固態(tài)圖像傳傳感器

第三章固態(tài)圖像傳感器概述固態(tài)圖像傳感器敏感器固態(tài)圖像傳感器分類及主要特性固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理固態(tài)圖像傳感器的應(yīng)用概 述固體圖像傳感器簡介：圖像傳感器：利用光電器件的光-電轉(zhuǎn)換功能，將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例的電信號“圖像”的一種功能器件。固體圖像傳感器：在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元構(gòu)成的集成化、功能化的光電器件。固體圖像傳感器主要有：電荷耦合器件CCD、電荷注入器件CID、戽鏈?zhǔn)狡骷﨎BD、金屬-氧化物-半導(dǎo)體器件MOS、位置傳感器PSD。概 述固體圖像傳感器發(fā)展過程：1970年由美國貝爾實驗室的W.S.Boyle和G.E.Smith提出，三十多年來由于CCD圖像傳感器技術(shù)研究的迅速發(fā)展，CCD器件在像素集成度、分辨率、靈敏度、工作速度等指標(biāo)上取得了突破性進展，CCD以它無可比擬的優(yōu)點，日漸成為現(xiàn)代光電技術(shù)和現(xiàn)代測試技術(shù)領(lǐng)域中最有發(fā)展前途的技術(shù)手段之一。20世紀70年代初，隨著MOS技術(shù)的成熟，三種典型的固體圖像傳感器——CCD、CID、PSD（光敏二極管陣列）得到了飛速發(fā)展，其中CCD發(fā)展最為迅速，到90年代初，CCD技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并得到了非常廣泛的應(yīng)用。80年代中期MOS技術(shù)逐漸成熟，90年代初期采用標(biāo)準(zhǔn)MOS技術(shù)生產(chǎn)實用的像元尺寸質(zhì)量高的固體圖像傳感器，可以在一個像元內(nèi)集成多個晶體管，采用MOS技術(shù)可以將圖像傳感器陣列、驅(qū)動和控制電路、信號處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路完全集成在一起，從而實現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。功耗僅為幾十毫瓦。目前CMOS固體圖像傳感器已在大多數(shù)領(lǐng)域中取代CCD，成為應(yīng)用數(shù)量最多的圖像傳感器概 述固體圖像傳感器的特點：由于是一種固體器件，體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長；圖像失真度極小，尺寸重現(xiàn)性好。非常適合測試技術(shù)及圖像識別技術(shù)；具有較高的空間分辨率，光敏元間距的幾何尺寸精度高，可獲得較高的定位精度；具有較高的光電靈敏度和較大的動態(tài)范圍。相對于MOS，CCD功耗大、驅(qū)動時序較復(fù)雜、難以實現(xiàn)單片集成。而MOS靈敏度低、選址脈沖會混進信號形成脈沖噪聲。固態(tài)圖像傳感器敏感器PSD器件工作原理CCD基本工作原理MOS器件工作原理CID電荷注入器件工作原理固態(tài)圖像傳感器敏感器PSD器件工作原理PositionSensitiveDetector（orPhotoSensingDevice）線性PSD固態(tài)圖像傳感器敏感器PSD器件工作原理線性PSD固態(tài)圖像傳感器敏感器PSD器件工作原理二維PSD固態(tài)圖像傳感器敏感器PSD器件工作原理二維PSD固態(tài)圖像傳感器敏感器電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice,縮寫為CCD）體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，分辨率高。像元尺寸4μm左右。高靈敏度，低噪音。其量子效率達90%以上，電子轉(zhuǎn)移效率幾乎達100%，低溫下工作幾乎無暗電流。帶圖像增強器的CCD(ICCD)可在10-6lux（人眼能看到1Lux）照度下工作。光動態(tài)范圍可達10個數(shù)量級。光譜范圍寬，功耗小，僅幾十毫瓦；幾何尺寸穩(wěn)定，耐過度曝光。固態(tài)圖像傳感器敏感器CCD基本工作原理CCD有兩種類型：表面信道電荷耦合器件SCCD體向信道電荷耦合器件BCCDCCD是以陣列形式排列在襯底材料上的金屬－氧化物－半導(dǎo)體（MetalOxideSemiconductor，簡稱MOS）電容器組成的具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移的功能。固態(tài)圖像傳感器敏感器CCD基本工作原理電荷存儲和光信號注入MOS是CCD的基本結(jié)構(gòu)（以P型襯底MOS結(jié)構(gòu)為例）如果在柵極上施加一個幅值大于該MOS結(jié)構(gòu)閾值電壓的正脈沖，半導(dǎo)體表面將處于深耗盡狀態(tài)。在半導(dǎo)體表面形成電子勢阱。半導(dǎo)體表面相對于體內(nèi)的電勢差稱為勢阱深度。固態(tài)圖像傳感器敏感器CCD基本工作原理電荷存儲和光信號注入勢阱可以存儲少數(shù)載流子（在P型襯底情況下少數(shù)載流子是電子），勢阱越深能存儲的電荷越多。勢阱形成反型層需要一定的時間，CCD就利用達到熱平衡前的弛豫時間工作。P型半導(dǎo)體+V金屬電極氧化層耗盡區(qū)（勢阱）歐姆接觸少數(shù)載流子（信號電荷）固態(tài)圖像傳感器敏感器CCD基本工作原理電荷存儲和光信號注入器件受光照射時，光被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子－空穴對，少數(shù)載流子被收集到較深的勢阱中。光照越強，勢阱中收集到的電荷越多。存儲電荷多少正比于照射的光強。正面照射：電極用透明導(dǎo)電材料或開光孔。背面照射：將襯底減薄，光從襯底射入P型半導(dǎo)體+V金屬電極氧化層耗盡區(qū)（勢阱）歐姆接觸少數(shù)載流子（信號電荷）固態(tài)圖像傳感器敏感器CCD基本工作原理電荷轉(zhuǎn)移（藕荷）彼此在有一定相位差的時鐘脈沖下，使相鄰電極下（MOS單元）耗盡區(qū)在某些時刻相通，即可實現(xiàn)電荷的耦合與轉(zhuǎn)移。驅(qū)動脈沖有二相、三相等，相應(yīng)的稱為二相CCD和三相CCD。2V10V2V2VФ1Ф2Ф3存有電荷的勢阱2V10V2→10V2VФ1Ф2Ф3新勢阱2V10V10V2VФ1Ф2Ф3abc2V10→2V10V2VФ1Ф2Ф3d電荷移動2V2V10V2VФ1Ф2Ф3電荷移到新勢阱e2V10VФ12V10VФ22V10VФ1abcde電荷轉(zhuǎn)移固態(tài)圖像傳感器敏感器CCD基本工作原理CCD的輸出三種方式：電流輸出浮置擴散放大器輸出浮置柵放大器輸出電流輸出、浮置擴散放大器輸出：是一種一次性破壞性輸出。浮置柵放大器：可實現(xiàn)在電荷轉(zhuǎn)移過程中進行非破壞性的檢測。固態(tài)圖像傳感器敏感器CCD基本工作原理CCD的輸出電流輸出：在CCD陣列的末端襯底上制作一個輸出二極管，當(dāng)輸出二極管加上反向偏壓時，轉(zhuǎn)移到終端的電荷在時鐘脈沖作用下移向輸出二極管，被二極管的PN結(jié)所收集，在負載RL上就形成脈沖電流Io。輸出電流的大小與信號電荷大小成正比，并通過負載電阻RL變?yōu)樾盘栯妷篣o輸出。固態(tài)圖像傳感器敏感器CCD基本工作原理CCD的輸出浮置擴散放大器輸出：由浮置擴散區(qū)收集的信號電荷控制MOS管柵極電位變化，引起源-漏極間電流變化，在源極或漏極輸出電壓信號固態(tài)圖像傳感器敏感器CCD基本工作原理CCD的輸出浮置柵放大器輸出：當(dāng)電荷在浮置柵下通過時，在浮置柵上感應(yīng)出鏡像電荷，以此控制MOS管的柵極電位實現(xiàn)輸出。在電荷轉(zhuǎn)移過程中進行非破壞性的檢測。固態(tài)圖像傳感器敏感器MOS基本工作原理它一般由光敏單元陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時和控制電路、片內(nèi)模擬信號處理器構(gòu)成。還可包括片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）行選通邏輯定時和控制輸出列選通邏輯光敏單元陣列列平行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模擬信號處理器CMOS圖像傳感器總體結(jié)構(gòu)固態(tài)圖像傳感器敏感器MOS基本工作原理固態(tài)圖像傳感器敏感器MOS基本工作原理MOS圖像信號讀出模式：整個陣列逐行掃描讀出；窗口讀出模式：僅讀出感興趣窗口內(nèi)信號；跳躍式讀出模式：每隔一個（兩個或多個）像元讀出，這種讀出模式用降低分辨率為代價，允許圖像取樣，以增加讀出速率。跳躍式讀出和窗口讀出模式的結(jié)合，可以實現(xiàn)電子全景攝像、傾斜攝像、和可變焦攝像。固態(tài)圖像傳感器敏感器CID電荷注入器件工作原理CID是CCD的一種特殊形式，它只有積蓄電荷的功能而無轉(zhuǎn)移電荷功能。將電荷排入襯底所形成的電流或在排出電荷前襯底的電位作為輸出信號。從像素排出信號電荷是CID區(qū)別與CCD的重要特征。VRVR積蓄00注入CID信號電荷的積蓄與讀出固態(tài)圖像傳感器分類及主要特性固態(tài)圖像傳感器的分類：線型（CCD、MOS）：光積蓄式CCD：光敏列陣與位移寄存器合二為一，用機械快門，未實用。單溝道CCD：光敏列陣與位移寄存器分成并列的兩列。雙溝道CCD：位移寄存器分成兩列分列在光敏列陣的兩側(cè)。一般大于256位的線陣CCD都為此形式MOS式（PAD光敏二極管+MOSFET）面型（CCD、CID、MOS）：幀場傳輸式：光敏區(qū)與電荷暫存區(qū)相互分離。行間傳輸式：光敏區(qū)與垂直轉(zhuǎn)移寄存器相互鄰接。X-Y選址式（MOS、CID）行選址式：光積蓄式并列通過垂直掃描進行行選址。固態(tài)圖像傳感器分類及主要特性線型（CCD、MOS）：單溝道CCD：光敏列陣與位移寄存器分成并列的兩列。最簡單的線型CCD是單通道式的，它包括感光區(qū)（光積分單元）和傳輸區(qū)兩部分：感光區(qū)由一列光敏單元組成；傳輸區(qū)由轉(zhuǎn)移柵及一列移位寄存器組成。光照產(chǎn)生的信號電荷存儲于感光區(qū)的勢阱中。在轉(zhuǎn)移脈沖到來時，光敏陣列勢阱中的電荷被并行轉(zhuǎn)移到移位寄存器中，最后在時鐘脈沖的作用下一位位的移出，形成視頻信號。傳輸區(qū)是遮光的，以防止因光生噪聲電荷的干擾造成圖像模糊。固態(tài)圖像傳感器分類及主要特性線型（CCD、MOS）：雙溝道CCD：位移寄存器分成兩列分列在光敏列陣的兩側(cè)。一般大于256位的線陣CCD都為此形式為了減少信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中的損失。雙通道式CCD有兩列移位寄存器，平行的分置在感光區(qū)兩側(cè)。當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖到來時，光敏單元中的信號電荷同時按箭頭方向轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的移位寄存器中，然后在驅(qū)動脈沖作用下，分別向右移出。同樣感光區(qū)的雙通道線型CCD比單通道線型CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，降低了傳輸損耗，同時也縮短了器件尺寸。固態(tài)圖像傳感器分類及主要特性面型（CCD、CID、MOS）：幀場傳輸式：光敏區(qū)與電荷暫存區(qū)相互分離。幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)包括成像區(qū)（光敏區(qū)）、暫存區(qū)和水平移位寄存器三部分。在這種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)光積分周期結(jié)束時，加在成像區(qū)和存儲區(qū)電極上的時鐘脈沖使所收集到的信號電荷迅速轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)中。然后在驅(qū)動脈沖作用下，存儲區(qū)中的電荷逐行轉(zhuǎn)移到讀出寄存器并輸出。在第一幀讀出的同時，成像區(qū)開始收集第二幀信號電荷。一旦第一幀信號被全部讀出，馬上傳送第二幀信號，實現(xiàn)連續(xù)輸出。固態(tài)圖像傳感器分類及主要特性面型（CCD、CID、MOS）：行間傳輸式：光敏區(qū)與垂直轉(zhuǎn)移寄存器相互鄰接。每列像敏單元被遮光的垂直移位寄存器隔開，像敏單元與垂直移位寄存器之間又有轉(zhuǎn)移控制柵。像敏單元中的信號電荷在轉(zhuǎn)移柵電壓控制下轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器，然后在讀出脈沖作用下逐行轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器中，再由水平移位寄存器快速輸出，得到與光學(xué)圖像對應(yīng)的一行行視頻信號。固態(tài)圖像傳感器分類及主要特性面型（CCD、CID、MOS）：X-Y選址式（MOS、CID）行選址式：光積蓄式并列通過垂直掃描進行行選址。固態(tài)圖像傳感器分類及主要特性固態(tài)圖象傳感器的主要特性：分辨率：取決于光敏單元間距，常用光敏單元數(shù)表示，像元越多分辨率越高；實際分辨率還與CCD光敏單元數(shù)的中心間距、光學(xué)系統(tǒng)的放大率有關(guān)。可用光學(xué)傳遞函數(shù)OTF中的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF來評價。MTF橫坐標(biāo)一般為歸一化空間頻率，縱坐標(biāo)為歸一化電量輸出（MTF）?？臻g頻率：單位長度內(nèi)所含明暗條紋對數(shù)1.00.80.60.40.2MTF0.60.20.40.8歸一化空間頻率MTF特性固態(tài)圖像傳感器分類及主要特性固態(tài)圖象傳感器的主要特性：輸出飽和特性：暴光量（電荷積蓄時間乘照度）增加時傳感器輸出達到飽和的特性。暗輸出特性：無光像信號照射時，傳感器仍有微小輸出的特性（暗電流）——圖像噪聲。靈敏度：單位照度產(chǎn)生的光電流，光電轉(zhuǎn)換效率光譜響應(yīng)：靈敏度與入射光頻率或波長的關(guān)系（光譜峰值）固態(tài)圖像傳感器分類及主要特性固態(tài)圖象傳感器的主要特性：殘像：某像素下一次掃描后讀出的信號仍受上一次遺留信號電荷影響的現(xiàn)象。動態(tài)范圍：勢阱的最大電荷存儲量與噪聲電荷量之比。均勻性：光敏單元對光強度響應(yīng)的一致性。固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理固體圖像傳感器的接口固體圖像傳感器的掃描及驅(qū)動電路。圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：A/D數(shù)據(jù)采集，計算機接口。固體圖像傳感器掃描驅(qū)動掃描控制時序控制視頻信號放大與預(yù)處理A/D轉(zhuǎn)換幀存儲器圖像處理固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理固體圖像傳感器鏡頭和彩色圖象光學(xué)鏡頭。彩色圖象的獲取。固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理固體圖像傳感器的接口固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理數(shù)字圖像處理用計算機進行圖像處理的方法。用各種手段得到的圖像——原始圖像，由于受到各種條件的限制和干擾，往往要用圖像處理技術(shù)對取得的圖像作預(yù)處理，再根據(jù)需要對圖象進行分析判斷處理。圖像處理內(nèi)容：圖像數(shù)字化和編碼、壓縮；圖像增強和恢復(fù)；圖像分割和描述；圖像識別。圖像傳感器信號量化設(shè)備計算機圖像處理結(jié)果或識別結(jié)果輸出設(shè)備數(shù)字圖像處理與識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理數(shù)字圖像處理圖像數(shù)字化、編碼和壓縮；JPEG:聯(lián)合照片專家組（JointPhotographicExpertsGroup）一種壓縮標(biāo)準(zhǔn)TIFF:標(biāo)簽圖像文件格式（TagImageFileFormat）MacGIF:可交換的圖像文件格式（GraphicsInterchangeFormat）８位BMP:位圖（Bitmap），可以是1位,4位,8位,16位,24位,和32位無壓縮圖像；PNG：可移植的網(wǎng)絡(luò)圖象文件格式(PortableNetworkGraphic)包括1位,4位,8位,16位灰度級圖像;8位,16位索引圖像;24位和48位RGB圖像。固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像的表示數(shù)字圖像通常以矩陣的形式存在。如果是一張黑白圖像，那么該圖像是單個矩陣；如果是一張彩色圖像，那么它是以3個或者4個矩陣的形式存在。矩陣中每個元素的取值可以是整數(shù)，也可以是浮點數(shù)，取值分辨率與圖像量化設(shè)備有關(guān)。數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像的表示象素之間的關(guān)系鄰域一個坐標(biāo)為(x,y)象素p，它有四個縱向與橫向鄰域，其坐標(biāo)為： (x+1,y)，(x-1,y)，(x,y+1)，(x,y-1)這樣的象素集合稱之為4-鄰域，表示為N4(p)。N4(p)中的象素q稱為象素p的4-鄰近。象素的四個對角鄰域坐標(biāo)分別為： (x+1,y+1)，(x-1,y-1)，(x-1,y+1)，(x+1,y-1)這四個鄰域表示為ND(p)，它們和N4(p)一起，合稱為N8(p)。N8(p)中的象素q稱為象素p的8-鄰近。固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理數(shù)字圖像處理圖像處理常用方法：圖像平滑處理：消除圖像的噪聲。既能保持圖像的細節(jié)不變，又能濾除噪聲的干擾是它的關(guān)鍵。

鄰域平均法：鄰域平均法是一種局部空域方法。平滑后圖像中的每個像素為原圖像預(yù)定鄰域像素灰度的平均值；優(yōu)點：算法簡單，計算速度快；缺點：圖像產(chǎn)生模糊，鄰域半徑越大，模糊程度越大（邊緣和細節(jié)）；改進方法：采用閾值法，引進一個非負閾值，當(dāng)某些點和它們鄰域的差值不超過閾值時，不進行平滑處理；超過閾值時，需要進行平滑處理。1111111111111111111111111111111111固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理數(shù)字圖像處理圖像處理常用方法：圖像平滑處理：

幾何均值濾波：與算術(shù)均值濾波不同，幾何均值濾波在以象素(x,y)為中心的鄰域Sxy內(nèi)，對所有象素灰度值求積，然后求根。同算術(shù)均值濾波相比，幾何均值濾波的濾波效果更為平滑。中值濾波：中值濾波就是在以象素(x,y)為中心的鄰域內(nèi)，用居中的灰度值取代象素(x,y)的灰度值中值濾波消躁能力強，尤其適用于脈沖噪聲，且不引起平滑濾波中產(chǎn)生的混疊，因此應(yīng)用較廣中點濾波：中點濾波是在以象素(x,y)為中心的鄰域內(nèi)，用最大灰度值與最小灰度值的均值取代象素(x,y)的灰度值的濾波方法。隨機分布噪聲消躁非常好，如Gaussian噪聲和均勻分布噪聲。固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理數(shù)字圖像處理圖像處理常用方法：圖像平滑處理：

低通濾波法：由于大多的噪聲為高頻成分，而相對地圖像信息則處于較低的空間頻率范圍，抑制這些高頻成分可有效抑制噪聲干擾。有空間域和頻率域低通濾波法等多幅圖像疊加法：對于靜止圖像可用該對象的多幅圖像在空間上對準(zhǔn)后進行疊加。固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理頻率域低通濾波效果對比：(a)初始圖(b)理想濾波；(c)Butterworth濾波；(d)Gaussian濾波(a)(b)(c)(d)固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理數(shù)字圖像處理圖像處理常用方法：圖像增強處理：對給定的圖像的模糊狀況以及它的應(yīng)用場合，有目的地強調(diào)圖像的整體特征或局部特征。是針對某一具體應(yīng)用而言。邊緣探測和增強就是其中之一，它是用像素點灰度值的梯度來檢測圖像的邊緣，再進行增強，可有多種表現(xiàn)形式如圖。固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理數(shù)字圖像處理圖像處理常用方法：圖像的灰度變換：擴展圖像的對比度，把感興趣的那部分圖像的灰度差別充分拉開，從而能被人眼更好地識別。逐點處理法：逐點運算來修改圖像像素的灰度值。直方圖修正法：一般常用直方圖均衡。直方圖處理前藍色分量直方圖；直方圖處理后的彩色圖.L-13L/4L/2L/400L/4L/23L/4L-1輸入灰度r輸出灰度s取反恒等n階權(quán)值反對數(shù)對數(shù)n階根灰度變換固態(tài)圖像傳感器的接口和圖像處理數(shù)字圖像處理圖像處理常用方法：圖像分割和描述：圖像分割：把圖像分割成若干有意義的區(qū)域的處理技術(shù)。最好是這些區(qū)域與景物中的各種目標(biāo)相對應(yīng)，當(dāng)然非常困難。一般是按照圖像的某些特性（如灰度，紋理等），將圖像分成若干區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)都有相同或