視覺傳感器實用教案

1、提綱提綱(tgng)圖像傳感器概要。圖像傳感器概要。 圖像傳感器工作原理。圖像傳感器工作原理。圖像處理傳感器的結構圖像處理傳感器的結構(jigu)。相關產品。相關產品。第1頁/共27頁第一頁，共27頁。圖像(t xin)傳感器概要第2頁/共27頁第二頁，共27頁。圖像圖像(t xin)傳感器概要傳感器概要 常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬： 光敏傳感器視覺 聲敏傳感器聽覺(tngju) 氣敏傳感器嗅覺 化學傳感器味覺 壓敏、溫敏、流體傳感器觸覺第3頁/共27頁第三頁，共27頁。圖像圖像(t xin)傳感器概要傳感器概要 光敏傳感器光敏傳感器 光敏傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類光敏

2、傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類(zhngli)繁多，主要有：光電管、光電倍增管、光敏繁多，主要有：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、電阻、光敏三極管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和和CMOS圖像傳感器等。圖像傳感器等。 圖像傳感器是組成數字攝像頭的重要組成部分，根據元件不同分為圖像傳感器是組成數字攝像頭的重要組成部分，根據元件不同分為CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合元件）和，電荷耦合元件）和CMOS（Complementary Meta

3、l-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導，金屬氧化物半導體元件）。體元件）。第4頁/共27頁第四頁，共27頁。圖像圖像(t xin)傳感器概要傳感器概要 獲得獲得2009年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎 2009年年10月月6日，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布，將日，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布，將2009年諾貝爾物理學獎授予華人科學家高年諾貝爾物理學獎授予華人科學家高錕以及兩名美國科學家韋拉德錕以及兩名美國科學家韋拉德-博伊爾博伊爾(Willard Boyle)和喬治和喬治-史密斯史密斯(George Smith)，以獎勵他們在，以獎勵他們在光纖和半導體領域上的開創(chuàng)性研究

4、。他們將分享光纖和半導體領域上的開創(chuàng)性研究。他們將分享1000萬瑞典克朗萬瑞典克朗(約合約合140萬美元萬美元)的獎金。其中的獎金。其中(qzhng)高錕將獲得一半的獎金，另外兩名獲獎者各得四分之一的獎金。高錕的獲獎理由為高錕將獲得一半的獎金，另外兩名獲獎者各得四分之一的獎金。高錕的獲獎理由為“在光學通信領在光學通信領域光在光纖中傳輸方面所取得的開創(chuàng)性成就域光在光纖中傳輸方面所取得的開創(chuàng)性成就”。兩位美國科學家的獲獎理由為。兩位美國科學家的獲獎理由為“發(fā)明了一種成像半導發(fā)明了一種成像半導體電路，即體電路，即CCD(電荷耦合器件電荷耦合器件)傳感器傳感器”。第5頁/共27頁第五頁，共27頁。圖像

5、(t xin)傳感器工作原理第6頁/共27頁第六頁，共27頁。圖像圖像(t xin)傳感器工作原理傳感器工作原理線陣CCD面陣CCD表面溝道表面溝道CCD:電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面轉移。電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面轉移。體溝道體溝道CCD:電荷包存儲在離半導體表面一定深度電荷包存儲在離半導體表面一定深度(shnd)的體內，并在半導體內沿一的體內，并在半導體內沿一定方向轉移。定方向轉移。第7頁/共27頁第七頁，共27頁。圖像圖像(t xin)傳感器工作原理傳感器工作原理 CCD工作原理 光電信息 電脈沖 脈沖只反映一個光敏元的受光情況 脈沖幅度的高低反映該

6、光敏元受光照的強弱 輸出脈沖的順序可以(ky)反映一個光敏元的位置 完成圖像傳感 第8頁/共27頁第八頁，共27頁。圖像圖像(t xin)傳感器的工作原理傳感器的工作原理 特點：以電荷作為信號； 基本(jbn)功能：電荷的存儲和轉移； 基本(jbn)工作原理： 信號電荷的產生 信號電荷的存貯 信號電荷的傳輸 信號電荷的檢測第9頁/共27頁第九頁，共27頁。圖像圖像(t xin)傳感器的工作原理傳感器的工作原理CCD是由規(guī)則排列的是由規(guī)則排列的 金屬金屬氧化物氧化物半導體半導體 電容電容(dinrng)陣列組成。陣列組成。第10頁/共27頁第十頁，共27頁。圖像傳感器的工作圖像傳感器的工作(gn

7、gzu)原理原理 如圖，加電壓如圖，加電壓VG,在電場作用下，在電場作用下，多數載流子空穴被排斥驅趕，形成一個多數載流子空穴被排斥驅趕，形成一個耗盡區(qū)。而對于少數載流子電子則被吸耗盡區(qū)。而對于少數載流子電子則被吸引到耗盡區(qū)，耗盡區(qū)對于帶負電的電子引到耗盡區(qū)，耗盡區(qū)對于帶負電的電子來講是一個電勢很低的區(qū)域，稱為來講是一個電勢很低的區(qū)域，稱為“勢勢阱阱”。勢阱積累電子的多少取決于勢阱。勢阱積累電子的多少取決于勢阱的深度，界面勢的大小與所加電壓成正的深度，界面勢的大小與所加電壓成正比。比。 光入射到半導體硅片上，在光子光入射到半導體硅片上，在光子的作用下，半導體形成空穴的作用下，半導體形成空穴電子對

8、，電子對，勢阱內吸收光電子的數量與入射光勢阱勢阱內吸收光電子的數量與入射光勢阱附近附近(fjn)的光強成正比。的光強成正比。 一個一個MOS結構單元稱為光敏單元結構單元稱為光敏單元或一個像素；而將一個勢阱所吸收的若或一個像素；而將一個勢阱所吸收的若干個光生電荷稱為一個電荷包。干個光生電荷稱為一個電荷包。 第11頁/共27頁第十一頁，共27頁。圖像圖像(t xin)傳感器的工作原理傳感器的工作原理 通常在半導體硅片上制成有成千上萬個相互獨立的通常在半導體硅片上制成有成千上萬個相互獨立的MOS光敏單元，如果光敏單元，如果在金屬電極上加上正電壓，則在半導體硅片上就形成成千上萬個相互獨立的在金屬電極上

9、加上正電壓，則在半導體硅片上就形成成千上萬個相互獨立的勢阱。如果此時照射在這些光敏單元上是一副明暗起伏的圖像，那么這些光勢阱。如果此時照射在這些光敏單元上是一副明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就會產生敏元就會產生(chnshng)出一副與光照強度相對應的光電荷圖像，因而得出一副與光照強度相對應的光電荷圖像，因而得到影像信號。到影像信號。信號存貯信號存貯 CCD器件每一單元（每一像素）稱為一位，有器件每一單元（每一像素）稱為一位，有256位、位、1024位、位、2160位等位等線陣線陣CCD。 CCD中每一位含有中每一位含有MOS電容的個數即為電容的個數即為CCD的相數，二相相位差為的相數，二相相

10、位差為180，三相相位差為三相相位差為120，四相相位差為，四相相位差為90。 將時序脈沖加到將時序脈沖加到CCD驅動電路上循環(huán)時，實現信號電荷的定向驅動電路上循環(huán)時，實現信號電荷的定向(dn xin)移動和耦合。移動和耦合。信號傳輸信號傳輸第12頁/共27頁第十二頁，共27頁。圖像傳感器的工作圖像傳感器的工作(gngzu)原理原理信號信號(xnho)傳傳輸和耦合輸和耦合第13頁/共27頁第十三頁，共27頁。圖像傳感器的工作圖像傳感器的工作(gngzu)原理原理 電荷注入方式：光注入信號(xnho)產生少數載流子唄收集少數載流子唄收集(shuj)到勢阱中形成信號電荷。到勢阱中形成信號電荷。 N

11、為入射光的電子流速率；為入射光的電子流速率；A為光敏單元的受為光敏單元的受光面積；光面積；t為光注入時間。為光注入時間。第14頁/共27頁第十四頁，共27頁。圖像傳感器的工作圖像傳感器的工作(gngzu)原理原理 電荷檢測： CCD輸出結構(jigu)的作用是將CCD中的信號電荷變?yōu)殡娏骰螂妷狠敵觯詸z測信號電荷的大小。 如圖為CCD電壓輸出電路。 放大管T1,復位管T2,輸出二極管T3。第15頁/共27頁第十五頁，共27頁。圖像圖像(t xin)傳感器的工作原理傳感器的工作原理第16頁/共27頁第十六頁，共27頁。圖像處理圖像處理(t xin ch l)傳感器的結構傳感器的結構第17頁/共2

12、7頁第十七頁，共27頁。圖像圖像(t xin)傳感器的結構傳感器的結構第18頁/共27頁第十八頁，共27頁。產品(chnpn)介紹第19頁/共27頁第十九頁，共27頁。相關相關(xinggun)產品產品 飛利普公司在產品方面的優(yōu)勢為，具有業(yè)界最大尺寸的傳感器，在數碼相機的應用中，其mm尺寸的已經應用在“Contax”的數碼相機中，成為專業(yè)(zhuny)數碼相機的代言人。 其次該公司還具有獨特的“Frame-Transfer CCD”（面掃描）技術，該產品在應用中，可實現每秒-幅的速率。這是真正視頻信號的速度。第20頁/共27頁第二十頁，共27頁。相關相關(xinggun)產品產品 柯達的采用了

13、廣受好評的（氧化銦錫）技術，而不是傳統(tǒng)的聚硅化合物。 其特點是敏銳度更高，透光性比一般提高了，對于一般感應較弱的藍光以及抗雜訊干擾方面有突破性的改善，其對藍光感應能力提高了.倍，同時(tngsh)大幅降低了雜訊干擾，使影像更強銳利、色彩更加準確，為專業(yè)數碼攝影提供了高解析度、銳利度的影像。第21頁/共27頁第二十一頁，共27頁。相關相關(xinggun)產品產品 富士公司研制的“（超級蜂窩結構）使用的是八邊形的感光單元，使用了蜂巢的八邊形結構，因此其感光單元面積要高于傳統(tǒng)。 這樣會獲得三個好處，一是可以提高的感光度、二是提高動態(tài)范圍、三是提高了信噪比。 這三個優(yōu)點加上更高的生成像素成為富士公司在數碼相機產品(chnpn)上的最大賣點。第22頁/共27頁第二十二頁，共27頁。That is all !Th