圖像傳感器總結課件.ppt

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1、第5章圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器5.2CMOS圖像傳感器5.3CCD和CMOS圖像傳感器應用實例5.4實訓5.1CCD圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice）圖像傳感器由CCD電荷耦合器件制成，是固態(tài)圖像傳感器的一種，是貝爾實驗室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的新型半導體傳感器。它是在MOS集成電路基礎上發(fā)展起來的，能進行圖像信息光電轉換、存儲、延時和按順序傳送。它的集成度高、功耗小、結構簡單、耐沖擊、壽命長、性能穩(wěn)定，因而被廣泛應用。5.1.1CCD電荷耦合器件CCD電荷耦合

2、器件是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導體）電容器組成的陣列，其構造如圖5-1所示。圖5-1CCD電荷耦合器件在P型或N型硅襯底上生長一層很?。s1200A）的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅形成電極，稱為柵極。該柵極和P型或N型硅襯底形成了規(guī)則的MOS電容器陣列。加上兩端的輸入及輸出二極管構成了CCD電荷耦合器件芯片。每一個MOS電容器實際上就是一個光敏元件。當光照射到MOS電容器的P型硅襯底上時，會產生電子空穴對（光生電荷），電子被柵極吸引存儲在陷阱中。入射光強，則光生電荷多，入射光弱，則光生電

3、荷少。無光照的MOS電容器則無光生電荷。若停止光照，由于陷阱的作用，電荷在一定時間內也不會消失，可實現對光照的記憶。MOS電容器可以被設計成線陣或面陣。一維的線陣接收一條光線的照射。二維的面陣接收一個平面的光線的照射。CCD攝像機、照相機光電轉換如圖5-2所示。景物CCD面陣存儲顯示透鏡濾光片放大器圖5-2面陣MOS電容器的光電轉換CCD電荷耦合器件的集成度很高，在一塊硅片上制造了緊密排列的許多MOS電容器光敏元件。線陣的光敏元件數目從256個到4096個或更多。面陣的光敏元件的數目可以是500×500個（25萬個），甚至20

4、48×2048個（約400萬個）以上，現在已出現1200萬以上的面陣。在CCD芯片上同時集成有掃描電路，它們能在外加時鐘脈沖的控制下，產生三相時序脈沖信號，由左到右，由上到下，將存儲在整個面陣的光敏元件下面的電荷逐位、逐行快速地以串行模擬脈沖信號輸出。5.1.2CCD圖像傳感器MOS電容器實質上是一種光敏元件與移位寄存器合而為一的結構，稱為光積蓄式結構，這種結構最簡單。但是因光生電荷的積蓄時間比轉移時間長得多，所以再生圖像往往產生“拖尾”，圖像容易模糊不清。另外，直接采用MOS電容器感光雖然有不少優(yōu)點，但它對藍光的透過率差，靈

5、敏度低?，F在更多地在CCD圖像傳感器上使用的是：光敏元件與移位寄存器分離式的結構，如圖5-3所示。(a)單讀示（b）雙讀示圖5-3光敏元件與移位寄存器分離式結構采用光敏二極管陣列作為感光元件，在受到光照時，產生相應于入射光量的電荷。經過電注入法將這些電荷引入CCD電容器陣列的陷阱中，成為用光敏二極管感光的CCD圖像傳感器。特點是靈敏度極高，在低照度下也能獲得清晰的圖像，在強光下也不會燒傷感光面。CCD電容器陣列只起移位寄存器作用。圖5-4為分離式的2048位MOS電容器線陣CCD電荷耦合器件示意圖。模擬信號傳輸移位寄存器奇數傳

6、輸門偶數傳輸門模擬信號傳輸移位寄存器視頻信號放大器視頻輸出信號GND時鐘信號+Ucc20482047光電元件陣列21圖5-4分離式2048位線陣CCD內部框圖圖5-4中移位寄存器被分別配置在光敏元件線陣的兩側，奇、偶數號位的光敏元件分別與兩側的移位寄存器的相應小單元對應。這種結構為雙讀式結構，它與長度相同的分離式相比較，可以獲得高出兩倍的分辨率。因為CCD移位寄存器的級數僅為光敏單元數的一半，可以使CCD特有的電荷轉移損失大為減少，較好地解決了因轉移損失造成的分辨率降低的問題。面陣固態(tài)圖像傳感器由雙讀式結構線陣構成，它有多種類

7、型。常見的有行轉移（LT）、幀轉移（FT）和行間轉移（ILT）方式。5.1.3CCD圖像傳感器的應用CCD電荷耦合器件單位面積光敏元件位數很多、一個光敏元件形成一個像素，成像分辨率高、信噪比大、動態(tài)范圍大，可以在微光下工作。彩色圖像傳感器采用三個光敏二極管組成一個像素的方法。被測景物的圖像的每一個光點由彩色矩陣濾光片分解為紅、綠、藍三個光點，分別照射到每一個像素的三個光敏二極管上，各自產生的光生電荷分別代表該像素的紅、綠、藍三個光點的亮度。經輸出和傳輸后，可在顯示器上重新組合，顯示出每一個像素的原始彩色。固態(tài)圖像傳感器輸出信號

8、特點：(1)與光像位置對應的時間先后性，即能輸出時間系列信號；(2)串行的各個脈沖可以表示不同信號，即能輸出模擬信號；(3)能夠精確反映焦點面信息，即能輸出焦點面信號。將不同的光源或光學透鏡、光導纖維、濾光片及反射鏡等光學元件靈活地與這三個特點組合，可以獲得固態(tài)圖象傳感器的各