积蓄和转移的功能。 MOS 光敏单元电荷生成 电荷耦合器件(CCD) CCD以电荷作为信号的载体，而不是电压或电流。 以P型衬底MOS结构为例，如果在金属电极——栅极上施加一足够大的正点压，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。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），势阱越深存储电荷越多。 当光照射到硅片上时，在光子作用下产生电子-空穴对，自由电子会被势阱收集，电子数主要取决于光照强度和收集（积分）时间的长短。 CCD电荷的产生 为了将势阱中的电荷转移并输出，每个光敏单元一般包括3个相邻的电极，电极上的脉冲电压相位依次相差120°，波形都是前缘陡峭后缘倾斜。 电荷积蓄、转移 CCD电荷的收集和移位 在t1时刻，电极1、4、7下方出现势阱，并收集到光生电荷，电荷的多少与光强有关。在t2时刻，电压φ1下降，电压φ2最高，电极2、5、8下方势阱最深，原来存储在电极1、4、7下方的电荷将在电场作用下转移到2、5、8下方。到t3时刻，电荷全部向右转移的一步。依次类推，在t5时刻，电荷将转移到电极3、6、9下方。 CCD电荷的收集和移位 CCD可以把光信号转换为电脉冲信号。每一个脉冲反应一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就构成了图像传感器。 CCD结构 CCD结构主要功能模块： 光敏区（成像区、光电转换） 转移栅（隔离，转移电荷） 电荷移位寄存器阵列（电荷移位输出） 电荷/电压转换器和电压放大器（输出视频信号） CCD图像传感器一般分为线型和面型。二者的原理类似，都是通过光学成像系统将景物图像成在CCD的像敏面上。 CCD图像传感器分类 线型CCD可以直接接收一维光信号，主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。 按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，即可以构成二维面型CCD。 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。 线型CCD工作原理 为了减少信号电荷在转移过程中的损失，通常采用双通