5第五章CCD产品简介汇总课件.ppt

1、第五章第五章-1-1 CCD CCD产品简介产品简介53535.1 5.1 典型典型CCDCCD芯片简介芯片简介5.2 5.2 特种特种CCDCCD芯片介绍芯片介绍总目录总目录 二用于高速检测的二用于高速检测的(并行并行/分段输出分段输出) 线阵线阵CCD三用于光谱测量的线阵三用于光谱测量的线阵CCD四用于彩色图像采集的线阵四用于彩色图像采集的线阵CCD型号型号黑白黑白/颜色颜色有效像有效像元数元数像元尺寸像元尺寸(m)典型灵典型灵敏度敏度(V/lxs)动态范围动态范围输出方式输出方式最高驱动最高驱动频率频率(MHz)外形尺寸外形尺寸 长长宽宽(mm)生产厂商生产厂商主要应用范围主要应用范围T

2、CD1001P黑白黑白12832323285500单路单路614.07.0TOSHIBA高速尺寸、振动测量高速尺寸、振动测量PD3575D黑白黑白1024141414144600单路单路326.69.65NEC尺寸、振动测量尺寸、振动测量TCD1200D黑白黑白2160141414451700单路单路241.69.65TOSHIBA尺寸测量尺寸测量TCD1206SUP黑白黑白2160141414451700单路单路241.69.65TOSHIBA尺寸测量尺寸测量TCD1208P黑白黑白2160141414110750单路单路241.69.65TOSHIBA高灵敏度尺寸测量高灵敏度尺寸测量TCD

3、1209D黑白黑白2048141414312000单路单路2041.69.65TOSHIBA高速尺寸测量，动态分析高速尺寸测量，动态分析PD3734D黑白黑白2660111111702000单路单路5449.25NEC高速尺寸测量高速尺寸测量TCD1251UD黑白黑白2700111111353800单路单路341.69.65TOSHIBA光谱分析、尺寸测量光谱分析、尺寸测量TCD2252D彩色彩色27008889.11600RGB三路三路441.69.65TOSHIBA尺寸测量尺寸测量TCD132D黑白黑白1024141414121500单路单路241.69.65TOSHIBA尺寸测量尺寸测量

4、TCD1500C黑白黑白53407774.83000单路单路853.69.65TOSHIBA高精度尺寸测量高精度尺寸测量TCD1501D黑白黑白5000777133000单路单路1253.69.65TOSHIBA高精度尺寸测量、光谱分高精度尺寸测量、光谱分析析TCD1702C黑白黑白750077792000奇偶双路奇偶双路1066.010.0TOSHIBA尺寸测量尺寸测量TCD1703C黑白黑白7500777151660奇偶双路奇偶双路2066.010.0TOSHIBA尺寸测量尺寸测量TCD2901D彩色彩色105504442.47000RGB三路三路352.69.65TOSHIBA高精度尺寸

5、、彩色图象扫高精度尺寸、彩色图象扫描描TCD2557D彩色彩色53407779.95000RGB三路三路652.69.65TOSHIBA高精度尺寸测量、彩色图高精度尺寸测量、彩色图像扫描像扫描PD8861彩色彩色54005.255.255.255.822777RGB三路三路6449.25NEC高精度尺寸测量、彩色图高精度尺寸测量、彩色图像扫描像扫描TCD1304AP黑白黑白364820088160300单路单路141.69.65TOSHIBA高灵敏度，电子快门高灵敏度，电子快门像敏单元数、响应度、动态范围像敏单元数、响应度、动态范围二相线阵二相线阵CCD二相线阵二相线阵CCD,比比1206多了

6、一个片内驱动器和采样保持器多了一个片内驱动器和采样保持器;象元数比象元数比1206的多，而象元尺寸是的多，而象元尺寸是1206的一半，尺寸测量的一半，尺寸测量精度至少提高一倍精度至少提高一倍TCD1500C的引脚及其说明的引脚及其说明光敏单元总长度光敏单元总长度37.38mm（53407um）二相线阵二相线阵CCD,无片内驱动器和采样保持器无片内驱动器和采样保持器;多了一个钳位多了一个钳位脉冲脉冲CP；信号分奇偶两列转移分别由；信号分奇偶两列转移分别由OS1和和OS2端口输出；端口输出；二路并行输出优点：在一定的驱动频率下，其数据率是单二路并行输出优点：在一定的驱动频率下，其数据率是单路输出的

7、路输出的2倍倍TCD1703C的引脚及其说明的引脚及其说明光敏单元总长度光敏单元总长度52.5mm（75007um）1典型单沟道线阵典型单沟道线阵CCD(TCD1209) 2 典型双沟道线阵典型双沟道线阵CCD(TCD1206UP) 3 具有积分时间可调功能的线阵具有积分时间可调功能的线阵CCD(TCD1205) 4 具有采样保持输出电路的线阵具有采样保持输出电路的线阵CCD(TCD1300D) 一一 用尺寸测量的线阵用尺寸测量的线阵CCDCCD 应具备的性能：驱动简单、灵敏度高、应具备的性能：驱动简单、灵敏度高、 分辨率高分辨率高 象敏阵列长象敏阵列长1 典型单沟道线阵典型单沟道线阵CCD(

8、TCD1209D)TCD1209D是只有是只有一个转移栅和一个模拟移位寄存器一个转移栅和一个模拟移位寄存器的单沟的单沟道型线阵器件道型线阵器件TCD1209D的基本结构 TCD1209D为典型的为典型的二相二相单沟道单沟道型线阵型线阵CCD图像传感器，图像传感器，其其基本结构基本结构、工作原理工作原理及及驱动电路驱动电路等都具有典型性。等都具有典型性。结构组成：结构组成：Photo Diode/转移栅转移栅/CCD模拟移位寄存器模拟移位寄存器/输出单元输出单元每个光敏单元尺寸每个光敏单元尺寸1414um，相邻两光敏单元中心距，相邻两光敏单元中心距14um，光敏单元总长度光敏单元总长度28.67

9、2mm（204814um）TCD1209D的引脚及其说明的引脚及其说明有效像敏区域(2048个)被遮蔽光电二极管(前19个后8个共27个)1）为何）为何PD最左边为最左边为D13？还有？还有D0D12吗？吗？ 所有的光电二极管已经在此图给出，总共所有的光电二极管已经在此图给出，总共2048+27=2075个。即没有实物存在个。即没有实物存在的的D0D12。它们只是虚设的单元。它们只是虚设的单元(在移位寄存器中有在移位寄存器中有13组对应单元组对应单元)2）遮蔽的）遮蔽的27个个PD的作用？的作用？ 获得暗电流等信息用于对有效信号处理获得暗电流等信息用于对有效信号处理转移栅与光敏阵列及移位寄存器

10、的交叠结构转移栅与光敏阵列及移位寄存器的交叠结构Up为光敏单元；为光敏单元；CR1为为CCD模拟移位寄存器的一个电极；模拟移位寄存器的一个电极；SH为转移栅为转移栅（shift gate）输入信号输入信号 高电平高电平:沟通光敏阵列和移位寄存器沟通光敏阵列和移位寄存器,信号电荷转移到信号电荷转移到CR1势阱势阱 低电平低电平:隔离二者隔离二者,光敏单元阵列积分光敏单元阵列积分,移位寄存器逐位输出；移位寄存器逐位输出； 转移脉冲转移脉冲SH高电平时高电平时, CR1脉冲也应为高电平；脉冲也应为高电平； SH的下降沿时，的下降沿时，CR1也也为高电平，以保证信号完为高电平，以保证信号完整转移成功。

11、整转移成功。(时序及电平要求之一时序及电平要求之一) TCD1209D五路驱动脉冲组成及作用： 转移脉冲转移脉冲SH（沟通（沟通/阻隔阻隔 PD 和和 CCD；控制光积分时间）；控制光积分时间） 驱动脉冲驱动脉冲CR1 （配合（配合CR2把信号电荷从把信号电荷从CCD右向左移动）右向左移动） 驱动脉冲驱动脉冲CR2（其中其中CR2B代表代表CCD移位寄存器的最后一个电极）移位寄存器的最后一个电极） 复位脉冲复位脉冲RS（清除上一次未来得及转移走留在输出二极管中的电荷）（清除上一次未来得及转移走留在输出二极管中的电荷） 缓冲控制脉冲缓冲控制脉冲CP（过滤掉输出信号的尖脉冲噪声）（过滤掉输出信号的

12、尖脉冲噪声）u行周期：行周期：SH的周期。的周期。必须大于必须大于2088个转移脉冲个转移脉冲CR1的周期；的周期；uOS输出信号的构成：输出信号的构成：虚设单元虚设单元/哑元哑元/有效信号有效信号/检测单元等；检测单元等；检测一行结束检测一行结束驱动电路的设计思路：驱动电路的设计思路： 1）各脉冲的周期关系及占空比分析；）各脉冲的周期关系及占空比分析；2）确定脉冲之间的逻辑及时序关系；）确定脉冲之间的逻辑及时序关系；光谱响应特性光谱响应特性 光谱响应的峰值波长光谱响应的峰值波长为为550nm短波响应在短波响应在400 nm处处大于大于70%光谱响应的长波限在光谱响应的长波限在1100nm应用

13、场合：高速检测物体外形尺寸、振动、飞行姿势、高速图象采集应用场合：高速检测物体外形尺寸、振动、飞行姿势、高速图象采集结构特点：二路输出、四路输出结构特点：二路输出、四路输出分段式输出分段式输出 二用于高速检测的二用于高速检测的(并行并行/分段输出分段输出) 线阵线阵CCD1 并行输出的线阵并行输出的线阵CCD(TCD1703C)2 分段式输出的线阵分段式输出的线阵CCD1并行输出的线阵并行输出的线阵CCD-TCD1703C 并行输出的并行输出的TCD1703C 典型双沟道并行输出二相CCD有效像素单元有效像素单元(7500像元像元)分分奇偶两列并行奇偶两列并行转移转移，分别由，分别由OSl和和

14、OS2端口端口并行输出。并行输出。 并行输出的线阵并行输出的线阵CCD在相同频率驱动脉冲的作用下可以获得在相同频率驱动脉冲的作用下可以获得更高的信号输出速率，这在用线阵更高的信号输出速率，这在用线阵CCD检测高速运动物体图像检测高速运动物体图像的应用中具有非常重要的作用。的应用中具有非常重要的作用。2 分段式输出分段式输出CCDIT-C5(速度速度80M)IT-C5型线阵型线阵CCD是四相驱动的线阵是四相驱动的线阵CCD；4个并行输出端口，有效数据率可提高个并行输出端口，有效数据率可提高4倍倍2、分段式多路并行分段式多路并行输出的输出的高速高速线阵线阵CCD RL1282D、RL1284D、R

15、L1288D器件：器件：p 分别具有分别具有256、512或或1024像元像元p 像元尺寸：像元尺寸：181818 (单位：微米)p 双沟道器件双沟道器件p 每每128128像元为一段，每段又分奇偶两个沟道并行输出像元为一段，每段又分奇偶两个沟道并行输出整个器件的整个器件的输出时间大大地缩短输出时间大大地缩短，器件的工作速度提高。，器件的工作速度提高。 RL1288D为为1024像元的线阵像元的线阵CCD，分别由，分别由16个输出端并行输出个输出端并行输出,每个输出端口只输出每个输出端口只输出64个像元的信号，因此器件的等效数据率很个像元的信号，因此器件的等效数据率很高。中间的红线代表像敏单元

16、，两侧的高。中间的红线代表像敏单元，两侧的16个长方条代表模拟移位个长方条代表模拟移位寄存器。寄存器。 四路输出四路输出八路输出八路输出三三 用于光谱测量的线阵用于光谱测量的线阵CCD应用场合：光学参数、物理参数测量等应用场合：光学参数、物理参数测量等应具备的性能：动态范围大、光谱范围宽、灵敏度高、应具备的性能：动态范围大、光谱范围宽、灵敏度高、 噪声低、象敏单元不均匀性好、噪声低、象敏单元不均匀性好、 象元尺寸大、象元尺寸大、RL1024：单元：单元25*2500um2大于普通大于普通1000倍以上倍以上用于光谱探测的高性能线阵CCD-RL1024SB 用于光谱探测（如单色仪）的线阵用于光谱

17、探测（如单色仪）的线阵CCD 美国美国Reticon公司公司SB系列系列CCD器件。它具有器件。它具有1024个有效像素单元，每个个有效像素单元，每个单元尺寸为单元尺寸为长长25m、高、高2500m、中心距、中心距25m。 抗晕栅抗晕栅温敏二极管温敏二极管抗晕漏抗晕漏5V供电电压输入供电电压输入暗光电信号暗光电信号行输出结束信号行输出结束信号器件的衬底偏压器件的衬底偏压器件的地器件的地转移脉冲转移脉冲ST温敏二极管温敏二极管输出信号输出信号复位漏复位漏复位栅复位栅器件的衬底偏压器件的衬底偏压VDD Guard “开花开花”是指光敏单元所存储的电荷超出了势阱容纳电荷的是指光敏单元所存储的电荷超出

18、了势阱容纳电荷的容量而溢出势阱，扩散到邻近势阱的现象。容量而溢出势阱，扩散到邻近势阱的现象。 抗开花抗开花Antiblooming（RL1024SB中可以用来调整积分时间）中可以用来调整积分时间）必须的三路脉冲必须的三路脉冲（其他属扩展）（其他属扩展）：转移脉冲转移脉冲ST、驱动脉冲、驱动脉冲CR1、CR2EOS信号可以作为信号可以作为A/D转换器的行同步信号；转换器的行同步信号；RL1024SB的特性参数 （1）光谱响应）光谱响应 两种类型：普通光学玻璃窗和石英玻璃窗，以两种类型：普通光学玻璃窗和石英玻璃窗，以G和和Q区分；区分；n 石英玻璃：石英玻璃：光谱响应范围为光谱响应范围为200nm

19、至至1100nm,峰值响应波长为峰值响应波长为750nm。该器件在中紫外至近红外波段的光谱响应较好，常用于这段谱区的光谱探该器件在中紫外至近红外波段的光谱响应较好，常用于这段谱区的光谱探测和光谱分析应用中，测和光谱分析应用中，尤其是在紫外波段的光谱探测更为重要。尤其是在紫外波段的光谱探测更为重要。 n 普通玻璃：普通玻璃：截止于截止于350nm，对紫外波段光的吸收较大。，对紫外波段光的吸收较大。光纤窗口光纤窗口三个窗口三个窗口C波段、波段、L波段波段 它的它的光谱响应范围为光谱响应范围为200nm至至1100nm,峰值响应波长为峰值响应波长为750nm。该器件在中紫外至近。该器件在中紫外至近红

20、外波段的光谱响应较好，常用于这段谱区的光谱探测和光谱分析应用中，尤其是在红外波段的光谱响应较好，常用于这段谱区的光谱探测和光谱分析应用中，尤其是在紫紫外波段的光谱探测外波段的光谱探测更为重要。更为重要。 由于它由于它光敏单元尺寸小，像光敏单元尺寸小，像敏单元数多，光谱分辨率高敏单元数多，光谱分辨率高，因，因此在对光谱灵敏度要求不高的情此在对光谱灵敏度要求不高的情况（如吸收光谱探测器）应用。况（如吸收光谱探测器）应用。 RL2048DKQ是美国是美国Reticon公司公司D系列系列CCD器件。它具有器件。它具有2048个有效像素单元，每个单元尺个有效像素单元，每个单元尺寸为长寸为长13m、高、高

21、26m、中心距、中心距13m，属于高速，属于高速(数据率高达数据率高达30MHz)低功耗器件。低功耗器件。 从特性曲线上可以看出，曲线在从特性曲线上可以看出，曲线在0.001至至0.47(J/cm2)的曝光量范围内的线性很好，即的曝光量范围内的线性很好，即RL2048DKQ在在4700倍的曝光量范围内倍的曝光量范围内具有近具有近似于直线的光电转换特性似于直线的光电转换特性。 应用：对彩色图像采集、测量应用：对彩色图像采集、测量芯片介绍：芯片介绍： TCD2000PTCD2252DTCD2557DTCD2901D象元象元16032700353403105503总长总长5.28mm42.72mm3

22、7.38mm42.2mm象元面积象元面积1111887744输出方式输出方式单输出单输出三路并行输出三路并行输出四四 用于彩色图像采集的线阵用于彩色图像采集的线阵CCD结构特点：象元三个为一组，每组含结构特点：象元三个为一组，每组含RGB(红绿兰红绿兰)三色三色彩色线阵彩色线阵CCD 应用例一：在应用例一：在彩色印刷行业彩色印刷行业中常需要进行几种单一颜色的中常需要进行几种单一颜色的分段印刷分段印刷（例如（例如R，G，B分三原色印刷），并将多次印刷的单分三原色印刷），并将多次印刷的单色图案叠加起来才能印出栩栩儒生的彩色图案。在这种印刷工色图案叠加起来才能印出栩栩儒生的彩色图案。在这种印刷工艺中

23、，能否艺中，能否正确的套色是这项工艺的关键技术正确的套色是这项工艺的关键技术。在套色印刷生。在套色印刷生产线中常用产线中常用“电眼电眼”进行跟踪套色，所谓的进行跟踪套色，所谓的“电眼电眼”实际上是实际上是一套一套彩色线阵彩色线阵CCD图像识别器图像识别器。他能够对彩色图像进行颜色与。他能够对彩色图像进行颜色与图案的采集，并根据所采集的信号进行图样的测量和印刷机运图案的采集，并根据所采集的信号进行图样的测量和印刷机运行速度的测量，控制后面单色图像的印刷工作，确保所印出的行速度的测量，控制后面单色图像的印刷工作，确保所印出的彩色图像色彩真实。彩色图像色彩真实。 应用例二：使用的扫描仪（实现照片等彩

24、色信息的获取）应用例二：使用的扫描仪（实现照片等彩色信息的获取）彩色线阵彩色线阵CCD有两种形式：有两种形式：单行串行单行串行和和三行并行三行并行1、TCD2000P单行串行单行串行形式形式p单沟道单沟道p两相驱动两相驱动p480个有效个有效PD组成像敏区组成像敏区p单元尺寸：长单元尺寸：长11*高高33*11p3个单元一组，每一组依个单元一组，每一组依次采用次采用G、B、R滤色片滤色片2、TCD2558D器件器件三行并行三行并行形式形式 三条三条5340像敏单元阵列像敏单元阵列, 像敏单元的尺寸为像敏单元的尺寸为: 7*7*7, 总长总长37.38mm 每列之间的间距为每列之间的间距为28m

25、（间隔（间隔4行）行） 每列都是每列都是5340个像敏单元的单沟道线阵个像敏单元的单沟道线阵CCD构成构成高灵敏度低暗电流的彩色线阵高灵敏度低暗电流的彩色线阵CCD器件。器件。5.2 特种特种CCD介绍介绍一一 微光微光 CCD图像传感器图像传感器二二 红外红外CCD图像传感器图像传感器三三 X光光CCD图像传感器图像传感器四四 紫外紫外CCD图像传感器图像传感器一微光图像传感器一微光图像传感器1微光图像传感的优势微光图像传感的优势：2微光图像传感的关键技术微光图像传感的关键技术3微光微光CCD摄像原理摄像原理关于电子激发（光增强方式）：关于电子激发（光增强方式）： 关于关于“红外红外”的概念

26、的概念： 红外的红外的波长划分：波长划分： 通常人们又把红外辐射称为红外光、红通常人们又把红外辐射称为红外光、红外线，实际上其波段是指其波长约在外线，实际上其波段是指其波长约在0.78微米到微米到1000微米的电微米的电磁波。将其划分为近、中、远红外三部分：磁波。将其划分为近、中、远红外三部分： 近红外波长为：近红外波长为：0.783.0微米；微米； 中红外指波长为：中红外指波长为：3.020微米；微米； 远红外则指波长为：远红外则指波长为：201000微米微米。（另外，由于大气对红外辐射的吸收，只留下三个重要的（另外，由于大气对红外辐射的吸收，只留下三个重要的“窗窗口口”区，即区，即13微米

27、微米、35微米微米和和813微米微米 可让红外辐射通可让红外辐射通过，因而在军事应用上，又分别将这三个波段称为近红外、中过，因而在军事应用上，又分别将这三个波段称为近红外、中红外和远红外。）红外和远红外。）二红外二红外CCD图像传感器图像传感器 红外红外CCDCCD图像传感器分类及用途图像传感器分类及用途分类分类 主动红外摄像主动红外摄像 被动红外摄像被动红外摄像用途用途 军事：俯视、跟踪、制导、红外侦察；军事：俯视、跟踪、制导、红外侦察； 民用：民用：（用红外光源）实现大范围监测，银行、仓（用红外光源）实现大范围监测，银行、仓 库夜间监视（可视门铃）库夜间监视（可视门铃）1主动红外摄像系统主

28、动红外摄像系统原理：当红外光源照射目标时，目标反射的红外光原理：当红外光源照射目标时，目标反射的红外光被摄像机所摄取，并将不可见的红外光转换成可见光，被摄像机所摄取，并将不可见的红外光转换成可见光，在屏幕上显示出来，实现红外摄像。在屏幕上显示出来，实现红外摄像。主动红外摄像系统组成：主动红外摄像系统组成：由由红外光源红外光源和和红外摄像器件红外摄像器件 白炽灯滤光白炽灯滤光红外光源红外光源： 半导体砷化镓光源半导体砷化镓光源 半导体激光器半导体激光器红外摄像器件红外摄像器件：把不可见红外线转变成可见光的器件。：把不可见红外线转变成可见光的器件。 光谱范围：光谱范围：1 13um3um主动红外摄

29、像系统应用主动红外摄像系统应用2被动红外摄像系统被动红外摄像系统分类分类 望远红外摄像望远红外摄像 中红外中红外CCD摄像摄像原理：不需要红外线照明原理：不需要红外线照明，依靠目标本身红外辐射，依靠目标本身红外辐射实现摄像实现摄像CCD红外摄像特点：红外摄像特点： （1)1)望远红外望远红外CCDCCD摄像机应用摄像机应用说明：说明：1.1.太阳照射到目标反射回的射线经滤光片把可见太阳照射到目标反射回的射线经滤光片把可见光及不需要的红外线滤掉，剩下有用的红外线。光及不需要的红外线滤掉，剩下有用的红外线。2.2.经经红外光学镜头聚焦成像红外光学镜头聚焦成像波长范围：波长范围：波长在波长在1um1

30、um以内的近红外摄像获得广泛应用以内的近红外摄像获得广泛应用(3)当天空晴朗能见度为当天空晴朗能见度为15KM,用它可手动实时跟踪用它可手动实时跟踪50KM远目标远目标望远红外望远红外CCD摄像机摄像距离摄像机摄像距离望远红外望远红外CCD摄像机应用及现状摄像机应用及现状（2）中红外）中红外CCD摄像系统摄像系统中红外中红外CCD摄像系统应用摄像系统应用光学参数分析、遥感、目标追踪、医疗光学参数分析、遥感、目标追踪、医疗人体发射红外波长人体发射红外波长910m基于非晶硅的非制冷红外焦平面阵列基于非晶硅的非制冷红外焦平面阵列三三X-ray，又被称为艾克斯，又被称为艾克斯射线射线、伦琴射线或、伦琴

31、射线或X光，是一种光，是一种波波长长范围在范围在0.01nm到到10nm之间的电磁辐射形式。之间的电磁辐射形式。X射线波长射线波长略大于略大于0.5 nm的被称作软的被称作软X射线。波长短于射线。波长短于0.1nm的叫做硬的叫做硬X射线。射线。硬硬X射线与波长长的射线与波长长的伽马射线伽马射线范围重叠，二者的区范围重叠，二者的区别在于辐射源，而不是波长，别在于辐射源，而不是波长，X射线射线光子光子产生于高能电子加产生于高能电子加速速，伽马射线则来源于伽马射线则来源于原子核原子核衰变衰变。四四 紫外紫外CCDCCD图像传感器图像传感器用途用途：医学、生物学（癌细胞）、环保：医学、生物学（癌细胞）

32、、环保 100nm100nm400nm 400nm 近、中紫外近、中紫外 波长波长 10nm10nm100nm 100nm 远紫外远紫外 0.1nm0.1nm10nm X10nm X射线射线技术原理：技术原理：在在CCDCCD表面淀积一层对紫外光子敏感的磷光物质，并通过表面淀积一层对紫外光子敏感的磷光物质，并通过适当选择磷光物质将紫外信息转换成与适当选择磷光物质将紫外信息转换成与CCDCCD光谱相应相对光谱相应相对应的波长。应的波长。紫外紫外CCDCCD是将硅是将硅CCDCCD减薄后涂荧光物质，把紫外光耦合进减薄后涂荧光物质，把紫外光耦合进器件的，响应波长从真空紫外到近紫外器件的，响应波长从真

33、空紫外到近紫外UV-Ultraviolet Rays紫外线的特点与应用紫外线的特点与应用l 紫外线最显著的特点就是紫外线最显著的特点就是它它能使荧光物质发光能使荧光物质发光n紫外线能紫外线能杀菌杀菌紫外线与人类生活紫外线与人类生活n紫外线与人类生活、健康密切相关。适度的紫外线与人类生活、健康密切相关。适度的紫外线照射有益健康，而过量的紫外线照射紫外线照射有益健康，而过量的紫外线照射会有损人体健康，紫外线主要影响眼睛和皮会有损人体健康，紫外线主要影响眼睛和皮肤，引起急性角膜炎和结膜炎，慢性白内障肤，引起急性角膜炎和结膜炎，慢性白内障等眼疾，诱发皮肤癌。所以必须注意防护。等眼疾，诱发皮肤癌。所以必

34、须注意防护。 紫外成像器件：硅紫外成像器件：硅CCDCCD已可用于远紫外已可用于远紫外 （10nm10nm100nm100nm）、）、X X射线（射线（0.1nm0.1nm10nm10nm） 应用器件应用器件 紫外紫外CCDCCD摄像机：能在紫外和摄像机：能在紫外和X X光波段成像光波段成像 紫外数字摄像机：感应紫外光照相机紫外数字摄像机：感应紫外光照相机 紫外制导：红外紫外制导：红外紫外双色制导紫外双色制导应用应用 紫外告警：导弹入侵报警，通过检测导弹尾焰中紫外紫外告警：导弹入侵报警，通过检测导弹尾焰中紫外 线辐射线辐射 紫外探测：紫外大气探测紫外探测：紫外大气探测五五 CMOSCMOS图像

35、传感器图像传感器u互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器 CMOSComplementary Metal Oxide Semiconductoru电荷耦合器件图像传感器电荷耦合器件图像传感器 CCDCharge-couple Device图图1 1 图像传感器图像传感器 一、概况CMOS与与CCD图像传感器的研究几乎是同时起步的，固体图像传感器的研究几乎是同时起步的，固体图像传感器得到了迅速发展图像传感器得到了迅速发展uCMOS图像传感器：图像传感器： 由于受当时工艺水平的限制，由于受当时工艺水平的限制，图像质量差、分辨率低、图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度

36、不够噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。，因而没有得到重视和发展。uCCD图像传感器：图像传感器： 因其光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点，一直主宰着因其光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点，一直主宰着图像传感器市场。图像传感器市场。一、概况现在：由于集成电路设计技术和工艺水平的提高现在：由于集成电路设计技术和工艺水平的提高 CMOS CMOS图像传感器过去存在的缺点图像传感器过去存在的缺点 都可以找到办法克服都可以找到办法克服 而且它固有的优点更是而且它固有的优点更是CCDCCD器件所无法比拟的器件所无法比拟的 因而它再次成为研究的热点因而它再次成为研究的热点一、概况2.1图

37、像传感器基本原理图图2 2 图像传感器原理示意图图像传感器原理示意图uCMOS和和CCD图图像传感器都利用了硅的光电效应原理，不同像传感器都利用了硅的光电效应原理，不同 点在于点在于像素光生电荷的读出方式像素光生电荷的读出方式。uCMOS和和CCD的主要区别是的主要区别是CCD是集成在是集成在半导体单晶材料半导体单晶材料 上，而上，而CMOS是集成在被称做是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上金属氧化物的半导体材料上。二、工作原理2.2 CMOS图像传感器的工作原理框图u 传感器内部芯片集成度高，而外围电路简单；传感器内部芯片集成度高，而外围电路简单；u 光子转换为电子后直接在每个像元中完成电

38、子电荷光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷- -电压转换。电压转换。图图3 3 CMOS图像传感器工作原理框图图像传感器工作原理框图二、工作原理2.3 CCD图像传感器工作原理框图二、工作原理u 曝光后光子通过像元转换为电子电荷包；曝光后光子通过像元转换为电子电荷包；u 电子电荷包顺序转移到共同的输出端；电子电荷包顺序转移到共同的输出端；u 通过输出放大器将大小不同的电荷包转换为电压信号。通过输出放大器将大小不同的电荷包转换为电压信号。图图4 4 CCD图像传感器工作原理框图图像传感器工作原理框图三、性能比较3.1 3.1 灵敏度灵敏度u 灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号

39、的能力，灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力， CCD CCD图像传感器灵敏度较图像传感器灵敏度较CMOSCMOS图像传感器高图像传感器高30%30%50%50%。3.2 3.2 分辨率分辨率u CMOSCMOS图像传感器上集成有放大器、定时器和图像传感器上集成有放大器、定时器和ADC ADC 等电路，每个等电路，每个像素都比像素都比 CCD CCD 复杂，因而电路所占像素的面积也大，所以相复杂，因而电路所占像素的面积也大，所以相同尺寸的传感器，同尺寸的传感器，CCD CCD 可以做得更密。可以做得更密。u 通常通常CCDCCD图像传感器的分辨率会优于图像传感器的分辨率会优于C

40、MOSCMOS图像传感器。图像传感器。主要是因为主要是因为CCD像元耗尽区深度可达像元耗尽区深度可达10mm,具有对可见光近红外光谱段的完全收集能力。具有对可见光近红外光谱段的完全收集能力。CMOS采用采用0.180.5mm标准标准CMOS工艺工艺,由于采用的电阻率硅片须保持地工作电压由于采用的电阻率硅片须保持地工作电压,像元耗像元耗尽区尽区12mm,其吸收截至波长小于其吸收截至波长小于650mm,导致像元对红光及近红外光吸收困难。导致像元对红光及近红外光吸收困难。三、性能比较3.3 3.3 噪声噪声u 由于由于CMOS 图像传感器每个像元都需搭配一个放大器，而图像传感器每个像元都需搭配一个放

41、大器，而CCD只有一个放大器放在芯片边缘，只有一个放大器放在芯片边缘，CMOSCMOS图像传感器的噪声大很多。图像传感器的噪声大很多。3.4 3.4 集成性集成性u CMOSCMOS图像传感器同图像传感器同VLSIVLSI之间具有良好的兼容性，可以把驱动与控之间具有良好的兼容性，可以把驱动与控制系统（制系统（CDSCDS）、）、ADC ADC 和信号处理等电路集成在一块芯片上。和信号处理等电路集成在一块芯片上。u CCDCCD的驱动电路及模拟、数字处理电路尚未集成在同一芯片上。的驱动电路及模拟、数字处理电路尚未集成在同一芯片上。三、性能比较3.5 3.5 成本成本u 由于由于 CMOS 图像传

42、感器采用标准的半导体制造工艺和高集成性，图像传感器采用标准的半导体制造工艺和高集成性，因此可以节省外围芯片的成本。因此可以节省外围芯片的成本。u 与与 CCD 相比，相比，CMOS 图像传感器在制造成本上具有优势图像传感器在制造成本上具有优势。3.6 3.6 可靠性可靠性u CMOS CMOS 和和 CCD CCD 图像传感器图像传感器在商用及工业应用领域具有等价的可靠性。在商用及工业应用领域具有等价的可靠性。u 极端恶劣的应用环境中极端恶劣的应用环境中, ,由于由于 CMOS CMOS 图像传感器将大部分相机电路图像传感器将大部分相机电路集成在一个芯片上，焊点与接头大大减少，集成在一个芯片上

43、，焊点与接头大大减少，其可靠性要优于其可靠性要优于 CCD CCD图图像传感器像传感器。四、发展趋势4.1 4.1 图像传感器发展图像传感器发展u 世界图像传感器世界图像传感器20072007年的出货量为年的出货量为10.9510.95亿个，比上年增长亿个，比上年增长19%19%u 预期预期20132013年将增长到年将增长到2020亿个，年均增长率超过亿个，年均增长率超过10%10%。世界图像传。世界图像传感器的应用情况如表感器的应用情况如表1 1所示。所示。表表1 世界世界图图像像传传感器的感器的应应用情用情况况四、发展趋势4.2 4.2 两种传感器发展比较两种传感器发展比较u 20072

44、00720112011年间，年间，CCD传感器出货量从传感器出货量从1.71.7亿个下降到亿个下降到1.41.4亿个，亿个，而同期而同期CMOS传感器从传感器从9.39.3亿个快速上升到亿个快速上升到15.715.7亿个，年增长率达亿个，年增长率达14%14%。u 同期出货值前者从同期出货值前者从24.424.4亿美元下降到亿美元下降到10.910.9亿美元，跌幅过半；后亿美元，跌幅过半；后者从者从30.530.5亿美元增加到亿美元增加到35.835.8亿美元，年增长率不过亿美元，年增长率不过4%4%。u 可以看出，随着集成电路技术和半导体制造工艺水平的提高，可以看出，随着集成电路技术和半导体

45、制造工艺水平的提高，CMOS图像传感器的成本和价格显著下降，因此具有很大的竞争图像传感器的成本和价格显著下降，因此具有很大的竞争优势优势。 CMOS图像传感器的应用图像传感器的应用 CMOS图像传感器与图像传感器与CCD图像传感器一样，可用于自动图像传感器一样，可用于自动控制、自动测量、摄影摄像、图像识别等各个领域。控制、自动测量、摄影摄像、图像识别等各个领域。 CMOS针对针对CCD最主要的优势就是最主要的优势就是非常省电非常省电。 CMOS的耗电量只有的耗电量只有普通普通CCD的的1/3左右左右。 CMOS图像传感器用于数码相机有助于改善人们心目中图像传感器用于数码相机有助于改善人们心目中

46、数码相机是数码相机是“电老虎电老虎”的不良印象。的不良印象。 CMOS和和CCD图像传感器工作原理没有本质区别，只是图像传感器工作原理没有本质区别，只是制造的基底材料不一样以及集成度有差别。制造的基底材料不一样以及集成度有差别。 CMOS图像传感器因其高集成度，使其在性能上与图像传感器因其高集成度，使其在性能上与CCDCCD形形成互补之势。成互补之势。 随着分辨率的不断提高，随着分辨率的不断提高，CMOS图像传感器正在逐步占图像传感器正在逐步占领更多的图像传感器市场份额。领更多的图像传感器市场份额。CMOSCMOS图像传感器图像传感器原理：原理：通过通过CCDCCD相同的光电转换将入射光转换成

47、电信号相同的光电转换将入射光转换成电信号与与CCD的区别：的区别： 在每个象元上含有放大器，易引入噪声；在每个象元上含有放大器，易引入噪声； 单一驱动电压供电；（省电）单一驱动电压供电；（省电） 光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷- -电压转换；（像素光生电荷的读出方式不同）电压转换；（像素光生电荷的读出方式不同） CMOSCMOS结构可利用结构可利用VLSIVLSI工艺，超小型化。将所有摄像工艺，超小型化。将所有摄像 机功能集成在一个芯片上；机功能集成在一个芯片上； (5) (5)基底材料不一样，基底材料不一样，CMOSCMOS是集成在被

48、称做金属氧化物是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。的半导体材料上。应用情况：微型摄像系统，适用于安全监控，可视门铃，应用情况：微型摄像系统，适用于安全监控，可视门铃，可视电话，医疗器械等微型应用场合可视电话，医疗器械等微型应用场合本章小结1.用于尺寸测量的线阵用于尺寸测量的线阵CCD应具备的性能应具备的性能2.用于高速检测的线阵用于高速检测的线阵CCD的结构特点；并行输的结构特点；并行输出的优点出的优点3.用于光谱检测的线阵用于光谱检测的线阵CCD应具备的性能；应具备的性能；“开开花花”概念概念4.特种特种CCD中的中的“灰度灰度”的概念；彩色线阵的概念；彩色线阵CCD的形式的形式5.主动红外摄像，被动红外摄像主动红外摄像，被动红外摄像6.COMS与与CCD的不同之处的不同之处