第五章-CCD-圖像傳感器課件

第五章CCD圖像傳感器

圖像傳感器(ImagingSensor,縮寫為IS，又稱成像器件、攝像器件)作為現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件，因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展(光譜拓寬、靈敏度范圍擴(kuò)大)，能給出直觀、真實(shí)、層次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息，所以在現(xiàn)代社會中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。圖像傳感器的功能是把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號，即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息(可見光和非可見光)、轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號——

視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。把空間圖像轉(zhuǎn)換為按時(shí)序變化的電信號的過程稱為掃描。

第五章CCD圖像傳感器圖像傳感器(ImagingS1

50年代前，攝像的任務(wù)主要都是用各種電子束攝像管(如光導(dǎo)攝像管、飛點(diǎn)掃描管等)來完成。60年代后期，隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，特別是MOS集成電路工藝的成熟，各種固體圖像傳感器得到迅速發(fā)展，到70年代末期。已有一系列產(chǎn)品在軍事、民用各方面得到廣泛應(yīng)用。

固體圖象傳感器(SolidStateImagingSensor——縮寫為SSIS)主要有三大類型、一種是電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice簡稱CCD)，第二種是MOS圖象傳感器，又稱自掃描光電二極管列陣(SelfScannedPhotodiodeArray，簡稱SSPA)，第三種是電荷注入器件(ChargeInjectionDevice，簡稱CID)。目前，前兩種用得比較多。50年代前，攝像的任務(wù)主要都是用各種電子束攝像2同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

(1)全固體化，體積很小，重量輕，工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性好．可靠性高，壽命長。

(2)基本上不保留殘象，無象元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。

(3)紅外敏感性。硅的SSPA光譜響應(yīng)：0.20~1.0；CCD可作成紅外敏感型；CID主要用于光譜響應(yīng)大于3~5微米的紅外敏感器件。

(4)象元尺寸的幾何位置精度高(優(yōu)于1微米)，因而可用于不接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。

(5)視頻信號與微機(jī)接口容易主要應(yīng)用領(lǐng)域：①小型化黑白/彩色TV攝象機(jī)；②傳真通訊系統(tǒng)；③光學(xué)字符識別（OCR:OpticalCharacterRecognition）；④工業(yè)檢測與自動控制；⑤醫(yī)療儀器；⑥多光譜機(jī)載和星載遙感；⑦天文應(yīng)用；⑧軍事應(yīng)用。

同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：3

CCD攝像器件由光敏（光積分）單元和電荷轉(zhuǎn)移單元（讀出移位寄存器）組成，每個(gè)光敏單元對應(yīng)一個(gè)象素如下圖所示。各單元的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示，由金屬、絕緣層、半導(dǎo)體構(gòu)成。VG加正向偏壓后在半導(dǎo)體內(nèi)形成“電子勢阱（耗盡區(qū)）”，勢阱的深度由VG的大小來控制。電子勢阱可以用來存放電子，這些電子的注入方式既可用“光注入”（光敏單元采用光注入），也可以用“電注入”（轉(zhuǎn)移電荷時(shí)采用電注入）。

CCD攝像器件由光敏（光積分）單元和電荷轉(zhuǎn)移4

對于光敏單元，當(dāng)受到光線照射時(shí)，在光子的作用下，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，空穴被排斥，電子被電子勢阱俘獲。這種光生電子作為反映光強(qiáng)的載體——電荷包被收集，成為光電荷注入，這就是CCD攝像器件的光電變換過程。勢阱內(nèi)電荷包的大小與光照強(qiáng)度和光照時(shí)間成正比。光敏單元電子勢阱的電荷包可以通過轉(zhuǎn)移柵的作用并行地轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器（電荷轉(zhuǎn)移單元）中，讀出移位寄存器在讀出脈沖（三相或四相脈沖）的作用下把各個(gè)來自光敏單元的電荷包讀出，從而獲得各個(gè)像素的亮度值。

光線

對于光敏單元，當(dāng)受到光線照射時(shí)，在光子的作5

讀出移位寄存器的工作原理是依靠MOS電容與其電子勢阱的存儲電荷作用，以及改變柵壓高低可以使勢阱內(nèi)電荷包逐個(gè)勢阱轉(zhuǎn)移的效應(yīng)。當(dāng)MOS電容柵壓VG增高時(shí)，在半導(dǎo)體內(nèi)部被排斥的電荷數(shù)也增加，耗盡層厚度增加，半導(dǎo)體內(nèi)電勢越低，電子則向耗盡層移動、存儲象對電子的陷阱一樣，稱為電子勢阱。電子勢阱可以用來存放電子。其特點(diǎn)是：當(dāng)VG增加，勢阱變深；當(dāng)VG減小，勢阱變淺，電子向勢阱深處移動。

讀出移位寄存器的工作原理是依靠MOS電容與其電子勢阱6在柵極加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的。加正偏壓后，空穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。當(dāng)UG＞Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，以致于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子(少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。電荷存儲在柵極加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的75.1CCD圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器8電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）9電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）第一個(gè)電極保持10V，第二個(gè)電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個(gè)電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對應(yīng)勢阱將合并在一起。原來在第一個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢阱所共有。若此后第一個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電極下的勢阱中。這樣，深勢阱及電荷包向右移動了一個(gè)位置。CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對絕大多數(shù)CCD，1μm的間隙長度是足夠了。電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）第一個(gè)電極保持10V，第二個(gè)電極上的電壓由10第五章--CCD-圖像傳感器ppt課件11ＣＣＤ主要由三部分組成：信號輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號輸出。輸入部分：將信號電荷引入到ＣＣＤ的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵極下的勢阱中，稱為電荷注入。電荷注入的方法主要有兩類：光注入和電注入電注入：用于濾波、延遲線和存儲器等。通過輸入二極管給輸入柵極施加電壓。光注入：用于攝像機(jī)。用光敏元件代替輸入二極管。當(dāng)光照射CCD硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。ＣＣＤ的工作原理P-Si輸入柵輸入二極管輸出二極管輸出柵SiO2ＣＣＤ主要由三部分組成：信號輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號輸出。ＣＣＤ12在ＣＣＤ柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，則在半導(dǎo)體表面形成不同深淺的勢阱。勢阱用于存儲信號電荷，其深度同步于信號電壓變化，使阱內(nèi)信號電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?，最后從輸出二極管送出視頻信號。為了實(shí)現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰MOS電荷為一單元的循環(huán)結(jié)構(gòu)。一位CCD中含的MOS個(gè)數(shù)即為CCD的像數(shù)。以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡稱為N型CCD。而以空穴為信號電荷的CCD稱為P型溝道CCD，簡稱為P型CCD。由于電子的遷移率遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此N型CCD比P型CCD的工作頻率高得多。ＣＣＤ的工作原理在ＣＣＤ柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，則在半13

為確保CDD的轉(zhuǎn)移功能，對時(shí)鐘脈沖的要求是：

1）三相時(shí)鐘脈沖有一定的交疊，在交疊區(qū)內(nèi)，電荷包的源勢阱與接收勢阱同時(shí)共存，以保證在這兩個(gè)勢阱間進(jìn)行充分轉(zhuǎn)移；

2）時(shí)鐘脈沖的低電平必須保證溝道表面處于耗盡狀態(tài)；

3）時(shí)鐘脈沖幅度選取得當(dāng)。為確保CDD的轉(zhuǎn)移功能，對時(shí)鐘脈沖的要求是：14CCD的特性參數(shù)作為成像器件，CCD的主要特性參數(shù)仍然是靈敏度、分辨力、光譜響應(yīng)以及信噪比等。但CCD還起著電荷傳輸?shù)淖饔?，故還應(yīng)包括轉(zhuǎn)移效率、噪聲、功耗等參數(shù)。主要參數(shù)：轉(zhuǎn)移效率和損耗率時(shí)鐘頻率的上、下限光譜特性和光電特性CCD的特性參數(shù)作為成像器件，CCD的主要特性參數(shù)仍然是靈15CCD的特性參數(shù)像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等像素?cái)?shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。44萬（768*576）、100萬（1024*1024）、200萬（1600*1200）、600萬（2832*2128）信噪比：典型值為46分貝感光范圍—

可見光、紅外CCD的特性參數(shù)像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等16CCD按電荷存儲的位置分有兩種基本類型

1、電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?/p>

——表面溝道CCD(簡稱SCCD)。

2、電荷包存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸，

——體溝道或埋溝道器件(簡稱BCCD)。ＣＣＤ的類型ＣＣＤ的類型17ＣＣＤ的類型線陣ＣＣＤ：光敏元排列為一行的稱為線陣，象元數(shù)從128位至5000位以至7000位不等，由于生產(chǎn)廠家象元數(shù)的不同，市場上有數(shù)十種型號的器件可供選用。面陣CCD：器件象元排列為一平面，它包含若干行和列的結(jié)合。目前達(dá)到實(shí)用階段的象元數(shù)由25萬至數(shù)百萬個(gè)不等，按照片子的尺寸不同有1／3英寸、l／2英寸、2／3英寸以至1英寸之分。ＣＣＤ的類型線陣ＣＣＤ：光敏元排列為一行的稱為線陣，象元數(shù)從185.2CCD圖像測量的二值化CCD圖像測量的基本原理是：光學(xué)系統(tǒng)把被測對象的光信息投射在CCD的光敏面元上，形成了光學(xué)圖像。由CCD器件把光敏元上的光信息轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成比例的電荷量，積累起來的光電荷在一定頻率的時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動下，在CCD輸出端得到被測對象的視頻信號。視頻信號中每一個(gè)離散電壓信號的大小對應(yīng)著該光敏元所接收的光強(qiáng)強(qiáng)弱，而信號輸出的時(shí)序則對應(yīng)著CCD光敏元位置的順序。通過后續(xù)處理線路對CCD輸出的視頻信號進(jìn)行二值化或量化處理后，將被測對象從背景中分離出來，為下一步的數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備。5.2CCD圖像測量的二值化CCD圖像測量的基本原理是：19圖7-5-12

二值化處理二值化處理電路圖7-5-12二值化處理二值化處理電路205.2CCD圖像測量的基本原理二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖像對待。光學(xué)系統(tǒng)把被測對象成像在CCD光敏元上，由于被測對象與背景在光強(qiáng)上的強(qiáng)烈變化，反映在CCD視頻信號中所對應(yīng)的圖像尺寸邊界處會有急劇的電平變化，通過二值化處理把CCD視頻信號中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平。實(shí)現(xiàn)CCD視頻信號二值化的處理由硬件電路完成，常采用電壓比較器，即將視頻信號與某一電平閾值比較，視頻信號電平高于閾值的部分輸出高電平，而低于閾值部分輸出低電平，形成具有一定寬度的二值化電平的脈沖信號，該脈沖寬度對應(yīng)被測對象的圖像尺寸大小，如上圖所示。5.2CCD圖像測量的基本原理二值化處理是把圖像和背景作21線陣CCD：一行，掃描；體積小，價(jià)格低；

面陣CCD:

整幅圖像；直觀；價(jià)格高，體積大；面陣CCD芯片線陣CCD：一行，掃描；體積小，價(jià)格低；

面陣CCD:整幅22CCD在檢測方面的應(yīng)用幾何量測量測寬、測長、測徑。光譜測量光譜儀輸出信號測量。CCD在檢測方面的應(yīng)用幾何量測量235.3CCD玻管尺寸測控儀CCD尺寸測量技術(shù)是一種非常有效的非接觸檢測方法，廣泛應(yīng)用于在線檢測工件的尺寸。CCD玻管尺寸測控儀就是測量的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，它對玻管外圓直徑及壁厚尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)測量結(jié)果對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。光源照射被測玻管，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD光敏陣列面上。由于各處透射率的不同，玻管的像在上下邊緣處形成兩條暗帶，中間部分的透射光相對較強(qiáng)而形成亮帶。兩條暗帶最外的邊界距離是玻管外徑成像的大小，中間亮帶是玻管內(nèi)徑像的大小，暗帶則是玻管壁厚像的大小，如圖所示，CCD視頻信號上出現(xiàn)了兩個(gè)谷

5.3CCD玻管尺寸測控儀CCD尺寸測量技術(shù)是一種非常有245.3CCD玻管尺寸測控儀圖7-5-14系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖5.3CCD玻管尺寸測控儀圖7-5-14系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系255.3CCD玻管尺寸測控儀圖7-5-13CCD視頻信號CCD視頻信號5.3CCD玻管尺寸測控儀圖7-5-13CCD視頻信號265.3CCD玻管尺寸測控儀把視頻信號中的外徑尺寸部分和壁厚部分進(jìn)行二值化處理，填入標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖，該時(shí)鐘脈沖對應(yīng)CCD空間分辨率，由計(jì)算機(jī)采集這兩個(gè)尺寸對應(yīng)的脈沖數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到被測玻管的尺寸。本系統(tǒng)被測玻管的直徑尺寸為20mm，光學(xué)系統(tǒng)的放大率為0.8倍，則玻管像的大小為16mm，被測玻管的測量精度要求達(dá)到±0.05mm，他在像面上對應(yīng)精度為±0.04mm。根據(jù)CCD測量靈敏度的要求，0.04mm要大于2個(gè)CCD像素的空間尺寸。選擇TCD102C型號CCD可滿足上述測量范圍和精度的要求。該器件的技術(shù)指標(biāo)為：

2048感光像素元，14微米相鄰像素中心距，工作時(shí)鐘1MHz，兩相驅(qū)動，同步脈沖寬度128微秒，同步周期：7.5ms。5.3CCD玻管尺寸測控儀把視頻信號中的外徑尺寸部分和壁275.4線陣CCD在線測量棒狀物尺寸棒狀物長度的非接觸式精密在線測量，是采用平行光源對被測物垂直照射，形成被測物的輪廓圖像并把它投影在CCD圖像傳感器上，輪廓圖像轉(zhuǎn)變成CCD圖像傳感器的輸出信號，該信號經(jīng)二值化處理后，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及信號處理，最后由計(jì)算機(jī)的屏幕顯示出來。整個(gè)測量系統(tǒng)如圖所示

5.4線陣CCD在線測量棒狀物尺寸棒狀物長度的非接觸式精密28圖中，平行光源、棒狀物參比端及CCD圖像傳感器必須置于同一基準(zhǔn)面上。棒狀物被測端、平行光中心軸線和CCD的中心點(diǎn)要大致位于同一直線上。平行光源的作用是產(chǎn)生一束高平行度的光線，以使棒狀物經(jīng)平行光垂直照射后在CCD上形成1：1的高精度像。5.4線陣CCD在線測量棒狀物尺寸7-5-16棒狀物成像系統(tǒng)及CCD輸出波形圖中，平行光源、棒狀物參比端及CCD圖像傳感器必須置于同一基295.4線陣CCD在線測量棒狀物尺寸平行光源是本系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，它采用高亮度白熾燈作為光源，經(jīng)組合透鏡后形成平行光束，因而具有結(jié)構(gòu)簡便、平行度高及亮度均勻等特點(diǎn)。本系統(tǒng)中使用的CCD型號為TCD141C，像點(diǎn)尺寸為7μm，共5000個(gè)像點(diǎn)，測量長度范圍為35mm。由平行光源、CCD圖