传感器原理与应用课件-第11章-固态图像传感器.ppt

1、第第1111章章 固态图像传感器固态图像传感器 11.1 11.1 电荷耦合图像传感器电荷耦合图像传感器 11.1.1 CCD11.1.1 CCD的基本工作原理的基本工作原理 11.1.2 11.1.2 线阵与面阵线阵与面阵CCDCCD图像传感器图像传感器 11.1.3 CCD11.1.3 CCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数 11.2 11.2 其它类型的图像传感器其它类型的图像传感器 11.3 11.3 固态图像传感器的应用固态图像传感器的应用 图像传感器又称为成像器件或摄像器件，图像传感器又称为成像器件或摄像器件，是现代视觉信息获取的一种基础器件是现代视觉信息获取的一种基础器件

2、 ，可，可实现可见光、紫外光、实现可见光、紫外光、X X射线、近红外光等射线、近红外光等的探测的探测 。因其能实现信息的获取、转换和视觉功因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次、多能的扩展，能给出直观、真实、多层次、多内容的可视图像信息，图像传感器在现代科内容的可视图像信息，图像传感器在现代科学技术中得到越来越广泛的应用。学技术中得到越来越广泛的应用。固态图像传感器是在同一块半导体衬底上布固态图像传感器是在同一块半导体衬底上布设若干光敏单元与移位寄存器而构成的器件，是设若干光敏单元与移位寄存器而构成的器件，是一种集成化、功能化的光电器件。一种集成化、功能化的光电器

3、件。光敏单元又称为光敏单元又称为“像素像素”或或“像点像点”，不不同的光敏单元在空间上、电气上彼此独立。同的光敏单元在空间上、电气上彼此独立。每个光敏单元将自身感受到的光强信息转换每个光敏单元将自身感受到的光强信息转换为电信号，众多的光敏单元一起工作，即把入射为电信号，众多的光敏单元一起工作，即把入射到传感器整个光敏面上按空间分布的光学图像转到传感器整个光敏面上按空间分布的光学图像转换为按时序输出的电信号换为按时序输出的电信号“图像图像”，这些电信号，这些电信号经适当的处理，能再现入射的光辐射图像。经适当的处理，能再现入射的光辐射图像。固态图像传感器主要有五种类型：电荷耦合固态图像传感器主要有

4、五种类型：电荷耦合器件器件CCDCCD（Charge Coupled DeviceCharge Coupled Device）、荷注入器）、荷注入器件件CIDCID（Charge Injection DeviceCharge Injection Device）、金属氧）、金属氧化物半导体化物半导体(MOS)(MOS)、电荷引发器件、电荷引发器件 CPDCPD（Charge Charge Priming DevicePriming Device）和叠层型摄像器件。）和叠层型摄像器件。11.1 11.1 电荷耦合图像传感器电荷耦合图像传感器 11.1.1 CCD11.1.1 CCD的基本工作原理的

5、基本工作原理 CCD可以把光信号转换成电脉冲信号，每一个脉冲只反映一个光敏元可以把光信号转换成电脉冲信号，每一个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的强弱，输出脉冲的顺的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到了图象传感器的作用。序可以反映光敏元的位置，这就起到了图象传感器的作用。突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号电压为信号 主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测 基本功能是电

6、荷的存储和电荷的转移基本功能是电荷的存储和电荷的转移 CCD按电荷转移信道划分有两种基本类型，一是电荷包存储在半导体按电荷转移信道划分有两种基本类型，一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD（简（简称称SCCD）；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半）；二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传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）。）。1.CCD的的MOS结构及电荷存贮原理结构及电荷存

7、贮原理 (1)结构结构 CCD是是MOS电容的一种应用，它是按照一定规律排列的电容的一种应用，它是按照一定规律排列的MOS电容器电容器阵列组成的移位寄存器阵列组成的移位寄存器.它具有一般电容所不具有的耦合电荷的能力它具有一般电容所不具有的耦合电荷的能力.金 属金 属绝 缘 层 SiO2绝 缘 层 SiO2 P-SiN-Si(a)(b)MOS电容上没加电压时，半导体的能带结构如图（电容上没加电压时，半导体的能带结构如图（a）所示，从）所示，从界面层到内部能带都是一样的，即所谓平带条件。界面层到内部能带都是一样的，即所谓平带条件。若在金属若在金属半导体间加正电压，由于电子大量集聚在电极下的半导半导

8、体间加正电压，由于电子大量集聚在电极下的半导体处，并具有较低的势能，可形象地说半导体表面形成对电子的势阱，体处，并具有较低的势能，可形象地说半导体表面形成对电子的势阱，能容纳聚集电荷。能容纳聚集电荷。金 属氧 化 物 +电 子 势 阱界面势 (2)电荷存贮原理电荷存贮原理 当一束光照射到当一束光照射到MOS电容上时，衬底中处于价带的电子将吸收光子电容上时，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量产生电子跃迁，形成电子空穴对，电子空穴对在外加电场的能量产生电子跃迁，形成电子空穴对，电子空穴对在外加电场的作用下，分别向电极两端移动，这就是光生电荷。这些光生电荷将的作用下，分别向电极两端移动，这就是光生

9、电荷。这些光生电荷将贮存在电极形成的势阱中，此势阱又被称为电荷包。贮存在电极形成的势阱中，此势阱又被称为电荷包。势阱能够贮存的最大电荷量又称之为势阱容量，它与所加栅压近似势阱能够贮存的最大电荷量又称之为势阱容量，它与所加栅压近似成正比。成正比。势阱容纳的电荷多少和该处照射光的强弱成正比，于是，图像景物势阱容纳的电荷多少和该处照射光的强弱成正比，于是，图像景物的不同明暗程度，便转变成的不同明暗程度，便转变成CCD中积累电荷的多少。中积累电荷的多少。2.电荷转移工作原理电荷转移工作原理 控制相邻控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，让电容栅极电压高低来调节势阱深浅，让MOS电容间的电容间的

10、排列足够紧密，使相邻排列足够紧密，使相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合，就可电容的势阱相互沟通，即相互耦合，就可使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处，实现信号电荷的转移。使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处，实现信号电荷的转移。为了让信号电荷按规定的方向转移，在为了让信号电荷按规定的方向转移，在MOS电容阵列上加满足一定电容阵列上加满足一定相位要求的驱动时钟脉冲电压，这样在任何时刻，势阱的变化总朝着相位要求的驱动时钟脉冲电压，这样在任何时刻，势阱的变化总朝着一个方向。一个方向。为了实现这种定向的转移，在为了实现这种定向的转移，在 CCD的的MOS阵列上划分成以几个相邻阵列上划分成以几个相邻MOS

11、电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每一位中电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同的电极上，此共同电极称为对应位置上的电容栅极分别连到各自共同的电极上，此共同电极称为相线。相线。通常通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。二相脉冲的两路脉冲相位相差也分别为二相、三相、四相。二相脉冲的两路脉冲相位相差180，三相脉冲及四相脉冲的相位差分别为三相脉冲及四相脉冲的相位差分别为120及及90。当这种时序脉冲。当这种时序脉冲加到加到CCD的无限

12、循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。CCD电荷转移工作原理电荷转移工作原理 123t1 t2 t3 t4 t5 t6 1 2 3(a)(b)t =t1 t =t2 t =t3 t =t4 t =t5 t =t6 3.电荷的注入电荷的注入 CCD中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。CCD用作光学图像传感器时，信号电荷由光生载流子得到，即光注用作光学图像传感器时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入。光注入方式又可分为正面照射式和背面照射式。入。光注入方式又可分为正面照射式和背面照射式。当当

13、CCD用作信号处理或存贮器件时，电荷采用电注入方式，即用作信号处理或存贮器件时，电荷采用电注入方式，即CCD通过输入结构对信号电压或电流采样，并转换为信号电荷。常用的输通过输入结构对信号电压或电流采样，并转换为信号电荷。常用的输入结构为二极管或几个控制输入栅来实现电输入。入结构为二极管或几个控制输入栅来实现电输入。P-S i Nc o 势垒 U+U+4电荷的检测（输出方式电荷的检测（输出方式）CCD的输出结构的作用是将信号电荷转换为电流或电压的输出。目的输出结构的作用是将信号电荷转换为电流或电压的输出。目前，前，CCD的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅的输出方式主要有电流输出

14、、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出，通常采用的是浮置栅放大器输出法。放大器输出，通常采用的是浮置栅放大器输出法。每检测一个电荷包，在输出端就得到一个负脉冲，其幅度正比于每检测一个电荷包，在输出端就得到一个负脉冲，其幅度正比于信号电荷包的大小。不同信号电荷包的大小转换为信号对脉冲幅度的信号电荷包的大小。不同信号电荷包的大小转换为信号对脉冲幅度的调制，即调制，即CCD输出调幅信号脉冲列。输出调幅信号脉冲列。1 2 3 RT1 T2UCC CSD RLUOG a c d b3RU0 0a 复 位 电 平；b 参 考 电 平c 馈 通 电 压；d 信 号 电 压 CCD输出信号具有以下几个特点：输

15、出信号具有以下几个特点：1.每个像元输出的信号浮置在一个正的直流电平（约每个像元输出的信号浮置在一个正的直流电平（约78V）上，）上，信号电平在几十至几百信号电平在几十至几百mV范围内变化，呈单极性负向变化。范围内变化，呈单极性负向变化。2.输出信号随时间轴，按离散形式出现，每个电荷包对应着一个像输出信号随时间轴，按离散形式出现，每个电荷包对应着一个像元，中间由复位电平隔离，要准确检测出像元信号，必须清除复位脉元，中间由复位电平隔离，要准确检测出像元信号，必须清除复位脉冲干扰。冲干扰。3.输出信号输出信号US与与CCD输出的电荷量输出的电荷量Q成正比，与输出结电容成正比，与输出结电容CS成反比

16、成反比 故放大器输出信号电压为故放大器输出信号电压为 4.禁止禁止CCD输出端对地短路。输出端对地短路。综上所述，综上所述，CCD图像传感器既具有光电转换功能，又具有信号图像传感器既具有光电转换功能，又具有信号电荷的存贮、转移和检测功能，它能把一幅空间域分布的光学图像变电荷的存贮、转移和检测功能，它能把一幅空间域分布的光学图像变换成为一列按时间域分布的离散的电信号换成为一列按时间域分布的离散的电信号“图像图像”。SSCQUSOSGUU 11.1.2 11.1.2线阵与面阵线阵与面阵CCDCCD图像传感器图像传感器 电荷耦合图像传感器从结构讲可以分为两类，一类是用于获取电荷耦合图像传感器从结构讲

17、可以分为两类，一类是用于获取线图像的，称为线阵线图像的，称为线阵CCD；线阵；线阵CCD目前主要用于产品外部尺寸非目前主要用于产品外部尺寸非接触检测、产品表面质量评定、传真和光学文字识别技术等方面；接触检测、产品表面质量评定、传真和光学文字识别技术等方面；另一类用于获取面图像，称为面阵另一类用于获取面图像，称为面阵CCD；面阵；面阵CCD主要应用于摄像主要应用于摄像领域。领域。1.线阵线阵CCD图像传感器图像传感器 对于线阵对于线阵CCD，它可以直接接收一维光信息，为了得到整个二维，它可以直接接收一维光信息，为了得到整个二维图像的输出，就必须用扫描的方法来实现。图像的输出，就必须用扫描的方法来

18、实现。线阵线阵CCD传感器由光敏区、转移栅、模拟移位寄存器、偏置电荷传感器由光敏区、转移栅、模拟移位寄存器、偏置电荷电路、输出栅和信号读出（检测）电路等几部分组成。线阵电路、输出栅和信号读出（检测）电路等几部分组成。线阵CCD图图像传感器有两种基本形式，即单沟道线阵像传感器有两种基本形式，即单沟道线阵CCD图像传感器和双沟道图像传感器和双沟道线阵图像传感器。线阵图像传感器。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，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，转形成与空间分布的光强信号对应的信号电荷

19、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。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，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。如此重复上述过程。N N-1 N-2 光敏区 转移区CCDP tSG1 1 2 3 4 G0 U1 U2 S0 VD1 输出 R DR D0 2.面阵面阵CCD图像传感器图像传感器

20、 面阵面阵CCD图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。由于传输与读出方式不同，面阵图像传感器有许多类型，面图像。由于传输与读出方式不同，面阵图像传感器有许多类型，常见的传输方式有行传输、帧传输和行间传输三种。常见的传输方式有行传输、帧传输和行间传输三种。行传输（行传输（LT）面阵）面阵CCD的结构如图（的结构如图（a）所示，它由选址电）所示，它由选址电路、感光区、输出寄存器（即普通结构的路、感光区、输出寄存器（即普通结构的CCD）组成。）组成。帧传输（帧传输（FT）面阵）面阵CCD的结构如图（的结构如图（b）所示，它是由感光）所

21、示，它是由感光区、暂存区、输出寄存器组成。区、暂存区、输出寄存器组成。行间传输图像传感器结构如图行间传输图像传感器结构如图11.8（c）所示，其特点是感光）所示，其特点是感光区和暂存区行与行相间排列。区和暂存区行与行相间排列。行选址电路 输出寄存器 感光区 寄存器 输 出 寄 存 器 输 出 寄 存 器 输 出 输 出 输 出 感 光 区 感光列 暂存列（a）（b）（c）11.1.3 CCD 11.1.3 CCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数（详见教科书）（详见教科书）1光电转换特性光电转换特性 2灵敏度和灵敏度不均匀性灵敏度和灵敏度不均匀性 3光谱响应特性光谱响应特性 4暗电流特性

22、和动态范围暗电流特性和动态范围 5分辨率分辨率 6转移效率和工作频率转移效率和工作频率 7CCD的噪声的噪声 11.2 11.2 其它类型的图像传感器（详见教科书）其它类型的图像传感器（详见教科书）11.3 11.3 固态图像传感器的应用固态图像传感器的应用固体图像传感器的应用主要在以下几方面：固体图像传感器的应用主要在以下几方面：1.计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺陷的非接触计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺陷的非接触在线检测、距离测定等。在线检测、距离测定等。2.光学信息处理：光学文字识别、标记识别、图形识别、传真、摄光学信息处理：光学文字识别、标记识别、图形识别

23、、传真、摄像等。像等。3.生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、自动搬运机、监生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、自动搬运机、监视装置等。视装置等。4.军事应用：导航、跟踪、侦查（带摄像机的无人驾驶飞机、卫星军事应用：导航、跟踪、侦查（带摄像机的无人驾驶飞机、卫星侦查）。侦查）。1.尺寸自动检测尺寸自动检测 对于尺寸为较小的物体目标（对于尺寸为较小的物体目标（230mm），可以采用平行光成），可以采用平行光成像法，不难看出，此种测试方法的精度取决于平行光的准直程度和像法，不难看出，此种测试方法的精度取决于平行光的准直程度和CCD像元尺寸的大小。当然，平行光源要作得十分理想是有一定困像

24、元尺寸的大小。当然，平行光源要作得十分理想是有一定困难的，且随准直度的提高成本增加，光源的体积也要加大。在实际难的，且随准直度的提高成本增加，光源的体积也要加大。在实际应用中常常通过计算机处理，对测量值进行修正，以使测量结果更应用中常常通过计算机处理，对测量值进行修正，以使测量结果更接近于实际，这在一定程度上降低了对光源的苛求。接近于实际，这在一定程度上降低了对光源的苛求。采样接口 计算机 显示 目标 平行光源CCD 对于较大的尺寸测量，可采用光学成像方法。在前面或背面光照射对于较大的尺寸测量，可采用光学成像方法。在前面或背面光照射下，被测物经透镜在下，被测物经透镜在CCD上成像，像尺寸与被测

25、尺寸成正比。设上成像，像尺寸与被测尺寸成正比。设 T为像为像尺寸，尺寸，K为比例系数，则被测尺寸为比例系数，则被测尺寸S可用下式表示可用下式表示 式中式中 K表示每个像元所代表的物方尺寸，它与光学系统的放大表示每个像元所代表的物方尺寸，它与光学系统的放大倍率、倍率、CCD工作频率和像元尺寸等因素有关；工作频率和像元尺寸等因素有关；T对应于像尺寸的脉宽，当以像元时钟对对应于像尺寸的脉宽，当以像元时钟对T的宽度进行计的宽度进行计数时，其计数值表示像尺寸所占的像元数，因而可得数时，其计数值表示像尺寸所占的像元数，因而可得 式中式中 N 计数脉冲即像元数；计数脉冲即像元数；T0 像元时钟周期，当知道像

26、元时钟周期，当知道N和和T0值时，则可求得值时，则可求得T，代入式，代入式即可得到被测物尺寸，即可得到被测物尺寸，K值的大小可通过系统标定测得。值的大小可通过系统标定测得。KTS 0NTT 成像法适用于冶金线材直径或机械产品在线尺寸检测。为了保成像法适用于冶金线材直径或机械产品在线尺寸检测。为了保证测量精度，通常采用背面光照射方式。对于自发光被测物，如热证测量精度，通常采用背面光照射方式。对于自发光被测物，如热扎钢管，常用窄带滤光片滤除钢管的可见光和红外光辐射，再选用扎钢管，常用窄带滤光片滤除钢管的可见光和红外光辐射，再选用较短波长的光源作照明，以适应较短波长的光源作照明，以适应CCD光谱响应

27、特性的要求。这种照光谱响应特性的要求。这种照明消除了因被测目标辐射变化对测量精度的影响。由于明消除了因被测目标辐射变化对测量精度的影响。由于CCD输出信输出信号是以脉冲计数表示，其测量精度与边缘信号检测精度有关，而对号是以脉冲计数表示，其测量精度与边缘信号检测精度有关，而对光源的稳定性要求不高，当光源的光强在光源的稳定性要求不高，当光源的光强在20范围内变化时，对其范围内变化时，对其测量结果没有明显影响。图示出了光学成像法测量系统的组成原理测量结果没有明显影响。图示出了光学成像法测量系统的组成原理框图。框图。采样接口 计算机 显示 物镜目标CCD 为了对目标像的宽度进行计数，必须先检测出两个边

28、缘信号，这为了对目标像的宽度进行计数，必须先检测出两个边缘信号，这可采用二值化或微分法得到，计数脉冲通过输入接口送入计算机处理。可采用二值化或微分法得到，计数脉冲通过输入接口送入计算机处理。计算机主要完成以下功能：计算机主要完成以下功能：（1）完成高速数据采集与控制；）完成高速数据采集与控制；（2）完成数据处理与判别，包括被测尺寸计算与校正、温度校正、）完成数据处理与判别，包括被测尺寸计算与校正、温度校正、偏差运算、极限判定与报警、时间计数等。偏差运算、极限判定与报警、时间计数等。（3）数据存贮显示、打印与信号提取及反馈。）数据存贮显示、打印与信号提取及反馈。2.文字和图像识别文字和图像识别

29、利用线阵利用线阵CCD的自扫描特性，可以实现文字和图像识别，从的自扫描特性，可以实现文字和图像识别，从而组成一个功能很强的扫描而组成一个功能很强的扫描/识别系统。识别系统。驱动电路处理电路 计算机 分类控制CCD 分类箱 邮件 3射线成像检测射线成像检测 图示出了图示出了X射线成像检测系统。射线经过构件后直接由射线可射线成像检测系统。射线经过构件后直接由射线可见光转换屏转换，而后由见光转换屏转换，而后由CCD相机获取转换后的图像，经数字图像处相机获取转换后的图像，经数字图像处理系统处理后，转换为数字图像进行分析处理和识别，从而完成构件理系统处理后，转换为数字图像进行分析处理和识别，从而完成构件缺陷的射线实时检测。缺陷的射线实时检测。前置放大器A/D 转换器图像存储器图像处理器 监视器图像记录图像输出计算机CCD 相机反射镜X射线增强管X源试件第第1212章章 磁传感器磁传感器 12.1 12.1 霍尔传感器霍尔传感器 12.2 12.2 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 12.312.3磁通门磁力计磁通门磁力计 12.4 12.4 磁敏电阻传感器磁敏电阻传感器 12.5 12.5 其它类型的磁传感器其它类型的磁传感器