图像传感器资料

*光电式带材跑偏检测器光电传感器带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品。当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。光电传感器的物理效应分类光电传感器光热效应光子效应外光电效应内光电效应光电发射效应光电管、光电倍增管光电导光敏电阻、光导管光生伏特光电池、光电二极管测辐射热热敏电阻、测辐射热计温差电热电，热电堆热释电热释电探测器金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hν足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应当光照射到物体上使物体向真空中发射电子当光照物体时，光电子不逸出体外的光电效应称为内光电效应光照使材料的电导率发生变化光照使材料产生产生光生电动势单个光子直接对产生光电子起作用的光电效应探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而把吸收的光能转变为晶格热运动，引起探测元件温度上升；温升使探测元件的电学性质发生变化1934年就成功地研制出光电摄像管（Iconoscope），用于室内外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10000lx的照度才能获得较为清晰的图像。使它的应用受到限制。1947年制出的超正析像管（ImaigeOrthico），它的灵敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。1954年投放市场的高灵敏视像管（Vidicon）基本具有了成本低，体积小，结构简单的特点，使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。图像传感器的发展历史1965年推出的氧化铅视像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，发展了彩色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展产生一次飞跃。诞生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色摄像机。然而，氧化铅视像管抗强光的能力低，余辉效应影响了它的采样速率。1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。1970年，美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD）的原理使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。图像传感器发展历史图像传感器固体：器件为固态器件,采用半导体工艺制成。（对比：真空成像器件采用真空玻璃壳中的靶进行图像转换）成像：利用半导体材料的光电效应，实现光电转换，通过驱动电信号实现光学图像的转换、信息存贮及按顺序输出，形成电子图像。（对比：真空成像器件采用电子束扫描方式）*图像传感器固体图像传感器的优点体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，可靠，寿命长；扫描线性，畸变小，重复性好，适用于尺寸测量、定位和图像传感等方面；光谱响应范围较广，从近紫外到近红外；空间分辨率高，像元间距的几何位置精确，可以获得很高的定位与测量精度；与微机接口容易实现。“CCD是数码相机的电子眼,它革新了摄影术。现在光可以被电子化记录,取代了胶片。这一数字形式极大地方便了对图像的处理和发送。无论是我们大海中深邃之地,还是宇宙中的遥远之处,它都能给我们带来水晶般清晰的影像”。CCD的发明者获得2009年诺贝尔奖1970年，Boyle(左)和Smith(右)在测试用最初状态的CCD元件组装的简易拍摄装置。1973年，仙童公司的产品，第一块商用CCD柯达的塞尚先生被尊为数码相机之父，而1975年，他的第一台电子相机使用的核心成像元件正是一块5万像素的仙童产CCD数码相机之父亲70年代末，RCA对天文拍摄用CCD的研究，使其得以因基特峰国家天文台的1米望远镜安装了其自产的320*512像元制冷CCD而名声大造天文摄影中，使用的大型CCD阵列，由多块不同尺寸，不同特性的CCD成像元件组成天文摄影用CCD成像设备拍摄的遥远的深空天体1981，索尼Mavica电子相机，数码单反的先驱光电器件-电荷耦合器件电荷耦合器件，又称CCD图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件；电荷耦合器件具有光电转换，信息存储、转移传输、处理以及电子快门等功能。特点：1.集成度高、尺寸小、电压低（DC-7～12V）功耗小。2.空间分辨率高，线阵分辨能力7μm，面阵分辨率在1000电视线以上；3.光电灵敏度高，可达0.01lx；动态范围大，信噪比60～70dB；4.可选模拟、数字不同输出形式，便于和计算机连机。电荷耦合器件CCDCCD技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域。电荷耦合器件基于CCD光电耦器件的输入设备有：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机等。高性能小容量廉价高容量专用显示系统控制器在线动态分析医学仪器低功耗空间设备汽车计算机显示生物科学光学显微镜可视电话玩具条形码识别电荷耦合器件图象传感器发展趋势CCD(ChargeCoupledDevice)电荷藕合器件图像传感器CCD，它集成在高感光度的半导体单晶材料上，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)互补金属氧化物半导体，它集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。CCDsensor放大A/D光子电子电压数字信号CMOS芯片可以在像素上同时完成这两个步骤CCD与CMOS的光电转换示意图：由上面两图可看出：CMOS和CCD最大的区别是CMOS的电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的CCD和CMOS的比较CCD的工作原理电荷注入电荷存储电荷耦合电荷输出表面沟道CCD电荷存贮位置体内沟道CCD半导体与绝缘体之间的界面电荷传输位置距半导体表面一定深度体内界面半导体内电荷耦合器件CCD实物图像?图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上成像原理如何准确地描述一幅图像成像原理感光芯片的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。成像原理实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换光电转换设备放大设备成像原理实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换CCDsensor后端电路成像原理实物图像光子模拟量（电压）电荷日光监视器CCDsensor相机后端电路模拟相机+监视器成像原理实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源PC模拟采集卡CCDsensor相机后端电路模拟相机+模拟采集卡成像原理实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源A/D转换CCDsensor相机后端电路PC数字采集卡数字相机+数字采集卡成像原理电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。CCD基本结构分两部分：MOS光敏元阵列；读出移位寄存器。CCD结构示意图显微镜下的MOS元表面CCD基本结构和工作原理结构CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器。这一装置能够完成光电转换。在P型单晶硅的衬底上做一层绝缘氧化膜，通过活化置换技术再在氧化膜表面做出许多排列整齐的可透光的电极，当光线通过时，氧化膜与P型单晶硅之间产生电荷，其电荷的数量与光照强度及照射时间成正比。光-电转换CCD单元的结构及电荷存储原理示意图平带条件下的能带Ec导带底能量Ei禁带中央能级Ef费米能级Ev价带顶能量平带条件：当MOS电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从体内到表面处是电中性的，因而能带(代表电子的能量)从表面到内部是平的。加上正电压MOS电容的能带(a)栅压UG较小时，MOS电容器处于耗尽状态。(b)栅压UG增大到开启电压Uth时,半导体表面的费米能级高于禁带中央能极,半导体表面上的电子层称为反型层。有信号电荷的势阱当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。一个MOS光敏元（金属—氧化物—半导体）当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下形成耗尽区。对电子而言是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，产生光生电子-空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而光电子被附近势阱俘获，此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。一个MOS光敏元结构电荷存储原理若在电极上施加一个适当的正电压，会形成电荷耗尽区，即能够吸引电子的势阱。电极上所加的电压越高，势阱越深，电荷留在阱内量越多。只要电压存在，电子就能储存在势阱里。当景物的光照射到CCD时，具有光敏特性的P型硅在光量子的激发下产生电子-空穴对，空穴移向衬底而消失，电子进入势阱并存储在那里。由于绝缘氧化物层使得电子不能穿过而到达电极，因此存贮在势阱里的电子形成了电荷包，其电荷量的多少与光照强度成正比，于是所有电极下的电荷包就组成了与景物相对应的电荷像。电荷储存这一过程存在着以下问题：当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出，溢出的电荷会跑到相邻的像素势阱里去。这样电荷的电量就不能如实反映原物。要避免这种情况发生的方法：A把桶做大些；B减少测量时间；C把装满水的桶倒出一些；D做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其它桶里。对应的方法：由此可见，增大像素尺寸是最简单有效的做法。水桶CCD芯片缺点把桶做大增大单位像素尺寸减少测量时间缩短曝光时间对于暗的部分曝光不足把满的水桶到出一些间歇开关时钟电压降低速度做个导流管溢出沟道和溢出门制作复杂，且还有缺陷一个MOS结构元为一个MOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金属电极加电压就形成成百上千个势阱，产生成百上千的电荷包；如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。当一个CCD芯片感光完毕后。每个像素所转换的电荷包，就按照一行的方向转移出CCD感光区域。为下一次感光释放空间。电荷转移在同一个像素区域，应该有电荷储存空间和用来转移的空间。这样才能顺利完成转移。势阱的深浅由电极上所加电压的大小决定。电荷在势阱内可以流动，它总是从相邻浅阱里流进深阱中，这种电荷流动称为电荷转移。若有规律改变电极电压，则势阱的深度就会随之变化，势阱内电荷就可以按人为确定的方向转移，直到最终由输出端输出。电荷转移分单相驱动、双相驱动、三相驱动及四相驱动等多种方式，除了电极构造及所加电压波形不同以外，其转移原理是一样的。四相驱动方式的驱动电路比较复杂，但相邻势阱的深度差较大，电荷的存贮量也大，容易实现隔行扫描，在专业级摄像机中应用较为广泛。四相驱动方式即将绝缘层上的电极按列的方式每四个分为一组，形成一个象素单元，每组电极分别加上不同的偏置电压，则在电极下绝缘膜与P型硅之间就产生不同深度的势阱，如果有规律地改变电极上的电压值，使势阱产生变化，就可以使电子定向移动，这也就是CCD的扫描读出原理。光敏元上的电荷还需经输出电路输出，而CCD电荷耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流作信号输出的。这个输出过程由移位寄存器完成.读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体底部覆盖一层遮光层，不接收光信号并防止外来光线干扰。读出移位寄存器结构由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；在三个电极上分别施加脉冲波Φ1Φ2Φ3，称三相时钟脉冲（有两相、四相）。电荷转移原理（读出移位寄存器）在各个势阱下施加一系列有规律变化的电压（驱动时序），就可以控制电极下电荷包的存储位置和移动方向。t=t1时刻，Φ1电极下出现势阱存入光电荷t=t2时刻，Φ1Φ2下两个势阱形成大势阱存入电荷t=t3时刻，Φ1中电荷全部转移至Φ2t=t4时刻，Φ2中电荷向Φ3势阱转移t=t5时刻，Φ3电荷向下一个Φ1势阱转移读出移位寄存器三相时钟脉冲电荷转移过程不同时刻势阱深度变化，使电荷按设计好的方向，在时钟脉冲控制下，电荷从寄存器的一端转移到另一端。这样一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过程，所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。电荷信息转移原理在CCD阵列的末端制作（扩散）一个N+区，形成反向偏置二极管，二极管反偏形成一个深势阱，收集信号电荷控制A点电位变化；转移栅φ3电极下的电荷包越过输出栅OG，流入势阱中，在输出极形成输出电流I0，输出电流在负载电阻RL上产生的电压与电荷成正比。扩散区收集的信号控制放大管VT2的电位，即控制输出电压信号输出方式光敏元曝光——金属电极加正向脉冲电压φp，光敏元吸收光生电荷，光积分时间（快门），积累很快结束；转移控制栅——转移脉冲φT打开转移控制栅，光敏元俘获的光生电荷经转移控制栅耦合到移位寄存器，转移栅立刻关闭；这是一并行输出过程；接着三个时钟脉冲Φ1Φ2Φ3工作，读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出信息，这一过程是一串行输出过程。单沟道CCD结构电荷输出控制波形2.电荷耦合器件的工作原理CCD光信息电脉冲脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置完成图像传感CCD的工作原理电荷注入电荷存储电荷耦合电荷输出基本功能：电荷的存贮和转移特点：以电荷作为信号CCD的工作过程1.有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转化为相应数量的电荷。CCD的工作过程2.这些电荷可以被储存起来。CCD的工作过程3.电荷可以被有秩序地转移出感光区域。CCD的工作过程3.电荷可以被有秩序地转移出感光区域。CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD；结构上有多种不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构CCD。CCD器件电荷耦合器件线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，加转移控制信号φT。1024位线阵，由1024个光敏元和1024个读出移位寄存器组成。单沟道CCD结构线阵CCD结构转移栅关闭时，光敏单元势阱收集光信号电荷，经过一定的积分时间，形成与空间分布的光强信号对应的信号电荷图像。积分周期结束时，转移栅打开，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器的相应单元中。转移栅关闭后，光敏单元开始对下一行图像信号进行积分。而已转移到移位寄存器内的上一行信号电荷，通过移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。64位线阵CCD结构线阵CCD传感器又分为单通道和双通道，双通道可以加速转换时间，提高分辨率线阵CCD线阵CCD结构单通道和双通道的电荷转移过程线型CCD传感器主要用于测试、传真、光学文字识别技术等。面型CCD主要用于摄象机及测量技术，结构上是把光敏元件排列成二维矩阵形式。面型CCD根据传输的读出结构有不同类型，基本构成有：线转移方式（由扫描、感光和输出寄存器组成）帧转送方式（FrameTransferCCD）行间转送方式（InterLineTransferCCD）面阵电荷耦合器（二维）帧转移结构由光敏元、存储器、输出移位寄存器三部分组成，视频信号整帧输出。结构简单。面阵电荷耦合器行间转移结构的光敏单元与寄存器交替排列，光积分后一次一行地输出，在输出端得到一行行视频信号。特点：结构简单，图象清晰质量高，是目前使用最多的一种结构。3CCD，就是一台摄像机使用了３片CCD,一片CCD接受每一种颜色并转换为电信号。而这三种颜色就是我们电视使用的三基色：红，绿，蓝三种颜色。由于一片CCD同时完成亮度信号和色度信号的转换，因此难免两全，使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平很的要求。为了解决这个问题，便出现了3CCD摄像机。面阵电荷耦合器2.FullframeSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayFullFrame2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerialRegisterOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayADC2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayADC2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameADCSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameADCSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayFrameTransfer3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayCCD器件的物理性能可以用特性参数来描述内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据；外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标，主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。CCD的特性参数CCD图像传感器的特性参数1.转移效率当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，则转移效率定义为若转移损耗定义为则电荷进行N次转移时，总转移效率为由于CCD中信号电荷需要经上百次转移，要求转移效率必须达到99.99％－99.999%2.分辨率是CCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。CCD图象传感器的分辨率用调制转移函数MTF表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调制转移函数MTF。光像的空间频率的单位用线对/毫米表示，一个线对是两个相邻光强度最大值之间的间隔。图像传感器电极的间隔用空间频率f0（单元数/毫米）表示。根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间频率f0的一半，即分辨率主要取决于感光单元之间的距离。4.灵敏度图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即用于测量CCD图象传感器的应用线阵CCD在扫描仪中的应用CCD图象传感器的应用线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描CCD图象传感器的应用线阵CCD用于字符识别CCD图象传感器的应用CCD图象传感器的应用CCD图象传感器的应用CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片CCD图象传感器的应用CCD数码摄像机　*　*