現(xiàn)代傳感技術(shù)第3章課件

1、圖像傳感技術(shù)3.1 CCD圖像傳感器3.2 CMOS圖像傳感器CMOS傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理CMOS圖像傳感器的性能指標(biāo)典型CMOS圖像傳感器3.3 CCD與CMOS傳感器的比較3.4 圖像測(cè)量技術(shù)CCD圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device）全稱(chēng)為電荷耦合器件，是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的新型固體成像器件。它是在MOS集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，為半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用開(kāi)拓了新的領(lǐng)域。它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ埽哂屑啥雀?、功耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺(jué)功能的擴(kuò)展，能給出直觀(guān)、真實(shí)、多層次、內(nèi)容豐富的可視圖像信息，被廣泛應(yīng)用于

2、軍事、天文、醫(yī)療、廣播、電視、傳真通信以及工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。CCD是目前最為成熟，應(yīng)用最為廣泛的圖像傳感器，它的典型產(chǎn)品有數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等。 CCD圖像傳感器CCD有兩種基本類(lèi)型：一種是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿著界面轉(zhuǎn)移，這類(lèi)器件稱(chēng)為表面溝道CCD器件（簡(jiǎn)稱(chēng)SCCD）；另一種是電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移，這類(lèi)器件稱(chēng)為體溝道或埋溝道器件（簡(jiǎn)稱(chēng)BCCD）.一個(gè)完整的CCD器件由光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。 CCD圖像傳感器CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲(chǔ)電荷原理CCD的MOS結(jié)構(gòu)電荷的傳輸電荷讀出CCD圖像傳

3、感器基本特征參數(shù)CCD攝像器件線(xiàn)陣CCD攝像器件面陣CCD攝像器件CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲(chǔ)電荷原理 CCD由多個(gè)光敏像元組成，每個(gè)像元就是一個(gè)MOS電容器或一個(gè)光敏二極管。這種電容器能存儲(chǔ)電荷，其結(jié)構(gòu)如圖 31所示。圖 31 CCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖 CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲(chǔ)電荷原理1.電荷的傳輸CCD的移位寄存器是一列排列緊密的MOS電容器（或光敏二極管），它的表面由不透光的金屬層覆蓋，以實(shí)現(xiàn)光屏蔽。MOS電容器上的電壓愈高，產(chǎn)生的勢(shì)阱愈深，當(dāng)外加電壓一定，勢(shì)阱深度隨阱中的電荷量增加而線(xiàn)性減小。利用這一特性，通過(guò)控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來(lái)調(diào)節(jié)勢(shì)阱深淺。在MOS電容緊密排列，使相鄰的

4、MOS電容勢(shì)阱相互“溝通”，即相鄰MOS電容兩電極之間的間隙足夠小，且當(dāng)改變相鄰MOS兩電極的電壓值時(shí)，在信號(hào)電荷自感生電場(chǎng)的庫(kù)侖力推動(dòng)下，就可使信號(hào)電荷由淺處流向深處，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移。CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲(chǔ)電荷原理1.電荷的傳輸為了保證信號(hào)電荷按確定路線(xiàn)轉(zhuǎn)移，通常MOS電容陣列柵極上所加脈沖電壓為嚴(yán)格滿(mǎn)足相位要求的二相、三相或四相系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖電壓。三相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理二相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理 CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲(chǔ)電荷原理2.電荷讀出 CCD的信號(hào)電荷讀出方法一般有兩種：輸出二極管電流法和浮置柵MOS放大器電壓法。 圖 35 電荷讀出方法 CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)CCD圖

5、像傳感器特征主要是指其光電轉(zhuǎn)換特性，而性能參數(shù)主要包括靈敏度、分辨率、信噪比、光譜響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍、暗電流和圖像滯后等。CCD攝像器件的優(yōu)劣評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，就是采用這些參數(shù)衡量。CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)1.光電轉(zhuǎn)換特性橫軸為曝光量，縱軸為輸出信號(hào)電壓值。它的光電轉(zhuǎn)換特性與硅靶攝像管相似，具有良好的線(xiàn)性。特性曲線(xiàn)的拐點(diǎn)G所對(duì)應(yīng)的曝光量叫飽和曝光量圖 36 CCD的光電轉(zhuǎn)換特性 CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)2.光譜響應(yīng)目前廣泛應(yīng)用的CCD器件是以硅為襯底的器件，其光譜響應(yīng)范圍為4001100nm。紅外CCD器件用多元探測(cè)器陣列替代可見(jiàn)光CCD圖像器件的光敏元部分，光敏元部分用的主要光敏材料有InSb、

6、PbSnTe和HgCdTe等，其光譜范圍延伸至35mm和814mm。3.動(dòng)態(tài)范圍飽和曝光量和等效噪聲曝光量的比值稱(chēng)為CCD的動(dòng)態(tài)范圍。CCD器件動(dòng)態(tài)范圍一般在103104數(shù)量級(jí)。4.暗電流暗電流的存在限制了器件動(dòng)態(tài)范圍和信號(hào)處理能力。暗電流的大小與光積分時(shí)間、周?chē)h(huán)境密切相關(guān)，通常溫度每上升3035，暗電流提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)。CCD攝像器件在室溫下暗電流約為510nA/cm2。CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)5.分辨率 分辨率是圖像器件的重要特性，常用調(diào)制傳遞函數(shù)MTF ( Modulation Transfer Function)來(lái)評(píng)價(jià)。圖 37是用2856K白熾光源照明下某線(xiàn)陣CCD的MTF曲線(xiàn)

7、。MTF定義為：歸一化的無(wú)量綱的零空間頻率下的調(diào)制深度的值。圖 37 某線(xiàn)陣CCD的評(píng)價(jià)曲線(xiàn) CCD攝像器件CCD電荷耦合攝像器件簡(jiǎn)稱(chēng)ICCD，它的功能是把二維光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變成一維以時(shí)間為自變量的視頻輸出信號(hào)。線(xiàn)陣可以直接將接收到的一維光信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)序的電信號(hào)輸出，獲得一維的圖像信號(hào)。若想用線(xiàn)陣CCD獲得二維圖像信號(hào)，必須使線(xiàn)陣CCD與二維圖像做相對(duì)的掃描運(yùn)動(dòng)。所以用線(xiàn)陣CCD對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行掃描成像是非常方便的?，F(xiàn)代的掃描儀、傳真機(jī)、高檔復(fù)印機(jī)和航空?qǐng)D像掃描系統(tǒng)等都采用線(xiàn)陣CCD作為圖像傳感器。面陣CCD面陣CCD是二維的圖像傳感器，它可以直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)輸出。CMOS傳感器

8、結(jié)構(gòu)與工作原理 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor, 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器也是目前最常見(jiàn)的數(shù)字圖像傳感器，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、照相手機(jī)以及攝像頭等產(chǎn)品上。采用CMOS技術(shù)可以將光電攝像器件陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、信號(hào)處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)，這已成為當(dāng)前一個(gè)研究熱點(diǎn)。根據(jù)像素的不同結(jié)構(gòu)，CMOS圖像傳感器可以分為無(wú)源像素被動(dòng)式傳感器（PPS）有源像素主動(dòng)式傳感器（APS）根據(jù)光生電荷的不同產(chǎn)生方式，APS又分為光敏二極管型光柵型對(duì)數(shù)響應(yīng)型CMOS傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理

9、圖 313 CMOS圖像傳感器芯片結(jié)構(gòu)框圖 圖 314 CMOS圖像傳感器像素陣列 CMOS圖像傳感器的性能指標(biāo)1.光譜性能與量子效率CMOS成像器件的光譜性能和量子效率取決于它的像敏單元（光敏二極管）。圖示為CMOS圖像傳感器的光譜響應(yīng)特性曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，其光譜范圍為3501100nm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)在700nm附近，峰值波長(zhǎng)響應(yīng)度達(dá)到0.4A/W。CMOS圖像傳感器的性能指標(biāo)2.填充因子填充因子是指光敏面積對(duì)全部像敏面積之比，它對(duì)器件的有效靈敏度、噪聲、時(shí)間響應(yīng)、模傳遞函數(shù)MTF等的影響很大。3.輸出特性與動(dòng)態(tài)范圍CMOS成像器件一般有4種輸出模式：線(xiàn)性模式雙斜率模式對(duì)數(shù)特性模式校正模式它們

10、的動(dòng)態(tài)范圍相差很大，特性也有較大的區(qū)別。CMOS圖像傳感器的性能指標(biāo)4.噪聲CMOS圖像傳感器的噪聲來(lái)源于其中的像敏單元的光敏二極管、用于放大器的場(chǎng)效應(yīng)管和行、列選擇等開(kāi)關(guān)的場(chǎng)效應(yīng)管。這些噪聲既有相似之處也有很大差別。此外，由光敏二極管陣列和場(chǎng)效應(yīng)晶體管電路構(gòu)成CMOS圖像傳感器時(shí)，還可能產(chǎn)生新的噪聲。（1）光敏器件的噪聲（2）MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的噪聲（3）CMOS成像器件中的工作噪聲5.空間傳遞函數(shù)由于CMOS成像器件中存在空間噪聲和串音，故實(shí)際的空間傳遞函數(shù)特性要降低些。 典型CMOS圖像傳感器以FillFactory公司的IBIS4 SXGA型CMOS成像器產(chǎn)品為例。這是一種彩色面陣C

11、MOS成像器件，但也可以用做黑白成像器件。它的特點(diǎn)是：像素尺寸小填充因子大光譜響應(yīng)范圍寬量子效率高噪聲等效光電流小無(wú)模糊（Smear）現(xiàn)象有抗暈?zāi)芰勺鋈【翱刂频湫虲MOS圖像傳感器成像器件的原理結(jié)構(gòu)圖 325 SXGA圖像傳感器原理結(jié)構(gòu)圖 典型CMOS圖像傳感器SXGA型CMOS成像器件的光譜特性加入彩色濾光片后，光譜響應(yīng)普遍降低。此外，3條單色光譜響應(yīng)曲線(xiàn)有一些差異，可以通過(guò)白平衡校正電路進(jìn)行校正。典型CMOS圖像傳感器輸出放大器它主要由三部分組成：增益可調(diào)的放大器、鉗位器、偏壓調(diào)節(jié)電路圖 329 SXGA型CMOS成像器件輸出放大器電路原理圖CCD與CMOS傳感器的比較 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方

12、式CCD與CMOS傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管（photodiode）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。 CCD傳感器中每一行中每一個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個(gè)像素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類(lèi)似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。造成這種差異的原因在于：CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時(shí)不會(huì)失真，因此各個(gè)像素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個(gè)像素的

13、數(shù)據(jù)。CCD與CMOS傳感器的比較由于數(shù)據(jù)傳送方式不同，因此CCD與CMOS傳感器在效能與應(yīng)用上也有諸多差異，這些差異包括： （1）靈敏度差異 （2）成本差異（3）分辨率差異（4）噪聲差異（5）功耗差異 CMOS與CCD圖像傳感器的性能比較序號(hào)參數(shù)COMS成像器件CCD成像器件1填充率 接近100%2暗電流（pA/m2）10100103噪聲電子數(shù)20504FPN（%）可在邏輯電路中校正15DRNU（%）101106工藝難度小大7光探測(cè)技術(shù)可優(yōu)化8像敏單元放大器有無(wú)CMOS與CCD圖像傳感器的性能比較序號(hào)參數(shù)COMS成像器件CCD成像器件9信號(hào)輸出行、列開(kāi)關(guān)控制,可隨機(jī)采樣CCD為逐個(gè)像敏單元輸

14、出,只能按規(guī)定的程序輸出10ADC在同一芯片中可設(shè)置ADC只能在器件外部設(shè)置ADC11邏輯電路芯片內(nèi)可設(shè)置若干邏輯電路只能在器件外設(shè)置12接口電路芯片內(nèi)可以設(shè)有接口電路只能在器件外設(shè)置13驅(qū)動(dòng)電路同一芯片內(nèi)設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路 只能在器件外設(shè)置,很復(fù)雜圖像測(cè)量技術(shù)圖像測(cè)量是一種視頻測(cè)量技術(shù)。它通過(guò)自身掃描和光電轉(zhuǎn)換功能將空間光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)換為時(shí)序的圖像信號(hào)，并根據(jù)確定的時(shí)空參數(shù)間的相互關(guān)系獲得物體空間分布狀態(tài)數(shù)據(jù)。目前，在圖像測(cè)量中，一般是采用CCD圖像傳感器。CCD攝像器件是CCD圖像測(cè)量系統(tǒng)的核心器件，由于它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，故已成為現(xiàn)代光電子學(xué)和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)中最活躍

15、的傳感器，被廣泛的應(yīng)用于各種光電系統(tǒng)中。CCD圖像測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理 CCD圖像測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由圖像傳感器、攝像控制器、像素檢測(cè)器三個(gè)主要單元組成。圖 337 線(xiàn)掃描攝像測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)CCD圖像測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理結(jié)束三相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理三相CCD結(jié)構(gòu)如圖 32所示。每一個(gè)像元，有兩個(gè)相鄰電極，每隔兩個(gè)電極的所有電極都接在一起，由3個(gè)相位相差120的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)，故稱(chēng)三相CCD。CCD中的電荷定向轉(zhuǎn)移是靠勢(shì)阱的非對(duì)稱(chēng)性實(shí)現(xiàn)的。在三相CCD 中是靠時(shí)鐘脈沖電壓的時(shí)序控制，來(lái)形成非對(duì)稱(chēng)勢(shì)阱。 圖 32 三相CCD電荷傳輸原理圖 二相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理 采用不對(duì)稱(chēng)的電極結(jié)構(gòu)也可以引進(jìn)不對(duì)稱(chēng)

16、勢(shì)阱，從而變成二相驅(qū)動(dòng)的CCD。目前實(shí)用CCD中多采用二相結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)二相驅(qū)動(dòng)的方案有（1）階梯氧化層電極 階梯氧化層電極結(jié)構(gòu)如圖 33所示。此結(jié)構(gòu)中將一個(gè)電極分成兩部分，其左邊部分電極下的氧化層比右邊的厚，則在同一電壓下，左邊電極下的位阱淺，自動(dòng)起到了阻擋信號(hào)倒流的作用。圖 33 采用階梯氧化層電極形成的二相結(jié)構(gòu) 二相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理 采用不對(duì)稱(chēng)的電極結(jié)構(gòu)也可以引進(jìn)不對(duì)稱(chēng)勢(shì)阱，從而變成二相驅(qū)動(dòng)的CCD。目前實(shí)用CCD中多采用二相結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)二相驅(qū)動(dòng)的方案有（2）設(shè)置勢(shì)壘注入?yún)^(qū) 如圖 34所示，對(duì)于給定的柵壓，位阱深度是摻雜濃度的函數(shù)。摻雜濃度高，則位阱淺。采用離子注入技術(shù)使轉(zhuǎn)移電極前沿下襯

17、底濃度高于別處，則該處位阱就較淺，任何電荷包都將只向位阱的后沿方向移動(dòng)。圖 34 采用勢(shì)壘注入?yún)^(qū)形成二相結(jié)構(gòu) 線(xiàn)陣CCD攝像器件線(xiàn)陣CCD攝像器件有兩種基本形式：?jiǎn)螠系谰€(xiàn)陣CCD雙溝道線(xiàn)陣CCD線(xiàn)陣CCD攝像器件單溝道線(xiàn)陣CCD單溝道線(xiàn)陣CCD由光敏元陣列、轉(zhuǎn)移柵、CCD模擬移位寄存器和輸出放大器等單元構(gòu)成。 這種結(jié)構(gòu)的線(xiàn)陣CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)多、效率低、調(diào)制傳遞函數(shù)MTF較差，只適用于像敏單元較少的攝像器件。 圖 38 單溝道線(xiàn)陣CCD 線(xiàn)陣CCD攝像器件雙溝道線(xiàn)陣CCD具有兩列CCD模擬移位寄存器A與B，分列在像敏陣列的兩邊。對(duì)同樣的像敏單元來(lái)說(shuō)，雙溝道線(xiàn)陣CCD要比單溝道線(xiàn)陣CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)少一半，轉(zhuǎn)移時(shí)間縮短一半，它的總轉(zhuǎn)移效率大大提高。在要求提高CCD的工作速度和轉(zhuǎn)移效率的情況下，常采用雙溝道的方式。圖 39 雙溝道線(xiàn)陣CCD的結(jié)構(gòu)面陣CCD攝像器件按照一定的方式將一維線(xiàn)型CCD的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即構(gòu)成二維面陣CCD。由于排列方式不同，面陣CCD常有幀轉(zhuǎn)移方式隔列轉(zhuǎn)移方式線(xiàn)轉(zhuǎn)移方式全幀轉(zhuǎn)移方式 等。1.幀轉(zhuǎn)移面陣CCD幀轉(zhuǎn)移三相面陣攝像器的構(gòu)成：成像區(qū)（像敏區(qū)）暫存區(qū)水平讀出寄存器圖 310 幀轉(zhuǎn)移三相面陣攝像器的原理結(jié)構(gòu)圖2.隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD2.隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD的結(jié)構(gòu)如圖 311a所示。它的像敏單元（圖中虛線(xiàn)塊