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1、光电信号处理光电信号处理光电成像信号处理光电成像信号处理光电成像系统的构成光电成像系统的构成 光学镜头光学镜头CCD CCD CMOSCMOS信号处理信号处理显示存储显示存储人的视觉的局限性人的视觉的局限性灵敏度灵敏度分辨力分辨力时时 间间空空 间间光光 谱谱夜 视非可见光微小遥视高速和存储光电成像光电成像拓展人的视野拓展人的视野 6.1 光电成像原理光电成像原理 l光电成像原理光电成像原理光电成像系统由两部分构成：光电成像系统由两部分构成：摄像系统摄像系统(摄像机摄像机)与图像显示系统。与图像显示系统。摄像系统由光学成像系统（成像物镜）、光电变换系统、同步扫摄像系统由光学成像系统（成像物镜）
2、、光电变换系统、同步扫描和图像编码等部分构成，输出全电视视频信号。描和图像编码等部分构成，输出全电视视频信号。1.摄像机的基本原理摄像机的基本原理 景物经光学系统成像在物镜的像面景物经光学系统成像在物镜的像面(光电图像传感器的像面光电图像传感器的像面)上，形成二维空间光强分布的光学图像。上，形成二维空间光强分布的光学图像。光电图像传感器：将光学图像转变成二维光电图像传感器：将光学图像转变成二维“电气电气”图像的工作。图像的工作。组成一幅图像的最小单元称为像素或像元，像元的大小或组成一幅图像的最小单元称为像素或像元，像元的大小或一幅图像所包含的像元数决定了图像的分辨率，分辨率越高，一幅图像所包含
3、的像元数决定了图像的分辨率，分辨率越高，图像的细节信息越丰富，图像越清晰，图像质量越高。即将图图像的细节信息越丰富，图像越清晰，图像质量越高。即将图像分割得越细，图像质量越高。像分割得越细，图像质量越高。高质量的图像来源于高质量的摄像系统，高质量的图像来源于高质量的摄像系统，其中主要是高质量的光电图像传感器。其中主要是高质量的光电图像传感器。2.图像的分割图像的分割 将一幅图像分割成若干像素的方法有很多，将一幅图像分割成若干像素的方法有很多，超正析像管：利用电子束扫描光电阴极的方法分割像素；超正析像管：利用电子束扫描光电阴极的方法分割像素；视像管：由电阻海颗粒分割；视像管：由电阻海颗粒分割；面
4、阵面阵CCD、CMOS图像传感器：用光敏单元分割。图像传感器：用光敏单元分割。被分割后的电气图像经扫描才能输出一维时序信号，扫描被分割后的电气图像经扫描才能输出一维时序信号，扫描的方式也与图像传感器的性质有关。的方式也与图像传感器的性质有关。面阵面阵CCDCCD采用转移脉冲方式将电荷包（像素信号）输出一维采用转移脉冲方式将电荷包（像素信号）输出一维时序信号；时序信号；CMOSCMOS图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式完图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式完成像素信号的一维输出。成像素信号的一维输出。图像的显示：图像的显示：监视器或电视接收机的显像管：监视器或电视接收机的显像管：利用电磁场
5、使电子束偏转利用电磁场使电子束偏转而实现行与场扫描，而实现行与场扫描，因此，对于行、场扫描的速度、周期等参数进行严格的规定，因此，对于行、场扫描的速度、周期等参数进行严格的规定，以便显像管显示理想的图像。以便显像管显示理想的图像。F(x,y,t)F(t)F(x,y,t)F(t)成像成像显示显示3.扫描方式扫描方式（1）逐行扫描）逐行扫描显像管的电子枪装有水平与垂直两个方向的偏转线圈，线圈中分别显像管的电子枪装有水平与垂直两个方向的偏转线圈，线圈中分别流过锯齿波电流，电子束在偏转线圈形成的磁场作用下同时进行水流过锯齿波电流，电子束在偏转线圈形成的磁场作用下同时进行水平方向和垂直方向的偏转，完成对
6、显像管荧光屏的扫描。平方向和垂直方向的偏转，完成对显像管荧光屏的扫描。（2）隔行扫描）隔行扫描 根据人眼对图像分辨能力，扫描的水平行数至少应大于根据人眼对图像分辨能力，扫描的水平行数至少应大于600行，频率不小于行，频率不小于25Hz25Hz，对于逐行扫描方式，行扫描频率必须大于对于逐行扫描方式，行扫描频率必须大于29000Hz，才能保证才能保证人眼视觉对图像的最低要求。人眼视觉对图像的最低要求。这样高的行扫描频率，无论对摄像系统还是对显示系统都这样高的行扫描频率，无论对摄像系统还是对显示系统都提出了更高的要求。为了降低行扫描频率，又能保证人眼视觉提出了更高的要求。为了降低行扫描频率，又能保证
7、人眼视觉对图像分辨率及闪耀感的要求，早在对图像分辨率及闪耀感的要求，早在20世纪初，人们就提出了世纪初，人们就提出了隔行扫描分解图像和显示图像的方法。隔行扫描分解图像和显示图像的方法。第第二二，要要求求相相邻邻两两场场光光栅栅必必须须均均匀匀地地镶镶嵌嵌，确确保保获获得得最最高高的的清清晰晰度。度。目前，我国现行的隔行扫描电视制式就是每帧扫描行数为目前，我国现行的隔行扫描电视制式就是每帧扫描行数为625行，行，一帧由二场构成，每场扫描行数为一帧由二场构成，每场扫描行数为312.5行。行。第第一一，要要求求下下一一帧帧图图像像的的扫扫描描起起始始点点应应与与上上一一帧帧起起始始点点相相同同，确确
8、保保各各帧帧扫扫描描光光栅栅重重叠；叠；要求隔行扫描必须满足下面两个要求：要求隔行扫描必须满足下面两个要求：（3）扫描行频）扫描行频 电子束扫描一行所需要的时间，又称为行周期。电子束扫描一行所需要的时间，又称为行周期。行周期的倒数称为行频。行周期的倒数称为行频。我国现行电视制式（我国现行电视制式（PAL制式）的主要参数为：制式）的主要参数为：宽高比宽高比=4/3；场频；场频fv=50 Hz；行频；行频fl=15 625 Hz；场周期场周期T=20ms，其中场正程扫描时间为其中场正程扫描时间为18.4ms，逆程扫描时间为逆程扫描时间为1.6ms。行周期为行周期为64s，其中行正程扫描时间为其中行
9、正程扫描时间为52s，逆程扫描时间为，逆程扫描时间为12s。4.电视制式电视制式 电视的图像发送与接收系统中，图像的采集与图像显示器电视的图像发送与接收系统中，图像的采集与图像显示器必需遵守同样的分割规则才能获得理想的图像传输。必需遵守同样的分割规则才能获得理想的图像传输。这个规则被称为电视制式。这个规则被称为电视制式。目前，正在应用中的电视制式一般有三种。目前，正在应用中的电视制式一般有三种。PALPAL彩色电视制式：彩色电视制式：场频为场频为50 Hz，隔行扫描每帧扫描行数为隔行扫描每帧扫描行数为625行，行，伴音、图像载频带宽为伴音、图像载频带宽为6.5 MHz。6.2 6.2 电荷耦合
10、器件电荷耦合器件 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）图像传感器主要有）图像传感器主要有两种基本类型两种基本类型:表面沟道器件：表面沟道器件：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，简称SCCD；体沟道或埋沟道体沟道或埋沟道CCD器件：器件：信号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转移的器件，简称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。信号的输入、存贮、转移、输出。信号的输入、存贮、转移、输出。6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 电荷耦合器件的
11、电荷耦合器件的电荷耦合器件的电荷耦合器件的 基本原理基本原理基本原理基本原理1.电荷存储电荷存储 构成构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS（金属（金属-氧化物氧化物-半导体）结构。半导体）结构。在栅极在栅极G施加电压施加电压UG之前之前P型半导体中空穴的分布是均匀的。型半导体中空穴的分布是均匀的。当栅极施加正电压当栅极施加正电压UG（此时（此时UG小于等于小于等于P型半导体的阈值电压型半导体的阈值电压Uth）时，时，p型半导体中的空穴将开始被排斥，并在半导体中产生所示耗型半导体中的空穴将开始被排斥，并在半导体中产生所示耗尽区。电压继续增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸，图（尽区。电压继续增
12、加，耗尽区将继续向半导体体内延伸，图（c）。）。UG大于大于Uth后，耗尽区的深度与后，耗尽区的深度与UG成正比。成正比。将半导体与绝缘体界面上的电势记为表将半导体与绝缘体界面上的电势记为表面势面势s，s将随栅极电压将随栅极电压UG的增加而的增加而增加，增加，在掺杂为在掺杂为1021 cm-3，氧化层厚度为，氧化层厚度为0.1m、0.3m、0.4m和和0.6m情况下，情况下，不存在反型层电荷时不存在反型层电荷时，表面势，表面势s与栅极与栅极电压电压UG的关系曲线。的关系曲线。从表面势从表面势s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
13、；度越薄曲线的直线性越好；在同样的栅极电压在同样的栅极电压UG作用下，不同厚度的氧化层有着不同作用下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势。表面势的表面势。表面势s表征了耗尽区的深度。表征了耗尽区的深度。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与反型层与反型层电荷密度电荷密度Qinv之间的关系。之间的关系。由图可以看出，表面势由图可以看出，表面势s随随反型层电荷密度反型层电荷密度Qinv的增加而的增加而线性减小。线性减小。用半导体物理中的用半导体物理中的“势阱势阱”概念来描述。概念来描述。电子所以被加有栅极电压的电子所以被加有栅极电压的MOS结构吸引到半导体与氧化层的
14、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。交界面处，是因为那里的势能最低。2.2.电荷耦合电荷耦合传传输输ttt123三相三相CCD驱动脉冲波形图驱动脉冲波形图 CCD CCD的电极结构的电极结构 三相单层铝电极结构三相单层铝电极结构l三相电阻海结构三相电阻海结构 光学系统光学系统CCD2二相硅二相硅-铝交叠栅结构铝交叠栅结构 tt12二相二相CCD驱动脉冲波形图驱动脉冲波形图3.3.光信号的输入光信号的输入 Qin=qNeoAtc为材料的量子效率；为材料的量子效率；q为电子电荷量；为电子电荷量；Neo为入射光的光子流速；为入射光的光子流速；A为光敏单元的受光面积；为光敏单元的
15、受光面积；tc为光的注入时间。为光的注入时间。4.4.电荷的检测电荷的检测 采用电流输出方式：检测二极管、偏置电阻采用电流输出方式：检测二极管、偏置电阻R R、源极输出放大器和复位场效应管。源极输出放大器和复位场效应管。I Id d的大小与电荷的变化量成正比，的大小与电荷的变化量成正比，A A点电位变化。点电位变化。复位场效应管复位场效应管：放掉剩余的电荷：放掉剩余的电荷 6.2.2 6.2.2 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 摄像器件的基本功能：光电转换、光积分、扫描摄像器件的基本功能：光电转换、光积分、扫描 电荷耦合摄像器件：用于摄像的电荷耦合摄像器件：用于摄像的CCDCCD，又简称为，
16、又简称为ICCD,ICCD,线阵和线阵和面阵面阵 把二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量的视频出信号。把二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量的视频出信号。线线阵阵CCD器件器件:直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号，获得一维的图像信号。号，获得一维的图像信号。如何用线阵如何用线阵CCDCCD获得二维图像信号？获得二维图像信号？面阵面阵CCD器件器件是二维的图像传感器，是二维的图像传感器，直接将二维图像转变为视频信号输出。直接将二维图像转变为视频信号输出。1 1、线型、线型CCDCCD摄像器件的两种基本形式摄像器件的两种基本形式 (1)单沟道
17、线阵单沟道线阵CCD光敏元与转移区分开光敏元与转移区分开，光积分期间收集电子，结束后光积分期间收集电子，结束后由转移栅将电荷转移至移位寄存器，开始下一任积分周由转移栅将电荷转移至移位寄存器，开始下一任积分周期，同时在转移时钟的作用下输出电荷包。期，同时在转移时钟的作用下输出电荷包。转移效率问题。转移效率问题。(2)双沟道线阵双沟道线阵CCD面阵CCD根据结构和工作原理又可以细分为三种：全帧式、帧转移式和行间转移式。2 面阵面阵CCD 帧帧转转移移面面阵阵CCD1 行行间间转转移移型型面面阵阵CCD3.CCD3.CCD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
18、移损失率电荷转移效率为:电荷转移损失率为:电荷转移效率与损失率的关系为:（2 2）驱动频率驱动频率 驱动频率的下限驱动频率的下限 电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t t，少数，少数载流子的平均寿命为载流子的平均寿命为i i 则则 驱动频率的上限驱动频率的上限 电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间为电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间为g g 则则 （3）光电转换特性光电转换特性l存储于CCD的像敏单元中信号电荷包是由入射光子被硅衬底材料吸收，并被转换成少数载流子（反型层电荷）形成的，因此，它具有良好的光电转换特性。它的光电转换因子可达到9
19、9.7%以上。（4）光谱响应光谱响应（5 5）动态范围动态范围 1、势阱可存储的最大信号电荷量、势阱可存储的最大信号电荷量QCoxUGA 2、噪声、噪声（1）光子噪声）光子噪声（2）电流噪声）电流噪声（3）胖零噪声）胖零噪声（4）浮获噪声）浮获噪声（5）输出噪声）输出噪声（6 6）暗电流暗电流 1、耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁2、少数载流子在中性体内的扩散3、Si-SiO2界面引起的暗电流(A/cm)In=10-3sNss （7 7）分辨率分辨率 二维面阵CCD的输出信号一般遵守电视系统的扫描制式。它在水平方向和垂直方向上的分辨率是不同的，水平分辨率的要求往往高于垂直分辨率。在评价
20、面阵CCD的分辨率时，只评价它的水平分辨率，且利用电视系统的评价方法为电视线数的评价方法。电视线评价方法：在一幅图像的水平方向能够分辨出黑白线的条数为其分辨率。分辨率CCD的像元数量有关，像元数越多，分辨率越高。现在面阵CCD的像元数有：640 480 30万像数 1024768 80万像数l0241024，100万像数 12801024，130万像数 16001200，200万像数1638412288 目前采用的芯片大多数为1/3英寸和1/4英寸。CCD靶面的大小，CCD与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。一般来说，相同分辨率的CCD，靶面越大，灵敏度越高，成像也就越清晰。
21、1英寸：12.7mm（宽）9.6mm（高），对角线16mm2/3英寸：8.8mm（宽）6.6mm（高），对角线11mm1/2英寸：6.4mm（宽）4.8mm（高），对角线8mm1/3英寸：4.8mm（宽）3.6mm（高），对角线6mm1/4英寸：3.2mm（宽）2.4mm（高），对角线4mmCCD靶面大小靶面大小系统对摄像物镜的基本要求：系统对摄像物镜的基本要求：成像清晰；成像清晰；T T数（透过光学系统的光通量）高；数（透过光学系统的光通量）高；像面照度均匀；图像畸变小；光阑可以调整等。像面照度均匀；图像畸变小；光阑可以调整等。6.2.3 摄像物镜相对孔径相对孔径：D/f，表示物镜的聚光能力
22、，靶面照度与相对孔径成正比，但相对孔径越大，像差校正就越难。F数（光圈数）：相对孔径的倒数，通常物镜上实际刻度值为：1.41.4，2 2，2.82.8，4 4，5.65.6，8 8，1111，1616，2222，3232摄像物镜的特性参数：摄像物镜的特性参数：成像尺寸与视场角：成像尺寸与视场角：成像尺寸靶面（CCD）有效尺寸xy，2表征物镜视野，分为水平视场角垂直视场角焦距焦距f：长焦距镜头：fx,y（看清景物细节）短焦距镜头：fx,y（环境照明差，场面大）中焦距镜头：f与成像尺寸相当变焦镜头：焦距连续可调摄像物镜的特性参数：摄像物镜的特性参数：摄像物镜后截距后截距S：接口类型安装面至焦平面距
23、离d直径D及螺纹英寸mmC0.6917.526D=1英寸，32TPICS0.49212.5D=1英寸，32TPI镜头DdCCD摄像机摄像机CCD摄像镜头C和CS的接口及其参数透射比透射比透射比透射比：透过光学系统的光通量透过光学系统的光通量T T与入射到光学系统的光通量与入射到光学系统的光通量 之比。一般定焦镜头之比。一般定焦镜头 为为0.90.9，变焦为，变焦为0.80.8。透射比是。透射比是波长波长 的函数。的函数。分辨力及分辨力及分辨力及分辨力及MTFMTF：分辨力分辨力N N通常用单位长度内看清对比度为通常用单位长度内看清对比度为1 1的黑白条纹的黑白条纹的对数的对数(lp/mm)(l
24、p/mm)表示。表示。几何畸变：几何畸变：几何畸变：几何畸变：像的大小与理想像高不等，小于理想像高桶形畸变，像的大小与理想像高不等，小于理想像高桶形畸变，反之枕形畸变，摄像物镜总畸变应小于反之枕形畸变，摄像物镜总畸变应小于5 5。杂散光：杂散光：杂散光：杂散光：透镜间相互杂乱反射的光投射到成像面上，降低图像透镜间相互杂乱反射的光投射到成像面上，降低图像对比度，应尽量小。对比度，应尽量小。景深：不同距离上的物点，在成像面上形成不同大小的弥散圆斑，当弥散圆直径足够小时，弥散圆仍可视为一个点像，其直径的允许值取决于摄像器件的分辨力。由弥散圆直径允许值所决定的物空间深度范围成为景深。焦深：同理，当物距
25、固定时，在焦平面前后能得到清晰图像的范围称为焦深。调焦：调节像面位置，使得不同距离得景物在成像面保持清晰图像得过程为调焦。变焦物镜：焦距连续可变。焦距变化时，成像面固定不变各焦距对应的像质和照度分布应符合要求。6.2.4 典型线阵典型线阵CCD器件器件 l目前最具有典型性的双沟道器件为TCD1206SUP，l广泛应用于物体外形尺寸的非接触自动测量领域，l是一种较为理想的一维光电探测器件。光敏单元的尺寸为：14m14m，中心距亦为14m，光敏元数：2160阵列总长为30.24mm。几何尺寸：被测物被测物重叠部分重叠部分一、TCD1206SUP的基本结构TCD1206SUP的驱动脉冲：l二、TCD
26、l206SUP的驱动电路三、TCDl206SUP的驱动电路 经反向驱动器74HC04P反向后加到TCD1206SUP的相应管脚上。输出OS信号及DOS信号。OS：有效光电信号，DOS：补偿信号。四、TCDl206SUP的特点 1.驱动简便2.灵敏度高3.光谱响应m为550nm，与人眼的光谱响应峰值波长很接近。五、TCD1206SUP的特性参数 TCD1206SUP的特性参数的特性参数参数名称符号最小值典型值最大值计量单位备注响应R334556V/lxs对于发光二极管（660nm）光源的响应为600V/lxs像敏单元不均匀性PRNU10%饱和输出电压USAT1.51.7V饱和曝光量SE0.037
27、lxs暗信号电压UMDK12mV所有有效像素单元暗信号的最大值暗信号不均匀性DSNU23mV直流功率损耗PD140180mW总传输效率TTL92%输出阻抗ZO1k动态范围DR1700直流信号输出电压UOS4.55.57V直流参考输出电压UDOS4.55.57V直流失调电压20mV特性参数符号最小值典型值 最大值 单位灵敏度R334556V/lxs光响应非均匀性PRNU 1020寄存器不平衡性RI 3饱和输出电压VSAT1.51.7 V饱和曝光量SE 0.037 lxs 暗信号电压VDRK 12mV暗信号电压非均匀性DSNU 23mV直流电源耗散 PD 140180mW总转移效率 TTE92 输
28、出阻抗 ZO 1.0k直流信号输出电压 VOS 4.5 5.57.0VTCD1206SUP为具有高灵敏度、较高动态范围的线阵CCD器件。6.3 CMOS图像传感器图像传感器一、一、CMOS图像传感器的发展历史图像传感器的发展历史二、二、CMOS图像传感器的原理图像传感器的原理三、三、典型典型CMOS图像传感器图像传感器四、四、CMOSCMOS图像传感器的性能参数图像传感器的性能参数五、五、CMOS与与CCD图像传感器性能比较图像传感器性能比较一、一、CMOS图像传感器的发展历史图像传感器的发展历史l上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念：l互补金属氧化物半导体图像传感器lCMO
29、SComplementaryMetalOxideSemiconductorCISCMOSImageSensorl电荷耦合器件图像传感器（CCD）CMOS与CCD图像传感器的研究几乎是同时起步，固体图像传感器得到了迅速发展。lCMOS图像传感器：l由于受当时工艺水平的限制，由于受当时工艺水平的限制，图像质量差、分辨率图像质量差、分辨率低、噪声降不下来，因而没有得到重视和发展。低、噪声降不下来，因而没有得到重视和发展。lCCD图像传感图像传感 器：器：l 光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点l 一直主宰着图像传感器市场。一直主宰着图像传感器市场。l由于集成电路设计技
30、术和工艺水平的提高，由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。的，因而它再次成为研究的热点。1970年,CMOS图像传感器在NASA的喷气推进实验室JPL制造成功，80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件，1995年像元数为（128128）的高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功，1997年英国爱丁堡VLSIVersion公司首次实现
31、了CMOS图像传感器的商品化，2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS，成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。2000年9月美国Foveon和国家半导体公司采用0.18mmCMOS工艺开发出1600万像素（40964096）CMOS图像传感器到到目目前前为为止止,在在开开发发CMOSCMOS图图象象传传感感器器中中所所采采用用的先进的关键技术可归纳如下：的先进的关键技术可归纳如下：(1)(1)相关双取样相关双取样 (CD)(CD)电路技术；电路技术；(2)(2)微透镜阵列制备技术；微透镜阵列制备技术；(3)(3)彩色滤波器阵列技术；彩色滤波器阵列技术；
32、(4)(4)数字信号处理数字信号处理 (DSP)(DSP)技术；技术；(5)(5)抑制噪声电路技术；抑制噪声电路技术；(6)(6)模拟数字转换模拟数字转换 (A/D)(A/D)技术；技术；(7)亚微米和深亚微米光刻技术。亚微米和深亚微米光刻技术。二、二、CMOSCMOS图像传感器的结构图像传感器的结构 1.CMOS图像传感器图像传感器的组成主要主要组成部分：组成部分：像敏单元阵列和像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路场效应管集成电路像敏单元阵列：像敏单元阵列：光电二极管阵列。光电二极管阵列。两部分是集成在两部分是集成在同一硅片上。同一硅片上。2.CMOS图像传感器的像敏单元结构图像传感器的像敏
33、单元结构 有两种类型：被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。有两种类型：被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。被动像敏单元结构被动像敏单元结构:只包含光电二极管和地址选通开关两部分，只包含光电二极管和地址选通开关两部分，公共的放大器公共的放大器主动式像敏单元结构：主动式像敏单元结构：当复位脉冲消失后，当复位脉冲消失后，V V1 1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。场效应管场效应管V V2 2：源极跟随放大器，进行电流放大，：源极跟随放大器，进行电流放大，场效应管场效应管V V3 3构成模拟开关，积分结束后，构成模拟开关，积分结束后，V3管导通，信号管导通，信号输出。输
34、出。场效应管场效应管V V1 1构成光电二构成光电二极管的负载，它的栅极极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当接在复位信号线上，当复位脉冲（高）出现时，复位脉冲（高）出现时，V V1 1导通，光电二极管被导通，光电二极管被瞬时复位；瞬时复位；图像信号的输出过程：图像信号的输出过程：1、光谱响应特性、量子效率2、填充因子填充因子3、输出特性和动态范围随着输出模式不同，有四种动态范围：（1）线性输出：适合连续测量、动态范围小、S/N高（2）双斜率模式:扩大动态范围（3）对数模式：动态范围大（4）校正模式：U=KeE四、四、CMOSCMOS图像传感器的性能参数图像传感器的性能参数4、噪声（1）光敏
35、元噪声：热噪声、散粒噪声、g-r噪声、电流噪声（2）MOS噪声（3）工作噪声：复位噪声、空间噪声5、空间传递函数五、五、CMOS与与CCD图像传感器性能比较图像传感器性能比较性能指性能指标 CMOS CMOS图像像传感器感器 CCD图图像像传传感器感器暗电流（暗电流（PA/MPA/M2 2）电子电子-电压转换率电压转换率动态范围动态范围响应均匀性响应均匀性读出速度读出速度(Mpixels/sMpixels/s)偏置、功耗偏置、功耗工艺难度工艺难度信号输出方式信号输出方式集成度集成度应用范围应用范围性价比性价比1010100100大大略小略小较差差1000 1000 小小小小x xy y寻址可址
36、可随随机采机采样高高低端、民用低端、民用高高1010略小略小大大好好7070大大大大顺序逐序逐个个像元像元输出出低低高端、高端、军用、用、研研究究略低略低lCCD与CMOS图象传感器出货量l（单位：百万颗）lCMOS 图象传感器的应用领域十分广泛，图象传感器的应用领域十分广泛，六、六、CMOS图像传感器的图像传感器的应用领域应用领域 l已经渗透到了人们日常生活的方方面面。已经渗透到了人们日常生活的方方面面。国外芯片厂商国外芯片厂商：l生产生产CMOS图像传感器，比较著名的有：图像传感器，比较著名的有：Micron（美光）（美光）lOmni Vision（豪威）（豪威）lMitsubishi（三菱）（三菱）lKodak（柯达）等。柯达）等。l国内的CIS企业l上海派视尔、上海格科微电子、北京思比科l1.3MegaPixel与2MegaPixel产品。l格科微电子采用的仍然是传统的图形架构，每个像素前面采用单色滤色片，但采用了该公司专利的架构技术，在色彩的还原和图像处理方面有优势。l派视尔则在集成化方面有特点。已经推出集成有自动调整聚焦控制器（AF）的200万像素级单芯片CIS。能够充分满足手机市场对图像质量、性能及易用性的要求，同时还能简化模块制造的组装过程。