现代传感技术第3章课件.ppt

1、图像传感技术v 3.1 CCD图像传感器图像传感器v 3.2 CMOS图像传感器图像传感器 CMOS传感器结构与工作原理传感器结构与工作原理 CMOS图像传感器的性能指标图像传感器的性能指标 典型典型CMOS图像传感器图像传感器v 3.3 CCD与与CMOS传感器的比较传感器的比较v 3.4 图像测量技术图像测量技术CCD图像传感器v CCD（Charge Coupled Device）全称为电荷耦合器件，）全称为电荷耦合器件，是是20世纪世纪70年代发展起来的新型固体成像器件。年代发展起来的新型固体成像器件。它是在它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用集成电路技术基础上发

2、展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。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、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、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。传真通信以及工业检测和自动控制系统。CCD是目前最为成

3、熟，应用最为广泛的图像传感器，它的典型产是目前最为成熟，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。品有数码相机、摄像机等。CCD图像传感器v CCD有两种基本类型：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移，这类器件称为表面沟道CCD器件（简称器件（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（简体体内沿一定方向转移，这类器件称

4、为体沟道或埋沟道器件（简称称BCCD）.v 一个完整的一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。一些辅助输入、输出电路组成。CCD图像传感器v CCD的的MOS结构及存储电荷原理结构及存储电荷原理 CCD的的MOS结构结构 电荷的传输电荷的传输 电荷读出电荷读出v CCD图像传感器基本特征参数图像传感器基本特征参数v CCD摄像器件摄像器件 线阵线阵CCD摄像器件摄像器件 面阵面阵CCD摄像器件摄像器件CCD的MOS结构及存储电荷原理 v CCD由多个光敏像元组成，每个像元就是一个由多个光敏像元组成，每个像元就是一个MO

5、S电容电容器或一个光敏二极管。这种电容器能存储电荷，其结构如器或一个光敏二极管。这种电容器能存储电荷，其结构如图图 3 1所示。所示。图 3 1 CCD基本结构和工作原理图 CCD的MOS结构及存储电荷原理v 1.电荷的传输电荷的传输 CCD的移位寄存器是一列排列紧密的的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器（或光敏二极电容器（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。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，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

6、，通过势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小。利用这一特性，通过控制相邻控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。在在MOS电容紧密排列，使相邻的电容紧密排列，使相邻的MOS电容势阱相互电容势阱相互“沟通沟通”，即，即相邻相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小，且当改变相邻电容两电极之间的间隙足够小，且当改变相邻MOS两电两电极的电压值时，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。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v 1.

7、电荷的传输电荷的传输 为了保证信号电荷按确定路线转移，通常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。脉冲电压。三相三相CCD的结构及工作原理的结构及工作原理二相二相CCD的结构及工作原理的结构及工作原理 CCD的MOS结构及存储电荷原理v 2.电荷读出电荷读出 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栅MOS放大器电压法。放大器电压法。图图 3 5 电荷读出方电荷读出方法

8、法 CCD图像传感器基本特征参数v CCD图像传感器特征主要是指其光电转换特性，而性能参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。围、暗电流和图像滞后等。CCD摄像器件的优劣评判标准，摄像器件的优劣评判标准，就是采用这些参数衡量。就是采用这些参数衡量。CCD图像传感器基本特征参数v 1.光电转换特性光电转换特性 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。特性曲线的拐点靶

9、摄像管相似，具有良好的线性。特性曲线的拐点G所对应的曝所对应的曝光量叫饱和曝光量光量叫饱和曝光量图图 3 6 CCD的光电转换特性的光电转换特性 CCD图像传感器基本特征参数v 2.光谱响应光谱响应 目前广泛应用的目前广泛应用的CCD器件是以硅为衬底的器件，其光谱响应范围器件是以硅为衬底的器件，其光谱响应范围为为4001100nm。红外。红外CCD器件用多元探测器阵列替代可见光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和和HgCdTe等，其光谱范围延伸至等，其光谱范围延伸至35m

10、m和和814mm。v 3.动态范围动态范围 饱和曝光量和等效噪声曝光量的比值称为饱和曝光量和等效噪声曝光量的比值称为CCD的动态范围。的动态范围。CCD器件动态范围一般在器件动态范围一般在103104数量级。数量级。v 4.暗电流暗电流 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。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摄像器件在室温下暗电流约为510nA/cm2。CCD图像传感器基

11、本特征参数v 5.分辨率分辨率 分辨率是图像器件的重要特性，常用调制传递函数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。图来评价。图 3 7是用是用2856K白炽白炽光源照明下某线阵光源照明下某线阵CCD的的MTF曲线。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。定义为：归一化的无量纲的零空间频率下的调制深度的值。图图 3 7 某线阵某线阵CCD的评价曲的评价曲线线 CCD摄像器件v CCD电荷耦合摄像器件简称电荷耦合摄像器件简称ICCD，它的功能是把二维光，它的功能是把二维光学图像信号转变成一维以时

12、间为自变量的视频输出信号。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。的图像信号。若想用线阵若想用线阵CCD获得二维图像信号，必须使线阵获得二维图像信号，必须使线阵CCD与二维图像做与二维图像做相对的扫描运动。相对的扫描运动。所以用线阵所以用线阵CCD对匀速运动物体进行扫描成像是非常方便的。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

13、阵CCD作为图像传感器。作为图像传感器。面阵面阵CCD面阵面阵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。信号输出。CMOS传感器结构与工作原理 v CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor,互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。机以及摄像头等产品上。采用采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵

14、列、驱动和控制电路、信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，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。可以实现单芯片成像系统，这已成为当前一个研究热点。v 根据像素的不同结构，根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为图像传感器可以分为 无源像素被动式传感器（无源像素被动式传感器（PPS）有源像素主动式传感器（有源像素主动式传感器（APS）根据光生电荷的不同产生方式，根据光生电荷的不同产生方式，APS又分为又分为光敏二极管型光敏二极管型光栅型光栅型对数响应型对数

15、响应型CMOS传感器结构与工作原理图图 3 13 CMOS图像传感器芯片结构框图图像传感器芯片结构框图 图图 3 14 CMOS图像传感器像素阵列图像传感器像素阵列 CMOS图像传感器的性能指标v 1.光谱性能与量子效率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）。敏二极管）。CMOS图像传感器的性能指标v 2.填充因子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、模传递函数敏度、噪声、时间响应、模传递函数

16、MTF等的影响很大。等的影响很大。v 3.输出特性与动态范围输出特性与动态范围CMOS成像器件一般有成像器件一般有4种输出模式：种输出模式：线性模式线性模式 双斜率模式双斜率模式 对数特性模式对数特性模式 校正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。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v 4.噪声噪声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、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

17、。此外，由光敏二极管阵列和场效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应晶体管电路构成CMOS图像传感器时，还可能产生新的噪声。图像传感器时，还可能产生新的噪声。（1）光敏器件的噪声）光敏器件的噪声（2）MOS场效应晶体管中的噪声场效应晶体管中的噪声（3）CMOS成像器件中的工作噪声成像器件中的工作噪声v 5.空间传递函数空间传递函数由于由于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。函数特性要降低些。典型CMOS图像传感器v以以FillFactory公司的公司的IBIS4 SXGA型型C

18、MOS成像器产品为例。这是一成像器产品为例。这是一种彩色面阵种彩色面阵CMOS成像器件，但也可以用做黑白成像器件。成像器件，但也可以用做黑白成像器件。v它的特点是：它的特点是：像素尺寸小像素尺寸小填充因子大填充因子大光谱响应范围宽光谱响应范围宽量子效率高量子效率高噪声等效光电流小噪声等效光电流小无模糊（无模糊（Smear）现象）现象有抗晕能力有抗晕能力可做取景控制可做取景控制典型CMOS图像传感器v 成像器件的原理结构成像器件的原理结构图图 3 25 SXGA图像传感器原理结构图图像传感器原理结构图 典型CMOS图像传感器v SXGA型型CMOS成像器件的光谱特性成像器件的光谱特性典型CMOS

19、图像传感器v 输出放大器输出放大器 它主要由三部分组成：它主要由三部分组成：增益可调的放大器、钳位器、偏压调节电路增益可调的放大器、钳位器、偏压调节电路图图 3 29 SXGA型型CMOS成像器件输出放大器电路原理图成像器件输出放大器电路原理图CCDCCD与与CMOSCMOS传感器的比较传感器的比较 v 数字数据传送的方式数字数据传送的方式 CCD与与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者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（都是利用感光二极管（photodiode）进行光电转换，将图像转换）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

20、的方式不同。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；而在行放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及器及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：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的特殊工艺可保证数据在

21、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。放大，再整合各个像素的数据。CCDCCD与与CMOSCMOS传感器的比较传感器的比较v 由于数据传送方式不同，因此由于数据传送方式不同，因此CCD与与CMOS传感器在效能传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：与应用上也有诸多差异，这些差异包括：（1）灵敏度差异）灵敏度差异 （2）成本差异）成本差异（3）分辨率差异）分辨率差异（4）噪声差

22、异）噪声差异（5）功耗差异）功耗差异 CMOS与CCD图像传感器的性能比较CMOS与CCD图像传感器的性能比较图像测量技术v 图像测量是一种视频测量技术。它通过自身扫描和光电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。数据。v 目前，在图像测量中，一般是采用目前，在图像测量中，一般是采用CCD图像传感器。图像传感器。CCD摄像器件是摄像器件是CCD图像测量系统的核心器件，由于它具有灵图像测量系统

23、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。各种光电系统中。CCD图像测量系统结构与测量原理 v CCD图像测量系统的结构由图像传感器、摄像控制器、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。像素检测器三个主要单元组成。图图 3 37 线扫描摄像测长系统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结束三相CCD的结构及工作原理 三相三相CC

24、D结构如图结构如图 3 2所示。每一个像元，有两个相邻电极，每所示。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，由隔两个电极的所有电极都接在一起，由3个相位相差个相位相差120的时钟的时钟脉冲驱动，故称三相脉冲驱动，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。在三相中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的。在三相CCD 中是靠时钟脉冲电压的时序控制，来形成非对称势阱。中是靠时钟脉冲电压的时序控制，来形成非对称势阱。图图 3 2 三相三相CCD电荷传输原理图电荷传输原理图 二相CCD的结构及工作原理 采用不对称的电极结构也可以引进不对称势阱，从而变成二相驱采

25、用不对称的电极结构也可以引进不对称势阱，从而变成二相驱动的动的CCD。目前实用。目前实用CCD中多采用二相结构。中多采用二相结构。实现二相驱动的方案有实现二相驱动的方案有（1）阶梯氧化层电极）阶梯氧化层电极 阶梯氧化层电极结构如图阶梯氧化层电极结构如图 3 3所示。此结构中将一个电极分成两部所示。此结构中将一个电极分成两部分，其左边部分电极下的氧化层比右边的厚，则在同一电压下，左边分，其左边部分电极下的氧化层比右边的厚，则在同一电压下，左边电极下的位阱浅，自动起到了阻挡信号倒流的作用。电极下的位阱浅，自动起到了阻挡信号倒流的作用。图图 3 3 采用阶梯氧化层电极形成的二相结采用阶梯氧化层电极形

26、成的二相结构构 二相CCD的结构及工作原理 采用不对称的电极结构也可以引进不对称势阱，从而变成二相驱采用不对称的电极结构也可以引进不对称势阱，从而变成二相驱动的动的CCD。目前实用。目前实用CCD中多采用二相结构。中多采用二相结构。实现二相驱动的方案有实现二相驱动的方案有（2）设置势垒注入区）设置势垒注入区 如图如图 3 4所示，对于给定的栅压，位阱深度是掺杂浓度的函数。掺所示，对于给定的栅压，位阱深度是掺杂浓度的函数。掺杂浓度高，则位阱浅。采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度杂浓度高，则位阱浅。采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处，则该处位阱就较浅，任何电荷包都将只向位阱的后

27、沿方向高于别处，则该处位阱就较浅，任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动。移动。图图 3 4 采用势垒注入区形成二相结构采用势垒注入区形成二相结构 线阵CCD摄像器件v 线阵线阵CCD摄像器件有两种基本形式：摄像器件有两种基本形式：单沟道线阵单沟道线阵CCD 双沟道线阵双沟道线阵CCD线阵CCD摄像器件v 单沟道线阵单沟道线阵CCD 单沟道线阵单沟道线阵CCD由光敏元阵列、转移栅、由光敏元阵列、转移栅、CCD模拟移位寄存器和模拟移位寄存器和输出放大器等单元构成。输出放大器等单元构成。这种结构的线阵这种结构的线阵CCD的转移次数多、效率低、调制传递函数的转移次数多、效率低、调制传递函数MTF较差，

28、只适用于像敏单元较少的摄像器件。较差，只适用于像敏单元较少的摄像器件。图图 3 8 单沟道线阵单沟道线阵CCD 线阵CCD摄像器件v 双沟道线阵双沟道线阵CCD 具有两列具有两列CCD模拟移位寄存器模拟移位寄存器A与与B，分列在像敏阵列的两边。，分列在像敏阵列的两边。对同样的像敏单元来说，双沟道线阵对同样的像敏单元来说，双沟道线阵CCD要比单沟道线阵要比单沟道线阵CCD的转的转移次数少一半，转移时间缩短一半，它的总转移效率大大提高。移次数少一半，转移时间缩短一半，它的总转移效率大大提高。在要求提高在要求提高CCD的工作速度和转移效率的情况下，常采用双沟道的工作速度和转移效率的情况下，常采用双沟

29、道的方式。的方式。图图 3 9 双沟道线双沟道线阵阵CCD的结构的结构面阵CCD摄像器件v 按照一定的方式将一维线型按照一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及移位寄存器的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即构成二维面阵排列成二维阵列，即构成二维面阵CCD。v 由于排列方式不同，面阵由于排列方式不同，面阵CCD常有常有 帧转移方式帧转移方式 隔列转移方式隔列转移方式 线转移方式线转移方式 全帧转移方式全帧转移方式 等。等。1.帧转移面阵CCDv 帧转移三相面阵摄像帧转移三相面阵摄像器的构成：器的构成：成像区（像敏区）成像区（像敏区）暂存区暂存区 水平读出寄存器水平读出寄存器图图 3 10 帧转

30、移三相帧转移三相面阵摄像器的原理结构面阵摄像器的原理结构图图2.2.隔列转移型面阵隔列转移型面阵CCDCCD2.隔列转移型面阵CCDv 隔列转移型面阵隔列转移型面阵CCD的结构如图的结构如图 3 11a所示。所示。v 它的像敏单元（图中虚线块）呈二维排列，每列像敏单元它的像敏单元（图中虚线块）呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器被遮光的读出寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转移控制栅。之间又有转移控制栅。v 由图可见，每一像敏单元对应于两个遮光的读出寄存器单由图可见，每一像敏单元对应于两个遮光的读出寄存器单元。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻

31、隔开。由于每元。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。由于每列像敏单元均被读出寄存器所隔，因此，这种面阵列像敏单元均被读出寄存器所隔，因此，这种面阵CCD称称为隔列转移型为隔列转移型CCD。2.2.隔列转移型面阵隔列转移型面阵CCDCCDv 图图 3 11b是隔列转移型面阵是隔列转移型面阵CCD的二相注入势垒器件的的二相注入势垒器件的像敏单元和寄存器单元的结构示意图。像敏单元和寄存器单元的结构示意图。v 连续的多晶硅，它经过选择掺杂构成二相转移电极系统，连续的多晶硅，它经过选择掺杂构成二相转移电极系统，称为多晶硅寄存器栅极系统。转移方向用离子注入势垒方称为多晶硅寄存器栅极系统。转移方向用离子注入势垒方法完成，使电荷只能按规定的方向转移，沟阻常用来阻止法完成，使电荷只能按规定的方向转移，沟阻常用来阻止电荷向外扩散。电荷向外扩散。3.3.线转移型面阵线转移型面阵CCDCCD