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1、第8章图像信息的光电变换1第1页，共53页，编辑于2022年，星期二基于基于CCDCCD的输入设备：数字摄像机，数字照相的输入设备：数字摄像机，数字照相机，平板扫描仪，指纹机机，平板扫描仪，指纹机2第2页，共53页，编辑于2022年，星期二8.4 电荷耦合器件电荷耦合器件 8.4.1 线阵线阵CCD图像传感器图像传感器 CCD(Charge Coupled Devices，电荷耦合器件，电荷耦合器件)图像传图像传感器主要有两种基本类型，一种为信号电荷包存储在半导体感器主要有两种基本类型，一种为信号电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面进行转移的器件，称为表面与绝缘体之间的界面，并沿界面
2、进行转移的器件，称为表面沟道沟道CCD(简称为简称为SCCD)器件；另一种为信号电荷包存储器件；另一种为信号电荷包存储在距离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一在距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的器件，称为体沟道或埋沟道器件定方向转移的器件，称为体沟道或埋沟道器件(简称为简称为BCCD)。下面以。下面以SCCD为例讨论为例讨论CCD的基本工作原理。的基本工作原理。3第3页，共53页，编辑于2022年，星期二CCDCCD基本结构分为两个部分：基本结构分为两个部分：MOSMOS（金属（金属-氧化物氧化物-半导体）光敏元系列。半导体）光敏元系列。读出移位寄存器。读出
3、移位寄存器。CCDCCD是在半导体硅片上是在半导体硅片上制作成百上千（万）个制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又光敏元，一个光敏元又称为一个像素，在半导称为一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则的排列。阵或面阵有规则的排列。CCDCCD结构示意图结构示意图4第4页，共53页，编辑于2022年，星期二 彩色彩色CCD显微照片（放大显微照片（放大7000倍）倍）5第5页，共53页，编辑于2022年，星期二MOS电容的结构电容的结构 1金属或多晶硅金属或多晶硅 2绝缘层绝缘层SiO2CCD是是一一种种固固态态检检测测器器，由由多多个个光光敏敏像像元元组组成成，其其
4、中中每每一一个个光光敏敏像像元元就就是是一一个个MOS（金金属属氧氧化化物物半半导导体体）电电容容器器。CCD中中的的MOS电电容容器器的的形形成成方方法法：在在P型型或或N型型单单晶晶硅硅衬衬底底上上用用氧氧化化办办法法生生成成一一层层厚厚度度约约为为100150nm的的SiO2绝绝缘缘层层，再再在在SiO2表表面面按按一一定定层层次次蒸蒸镀镀一一金金属属电电极极或或多多晶晶硅硅电电极极，在在衬衬底底和和电电极极间间加加上上一一个个偏偏置置电电压压（栅栅极极电电压压），即即形形成成了了一一个个MOS电容器。电容器。1.电荷存储电荷存储 6第6页，共53页，编辑于2022年，星期二CCDCCD
5、栅极电压的变化对耗尽区的影响栅极电压的变化对耗尽区的影响在栅极在栅极G施加电压施加电压UG之之前前p型半导体中空穴的分型半导体中空穴的分布是均匀的。布是均匀的。当栅极施加正电压当栅极施加正电压UG小于电压小于电压Uth，p型型半导体中的空穴将半导体中的空穴将开始被排斥，产生开始被排斥，产生所示耗尽区。所示耗尽区。UG大于大于Uth后，耗尽区深度和后，耗尽区深度和UG成正比，成正比，吸引到表面的电子（少子）吸引到表面的电子（少子）浓度迅速增大，在表面形成浓度迅速增大，在表面形成一层极一层极薄但电荷浓度很高的薄但电荷浓度很高的电子导电层，电子导电层，因为其载流子和体内导电类型相反，因为其载流子和体
6、内导电类型相反，因而称为反型层。因而称为反型层。反型层电荷的存在表明反型层电荷的存在表明了了MOS结构存储电荷结构存储电荷的功能的功能.7第7页，共53页，编辑于2022年，星期二 将半导体与绝缘体界面上的电势记为表面势将半导体与绝缘体界面上的电势记为表面势s,s将随栅极电将随栅极电压压UG的增加而增加，他们的关系曲线如图的增加而增加，他们的关系曲线如图8-16所示。所示。图图8-16描述了氧化层厚度为描述了氧化层厚度为0.1m、0.3m、0.4m和和0.6m情况下，不存在反情况下，不存在反型层电荷时型层电荷时，表面势，表面势s与栅极电压与栅极电压UG的关系曲线。从表面势的关系曲线。从表面势s
7、与栅极电压与栅极电压UG的关系曲线可以看出氧化层的厚度越薄的关系曲线可以看出氧化层的厚度越薄曲线的直线性越好；在同样的栅极电压曲线的直线性越好；在同样的栅极电压UG作用下，不同厚度的氧化层有着不同的作用下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势。表面势。表面势表面势s表征了耗尽区的深表征了耗尽区的深度度（势阱深度）（势阱深度）。8第8页，共53页，编辑于2022年，星期二 图为栅极电压图为栅极电压UG不变的不变的情况下，表面势情况下，表面势s与反型与反型层电荷密度层电荷密度Qinv之间的关之间的关系。系。由图可以看出，由图可以看出，表面势表面势s随反型层电荷密度随反型层电荷密度Qinv的的增加而线性
8、减小。增加而线性减小。9第9页，共53页，编辑于2022年，星期二 依据图依据图8-16与图与图8-17的关系曲线，很容易用半导体物理中的的关系曲线，很容易用半导体物理中的“势势阱阱”概念来描述。电子所以被加有栅极电压的概念来描述。电子所以被加有栅极电压的MOS结构吸引到半导结构吸引到半导体与氧化层的交界面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电体与氧化层的交界面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的荷时，势阱的“深度深度”与栅极电压与栅极电压UG的关系即的关系即s与与UG的关系，如图的关系，如图8-18(a)空势阱的情况。空势阱的情况。无无反反型型层层时时10第10页，共53页
9、，编辑于2022年，星期二 图图8-16（b）为反型）为反型层电荷填充层电荷填充1/3势阱时表势阱时表面势收缩的情况。表面面势收缩的情况。表面势和反型层电荷密度势和反型层电荷密度QINV的关系如图的关系如图8-17 当反型层电荷继续增当反型层电荷继续增加，表面势继续缩小，加，表面势继续缩小，反型层电荷足够多时，反型层电荷足够多时，表面势表面势s缩小到最低值缩小到最低值2F，如图如图(c)。此时表。此时表面势不再束缚多余电子，面势不再束缚多余电子，电子将产生溢出现象。电子将产生溢出现象。图图8-16势阱中电荷的存储容量：势阱中电荷的存储容量：Q=COXUG图图8-1711第11页，共53页，编辑
10、于2022年，星期二2.电荷耦合电荷耦合电荷耦合即电荷转移；电荷耦合即电荷转移；通过将按一定规律变化的电压加到通过将按一定规律变化的电压加到CCD各电极上，电极各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动；下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动；通常把通常把CCD分为几组，每一组称为一相，并施加相分为几组，每一组称为一相，并施加相同的时钟驱动脉冲。同的时钟驱动脉冲。12第12页，共53页，编辑于2022年，星期二开始时有一些电荷存储在栅极电压为开始时有一些电荷存储在栅极电压为10V的第一个电极下面的第一个电极下面的深势阱里，其他电极上电压为大于阈值的低电压的深势阱里，其他电极上电压
11、为大于阈值的低电压2V第一个电极仍保持第一个电极仍保持10V，第二个电极电压由，第二个电极电压由2V变为变为10V，因，因2个电极靠的很近它们各自势阱合并在一起，原来第一个电极个电极靠的很近它们各自势阱合并在一起，原来第一个电极底下电荷变为底下电荷变为2个联合势阱共有。个联合势阱共有。13第13页，共53页，编辑于2022年，星期二第一个电极上电压由第一个电极上电压由10V变为变为2V，第二个电极，第二个电极仍然为仍然为10V,则公共电荷转移到第二个电极下面则公共电荷转移到第二个电极下面势阱势阱 14第14页，共53页，编辑于2022年，星期二l三相三相CCD的电荷在三相交叠驱动脉冲的作用下，
12、能以一定的方向的电荷在三相交叠驱动脉冲的作用下，能以一定的方向逐单元地转移；逐单元地转移；lCCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。极下转移到相邻电极下。15第15页，共53页，编辑于2022年，星期二4.4.电荷的注入和检测电荷的注入和检测电荷的注入和检测电荷的注入和检测 (1)(1)光注入光注入原理：原理：当光照射到当光照射到CCDCCD的硅片上，的硅片上，在栅极附近的半导体体在栅极附近的半导体体内产生内产生光生电子光生电子-空穴对空穴对，多数载流子被栅极电压多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被排斥，少数载流子
13、则被收集在势阱中形成信号收集在势阱中形成信号电荷。电荷。16第16页，共53页，编辑于2022年，星期二Qin=qNeoAtc式中：式中：为材料的量子效为材料的量子效率；率；q为电子电荷量；为电子电荷量；Neo为入射光的光子流速率；为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积；为光敏单元的受光面积；tc为光的注入时间。为光的注入时间。光注入电荷：光注入电荷：17第17页，共53页，编辑于2022年，星期二注入时间注入时间tc由由CCD驱动器的转移脉冲的周期决定；驱动器的转移脉冲的周期决定；注入到注入到CCD势阱中的信号电荷只与入射光的光子流速率势阱中的信号电荷只与入射光的光子流速率Neo成正比
14、；成正比；Qin=qNeoAtc另外，入射光的光子流速率与光谱辐射通量成正比。另外，入射光的光子流速率与光谱辐射通量成正比。18第18页，共53页，编辑于2022年，星期二(2)(2)电注入电注入 所谓电注入就是所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入到相应的势阱中。到相应的势阱中。19第19页，共53页，编辑于2022年，星期二N+扩散区和扩散区和P型衬底构成注型衬底构成注入二极管；入二极管；IG为为CCD的输入栅，其上的输入栅，其上加适当的正电压，以保持加适当
15、的正电压，以保持开启作为基准电压；开启作为基准电压；模拟输入信号模拟输入信号Uin加在输入二极管加在输入二极管ID上。当上。当CR2为为高电平时，可将高电平时，可将N+区看做区看做MOS管源级，管源级，IG为栅极，为栅极，CR2为漏极，当它工作在饱和区时：沟道电流为：为漏极，当它工作在饱和区时：沟道电流为：W为信号沟道宽度，为信号沟道宽度，Lg为注入栅为注入栅IG长度，长度，Uig为输入栅偏置电压，为输入栅偏置电压，Uth为硅材料阈值电压，为硅材料阈值电压，u为载流子迁移率，为载流子迁移率，Cox为注入为注入 栅栅IG电容。电容。20第20页，共53页，编辑于2022年，星期二经过时间经过时间
16、Tc注入后，注入后，CR2下势阱的信号电荷为：下势阱的信号电荷为：可见这种方式信号电荷可见这种方式信号电荷QS不仅依赖于不仅依赖于Uin和和Tc，而且和输，而且和输入二极管所加偏压大小有关，入二极管所加偏压大小有关，QS和和Uin线性线性 关系很差关系很差21第21页，共53页，编辑于2022年，星期二电压注入法与电流注入法不同之处在于输入电极上加有与电压注入法与电流注入法不同之处在于输入电极上加有与CR2同位同位相的选通脉冲，但其宽度小于相的选通脉冲，但其宽度小于CR2的脉宽；的脉宽；在选通脉冲的作用下，电荷被注入到第一个转移栅在选通脉冲的作用下，电荷被注入到第一个转移栅CR2的势阱中，的势
17、阱中，直到势阱的电位与直到势阱的电位与N区的电位相等；区的电位相等；CR2下势阱中的电荷向下一级转移之前，由于选通脉冲已经截下势阱中的电荷向下一级转移之前，由于选通脉冲已经截至，输入栅下的势垒开始把至，输入栅下的势垒开始把CR2下和下和N+的势阱分开。的势阱分开。22第22页，共53页，编辑于2022年，星期二(3)(3)(3)(3)电荷的检测电荷的检测电荷的检测电荷的检测(输出方式输出方式输出方式输出方式)-)-)-)-主要采用电流电路输出方式主要采用电流电路输出方式主要采用电流电路输出方式主要采用电流电路输出方式由检测二极管、二极管的偏置电阻由检测二极管、二极管的偏置电阻R R、源极输出放
18、大器、源极输出放大器和复位场效应管和复位场效应管V VR R等单元构成；等单元构成；信号电荷在转移脉冲的驱动下转移到最末一级转移电信号电荷在转移脉冲的驱动下转移到最末一级转移电极极CR2CR2中；中；当当CR2CR2电极上的电压由高变低时，信号电荷便通过输出栅下电极上的电压由高变低时，信号电荷便通过输出栅下的势阱进入反向偏置的二极管中。的势阱进入反向偏置的二极管中。VR23第23页，共53页，编辑于2022年，星期二由电源由电源UD、电阻、电阻R、衬底、衬底P和和N+区构成的输出二极管反区构成的输出二极管反向偏置电路，它对于电子来说相当于一个很深的势阱；向偏置电路，它对于电子来说相当于一个很深
19、的势阱；进入反向偏置二极管中的电荷，将产生电流进入反向偏置二极管中的电荷，将产生电流Id；Id的大小与注入二极管中的信号电荷量的大小与注入二极管中的信号电荷量QS成正比，而与成正比，而与R成反成反比。比。R为为CCD内部固定电阻，为常数。内部固定电阻，为常数。输出电流输出电流Id与注入与注入到二极管中的电荷到二极管中的电荷量量QS的关的关Qs=IddtVR24第24页，共53页，编辑于2022年，星期二Id越大，越大，A点电位下降得越低；点电位下降得越低；可以用可以用A点的电位来检测注入到输出二极管中的电荷点的电位来检测注入到输出二极管中的电荷Qs；隔直电容将隔直电容将A点的电位变化取出，使其
20、通过场效应放大器的点的电位变化取出，使其通过场效应放大器的OS端输出。端输出。VR25第25页，共53页，编辑于2022年，星期二复位场效应管复位场效应管V VR R用于对检测二极管的深势阱进行复位；用于对检测二极管的深势阱进行复位；复位场效应管在复位脉冲复位场效应管在复位脉冲RSRS的作用下使复位场效应管导通，的作用下使复位场效应管导通，它导通的动态电阻远小于偏置电阻的阻值，以便使输出二极它导通的动态电阻远小于偏置电阻的阻值，以便使输出二极管中的剩余电荷通过场效应管流入电源，使管中的剩余电荷通过场效应管流入电源，使A A点的电位恢复到点的电位恢复到起始的高电平，为接收新的信号电荷做好准备。起
21、始的高电平，为接收新的信号电荷做好准备。VR26第26页，共53页，编辑于2022年，星期二电荷转移效率电荷转移效率：一次转移后到达下一个势阱中的一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与原来势阱中的电荷量之比。电荷量与原来势阱中的电荷量之比。电荷转移损失率为电荷转移损失率为 电荷转移效率与损失率的关系为电荷转移效率与损失率的关系为 Q(0)为起始时注入某电极下为起始时注入某电极下的电荷量；的电荷量；Q(t)为在时间为在时间t时被留下来的时被留下来的电荷。电荷。5.CCD5.CCD5.CCD5.CCD的特性参数的特性参数的特性参数的特性参数1 1.电荷转移效率电荷转移效率和电荷转移损失率和电荷转移损
22、失率27第27页，共53页，编辑于2022年，星期二 1.驱动频率的下限驱动频率的下限 在信号的转移过程中，为了避免由于热激发少数载流子对注在信号的转移过程中，为了避免由于热激发少数载流子对注入信号电荷的干扰，注入信号电荷从一个电极转移到另一个入信号电荷的干扰，注入信号电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间电极所用的时间t t必须小于少数载流子的平均寿命必须小于少数载流子的平均寿命 ；工作温度越高，热激发少数载流子的平均寿命越短，驱动频率的下限工作温度越高，热激发少数载流子的平均寿命越短，驱动频率的下限越高。越高。2 2 驱动频率驱动频率CCD必须在驱动脉冲的作用下完成信号电荷的转移，输出信
23、号必须在驱动脉冲的作用下完成信号电荷的转移，输出信号电荷。驱动频率一般泛指加在转移栅上的脉冲频率。电荷。驱动频率一般泛指加在转移栅上的脉冲频率。对于三相对于三相CCD，t=T/3=1/3f28第28页，共53页，编辑于2022年，星期二这就是电荷自身的转移时间对驱动频率上限有限制这就是电荷自身的转移时间对驱动频率上限有限制2.2.驱动频率的上限驱动频率的上限驱动频率升高时，驱动脉冲驱使电荷从一个电极转移到另驱动频率升高时，驱动脉冲驱使电荷从一个电极转移到另外一个电极时间外一个电极时间t应大于电荷从一个电极转移到另外一个电应大于电荷从一个电极转移到另外一个电极固有时间极固有时间g g；才能保证电
24、荷的完全转移。才能保证电荷的完全转移。对于三相对于三相CCD，t=T/3=1/3f29第29页，共53页，编辑于2022年，星期二电荷耦合摄像器件就是用于摄像或像敏的电荷耦合摄像器件就是用于摄像或像敏的CCDCCD，又简称为，又简称为ICCD,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。视频输出信号。线型线型CCD器件，它可以直接将接收到的一维光信息转换成时器件，它可以直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号输出，获得一维的图像信号。若想用线阵序的电信号输出，获得一维的图像信号。若想用线阵CCD获获得二维
25、图像信号，必须使线阵得二维图像信号，必须使线阵CCD与二维图像作相对的扫描与二维图像作相对的扫描运动。运动。面阵面阵CCD是二维的图像传感器，它可以直接将二维光学图像是二维的图像传感器，它可以直接将二维光学图像转变为视频信号输出。转变为视频信号输出。6 6 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件30第30页，共53页，编辑于2022年，星期二由光敏阵列、转移由光敏阵列、转移栅、栅、CCD模拟移位模拟移位寄存器和输出放大器寄存器和输出放大器等单元构成；等单元构成；光敏阵列一般由光栅光敏阵列一般由光栅控制的控制的MOS光积分电光积分电容或容或PN结光电二极管结光电二极管构成；构成；1.1.单沟道线阵单沟
26、道线阵CCDCCD 转移栅为低电平，光敏单元与转移栅为低电平，光敏单元与CCD移位寄存器隔离，光敏区进移位寄存器隔离，光敏区进行光电注入（光积分）；行光电注入（光积分）；转移栅电极电压转变为高电平，光敏区积累的电荷转移到移位寄存器中；转移栅电极电压转变为高电平，光敏区积累的电荷转移到移位寄存器中；转移栅转变为低电平，移位寄存器在驱动脉冲的作用下，将信号电转移栅转变为低电平，移位寄存器在驱动脉冲的作用下，将信号电荷一位位地移出器件，并经放大形成时序信号荷一位位地移出器件，并经放大形成时序信号.31第31页，共53页，编辑于2022年，星期二2.2.双沟道线阵双沟道线阵CCDCCD 双沟道结构采用
27、两相脉冲，使光敏元的两边都有移位寄存器，双沟道结构采用两相脉冲，使光敏元的两边都有移位寄存器，光积累后偶数像素中电荷移入下面的移位寄存器光积累后偶数像素中电荷移入下面的移位寄存器2 2，奇数像素中，奇数像素中的电荷移入上面的移位寄存器的电荷移入上面的移位寄存器1 1。然后将两个移位寄存器中信息。然后将两个移位寄存器中信息按一定次序读出。按一定次序读出。这种结构的优点双沟道线阵这种结构的优点双沟道线阵CCDCCD要比单沟道线阵要比单沟道线阵CCDCCD的转移次数少一半，的转移次数少一半，转移时间缩短一半转移时间缩短一半32第32页，共53页，编辑于2022年，星期二线阵线阵CCD外形外形 33第
28、33页，共53页，编辑于2022年，星期二CCDCCD在动态测量直径中的应用在动态测量直径中的应用在线测量拉伸过程中的细丝直径是比较困难的，但用在线测量拉伸过程中的细丝直径是比较困难的，但用CCDCCD测量就比测量就比较方便。较方便。CCDCCD动态测量细丝直径的原理如图所示动态测量细丝直径的原理如图所示:当一束平行光透过待测目标投射到当一束平行光透过待测目标投射到CCDCCD传感器上时，由传感器上时，由于目标的存在，目标所形成的阴影同时投射到于目标的存在，目标所形成的阴影同时投射到CCDCCD上，上，若平行光准直度很理想，阴影的尺寸就代表了目标的直若平行光准直度很理想，阴影的尺寸就代表了目标
29、的直径。径。CCD传感应用传感应用-34第34页，共53页，编辑于2022年，星期二阴影的尺寸代表了待测目标的直径，阴影的尺寸代表了待测目标的直径，因此只要信号处理系统计算出阴影因此只要信号处理系统计算出阴影部分象元个数（输出脉冲个数部分象元个数（输出脉冲个数)，脉冲（象元）与象元尺寸的乘积就脉冲（象元）与象元尺寸的乘积就是目标直径。是目标直径。CCDCCD的输出信号为一串幅值不同的输出信号为一串幅值不同的方波，图中给出是经反向放大的方波，图中给出是经反向放大后的电压波形，该信号经二值化后的电压波形，该信号经二值化处理后由计数器计数。处理后由计数器计数。设设所所用用的的CCD有有N0个个光光敏
30、敏元元，每每个个光光敏敏元元的的大大小小为为13，计数器计数为，计数器计数为N，则细丝直径，则细丝直径D为：为：D13（N0-N）()35第35页，共53页，编辑于2022年，星期二按照一定的方式将一维线型按照一定的方式将一维线型CCDCCD的光敏单元及其移位寄的光敏单元及其移位寄存器排列成二维阵列，即可构成二维面阵存器排列成二维阵列，即可构成二维面阵CCDCCD；按照排列方式的不同，面阵按照排列方式的不同，面阵CCDCCD分为帧转移方式、隔列转移方分为帧转移方式、隔列转移方式、线转移方式和全帧转移方式等。式、线转移方式和全帧转移方式等。8.4.2 面阵面阵CCD图像传感器图像传感器 36第3
31、6页，共53页，编辑于2022年，星期二l由成像区、暂存区和水由成像区、暂存区和水平读出寄存器三部分构平读出寄存器三部分构成；成；l成像区由并行排列的若成像区由并行排列的若干个电荷耦合沟道组成，干个电荷耦合沟道组成，各沟道之间用沟阻隔开，各沟道之间用沟阻隔开，水平电极横贯各沟道；水平电极横贯各沟道；l暂存区的结构和单元数都暂存区的结构和单元数都与成像区相同，只不过均与成像区相同，只不过均被金属铝遮蔽。被金属铝遮蔽。1.1.帧转移面阵帧转移面阵CCDCCD 37第37页，共53页，编辑于2022年，星期二在场正程（光积分）期间，成在场正程（光积分）期间，成像区某一相电极为高电平，电像区某一相电极
32、为高电平，电荷被收集到这些电极下方的势荷被收集到这些电极下方的势阱中；阱中；光积分周期结束，进入场逆光积分周期结束，进入场逆程，加到成像区和暂存区电程，加到成像区和暂存区电极上时钟脉冲将成像区所积极上时钟脉冲将成像区所积累的电荷迅速转移到暂存区；累的电荷迅速转移到暂存区；进入下一个场正程。暂存区与进入下一个场正程。暂存区与水平读出寄存器按行周期工作。水平读出寄存器按行周期工作。在行逆程期间，信号电荷产生在行逆程期间，信号电荷产生一行的平移；行正程期间，暂一行的平移；行正程期间，暂存区电位不变，水平读出寄存存区电位不变，水平读出寄存区在读出脉冲的作用下输出一区在读出脉冲的作用下输出一行视频信号。
33、行视频信号。38第38页，共53页，编辑于2022年，星期二特点：特点：结构简单，光敏单元的尺结构简单，光敏单元的尺寸可以很小；寸可以很小；但光敏面积占总面积但光敏面积占总面积的比例小。的比例小。帧转移面阵帧转移面阵CCDCCD 39第39页，共53页，编辑于2022年，星期二每一个相敏单元对应于每一个相敏单元对应于两个遮光的读出寄存器两个遮光的读出寄存器单元；单元；每列相敏单元均被读出每列相敏单元均被读出寄存器所隔；寄存器所隔；2.2.隔列转移型面阵隔列转移型面阵CCDCCD40第40页，共53页，编辑于2022年，星期二场正程期间像敏区进行场正程期间像敏区进行光积分，此时转移栅为光积分，此
34、时转移栅为低电平；光积分的同时低电平；光积分的同时将上一场的电荷在垂直将上一场的电荷在垂直驱动脉冲的驱动下一行驱动脉冲的驱动下一行行地将每一列的信号电行地将每一列的信号电荷向水平移位寄存器转荷向水平移位寄存器转移；移；场逆程期间转移栅上产生正脉冲，将像敏区的信场逆程期间转移栅上产生正脉冲，将像敏区的信号电荷并行的转移到垂直寄存器中。号电荷并行的转移到垂直寄存器中。41第41页，共53页，编辑于2022年，星期二和前两种方式比较取消了存和前两种方式比较取消了存储区，多了一个线寻址电路；储区，多了一个线寻址电路；寻址电路选中某一行相敏单元，寻址电路选中某一行相敏单元，驱动脉冲将该行的电荷包按箭驱动
35、脉冲将该行的电荷包按箭头方向移动，并移入输出寄存头方向移动，并移入输出寄存器；器；输出寄存器在驱动脉冲的输出寄存器在驱动脉冲的作用下使信号电荷包经输作用下使信号电荷包经输出放大器输出。出放大器输出。1.线寻址电路；线寻址电路；2.驱动脉冲；驱动脉冲；3.输出寄存器。输出寄存器。3.3.线转移型面阵线转移型面阵CCDCCD42第42页，共53页，编辑于2022年，星期二CCDCCD数码照相机数码照相机 数数码码相机相机简简称称DC，它采用面它采用面阵阵CCD作作为为光光电转换电转换器件，将被器件，将被摄摄物体的物体的图图像以数字形式像以数字形式记录记录在存在存储储器中。器中。数码相机从外观看，也
36、有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器LCD，内，内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。43第43页，共53页，编辑于2022年，星期二8.5 CMOS图像传感器图像传感器 带红外带红外LED照明的照明的CMOS视频摄像头视频摄像头 CMOS图图像像传传感感器器出出现现于于1969年年,它它是是一一种种用用传传统统的的芯芯片片工工艺艺方方法法将将光光敏敏元元件件、放放大大器器、A/D转转换换器器、存存储储器器、
37、数数字字信信号号处处理理器器和和计计算算机机接接口口电电路路等等集集成成在在一一块块硅硅片片上上的的图图像像传传感感器器件件，这这种种器器件件的的结结构构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。44第44页，共53页，编辑于2022年，星期二1.CMOS成像器件的组成成像器件的组成 CMOS成像器件的组成原理框图如图成像器件的组成原理框图如图8-31所示，它的主要所示，它的主要组成部分是像敏单元阵列和组成部分是像敏单元阵列和 MOS 场效应管集成电路，而且这场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵
38、列实际上是光电二两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列实际上是光电二极管阵列极管阵列.如图中所示的像敏单元阵如图中所示的像敏单元阵列按列按X和和Y方向排列成方方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在单元都有它在X，Y各方各方向上的地址，并可分别由向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进两个方向的地址译码器进行选择；输出信号送行选择；输出信号送A/D转换器进行模数转换变成转换器进行模数转换变成数字信号输出。数字信号输出。45第45页，共53页，编辑于2022年，星期二图像信号的输出过程：图像信号的输出过程：在在Y方向地址译码器方向地址译码器（可以采用移位寄存器）
39、（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟每行像敏单元上的模拟开关（图中标志的开关（图中标志的Si,j），），信号将通过行开关传送到列信号将通过行开关传送到列线上；线上；通过通过X方向地址译码器方向地址译码器（可以采用移位寄存器）（可以采用移位寄存器）的控制，输送到放大器。的控制，输送到放大器。由于信号经行与列开关输出，因此，可以实现逐行扫描或隔行扫由于信号经行与列开关输出，因此，可以实现逐行扫描或隔行扫描的输出方式。也可以只输出某一行或某一列的信号。描的输出方式。也可以只输出某一行或某一列的信号。46第46页，共53页，编辑于2022年，星期二注意注意
40、：在：在CMOSCMOS图像传感器图像传感器的同一芯片中，还可以设的同一芯片中，还可以设置其他数字处理电路。例置其他数字处理电路。例如，可以进行自动曝光处如，可以进行自动曝光处理、非均匀性补偿、白平理、非均匀性补偿、白平衡处理、衡处理、校正、黑电平校正、黑电平控制等处理。甚至于将具有控制等处理。甚至于将具有运算和可编程功能的运算和可编程功能的DSPDSP器器件制作在一起形成多种功能件制作在一起形成多种功能的器件。的器件。47第47页，共53页，编辑于2022年，星期二2.CMOS2.CMOS成像器件的像敏单元结构成像器件的像敏单元结构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
41、每个成像单元的电路结构，是像敏单元结构指每个成像单元的电路结构，是CMOS图像传图像传感器的核心组件。像敏单元结构有两种类型，即感器的核心组件。像敏单元结构有两种类型，即被动像敏单被动像敏单元结构元结构和和主动像敏单元结构主动像敏单元结构。只包含光电二极管只包含光电二极管和地址选通开关两和地址选通开关两部分。部分。1.1.被动像敏单元结构被动像敏单元结构48第48页，共53页，编辑于2022年，星期二被动像敏单元结构的缺点是被动像敏单元结构的缺点是固定图案噪声（固定图案噪声（FPNFPN）大、图像）大、图像信号的信噪比较低。信号的信噪比较低。主动像敏单元结构主动像敏单元结构是当前得是当前得到实
42、际应用的结构。它与被到实际应用的结构。它与被动像敏单元结构的最主要区动像敏单元结构的最主要区别是，在每个像敏单元都经别是，在每个像敏单元都经过放大后，才通过场效应管过放大后，才通过场效应管模拟开关传输，所以固定图模拟开关传输，所以固定图案噪声大为降低，图像信号案噪声大为降低，图像信号的信噪比显著提高。的信噪比显著提高。49第49页，共53页，编辑于2022年，星期二场效应管场效应管V V1 1构成光电二极管构成光电二极管的负载，它的栅极接在复的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲位信号线上，当复位脉冲到来时，到来时，V1V1导通，光电二导通，光电二极管被瞬时复位；极管被瞬时复位；当复位脉
43、冲消失后，当复位脉冲消失后，V1V1截止，光电二极管开始积分光信号。截止，光电二极管开始积分光信号。V2V2为源极跟随器，它将光电二极管的高阻抗输出信号进为源极跟随器，它将光电二极管的高阻抗输出信号进行电流放大。行电流放大。V3V3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，V3V3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。50第50页，共53页，编辑于2022年，星期二8.5.2 8.5.2 典型典型典型典型CMOSCMOS图像传感器图像传感器图像传感器图像传感器 (1)成像器件的原理结构成像器件的原理结构 SXGA型型CMO
44、S成像器件是成像器件是CMOS图像传感器的主要部分，图像传感器的主要部分，其原理结构如图其原理结构如图8-37所示。所示。在移位寄存器和像敏单元之间在移位寄存器和像敏单元之间添加添加Y复位移位寄存器，复位复位移位寄存器，复位和读出的行地址指针。和读出的行地址指针。Y复位复位移位寄存器可以对各相敏单元移位寄存器可以对各相敏单元进行复位，以清除帧与帧之间进行复位，以清除帧与帧之间影响。还可以用于曝光控制，影响。还可以用于曝光控制，即各像敏单元被复位时开始积即各像敏单元被复位时开始积分信号，当分信号，当Y移位寄存器启动移位寄存器启动时就读出信号，这个时间间隔时就读出信号，这个时间间隔-曝光时间。曝光
45、时间。地址指针可以准确控制行的位置，避免出地址指针可以准确控制行的位置，避免出现空位错行现象。现空位错行现象。51第51页，共53页，编辑于2022年，星期二SXGA型型CMOS成像器件像敏区的结构如图成像器件像敏区的结构如图8-38所示。所示。该器件的像敏单元总数是该器件的像敏单元总数是1 2861 030个，属于主动像敏单元个，属于主动像敏单元结构，每个像敏单元都带有结构，每个像敏单元都带有3个场效应管放大器。个场效应管放大器。在光敏阵列的上部贴附在光敏阵列的上部贴附R，G，B色滤光片便成为彩色色滤光片便成为彩色CMOS图像传感器件。若无需彩色成像，也可以不要这种滤图像传感器件。若无需彩色成像，也可以不要这种滤光片。光片。52第52页，共53页，编辑于2022年，星期二SXGA型型CMOS成像器件的光谱特性如图成像器件的光谱特性如图8-39所示。所示。加入彩色滤光片后，光谱响应降低加入彩色滤光片后，光谱响应降低53第53页，共53页，编辑于2022年，星期二