典型光电检测器件.pptx

1光电检测器件光电检测器件是利用物质的光电效应把是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件光信号转换成电信号的器件.光电检测器件分为两大类光电检测器件分为两大类:光子光子(光电子光电子)检测器件检测器件热电检测器件热电检测器件2光电效应光电效应光照射到物体表面上使物体发射电子、或导光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应电效应光电效应包括光电效应包括外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应3外光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物多发生于金属和金属氧化物内光电效应内光电效应：物体受到光照后所产生的光电：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部子只在物质内部而不会逸出物体外部多多发生在半导体发生在半导体内光电效应又分为内光电效应又分为光电导光电导效应和效应和光生伏特光生伏特效效应应42 2、外光电元件、外光电元件紫外管紫外管 当入射紫外线当入射紫外线照射在紫外管阴极照射在紫外管阴极板上时，电子克服板上时，电子克服金属表面对它的束金属表面对它的束缚而逸出金属表面，缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫形成电子发射。紫外管多用于紫外线外管多用于紫外线测量、火焰监测等。测量、火焰监测等。紫外线紫外线5n光电管光电管 光电管的阴极受光电管的阴极受到从光窗透进的光照到从光窗透进的光照射后，向真空发射光射后，向真空发射光电子，这些光电子向电子，这些光电子向阳极作加速运动，形阳极作加速运动，形成空间电子流，光电成空间电子流，光电流的数值取决于阴极流的数值取决于阴极的灵敏度与光强。停的灵敏度与光强。停止光照，外电路将无止光照，外电路将无电流输出。电流输出。AKAK6K为光电阴极为光电阴极,A为光电阳极；为光电阳极；D1、D2、D3等若干个光电倍增极等若干个光电倍增极(又称二次发射极又称二次发射极)，涂有光敏物质。，涂有光敏物质。光电倍增管光电倍增管 光电倍增管的光电倍增管的电流是逐级增加电流是逐级增加的。由于光电倍的。由于光电倍增管具有放大作增管具有放大作用，因此适用做用，因此适用做灵敏的弱光探测灵敏的弱光探测器。器。72、内光电效应内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为变化，或产生光生电动势的现象。分为光光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。8光敏电阻：当光敏电阻受到光照时，光敏电阻：当光敏电阻受到光照时，阻值减小。阻值减小。9大面积光电池大面积光电池10红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形 红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管11光热效应光热效应光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化变化热释电效应热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象化，引起电荷表面电荷变化的现象辐射热计效应辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象而造成电阻率变化的现象温差电效应温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流而在两结点间产生电动势，回路中产生电流1213光电检测器件光电检测器件光子器件光子器件光子器件光子器件热电器件热电器件热电器件热电器件真空器件真空器件真空器件真空器件固体器件固体器件固体器件固体器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管真空摄像管真空摄像管变像管变像管像增强管像增强管光敏电阻光敏电阻光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管光纤传感器光纤传感器电荷耦合器件电荷耦合器件CCD CMOS热电偶热电偶/热电堆热电堆热辐射计热辐射计/热敏电热敏电阻阻热释电探测器热释电探测器14CCD-Charge Coupled DeviceCMOS-Complementary Metal-Oxide SemiconductorCIS（接触式图像传感器）（接触式图像传感器）典型的光电探测器典型的光电探测器15提到提到CCDCCD与与CMOSCMOS，不得不说到数码相机。，不得不说到数码相机。与传统相机相比，传统相机使用与传统相机相比，传统相机使用“胶卷胶卷”作为其作为其记录资讯的载体，而记录资讯的载体，而数码数码相机的相机的“胶卷胶卷”就是其就是其成像感光器件，而且是与相机一体的，是数码相成像感光器件，而且是与相机一体的，是数码相机的心脏。机的心脏。感光器是数码相机的核心，也是最关键的技术。感光器是数码相机的核心，也是最关键的技术。数码相机的发展道路，可以说就是感光器的发展数码相机的发展道路，可以说就是感光器的发展道路。道路。目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的泛使用的CCDCCD（电荷耦合）元件；另一种是（电荷耦合）元件；另一种是CMOSCMOS（互补金属氧化物半导体）器件。（互补金属氧化物半导体）器件。16数码相机数码相机 vs vs 胶卷式相机胶卷式相机1.1.经过镜头光聚焦在经过镜头光聚焦在CCDCCD（CMOSCMOS）上）上 2.CCD2.CCD（CMOSCMOS）将光转）将光转换成电信号换成电信号 3.3.经处理器加工，记经处理器加工，记录在记忆体上录在记忆体上4.4.显示器输出或显示器输出或打印打印1.1.经过镜头光聚焦在经过镜头光聚焦在胶片上胶片上2.2.胶片上的感光剂随胶片上的感光剂随光发生化学变化光发生化学变化 3.3.变化了的感光剂胶变化了的感光剂胶片经显影液显像片经显影液显像 4.4.呈现在相纸上呈现在相纸上17相机相机(成像成像)原理原理18192021数码相机的视网膜数码相机的视网膜CCD（Charge Coupled Device）电荷电荷耦合元件耦合元件CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）互补性氧化金属半导体互补性氧化金属半导体 可记录光线变化的半导体可记录光线变化的半导体22CCD-Charge Coupled Device，电荷电荷耦合元件耦合元件C C上感光元件的表面具有储存电荷的能力上感光元件的表面具有储存电荷的能力，以百万像素以百万像素megapixel 为单位为单位。光电转换光电转换当其表面感受到光线时，会将电荷反当其表面感受到光线时，会将电荷反应在元件上应在元件上 23电电荷荷耦耦合合器器件件（Charge Charge Couple Couple DeviceDevice）是是一一种种大大规规模模金金属属氧氧化化物物半半导导体体（MOSMOS）集集成成电电路路光光电电器器件件。它它以以电电荷荷为为信信号号，具具有有光光电电信信号号转转换换、存存储储、转移转移和和读出信号电荷读出信号电荷的功能。的功能。CCDCCD自自19701970年年问问世世以以来来，由由于于其其独独特特的的性性能能而而发发展展迅迅速速，广广泛泛应应用用于于航航天天、遥遥感感、工工业业、农农业业、天天文文及及通通讯讯等等军军用用及及民民用用领领域域信信息息存存储储及及信信息息处处理理等等方方面，尤其适用以上领域中的图像获取。面，尤其适用以上领域中的图像获取。24251.CCD1.CCD的结构及工作原理的结构及工作原理CCDCCD是是由由若若干干个个电电荷荷耦耦合合单单元元组组成成的的。其其基基本本单单元元是是MOSMOS（金金属属-氧氧化化物物-半半导导体体）电电容容器器。它它以以P P型型（或或N N型型）半半导导体体为为衬衬底底，上上面面覆覆盖盖一一层层厚厚度度约约120 120 nmnm的的SiOSiO2 2，再再在在SiOSiO2 2表表面面依依次次沉沉积积一一层层金金属属电电极极而而构构成成MOSMOS电电容容转转移移器器件件。这这样样一一个个MOSMOS结结构构称称为为一一个个光光敏敏元元或或一一个个像像素素。将将MOSMOS阵阵列加上输入、列加上输入、输出结构就构成了输出结构就构成了CCDCCD器件。器件。2627CCDCCD的突出特点的突出特点：是以：是以电荷电荷作为信号，而作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。压为信号。它将它将光敏二极管阵列光敏二极管阵列和和读出移位寄存器读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图集成为一体，构成具有自扫描功能的图像传感器。是一种金属氧化物半导体像传感器。是一种金属氧化物半导体（MOSMOS）集成电路器件）集成电路器件,基本功能是进行基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。28主要由三部分组成：主要由三部分组成：信号输入、电荷信号输入、电荷转移、信号输出。转移、信号输出。输入部分：将信号电荷引入到的第一输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中，称为个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入电荷注入。光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射入二极管。当光照射CCDCCD硅片时，在栅极附硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子近的半导体体内产生电子空穴对，其多空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。被收集在势阱中形成信号电荷。的工作原理的工作原理29在栅极上施加按一定规律变化、大小在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同不同深浅的势阱深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。频信号。为了实现电荷的定向转移，在为了实现电荷的定向转移，在CCDCCD的的MOSMOS阵列阵列上划分成以几个相邻上划分成以几个相邻MOSMOS电荷为一单元的循电荷为一单元的循环结构。一位环结构。一位CCDCCD中含的中含的MOSMOS个数即为个数即为CCDCCD的的像素。像素。30A A、势阱的产生、势阱的产生 MOSMOS的金属电极加正压，电极下的的金属电极加正压，电极下的P P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于于U U的大小。的大小。31B B、电荷的存储、电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能，势阱内所势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。光强成正比。CCDCCD器件将物体的光像形成对应的电器件将物体的光像形成对应的电像时，就是像时，就是CCDCCD器件中上千个相互独立的器件中上千个相互独立的MOSMOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量。单元势阱中存储与光像对应的电荷量。32C C、电荷的输出、电荷的输出在输出端在输出端P P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在加反压，在PNPN结形成耗尽层。输出栅结形成耗尽层。输出栅OGOG加压使电荷加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。正比，通过负载变为电压输出。33势阱的概念势阱的概念0481216UG=5VUG=10VUG=15VUG10V10V空势空势阱阱填充填充1/3的势的势阱阱全满势阱全满势阱lMOS电容存储信号电荷的容量电容存储信号电荷的容量 Q=COX UG A34电荷耦合电荷耦合三相三相CCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程2V 10V2V2V存有电荷的势阱存有电荷的势阱352V 10V 210V2V新势阱新势阱l三相三相CCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程362V 10V10V2Vl三相三相CCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程372V 102V10V2V电荷移动电荷移动l三相三相CCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程382V 2V10V2Vl三相三相CCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程39l三相三相CCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程2V10V 110V2V 210V2V 340CCD的特点体积小，可靠性高，寿命长。体积小，可靠性高，寿命长。空间分辨率高，可以获得很高的定位和测量精度。空间分辨率高，可以获得很高的定位和测量精度。灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高 。高速扫描，基本上不保留残象高速扫描，基本上不保留残象集成度高集成度高可用于非接触精密尺寸测量系统。可用于非接触精密尺寸测量系统。无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。有数字扫描能力。像元的位置可由数字代码确定，便有数字扫描能力。像元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。于与计算机结合接口。41CCDCCD的特性参数的特性参数像素数量，像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等尺寸，最低照度，信噪比等像素数像素数是指是指CCD上感光元件的数量。上感光元件的数量。4444万万（768*576768*576）、）、100100万（万（1024*10241024*1024）、）、200200万万（1600*12001600*1200）、）、600600万（万（2832*21282832*2128）信噪比信噪比：典型值为：典型值为46分贝分贝感光范围感光范围 可见光、红外可见光、红外42的类型线阵线阵：光敏元排列为一行的称为线阵，：光敏元排列为一行的称为线阵，像元数从像元数从128128位至位至50005000位位不等，由于生产厂家不等，由于生产厂家像元数的不同，市场上有数十种型号的器件可像元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。供选用。面阵面阵CCDCCD：器件像元排列为一平面，它包含若：器件像元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。干行和列的结合。目前达到实用阶段的像元数由目前达到实用阶段的像元数由2525万至数百万万至数百万个个不等，按照片子的尺寸不同有不等，按照片子的尺寸不同有1 13 3英寸、英寸、l l2 2英寸、英寸、2 23 3英寸以至英寸以至1 1英寸之分。英寸之分。43线阵线阵CCDCCD：一行，扫描；体积小，价格低；：一行，扫描；体积小，价格低；面阵面阵CCDCCD:整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积大；44线阵线阵CCD每次只拍摄图像的一条线，这种每次只拍摄图像的一条线，这种CCDCCD精度高，精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。法使用闪光灯。传真机或扫描仪用的线性传真机或扫描仪用的线性CCDCCD每次捕捉一细每次捕捉一细长条的光影长条的光影 45其他其他CCD柯达柯达 DSCDSC系列系列46彩彩色色CCDCCD CCD 的像素本身只会的像素本身只会对光的强度有反应对光的强度有反应，对光的色彩则完全没有对光的色彩则完全没有分辨能力，所以单分辨能力，所以单纯纯 CCD CCD 本身，只能拍得本身，只能拍得灰度的影像。灰度的影像。如果要拍到彩色的影像，便要在如果要拍到彩色的影像，便要在 CCD CCD 的每的每一个一个像素前加上三原色的滤镜，使每一个像素前加上三原色的滤镜，使每一个光电体也只能接收和量度其中一种原色的光电体也只能接收和量度其中一种原色的光度强弱：光度强弱：R R 滤镜可让红光通过；滤镜可让红光通过；G G 滤镜滤镜只让绿光通过；只让绿光通过；B B 滤镜则只准蓝光通过。滤镜则只准蓝光通过。47CCD CCD 的三层结构：的三层结构：上：增光镜片上：增光镜片中：色块网格中：色块网格下：感应线路下：感应线路 48面阵面阵CCD处理色彩方法有二种：处理色彩方法有二种：1、G-R-G-B（红、绿、红、绿）（红、绿、红、绿）2、C-Y-G-M(青一黄一绿一洋红青一黄一绿一洋红)49CCD 分别获得了影像的三原色光度数据，分别获得了影像的三原色光度数据，但每格像素也只记录著其中一种原色的讯但每格像素也只记录著其中一种原色的讯号，所以要靠相机内的彩色插值系统，号，所以要靠相机内的彩色插值系统，利用旁边其他的像素，为每个原色像素计利用旁边其他的像素，为每个原色像素计算出其余两色的资料算出其余两色的资料。50光敏元件光敏元件放大器放大器A/D转换器转换器存储器存储器数字信号处理器数字信号处理器计算机接口电路计算机接口电路CMOS图像传感器图像传感器二、二、CMOS图像传感器图像传感器 结构简单结构简单处理功能多处理功能多成品率高成品率高价格低廉价格低廉特点特点1969年年（Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS）51SEMImaging System Pipeline52图像传感器从目标光通量到输出电压的信号路径。图像传感器从目标光通量到输出电压的信号路径。这种变换接近线性的，并且由三个主要的参数控制，这种变换接近线性的，并且由三个主要的参数控制，即外量子效率、积分时间（即外量子效率、积分时间（t）和转化增益。）和转化增益。53CMOS（互补金属氧化物半导体互补金属氧化物半导体）图像传感图像传感器出现于器出现于1969年年,它是一种用传统的芯片工它是一种用传统的芯片工艺方法将艺方法将光敏元件光敏元件、放大器放大器、A/D转换器转换器、存储器存储器、数字信号处理器数字信号处理器和和计算机接口电路计算机接口电路等等集成在一块硅片上的图像传感器件，它结构简集成在一块硅片上的图像传感器件，它结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。广泛的应用前景。541、CMOS传感器原理5556572、CMOS传感器特性传感器特性（1）光照特性）光照特性 CMOS传感器的主要应用也是图像的采集，也要传感器的主要应用也是图像的采集，也要求能够适应更宽的光照范围。因此也必须采用非线性求能够适应更宽的光照范围。因此也必须采用非线性的处理方法和自动调整曝光时间与自动增益等处理方的处理方法和自动调整曝光时间与自动增益等处理方法。法。结果与结果与CCD相机一样损失了光电转换的线性，正相机一样损失了光电转换的线性，正因为此项，它也受限于灰度的测量。因为此项，它也受限于灰度的测量。58（2）输出特性）输出特性 CMOS图像传感器的突出优点在于输出特性，它图像传感器的突出优点在于输出特性，它可以部分输出任意区域范围内的图像可以部分输出任意区域范围内的图像。（并非所有。（并非所有CMOS传感器都具有这个功能）。传感器都具有这个功能）。这个特性在跟踪、寻的、搜索及室外拍照等的应这个特性在跟踪、寻的、搜索及室外拍照等的应用前景非常之好。也是用前景非常之好。也是CCD传感器所无法办到的。传感器所无法办到的。59（3）光谱响应）光谱响应 光谱响应受半导体材料限制，同种硅材料的光谱光谱响应受半导体材料限制，同种硅材料的光谱响应基本一致，响应基本一致，与与CCD的光谱响应基本一致的光谱响应基本一致。（4）光敏单元的不均匀性）光敏单元的不均匀性 光敏单元的不均匀性是光敏单元的不均匀性是CMOS图像传感器的弱项，图像传感器的弱项，因为它的光敏单元不像因为它的光敏单元不像CCD那样严格的在同一硅片上那样严格的在同一硅片上用同样的制造工艺严格制造，因此远不如用同样的制造工艺严格制造，因此远不如CCD的光敏的光敏单元的一致性好，但是它内部集成单元多，处理能力单元的一致性好，但是它内部集成单元多，处理能力强能够弥补这个缺陷。强能够弥补这个缺陷。60一种一种集成集成电路制程电路制程，可在硅晶圆上制，可在硅晶圆上制作出作出PMOSPMOS（P-channel MOSFETP-channel MOSFET）和）和NMOSNMOS（N-channel MOSFETN-channel MOSFET）元件，由）元件，由于于PMOSPMOS与与NMOSNMOS在特性上为在特性上为互补性互补性，因，因此称为此称为CMOSCMOS。CMOSCMOS具有只有在电晶体需要具有只有在电晶体需要切换启动切换启动时时才需才需耗能耗能的优点，因此非常的优点，因此非常省电省电且且发热少发热少。61CMOS图像传感器图像传感器CMOS分为两种分为两种：Passive Pixel Sensor -PPSActive Pixel Sensor -APS62CMOS成像器件的像敏单元结构成像器件的像敏单元结构 像敏单元结构指每个成像单元的电路结构，像敏单元结构指每个成像单元的电路结构，是是CMOS图像传感器的核心组件。图像传感器的核心组件。像敏单元结构有两种类型，即：像敏单元结构有两种类型，即：被动像敏单元结构被动像敏单元结构-PPS主动像敏单元结构主动像敏单元结构-APS63PPS的像素包括一个光敏二极管和一个行选择的像素包括一个光敏二极管和一个行选择MOS管。管。PPS(Passive Pixel Sensor)读取器以错列读取器以错列“旋转快门旋转快门”的方式每次执行一行。的方式每次执行一行。64在积分结束时，电荷经由列阵的电荷在积分结束时，电荷经由列阵的电荷/电压电压放大器读取。然后行阵中的放大器和光敏放大器读取。然后行阵中的放大器和光敏二极管在下行读出开始之前重置。二极管在下行读出开始之前重置。PPS的主要的优势是它较小的像素尺寸。的主要的优势是它较小的像素尺寸。缺点：其列读取器读取速度很慢，并且缺点：其列读取器读取速度很慢，并且容易受到噪声和干扰的影响。容易受到噪声和干扰的影响。65APS(Active Pixel Sensor)漏极跟随器漏极跟随器T2复位管复位管T1选通管选通管T3FD(Floating Diffusion)663-T APS的像素的像素场效应管场效应管T1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲到来时，信号线上，当复位脉冲到来时，T1导通，光电二极管被导通，光电二极管被瞬时复位；瞬时复位；复位晶体管复位晶体管源极跟随器晶体管源极跟随器晶体管行选择晶体管行选择晶体管而当复位脉冲消失后，而当复位脉冲消失后，T1截止，光电二极管开始积分光信截止，光电二极管开始积分光信号。号。T2为源极跟随器，它将光电二极管的高阻抗输出信号为源极跟随器，它将光电二极管的高阻抗输出信号进行电流放大。进行电流放大。T3用做选址模拟开关，当选通脉冲到来时，用做选址模拟开关，当选通脉冲到来时，T3导通，使导通，使被放大的光电信号输送到列总线上。被放大的光电信号输送到列总线上。67而而4-T APS结构使用了一个铰接二极管，它较结构使用了一个铰接二极管，它较3-T APS的的像素的基本结构增加了一个传输门和一个悬浮式的扩散像素的基本结构增加了一个传输门和一个悬浮式的扩散（FD）节点。）节点。在积分结束时，光敏二极管上的积聚电荷被转移到在积分结束时，光敏二极管上的积聚电荷被转移到FD节点。然后被转移的电荷与节点。然后被转移的电荷与3-T结构一样以电压的方结构一样以电压的方式读取。式读取。光栅型有源像素结构光栅型有源像素结构68Passive Pixel Sensor由由单个单个MOS管构成列的选择开关管构成列的选择开关，让位于，让位于每一行末端的放大器，能够读取行、列交每一行末端的放大器，能够读取行、列交会处的画素所积存的电子讯号。会处的画素所积存的电子讯号。优点：优点：电路简单，不会占掉太多感光面积而影响电路简单，不会占掉太多感光面积而影响到感测器的灵敏度（到感测器的灵敏度（sensitivity），），缺点：缺点：讯号输出线路阻抗高，容易产生随机噪声讯号输出线路阻抗高，容易产生随机噪声（random noise），使影像品质不佳。），使影像品质不佳。69PPS70Active Pixel Sensor电路是由二个或二个以上的电路是由二个或二个以上的MOS管构成具有放大管构成具有放大功能的放大器。电荷信号在像素所在的地方，即功能的放大器。电荷信号在像素所在的地方，即被放大器转换成电压信号，同时被放大后输出至被放大器转换成电压信号，同时被放大后输出至器件外部。器件外部。解决了随机噪声的问题。不过由于放大器的线路解决了随机噪声的问题。不过由于放大器的线路会占用像素的感光面积，使器件的灵敏度降低；会占用像素的感光面积，使器件的灵敏度降低；另外，像素上的另外，像素上的放大器放大器特性特性不容易做得严格一致不容易做得严格一致，因此会产生所谓的固定图案噪声（因此会产生所谓的固定图案噪声（fixed pattern noise），时下大部分产品所用的），时下大部分产品所用的CMOS 为为Active Pixel Sensor。71APS72Canon EOS 350D 数码相机数码相机上上 CMOS 元件元件 73CCD 与与 CMOS 感光元件结构感光元件结构所所 有有 CMOS CCD 阵阵 列列 晶晶 片片 都都 安安 装装 了了 红红 外外 线线 滤滤 光光 镜镜 74CCD 与与 CMOS 感光元件结构透视感光元件结构透视CCD/CMOS 分分 为为 三三 个个 区区 域域，一一 个个 资资 料料 集集 结结 区区，一一 条条 私私 家家 通通 路路，一一 条条 公公 家家 通通 路路 75在在 资资 料料 集集 结结 区区 之之 上上 有有 一一 块块 聚聚 焦焦 透镜透镜 76影影 像像 聚聚 焦焦 在在 资资 料料 集集 结结 区区 之之 后后，资资 料料 会会 先先 送送 到到 私私 家家 通通 路路 77再再 由由 私私 家家 通通 路路 送送 到到 公公 家家 通通 路路，输输 送送 至至 CPU 作作 运运 算算 影影 像像 78CCD vs CMOSCCD、CMOS图像传感器都是利用硅光二图像传感器都是利用硅光二极管（极管（photo-diode）进行光、电的转换）进行光、电的转换。在相同解析度下，在相同解析度下，CMOS价格比价格比CCD便宜，便宜，但是但是CMOS器件产生的图像品质相比器件产生的图像品质相比CCD来说要低一些。来说要低一些。79先天构造不同两种图像传感器也有不同特点先天构造不同两种图像传感器也有不同特点CCDCCD：在信号处理的技术上，是在快门关闭之后：在信号处理的技术上，是在快门关闭之后 像素进行转移动作，能顺序地将每个像素像素进行转移动作，能顺序地将每个像素 的电荷信号传入缓冲器中，并由底端的线的电荷信号传入缓冲器中，并由底端的线 路输出至路输出至CCDCCD旁的放大器进行放大，串行由旁的放大器进行放大，串行由 ADC ADC输出；图像处理过程较为复杂。输出；图像处理过程较为复杂。CMOSCMOS：影像处理概念就比较简单，是以像素连：影像处理概念就比较简单，是以像素连 接到接到ADCADC，光电转化后直接将信号放大，光电转化后直接将信号放大，再经由总线移动至再经由总线移动至ADCADC中转换成数字信号。中转换成数字信号。80CMOS制程、量产良品率上优于制程、量产良品率上优于CCD与与CCD相比之下，相比之下，CMOS属于半导体中常用的属于半导体中常用的CMOS制程，制程，容易实现容易实现逻辑电路在内的逻辑电路在内的SoC技术，技术，CCD则是采用电荷传递的方式输出信号，需要较则是采用电荷传递的方式输出信号，需要较为复杂的制造工艺为复杂的制造工艺。CCD有较好的感光度及画质解析度有较好的感光度及画质解析度 CMOS特性，因为在每一个画素中都含有个特性，因为在每一个画素中都含有个A/D转换电路（转换电路（A/D Converter）及）及ADC放大器，放大器，因此，便影响到像素感光区域表面积的大小，如因此，便影响到像素感光区域表面积的大小，如果以同样尺寸的传感器、大小一样的像素，果以同样尺寸的传感器、大小一样的像素，CCD感光度就优于感光度就优于CMOS表现。表现。81噪声干扰是噪声干扰是CMOS最大缺点最大缺点，CCD耗电量耗电量还须努力还须努力 CMOS所产生的噪声比较多，影像画面效所产生的噪声比较多，影像画面效果就稍差一些。果就稍差一些。CCD电源设计是属于被动输出电压方式，电源设计是属于被动输出电压方式，为了使像素中电荷能在平顺移动的状态下为了使像素中电荷能在平顺移动的状态下能让图像顺利输出，必须要外加能让图像顺利输出，必须要外加12伏特伏特（V）以上的电压）以上的电压 82CCDCCDCMOSCMOS设计设计单一感光器单一感光器感光器连结放大器感光器连结放大器灵敏度灵敏度同样面积下较高同样面积下较高稍低稍低成本成本较高较高低低解析度解析度高高传统传统技技术术低，新的低，新的技技术摆脱面积术摆脱面积限制限制噪声噪声单一放大器主控单一放大器主控-低低多元放大器，误差多元放大器，误差大大-高高耗能比耗能比需外加电压导出电需外加电压导出电荷荷-高高低低83CMOS CMOS 与与 CCD CCD 技技 术术 相相 比比 之之 下下 ，有几有几方面是方面是十分出色十分出色的的 。1.1.低耗电量使电池使用时间增长低耗电量使电池使用时间增长 2.2.低热量可增长曝光时间，同时可使低热量可增长曝光时间，同时可使 电子组件损耗减低电子组件损耗减低 3.3.内置感测快门可处理动态影像内置感测快门可处理动态影像 4.4.摄取速度较摄取速度较CCDCCD快快 84对于对于CMOS来说，具来说，具大规模生产大规模生产，且速，且速度度快快、成本较低成本较低，CCD的停滞不前相比的停滞不前相比CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃的活作为新生事物而展示出了蓬勃的活力。力。作为典型的图像传感器，作为典型的图像传感器，CMOS以已经有以已经有逐渐取代逐渐取代CCD的趋势，并有希望在不久的的趋势，并有希望在不久的将来成为主流的图像传感器。将来成为主流的图像传感器。85长线阵长线阵CIS（接触式图像传感器）（接触式图像传感器）由于技术上的限制，由于技术上的限制，CCD无法采集超大幅的图像。无法采集超大幅的图像。而而CIS相机可以非常方便在应用于超大幅图像的相机可以非常方便在应用于超大幅图像的采集。该相机为独立的组件模块，可方便地应用采集。该相机为独立的组件模块，可方便地应用于各种图像扫描采集系统。于各种图像扫描采集系统。CIS是一种基于是一种基于CMOS技术的传感器，由于结构技术的传感器，由于结构关系，关系，CIS技术通常只用于扫描仪。技术通常只用于扫描仪。CIS扫描仪扫描仪将光源、聚焦镜片及感应器一同固定于一个外罩将光源、聚焦镜片及感应器一同固定于一个外罩内，不须调节、预热，所以比内，不须调节、预热，所以比CCD扫描仪起动快。扫描仪起动快。CIS扫描仪体积比扫描仪体积比CCD扫描仪更小，而制造成本扫描仪更小，而制造成本也更少。也更少。86产品指标：产品指标：相机尺寸：相机尺寸：700100200 mm像元数：像元数：9500位位像元密度：像元密度：16位位/mm分辨率：分辨率：400dpi扫描范围：扫描范围：650mm扫描速度：扫描速度：0.6ms/line输出接口：输出接口：CameraLink接口接口87PMTPMT是最早出现的图像传感器，从五十年代发展是最早出现的图像传感器，从五十年代发展到现在，技术已经非常到现在，技术已经非常成熟成熟，是目前，是目前性能最好性能最好的的传感器。它就像一个圆柱体小灯泡，直径约一寸，传感器。它就像一个圆柱体小灯泡，直径约一寸，长度约二寸；内置多个电极，将进入的光信号转长度约二寸；内置多个电极，将进入的光信号转化为电信号，即使很微弱的光线也可准确补捉。化为电信号，即使很微弱的光线也可准确补捉。其最高动态范围可达其最高动态范围可达4.2，相对于其它类型只能，相对于其它类型只能达到达到3.2-3.6的传感器，的传感器，PMT要胜出不少；而且要胜出不少；而且它非常它非常耐用耐用，可以运作，可以运作十万小时以上十万小时以上。但是由于。但是由于其其造价相当高造价相当高，只能应用于，只能应用于专业的印刷、出版业专业的印刷、出版业扫描仪及工程分析仪扫描仪及工程分析仪等。等。88类似小灯泡的传感器类似小灯泡的传感器“PMT”89超大像素相机超大像素相机 相机的发展现状：相机的发展现状：2000万像素？万像素？90美国国家航空航天局（美国国家航空航天局（NASA）特别研制的一部）特别研制的一部相机，通过相机，通过线性线性CCD扫描扫描实现超高的实现超高的8800044000分辨率照片，像素高达近分辨率照片，像素高达近40亿，亿，未压缩的原文件大小达未压缩的原文件大小达24G。91929394959697