現(xiàn)代傳感技術(shù)第3章課件

第三章圖像傳感技術(shù)圖像傳感器實際上也是光電傳感器件中的一部分，主要器件有CCD、CMOS以及PSD等，PSD已經(jīng)在光電傳感器件中介紹，在這一章中主要討論CCD和CMOS傳感器件及圖像測量技術(shù)。第三章圖像傳感技術(shù)圖像傳感器實際上也是光電傳感器件圖像傳感技術(shù)3.1CCD圖像傳感器3.2CMOS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典型CMOS圖像傳感器3.3CCD與CMOS傳感器的比較3.4圖像測量技術(shù)圖像傳感技術(shù)3.1CCD圖像傳感器2CCD圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice）全稱為電荷耦合器件，是20世紀70年代發(fā)展起來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)展起來的，為半導體技術(shù)應用開拓了新的領(lǐng)域。它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲和傳輸?shù)裙δ?，具有集成度高、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展，能給出直觀、真實、多層次、內(nèi)容豐富的可視圖像信息，被廣泛應用于軍事、天文、醫(yī)療、廣播、電視、傳真通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。CCD是目前最為成熟，應用最為廣泛的圖像傳感器，它的典型產(chǎn)品有數(shù)碼相機、攝像機等。CCD圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDev3CCD圖像傳感器CCD有兩種基本類型：一種是電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿著界面轉(zhuǎn)移，這類器件稱為表面溝道CCD器件（簡稱SCCD）；另一種是電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移，這類器件稱為體溝道或埋溝道器件（簡稱BCCD）.一個完整的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有兩種基本類型：4CCD圖像傳感器CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理CCD的MOS結(jié)構(gòu)電荷的傳輸電荷讀出CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)CCD攝像器件線陣CCD攝像器件面陣CCD攝像器件CCD圖像傳感器CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理5CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理CCD由多個光敏像元組成，每個像元就是一個MOS電容器或一個光敏二極管。這種電容器能存儲電荷，其結(jié)構(gòu)如圖3?1所示。圖3?1CCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理CCD由多個光敏像元組成，6CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理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，以實現(xiàn)光屏蔽。MOS電容器上的電壓愈高，產(chǎn)生的勢阱愈深，當外加電壓一定，勢阱深度隨阱中的電荷量增加而線性減小。利用這一特性，通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺。在MOS電容緊密排列，使相鄰的MOS電容勢阱相互“溝通”，即相鄰MOS電容兩電極之間的間隙足夠小，且當改變相鄰MOS兩電極的電壓值時，在信號電荷自感生電場的庫侖力推動下，就可使信號電荷由淺處流向深處，實現(xiàn)信號電荷轉(zhuǎn)移。CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理1.電荷的傳輸7CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理1.電荷的傳輸為了保證信號電荷按確定路線轉(zhuǎn)移，通常MOS電容陣列柵極上所加脈沖電壓為嚴格滿足相位要求的二相、三相或四相系統(tǒng)的時鐘脈沖電壓。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)及存儲電荷原理1.電荷的傳輸8CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理2.電荷讀出CCD的信號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3?5電荷讀出方法CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理2.電荷讀出圖3?59CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)CCD圖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、動態(tài)范圍、暗電流和圖像滯后等。CCD攝像器件的優(yōu)劣評判標準，就是采用這些參數(shù)衡量。CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)CCD圖像傳感器特征主要是指其光10CCD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，具有良好的線性。特性曲線的拐點G所對應的曝光量叫飽和曝光量圖3?6CCD的光電轉(zhuǎn)換特性CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)1.光電轉(zhuǎn)換特性圖3?6C11CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)2.光譜響應目前廣泛應用的CCD器件是以硅為襯底的器件，其光譜響應范圍為400~1100nm。紅外CCD器件用多元探測器陣列替代可見光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、PbSnTe和HgCdTe等，其光譜范圍延伸至3~5mm和8~14mm。3.動態(tài)范圍飽和曝光量和等效噪聲曝光量的比值稱為CCD的動態(tài)范圍。CCD器件動態(tài)范圍一般在103~104數(shù)量級。4.暗電流暗電流的存在限制了器件動態(tài)范圍和信號處理能力。暗電流的大小與光積分時間、周圍環(huán)境密切相關(guān)，通常溫度每上升30~35℃，暗電流提高約一個數(shù)量級。CCD攝像器件在室溫下暗電流約為5~10nA/cm2。CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)2.光譜響應12CCD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(ModulationTransferFunction)來評價。圖3?7是用2856K白熾光源照明下某線陣CCD的MTF曲線。MTF定義為：歸一化的無量綱的零空間頻率下的調(diào)制深度的值。圖3?7某線陣CCD的評價曲線CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)5.分辨率圖3?7某線陣C13CCD攝像器件CCD電荷耦合攝像器件簡稱ICCD，它的功能是把二維光學圖像信號轉(zhuǎn)變成一維以時間為自變量的視頻輸出信號。線陣可以直接將接收到的一維光信號轉(zhuǎn)換成時序的電信號輸出，獲得一維的圖像信號。若想用線陣CCD獲得二維圖像信號，必須使線陣CCD與二維圖像做相對的掃描運動。所以用線陣CCD對勻速運動物體進行掃描成像是非常方便的?，F(xiàn)代的掃描儀、傳真機、高檔復印機和航空圖像掃描系統(tǒng)等都采用線陣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信號輸出。CCD攝像器件CCD電荷耦合攝像器件簡稱ICCD，它的功能是14CMOS傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor,互補金屬氧化物半導體）圖像傳感器也是目前最常見的數(shù)字圖像傳感器，廣泛應用于數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、照相手機以及攝像頭等產(chǎn)品上。采用CMOS技術(shù)可以將光電攝像器件陣列、驅(qū)動和控制電路、信號處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可以實現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)，這已成為當前一個研究熱點。根據(jù)像素的不同結(jié)構(gòu)，CMOS圖像傳感器可以分為無源像素被動式傳感器（PPS）有源像素主動式傳感器（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數(shù)響應型CMOS傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理CMOS（Complement15CMOS傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理圖3?13CMOS圖像傳感器芯片結(jié)構(gòu)框圖

圖3?14CMOS圖像傳感器像素陣列

CMOS傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理圖3?13CMOS圖像傳感16CMOS圖像傳感器的性能指標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特性曲線。由圖可見，其光譜范圍為350~1100nm，峰值響應波長在700nm附近，峰值波長響應度達到0.4A/W。CMOS圖像傳感器的性能指標1.光譜性能與量子效率圖示為CM17CMOS圖像傳感器的性能指標2.填充因子填充因子是指光敏面積對全部像敏面積之比，它對器件的有效靈敏度、噪聲、時間響應、模傳遞函數(shù)MTF等的影響很大。3.輸出特性與動態(tài)范圍CMOS成像器件一般有4種輸出模式：線性模式雙斜率模式對數(shù)特性模式校正模式它們的動態(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2.填充因子18CMOS圖像傳感器的性能指標4.噪聲CMOS圖像傳感器的噪聲來源于其中的像敏單元的光敏二極管、用于放大器的場效應管和行、列選擇等開關(guān)的場效應管。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效應晶體管電路構(gòu)成CMOS圖像傳感器時，還可能產(chǎn)生新的噪聲。（1）光敏器件的噪聲（2）MOS場效應晶體管中的噪聲（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，故實際的空間傳遞函數(shù)特性要降低些。CMOS圖像傳感器的性能指標4.噪聲19典型CMOS圖像傳感器以FillFactory公司的IBIS4SXGA型CMOS成像器產(chǎn)品為例。這是一種彩色面陣CMOS成像器件，但也可以用做黑白成像器件。它的特點是：像素尺寸小填充因子大光譜響應范圍寬量子效率高噪聲等效光電流小無模糊（Smear）現(xiàn)象有抗暈能力可做取景控制典型CMOS圖像傳感器以FillFactory公司的IBIS20典型CMOS圖像傳感器成像器件的原理結(jié)構(gòu)圖3?25SXGA圖像傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

典型CMOS圖像傳感器成像器件的原理結(jié)構(gòu)圖3?25SX21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，光譜響應普遍降低。此外，3條單色光譜響應曲線有一些差異，可以通過白平衡校正電路進行校正。典型CMOS圖像傳感器SXGA型CMOS成像器件的光譜特性加22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3?29

SXGA型CMOS成像器件輸出放大器電路原理圖典型CMOS圖像傳感器輸出放大器圖3?29SXG23CCD與CMOS傳感器的比較數(shù)字數(shù)據(jù)傳送的方式CCD與CMOS傳感器是當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）進行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字數(shù)據(jù)傳送的方式不同。CCD傳感器中每一行中每一個像素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個像素都會鄰接一個放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(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)在傳送時不會失真，因此各個像素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時會產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個像素的數(shù)據(jù)。CCD與CMOS傳感器的比較數(shù)字數(shù)據(jù)傳送的方式24CCD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CCD與CMOS傳感器的比較由于數(shù)據(jù)傳送方式不同，因此CCD25CMOS與CCD圖像傳感器的性能比較序號參數(shù)COMS成像器件CCD成像器件1填充率接近100%2暗電流（pA/m2）10～100103噪聲電子數(shù)≤20≤504FPN（%）可在邏輯電路中校正<15DRNU（%）<101~106工藝難度小大7光探測技術(shù)可優(yōu)化8像敏單元放大器有無CMOS與CCD圖像傳感器的性能比較序號參數(shù)COMS成像器件26CMOS與CCD圖像傳感器的性能比較序號參數(shù)COMS成像器件CCD成像器件9信號輸出行、列開關(guān)控制,可隨機采樣CCD為逐個像敏單元輸出,只能按規(guī)定的程序輸出10ADC在同一芯片中可設置ADC只能在器件外部設置ADC11邏輯電路芯片內(nèi)可設置若干邏輯電路只能在器件外設置12接口電路芯片內(nèi)可以設有接口電路只能在器件外設置13驅(qū)動電路同一芯片內(nèi)設有驅(qū)動電路只能在器件外設置,很復雜CMOS與CCD圖像傳感器的性能比較序號參數(shù)COMS成像器件27圖像測量技術(shù)圖像測量是一種視頻測量技術(shù)。它通過自身掃描和光電轉(zhuǎn)換功能將空間光強分布轉(zhuǎn)換為時序的圖像信號，并根據(jù)確定的時空參數(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，在圖像測量中，一般是采用CCD圖像傳感器。CCD攝像器件是CCD圖像測量系統(tǒng)的核心器件，由于它具有靈敏度高、光譜響應寬、動態(tài)范圍大、成本低等優(yōu)點，故已成為現(xiàn)代光電子學和現(xiàn)代測試技術(shù)中最活躍的傳感器，被廣泛的應用于各種光電系統(tǒng)中。圖像測量技術(shù)圖像測量是一種視頻測量技術(shù)。它通過自身掃描和光電28CCD圖像測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測量原理CCD圖像測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由圖像傳感器、攝像控制器、像素檢測器三個主要單元組成。CCD圖像測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測量原理CCD圖像測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由29圖3?37線掃描攝像測長系統(tǒng)CCD圖像測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測量原理結(jié)束圖3?37線掃描攝像測長系統(tǒng)CCD圖像測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測30三相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理三相CCD結(jié)構(gòu)如圖3?2所示。每一個像元，有兩個相鄰電極，每隔兩個電極的所有電極都接在一起，由3個相位相差120°的時鐘脈沖驅(qū)動，故稱三相CCD。CCD中的電荷定向轉(zhuǎn)移是靠勢阱的非對稱性實現(xiàn)的。在三相CCD中是靠時鐘脈沖電壓的時序控制，來形成非對稱勢阱。圖3?2三相CCD電荷傳輸原理圖三相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理三相CCD結(jié)構(gòu)如圖3?2所示。每31二相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理采用不對稱的電極結(jié)構(gòu)也可以引進不對稱勢阱，從而變成二相驅(qū)動的CCD。目前實用CCD中多采用二相結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)二相驅(qū)動的方案有（1）階梯氧化層電極

階梯氧化層電極結(jié)構(gòu)如圖3?3所示。此結(jié)構(gòu)中將一個電極分成兩部分，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，自動起到了阻擋信號倒流的作用。圖3?3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稱的電極結(jié)構(gòu)也可以引進不32二相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理采用不對稱的電極結(jié)構(gòu)也可以引進不對稱勢阱，從而變成二相驅(qū)動的CCD。目前實用CCD中多采用二相結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)二相驅(qū)動的方案有（2）設置勢壘注入?yún)^(qū)

如圖3?4所示，對于給定的柵壓，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。圖3?4采用勢壘注入?yún)^(qū)形成二相結(jié)構(gòu)二相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理采用不對稱的電極結(jié)構(gòu)也可以引進不33線陣CCD攝像器件線陣CCD攝像器件有兩種基本形式：單溝道線陣CCD雙溝道線陣CCD線陣CCD攝像器件線陣CCD攝像器件有兩種基本形式：34線陣CCD攝像器件單溝道線陣CCD單溝道線陣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3?8單溝道線陣CCD線陣CCD攝像器件單溝道線陣CCD圖3?8單溝道線陣C35線陣CCD攝像器件雙溝道線陣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。對同樣的像敏單元來說，雙溝道線陣CCD要比單溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)少一半，轉(zhuǎn)移時間縮短一半，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3?9雙溝道線陣CCD的結(jié)構(gòu)線陣CCD攝像器件雙溝道線陣CCD圖3?9雙溝道線陣C36面陣CCD攝像器件按照一定的方式將一維線型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)移方式線轉(zhuǎn)移方式全幀轉(zhuǎn)移方式等。面陣CCD攝像器件按照一定的方式將一維線型CCD的光敏單元及371.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3?10幀轉(zhuǎn)移三相面陣攝像器的原理結(jié)構(gòu)圖1.幀轉(zhuǎn)移面陣CCD幀轉(zhuǎn)移三相面陣攝像器的構(gòu)成：圖3?10382.隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD2.隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD392.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3?11a所示。它的像敏單元（圖中虛線塊）呈二維排列，每列像敏單元被遮光的讀出寄存器及溝阻隔開，像敏單元與讀出寄存器之間又有轉(zhuǎn)移控制柵。由圖可見，每一像敏單元對應于兩個遮光的讀出寄存器單元。讀出寄存器與像敏單元的另一側(cè)被溝阻隔開。由于每列像敏單元均被讀出寄存器所隔，因此，這種面陣CCD稱為隔列轉(zhuǎn)移型CCD。2.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3?402.隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD圖3?11b是隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD的二相注入勢壘器件的像敏單元和寄存器單元的結(jié)構(gòu)示意圖。連續(xù)的多晶硅，它經(jīng)過選擇摻雜構(gòu)成二相轉(zhuǎn)移電極系統(tǒng)，稱為多晶硅寄存器柵極系統(tǒng)。轉(zhuǎn)移方向用離子注入勢壘方法完成，使電荷只能按規(guī)定的方向轉(zhuǎn)移，溝阻常用來阻止電荷向外擴散。2.隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD圖3?11b是隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD413.線轉(zhuǎn)移型面陣CCD3.線轉(zhuǎn)移型面陣CCD423.線轉(zhuǎn)移型面陣CCD如圖3?12所示，與前面兩種轉(zhuǎn)移方式相比，線轉(zhuǎn)移型面陣CCD取消了存儲區(qū)，多了一個線尋址電路。它的像敏單元一行行地緊密排列，很類似于幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD的光敏區(qū)，但是它的每一行都有確定的地址；它沒有水平讀出寄存器，只有一個垂直放置的輸出寄存器。當線尋址電路選中某一行像敏單元時，驅(qū)動脈沖將使該行的光生電荷包一位位地按箭頭方向轉(zhuǎn)移，并移入輸出寄存器。輸出寄存器在驅(qū)動脈沖的作用下使信號電荷包經(jīng)輸出放大器輸出。根據(jù)不同的使用要求，線尋址電路發(fā)出不同的數(shù)碼，就可以方便地選擇掃描方式，實現(xiàn)逐行掃描或隔行掃描。也可以只選擇其中的一行輸出，使其工作在線陣CCD的狀態(tài)。因此，線轉(zhuǎn)移型面陣CCD具有有效光敏面積大，轉(zhuǎn)移速度快，轉(zhuǎn)移效率高等特點，但其電路比較復雜，使它的應用范圍受到限制。3.線轉(zhuǎn)移型面陣CCD如圖3?12所示，與前面兩種轉(zhuǎn)移方式43第三章圖像傳感技術(shù)圖像傳感器實際上也是光電傳感器件中的一部分，主要器件有CCD、CMOS以及PSD等，PSD已經(jīng)在光電傳感器件中介紹，在這一章中主要討論CCD和CMOS傳感器件及圖像測量技術(shù)。第三章圖像傳感技術(shù)圖像傳感器實際上也是光電傳感器件圖像傳感技術(shù)3.1CCD圖像傳感器3.2CMOS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典型CMOS圖像傳感器3.3CCD與CMOS傳感器的比較3.4圖像測量技術(shù)圖像傳感技術(shù)3.1CCD圖像傳感器45CCD圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice）全稱為電荷耦合器件，是20世紀70年代發(fā)展起來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)展起來的，為半導體技術(shù)應用開拓了新的領(lǐng)域。它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲和傳輸?shù)裙δ?，具有集成度高、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展，能給出直觀、真實、多層次、內(nèi)容豐富的可視圖像信息，被廣泛應用于軍事、天文、醫(yī)療、廣播、電視、傳真通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。CCD是目前最為成熟，應用最為廣泛的圖像傳感器，它的典型產(chǎn)品有數(shù)碼相機、攝像機等。CCD圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDev46CCD圖像傳感器CCD有兩種基本類型：一種是電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿著界面轉(zhuǎn)移，這類器件稱為表面溝道CCD器件（簡稱SCCD）；另一種是電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移，這類器件稱為體溝道或埋溝道器件（簡稱BCCD）.一個完整的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有兩種基本類型：47CCD圖像傳感器CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理CCD的MOS結(jié)構(gòu)電荷的傳輸電荷讀出CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)CCD攝像器件線陣CCD攝像器件面陣CCD攝像器件CCD圖像傳感器CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理48CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理CCD由多個光敏像元組成，每個像元就是一個MOS電容器或一個光敏二極管。這種電容器能存儲電荷，其結(jié)構(gòu)如圖3?1所示。圖3?1CCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理CCD由多個光敏像元組成，49CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理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，以實現(xiàn)光屏蔽。MOS電容器上的電壓愈高，產(chǎn)生的勢阱愈深，當外加電壓一定，勢阱深度隨阱中的電荷量增加而線性減小。利用這一特性，通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺。在MOS電容緊密排列，使相鄰的MOS電容勢阱相互“溝通”，即相鄰MOS電容兩電極之間的間隙足夠小，且當改變相鄰MOS兩電極的電壓值時，在信號電荷自感生電場的庫侖力推動下，就可使信號電荷由淺處流向深處，實現(xiàn)信號電荷轉(zhuǎn)移。CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理1.電荷的傳輸50CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理1.電荷的傳輸為了保證信號電荷按確定路線轉(zhuǎn)移，通常MOS電容陣列柵極上所加脈沖電壓為嚴格滿足相位要求的二相、三相或四相系統(tǒng)的時鐘脈沖電壓。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)及存儲電荷原理1.電荷的傳輸51CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理2.電荷讀出CCD的信號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3?5電荷讀出方法CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存儲電荷原理2.電荷讀出圖3?552CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)CCD圖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、動態(tài)范圍、暗電流和圖像滯后等。CCD攝像器件的優(yōu)劣評判標準，就是采用這些參數(shù)衡量。CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)CCD圖像傳感器特征主要是指其光53CCD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，具有良好的線性。特性曲線的拐點G所對應的曝光量叫飽和曝光量圖3?6CCD的光電轉(zhuǎn)換特性CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)1.光電轉(zhuǎn)換特性圖3?6C54CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)2.光譜響應目前廣泛應用的CCD器件是以硅為襯底的器件，其光譜響應范圍為400~1100nm。紅外CCD器件用多元探測器陣列替代可見光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、PbSnTe和HgCdTe等，其光譜范圍延伸至3~5mm和8~14mm。3.動態(tài)范圍飽和曝光量和等效噪聲曝光量的比值稱為CCD的動態(tài)范圍。CCD器件動態(tài)范圍一般在103~104數(shù)量級。4.暗電流暗電流的存在限制了器件動態(tài)范圍和信號處理能力。暗電流的大小與光積分時間、周圍環(huán)境密切相關(guān)，通常溫度每上升30~35℃，暗電流提高約一個數(shù)量級。CCD攝像器件在室溫下暗電流約為5~10nA/cm2。CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)2.光譜響應55CCD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(ModulationTransferFunction)來評價。圖3?7是用2856K白熾光源照明下某線陣CCD的MTF曲線。MTF定義為：歸一化的無量綱的零空間頻率下的調(diào)制深度的值。圖3?7某線陣CCD的評價曲線CCD圖像傳感器基本特征參數(shù)5.分辨率圖3?7某線陣C56CCD攝像器件CCD電荷耦合攝像器件簡稱ICCD，它的功能是把二維光學圖像信號轉(zhuǎn)變成一維以時間為自變量的視頻輸出信號。線陣可以直接將接收到的一維光信號轉(zhuǎn)換成時序的電信號輸出，獲得一維的圖像信號。若想用線陣CCD獲得二維圖像信號，必須使線陣CCD與二維圖像做相對的掃描運動。所以用線陣CCD對勻速運動物體進行掃描成像是非常方便的?，F(xiàn)代的掃描儀、傳真機、高檔復印機和航空圖像掃描系統(tǒng)等都采用線陣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信號輸出。CCD攝像器件CCD電荷耦合攝像器件簡稱ICCD，它的功能是57CMOS傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor,互補金屬氧化物半導體）圖像傳感器也是目前最常見的數(shù)字圖像傳感器，廣泛應用于數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、照相手機以及攝像頭等產(chǎn)品上。采用CMOS技術(shù)可以將光電攝像器件陣列、驅(qū)動和控制電路、信號處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可以實現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)，這已成為當前一個研究熱點。根據(jù)像素的不同結(jié)構(gòu)，CMOS圖像傳感器可以分為無源像素被動式傳感器（PPS）有源像素主動式傳感器（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數(shù)響應型CMOS傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理CMOS（Complement58CMOS傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理圖3?13CMOS圖像傳感器芯片結(jié)構(gòu)框圖

圖3?14CMOS圖像傳感器像素陣列

CMOS傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理圖3?13CMOS圖像傳感59CMOS圖像傳感器的性能指標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特性曲線。由圖可見，其光譜范圍為350~1100nm，峰值響應波長在700nm附近，峰值波長響應度達到0.4A/W。CMOS圖像傳感器的性能指標1.光譜性能與量子效率圖示為CM60CMOS圖像傳感器的性能指標2.填充因子填充因子是指光敏面積對全部像敏面積之比，它對器件的有效靈敏度、噪聲、時間響應、模傳遞函數(shù)MTF等的影響很大。3.輸出特性與動態(tài)范圍CMOS成像器件一般有4種輸出模式：線性模式雙斜率模式對數(shù)特性模式校正模式它們的動態(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2.填充因子61CMOS圖像傳感器的性能指標4.噪聲CMOS圖像傳感器的噪聲來源于其中的像敏單元的光敏二極管、用于放大器的場效應管和行、列選擇等開關(guān)的場效應管。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效應晶體管電路構(gòu)成CMOS圖像傳感器時，還可能產(chǎn)生新的噪聲。（1）光敏器件的噪聲（2）MOS場效應晶體管中的噪聲（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，故實際的空間傳遞函數(shù)特性要降低些。CMOS圖像傳感器的性能指標4.噪聲62典型CMOS圖像傳感器以FillFactory公司的IBIS4SXGA型CMOS成像器產(chǎn)品為例。這是一種彩色面陣CMOS成像器件，但也可以用做黑白成像器件。它的特點是：像素尺寸小填充因子大光譜響應范圍寬量子效率高噪聲等效光電流小無模糊（Smear）現(xiàn)象有抗暈能力可做取景控制典型CMOS圖像傳感器以FillFactory公司的IBIS63典型CMOS圖像傳感器成像器件的原理結(jié)構(gòu)圖3?25SXGA圖像傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

典型CMOS圖像傳感器成像器件的原理結(jié)構(gòu)圖3?25SX64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，光譜響應普遍降低。此外，3條單色光譜響應曲線有一些差異，可以通過白平衡校正電路進行校正。典型CMOS圖像傳感器SXGA型CMOS成像器件的光譜特性加65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3?29

SXGA型CMOS成像器件輸出放大器電路原理圖典型CMOS圖像傳感器輸出放大器圖3?29SXG66CCD與CMOS傳感器的比較數(shù)字數(shù)據(jù)傳送的方式CCD與CMOS傳感器是當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）進行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字數(shù)據(jù)傳送的方式不同。CCD傳感器中每一行中每一個像素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個像素都會鄰接一個放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(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)在傳送時不會失真，因此各個像素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時會產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個像素的數(shù)據(jù)。CCD與CMOS傳感器的比較數(shù)字數(shù)據(jù)傳送的方式67CCD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CCD與CMOS傳感器的比較由于數(shù)據(jù)傳送方式不同，因此CCD68CMOS與CCD圖像傳感器的性能比較序號參數(shù)COMS成像器件CCD成像器件1填充率接近100%2暗電流（pA/m2）10～100103噪聲電子數(shù)≤20≤504FPN（%）可在邏輯電路中校正<15DRNU（%）<101~106工藝難度小大7光探測技術(shù)可優(yōu)化8像敏單元放大器有無CMOS與CCD圖像傳感器的性能比較序號參數(shù)COMS成像器件69CMOS與CCD圖像傳感器的性能比較序號參數(shù)COMS成像器件CCD成像器件9信號輸出行、列開關(guān)控制,可隨機采樣CCD為逐個像敏單元輸出,只能按規(guī)定的程序輸出10ADC在同一芯片中可設置ADC只能在器件外部設置ADC11邏輯電路芯片內(nèi)可設置若干邏輯電路只能在器件外設置12接口電路芯片內(nèi)可以設有接口電路只能在器件外設置13驅(qū)動電路同一芯片內(nèi)設有驅(qū)動電路只能在器件外設置,很復雜CMOS與CCD圖像傳感器的性能比較序號參數(shù)COMS成像器件70圖像測量技術(shù)圖像測量是一種視頻測量技術(shù)。它通過自身掃描和光電轉(zhuǎn)換功能將空間光強分布轉(zhuǎn)換為時序的圖像信號，并根據(jù)確定的時空參數(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，在圖像測量中，一般是采用CCD圖像傳感器。CCD攝像器件是CCD圖像測量系統(tǒng)的核心器件，由于它具有靈敏度高、光譜響應寬、動態(tài)范圍大、成本低等優(yōu)點，故已成為現(xiàn)代光電子學和現(xiàn)代測試技術(shù)中最活躍的傳感器，被廣泛的應用于各種光電系統(tǒng)中。圖像測量技術(shù)圖像測量是一種視頻測量技術(shù)。它通過自身掃描和光電71CCD圖像測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測量原理CCD圖像測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由圖像傳感器、攝像控制器、像素檢測器三個主要單元組成。CCD圖像測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測量原理CCD圖像測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由72圖3?37線掃描攝像測長系統(tǒng)CCD圖像測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測量原理結(jié)束圖3?37線掃描攝像測長系統(tǒng)CCD圖像測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測73三相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理三相CCD結(jié)構(gòu)如圖3?2所示。每一個像元，有兩個相鄰電極，每隔兩個電極的所有電極都接在一起，由3個相位相差120°的時鐘脈沖驅(qū)動，故稱三相CCD。CCD中的電荷定向轉(zhuǎn)移是靠勢阱的非對稱性實現(xiàn)的。在三相CCD中是靠時鐘脈沖電壓的時序控制，來形成非對稱勢阱。圖3?2三相CCD電荷傳輸原理圖三相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理三相CCD結(jié)構(gòu)如圖3?2所示。每74二相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理采用不對稱的電極結(jié)構(gòu)也可以引進不對稱勢阱，從而變成二相驅(qū)動的CCD。目前實用CCD中多采用二相結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)二相驅(qū)動的方案有（1）階梯氧化層電極

階梯氧化層電極結(jié)構(gòu)如圖3?3所示。此結(jié)構(gòu)中將一個電極分成兩部分，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，自動起到了阻擋信號倒流的作用。圖3?3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稱的電極結(jié)構(gòu)也可以引進不75二相CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理采用不對稱的電極結(jié)構(gòu)也可以引進不對稱勢阱，從而變成二相驅(qū)動的CCD。目前實用CCD中多采用二相結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)二相驅(qū)動的方案有（2）設置勢壘注入?yún)^(qū)

如圖3?4所示，對于給定的柵壓，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。圖3?4采用勢壘注