图像传感技术.ppt

,*,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,第九章 图像传感技术,图像传感器实际上是光电传感器件中的一部分，主要器件有,CCD,、,CMOS,以及,PSD,等，主要讨论,CCD,和,CMOS,传感器件及图像测量技术。,图像传感技术,9.1 CCD,图像传感器,9.2 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,9.3 CCD,与,CMOS,传感器的比较,9.4,图像测量技术,2,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。,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。,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,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。,3,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。,4,CCD,图像传感器,CCD,工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号接到示波器、图像显示器或其他信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。由于常用的,CCD,光敏元可做得很小（约几个微米），所以它的图像分辨率很高。,5,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,6,CCD,的,MOS,结构及存储电荷原理,CCD,基本结构和工作原理图,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。该电容器能存储电荷，其结构如图 所示。,7,CCD,的,MOS,结构及存储电荷原理,以,P,型硅为例，在,P,型硅衬底上通过氧化在表面形成,SiO,2,层，然后再,SiO,2,上淀积一层金属为栅极，,P,型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子。当金属电极上施加正电压时，其电场能透过,SiO,2,绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，带负电的少数载流子紧靠,SiO,2,层形成负电荷层,(,耗尽层,),，这便形成对电子而言的陷阱，电子一旦进入就不能复出，故又称为,电子势阱,。,8,CCD,的,MOS,结构及存储电荷原理,当器件受到光照时，光子的能量被半导体吸收，产生电子,-,空穴对，光生电子被吸引存储在势阱中，实现了光和电的转换，光越强，势阱中收集的电子越多，势阱中存储的电子不会因光照停止而消失，实现了电荷的存储。,9,CCD,的,MOS,结构及存储电荷原理,1.,电荷的传输,(1)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。,(2)MOS,电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外加电压一定，势阱深度随阱中电荷量的增加而线性减小。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。,(3),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，使信号电荷由浅处流向深处，实现信号电荷转移。,10,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。,(a),三相,CCD,的结构及工作原理,(b),二相,CCD,的结构及工作原理,11,三相,CCD,的结构及工作原理,(1),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,。,(2),电荷定向转移靠势阱的非对称性实现。靠时钟脉冲电压的时序控制，来形成非对称势阱。,12,二相,CCD,的结构及工作原理,采用阶梯氧化层电极形成的二相结构,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,CCD,。目前实用,CCD,中多采用二相结构。实现二相驱动的方法有：,(1),阶梯氧化层电极,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，左边电极下的位阱浅，自动起到了阻挡信号倒流的作用。,13,二相,CCD,的结构及工作原理,采用势垒注入区形成二相结构,(2),设置势垒注入区,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。,14,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。,15,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。,16,CCD,图像传感器基本特征参数,暗输出,电压,1.,光电转换特性,CCD,的光电转换特性具有良好的线性。特性曲线的拐点,G,所对应的曝光量叫饱和曝光量,S,E,，当曝光量大于,S,E,时，,CCD,输出信号不再增加。,饱和输出,电压,饱和曝光量,注：,曝光量单位为勒克司,秒,(lx,s),。每平方米面积上光通量为,1,流明时，照度值即为,1,勒克司,(lux,或,lx),；,t,为曝光时间，单位为秒,(s),。,输出信号电压值,曝光量,17,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,35,m,和,814,m,。,18,CCD,图像传感器基本特征参数,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,。,19,CCD,图像传感器基本特征参数,某线阵,CCD,的评价曲线,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。,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。一个确定的空间频率的物象透射在摄像器件,上，其输出将是随时间变化的波形，其振幅称为调制深度。,注：,CCD,具有很高的空间分辨能力，,7000,像元线阵,CCD,器件的分辨能力可达,7,m,，,4096,4096,面阵器件的整机分辨能力在,1000,电视线以上。,空间频率：空间单位长度上，周期结构重复的次数。,电视线：在用来测试清晰度而输入的图像信号上，会显示出一条条的线。,20,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。,(1),线阵,CCD,(2),面阵,CCD,两者都需要用光学成像系统将景物图像成像在,CCD,的像敏面上。像敏面将入射到每个像敏单元上的光照度分布信号转变为少数载流子密度分布信号存储在像敏单元（,MOS,电容）中，再通过驱动脉冲的驱动，使其从,CCD,的移位寄存器中转移出来，形成时序的视频信号。,21,线阵,CCD,摄像器件,(1),可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。,(2),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。,(3),对匀速运动物体进行扫描成像非常方便。,(4),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。,线阵,CCD,摄像器件有两种基本形式：,(1),单沟道线阵,CCD,(2),双沟道线阵,CCD,22,线阵,CCD,摄像器件,单沟道线阵,CCD,1.,单沟道线阵,CCD,单沟道线阵,CCD,由,光敏元阵列、转移栅、,CCD,模拟移位寄存器和输出放大器,等单元构成。,这种结构的线阵,CCD,的转移次数多、效率低、调制传递函数,MTF,较差，只适用于像敏单元较少的摄像器件。,23,线阵,CCD,摄像器件,双沟道线阵,CCD,的结构,2.,双沟道线阵,CCD,具有两列,CCD,模拟移位寄存器,A,与,B,，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,CCD,要比单沟道线阵,CCD,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。,在要求提高,CCD,的工作速度和转移效率的情况下，常采用双沟道的方式。,24,面阵,CCD,摄像器件,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。,按照一定的方式将一维线型,CCD,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,CCD,。,由于排列方式不同，面阵,CCD,常有：,(1),帧转移方式,(2),隔列转移方式,(3),线转移方式,(4),全帧转移方式,25,1.,帧转移面阵,CCD,帧转移三相面阵摄像器的构成：,成像区（像敏区）,暂存区,水平读出寄存器,特点：,结构简单,光敏单元尺寸可恨小,调制传递函数较高,光敏面积占总面积的比例小,帧转移三相面阵摄像器的原理结构图,26,1.,帧转移面阵,CCD,工作过程：,图像经物镜成像到成像区，在场正程期间（为光积分时间），成像区的某一相电极（如,ICR1,）加有适当的偏压（高电平），光生电荷将被收集到这些电极下方的势阱里，这样就将被摄光学图像变成了光积分电极下的电荷包图像，存储于成像区。,光积分周期结束，进入场逆程。在场逆程期间，加到成像区和存储区电极上的时钟脉冲将成像区所积累的信号电荷转移到暂存区。场逆程结束后又进入下一场的场正程时间。在场正程期间，成像区又进入光积分状态。暂存区与水平读出寄存器在场正程期间按行周期工作。,27,2.,隔列转移型面阵,CCD,28,2.,隔列转移型面阵,CCD,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之间又有转移控制栅。,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,CCD,称为隔列转移型,CCD,。,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。,29,3.,线转移型面阵,CCD,取消了存储区，多了一个线寻址电路。像敏单元一行行地紧密排列，很类似于帧转移型面阵,CCD,的光敏区，但它的每一行都有确定的地址，它没有水平读出寄存器，只有一个垂直放置的输出寄存器。,30,3.,线转移型面阵,CCD,当线寻址电路选中某一行像敏单元时，驱动脉冲将使该行的光生电荷包一位位地按箭头方向转移，并移入输出寄存器。输出寄存器在驱动脉冲的作用下使信号电荷包经输出放大器输出。根据不同的使用要求，线寻址电路发出不同的数码，就可以方面地选择扫描方式，实现逐行扫描或隔行扫描。也可只选择其中一行输出，使其工作在线阵,CCD,的状态。,特点,：有效光敏面积达，转移速度快，转移效率高，但其电路较复杂，使它的应用范围受到限制。,31,图像传感技术,9.1 CCD,图像传感器,9.2 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,9.3 CCD,与,CMOS,传感器的比较,9.4,图像测量技术,32,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。,33,CMOS,传感器结构与工作原理,根据像素的不同结构，,CMOS,图像传感器可以分为,(1),无源像素被动式传感器（,Passive,Pixel Sensor,PPS,）,(2),有源像素主动式传感器（,Active Pixel Sensor,APS,）根据光生电荷的不同产生方式，,APS,又分为,I,光敏二极管型,II,光栅型,III,对数响应型,34,CMOS,传感器结构与工作原理,CMOS,图像传感器芯片结构框图,CMOS,图像传感器像素阵列,35,CMOS,图像传感器的性能指标,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,。,1.,光谱性能与量子效率,取决于像敏单元（光敏二极管）。,36,CMOS,图像传感器的性能指标,1.,光谱性能与量子效率,器件的光谱响应特性与器件的量子效率受器件表面光反射、光干涉、光透过表面层的透过率的差异和光电子复合等因素影响，量子效率总是低于,100%,。此外，由于上述影响会随波长而变，所以量子效率也随波长变化。,2.,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。,37,CMOS,图像传感器的性能指标,3.,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。,4.,输出特性与动态范围,一般有,4,种输出模式：,(a),线性模式,(b),双斜率模式,(c),对数特性模式,(d),校正模式,它们的动态范围相差很大，特性也有较大区别。,38,CMOS,图像传感器的性能指标,5.,噪声,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,39,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，也可用做黑白成像器件。,40,典型,CMOS,图像传感器,特点：,(1),像素尺寸小,(2),填充因子大,(3),光谱响应范围宽,(4),量子效率高,(5),噪声等效光电流小,(6),无模糊（,Smear,）现象,(7),有抗晕能力,(8),可做取景控制,41,典型,CMOS,图像传感器,成像器件的原理结构,SXGA,图像传感器原理结构图,42,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。,43,典型,CMOS,图像传感器,SXGA,型,CMOS,成像器件输出放大器电路原理图,输出放大器,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,44,图像传感技术,9.1 CCD,图像传感器,9.2 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,9.3 CCD,与,CMOS,传感器的比较,9.4,图像测量技术,45,CCD,与,CMOS,传感器的比较,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。,46,CCD,与,CMOS,传感器的比较,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。,47,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，主要包括：,(1),灵敏度差异,由于,CMOS,传感器的每个像素由,4,个晶体管与一个光敏二极管构成,(,含放大器与,A/D,转换电路,),，使得每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积，因此在像素尺寸相同的情况，,CMOS,传感器的灵敏度要低于,CCD,传感器。,48,CCD,与,CMOS,传感器的比较,(2),成本差异,由于,CMOS,传感器采用一般半导体电路最常用的,CMOS,工艺，可轻易将周边电路集成到传感器芯片中，因此可节省外围芯片的成本。除此之外，由于,CCD,采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个像素不能运行，就会导致一整排的数据不能运行。因此，,CCD,传感器的成本要高于,CMOS,传感器。,49,CCD,与,CMOS,传感器的比较,(3),分辨率差异,CMOS,传感器的每个像素都比,CCD,传感器复杂，其像素尺寸很难达到,CCD,传感器的水平，因此，相同的,CCD,和,CMOS,传感器，,CCD,传感器的分辨率通常会优于,CMOS,传感器的水平。,50,CCD,与,CMOS,传感器的比较,(4),噪声差异,由于,CMOS,传感器的每个光敏二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的,CCD,传感器相比，,CMOS,传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。,51,CCD,与,CMOS,传感器的比较,(5),功耗差异,CMOS,传感器的图像采集方式为主动式，光敏二极管所产生的电荷直接由晶体管放大输出。但,CCD,传感器为被动式采集，需外加电压让每个像素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到,12-18V,。因此，,CCD,传感器除了在电源电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远高于,CMOS,传感器的水平。,52,CCD,与,CMOS,传感器的比较,总 结,均采用同样的硅材料制作，光谱相应特性和量子效率等基本相同，像敏单元尺寸和电荷的存储容量相近。,由于结构和工艺方法不同，,CCD,传感器在灵敏度、分辨率和噪声控制方面更佳；,CMOS,传感器则具有工艺方法简单、低成本、低功耗、功能多以及高整合度等特点。,随着技术进步，两者差异逐渐缩小。,CCD,传感器在功耗上改进，以应用于移动通信市场；,CMOS,传感器改善分辨率和灵敏度，以用于于更高端的图像产品。,53,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/m,2,),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,54,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,55,图像传感技术,9.1 CCD,图像传感器,9.2 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,9.3 CCD,与,CMOS,传感器的比较,9.4,图像测量技术,56,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。,57,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。,58,线扫描摄像测长系统,CCD,图像测量系统结构与测量原理,59,End,60,