,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,现代传感技术 黄元庆,现代传感技术 黄元庆,图像传感技术,3.1 CCD,图像传感器,3.2 CMOS,图像传感器,CMOS,传感器结构与工作原理,CMOS,图像传感器的性能指标,典型,CMOS,图像传感器,3.3 CCD,与,CMOS,传感器的比较,3.4,图像测量技术,CCD,图像传感器,CCD,（,Charge Coupled Device,）全称为电荷耦合器件，是,20,世纪,70,年代发展起来的新型固体成像器件。,它是在,MOS,集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。,它具有光电转换、信息存储和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次、内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。,CCD,是目前最为成熟，应用最为广泛的图像传感器，它的典型产品有数码相机、摄像机等。,CCD,图像传感器,CCD,有两种基本类型：,一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿着界面转移，这类器件称为表面沟道,CCD,器件（简称,SCCD,）；,另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向转移，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称,BCCD,）,.,一个完整的,CCD,器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。,CCD,图像传感器,CCD,的,MOS,结构及存储电荷原理,CCD,的,MOS,结构,电荷的传输,电荷读出,CCD,图像传感器基本特征参数,CCD,摄像器件,线阵,CCD,摄像器件,面阵,CCD,摄像器件,CCD,的,MOS,结构及存储电荷原理,CCD,由多个光敏像元组成，每个像元就是一个,MOS,电容器或一个光敏二极管。这种电容器能存储电荷，其结构如图,31,所示。,图,31 CCD,基本结构和工作原理图,CCD,的,MOS,结构及存储电荷原理,1.,电荷的传输,CCD,的移位寄存器是一列排列紧密的,MOS,电容器（或光敏二极管），它的表面由不透光的金属层覆盖，以实现光屏蔽。,MOS,电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外加电压一定，势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小。利用这一特性，通过控制相邻,MOS,电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。,在,MOS,电容紧密排列，使相邻的,MOS,电容势阱相互,“,沟通,”,，即相邻,MOS,电容两电极之间的间隙足够小，且当改变相邻,MOS,两电极的电压值时，在信号电荷自感生电场的库仑力推动下，就可使信号电荷由浅处流向深处，实现信号电荷转移。,CCD,的,MOS,结构及存储电荷原理,1.,电荷的传输,为了保证信号电荷按确定路线转移，通常,MOS,电容阵列栅极上所加脉冲电压为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲电压。,三相,CCD,的结构及工作原理,二相,CCD,的结构及工作原理,CCD,的,MOS,结构及存储电荷原理,2.,电荷读出,CCD,的信号电荷读出方法一般有两种：输出二极管电流法和浮置栅,MOS,放大器电压法。,图,35,电荷读出方法,CCD,图像传感器基本特征参数,CCD,图像传感器特征主要是指其光电转换特性，而性能参数主要包括灵敏度、分辨率、信噪比、光谱响应、动态范围、暗电流和图像滞后等。,CCD,摄像器件的优劣评判标准，就是采用这些参数衡量。,CCD,图像传感器基本特征参数,1.,光电转换特性,横轴为曝光量，纵轴为输出信号电压值。它的光电转换特性与硅靶摄像管相似，具有良好的线性。特性曲线的拐点,G,所对应的曝光量叫饱和曝光量,图,36 CCD,的光电转换特性,CCD,图像传感器基本特征参数,2.,光谱响应,目前广泛应用的,CCD,器件是以硅为衬底的器件，其光谱响应范围为,4001100nm,。红外,CCD,器件用多元探测器阵列替代可见光,CCD,图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，其光谱范围延伸至,35mm,和,814mm,。,3.,动态范围,饱和曝光量和等效噪声曝光量的比值称为,CCD,的动态范围。,CCD,器件动态范围一般在,10,3,10,4,数量级。,4.,暗电流,暗电流的存在限制了器件动态范围和信号处理能力。暗电流的大小与光积分时间、周围环境密切相关，通常温度每上升,3035,，暗电流提高约一个数量级。,CCD,摄像器件在室温下暗电流约为,510nA/cm,2,。,CCD,图像传感器基本特征参数,5.,分辨率,分辨率是图像器件的重要特性，常用调制传递函数,MTF(Modulation Transfer Function),来评价。图,37,是用,2856K,白炽光源照明下某线阵,CCD,的,MTF,曲线。,MTF,定义为：归一化的无量纲的零空间频率下的调制深度的值。,图,37,某线阵,CCD,的评价曲线,CCD,摄像器件,CCD,电荷耦合摄像器件简称,ICCD,，它的功能是把二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量的视频输出信号。,线阵,可以直接将接收到的一维光信号转换成时序的电信号输出，获得一维的图像信号。,若想用线阵,CCD,获得二维图像信号，必须使线阵,CCD,与二维图像做相对的扫描运动。,所以用线阵,CCD,对匀速运动物体进行扫描成像是非常方便的。,现代的扫描仪、传真机、高档复印机和航空图像扫描系统等都采用线阵,CCD,作为图像传感器。,面阵,CCD,面阵,CCD,是二维的图像传感器，它可以直接将二维图像转变为视频信号输出。,CMOS,传感器结构与工作原理,CMOS,（,Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体）图像传感器也是目前最常见的数字图像传感器，广泛应用于数码相机、数码摄像机、照相手机以及摄像头等产品上。,采用,CMOS,技术可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模,/,数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统，这已成为当前一个研究热点。,根据像素的不同结构，,CMOS,图像传感器可以分为,无源像素被动式传感器（,PPS,）,有源像素主动式传感器（,APS,）根据光生电荷的不同产生方式，,APS,又分为,光敏二极管型,光栅型,对数响应型,CMOS,传感器结构与工作原理,图,313 CMOS,图像传感器芯片结构框图,图,314 CMOS,图像传感器像素阵列,CMOS,图像传感器的性能指标,1.,光谱性能与量子效率,CMOS,成像器件的光谱性能和量子效率取决于它的像敏单元（光敏二极管）。,图示为,CMOS,图像传感器的光谱响应特性曲线。由图可见，其光谱范围为,3501100nm,，峰值响应波长在,700nm,附近，峰值波长响应度达到,0.4A/W,。,CMOS,图像传感器的性能指标,2.,填充因子,填充因子是指光敏面积对全部像敏面积之比，它对器件的有效灵敏度、噪声、时间响应、模传递函数,MTF,等的影响很大。,3.,输出特性与动态范围,CMOS,成像器件一般有,4,种输出模式：,线性模式,双斜率模式,对数特性模式,校正模式,它们的动态范围相差很大，特性也有较大的区别。,CMOS,图像传感器的性能指标,4.,噪声,CMOS,图像传感器的噪声来源于其中的像敏单元的光敏二极管、用于放大器的场效应管和行、列选择等开关的场效应管。这些噪声既有相似之处也有很大差别。此外，由光敏二极管阵列和场效应晶体管电路构成,CMOS,图像传感器时，还可能产生新的噪声。,（,1,）光敏器件的噪声,（,2,）,MOS,场效应晶体管中的噪声,（,3,）,CMOS,成像器件中的工作噪声,5.,空间传递函数,由于,CMOS,成像器件中存在空间噪声和串音，故实际的空间传递函数特性要降低些。,典型,CMOS,图像传感器,以,FillFactory,公司的,IBIS4 SXGA,型,CMOS,成像器产品为例。这是一种彩色面阵,CMOS,成像器件，但也可以用做黑白成像器件。,它的特点是：,像素尺寸小,填充因子大,光谱响应范围宽,量子效率高,噪声等效光电流小,无模糊（,Smear,）现象,有抗晕能力,可做取景控制,典型,CMOS,图像传感器,成像器件的原理结构,图,325 SXGA,图像传感器原理结构图,典型,CMOS,图像传感器,SXGA,型,CMOS,成像器件的光谱特性,加入彩色滤光片后，光谱响应普遍降低。此外，,3,条单色光谱响应曲线有一些差异，可以通过白平衡校正电路进行校正。,典型,CMOS,图像传感器,输出放大器,它主要由三部分组成：,增益可调的放大器、钳位器、偏压调节电路,图,329,SXGA,型,CMOS,成像器件输出放大器电路原理图,CCD,与,CMOS,传感器的比较,数字数据传送的方式,CCD,与,CMOS,传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管（,photodiode,）进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。,CCD,传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在,CMOS,传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及,A/D,转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。造成这种差异的原因在于：,CCD,的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而,CMOS,工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。,CCD,与,CMOS,传感器的比较,由于数据传送方式不同，因此,CCD,与,CMOS,传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：,（,1,）灵敏度差异,（,2,）成本差异,（,3,）分辨率差异,（,4,）噪声差异,（,5,）功耗差异,CMOS,与,CCD,图像传感器的性能比较,序号,参数,COMS,成像器件,CCD,成像器件,1,填充率,接近,100%,2,暗电流（,pA/m2,）,10,100,10,3,噪声电子数,20,50,4,FPN,（,%,）,可在逻辑电路中校正,1,5,DRNU,（,%,）,10,110,6,工艺难度,小,大,7,光探测技术,可优化,8,像敏单元放大器,有,无,CMOS,与,CCD,图像传感器的性能比较,序号,参数,COMS,成像器件,CCD,成像器件,9,信号输出,行、列开关控制,可随机采样,CCD,为逐个像敏单元输出,只能按规定的程序输出,10,ADC,在同一芯片中可设置,ADC,只能在器件外部设置,ADC,11,逻辑电路,芯片内可设置若干逻辑电路,只能在器件外设置,12,接口电路,芯片内可以设有接口电路,只能在器件外设置,13,驱动电路,同一芯片内设有驱动电路,只能在器件外设置,很复杂,图像测量技术,图像测量是一种视频测量技术。它通过自身扫描和光电转换功能将空间光强分布转换为时序的图像信号，并根据确定的时空参数间的相互关系获得物体空间分布状态数据。,目前，在图像测量中，一般是采用,CCD,图像传感器。,CCD,摄像器件是,CCD,图像测量系统的核心器件，由于它具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、成本低等优点，故已成为现代光电子学和现代测试技术中最活跃的传感器，被广泛的应用于各种光电系统中。,CCD,图像测量系统结构与测量原理,CCD,图像测量系统的结构由图像传感器、摄像控制器、像素检测器三个主要单元组成。,图,337,线扫描摄像测长系统,CCD,图像测量系统结构与测量原理,结束,三相,CCD,的结构及工作原理,三相,CCD,结构如图,32,所示。每一个像元，有两个相邻电极，每隔两个电极的所有电极都接在一起，由,3,个相位相差,120,的时钟脉冲驱动，故称三相,CCD,。,CCD,中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的。在三相,CCD