固态成像器件原理及应用第八讲-固态图像传感器应用技术-修改
固态图像传感器
当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子 产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流 子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集 在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的 光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。 光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。
CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输 出两种。 以电压输出型为例： 有浮置扩散放大器（FDA）、 浮置栅放大器（FGA）。浮置栅放大器（FGA）应用 最广。
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D的特性参数
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D的特性参数
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D的特性参数
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第13章
固态图像传感器
CCD固态图像传感器 线阵CCD型 面阵CCD型
P1 P2 P3 P1 P3 P1 P2 P3 t=t0 P1 P2 P2 P3 t=t1 P1
P1
P2 P2
P3 P3
P1
P2 P3 t=t2
P1 P2
P3 t=t3
（4）光信号的注入
CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入 两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传 来的光信号，即采用光注入CCD。
电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。 也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明 控制电荷定转移的过程。见图
三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极 P1,P2,P3,依次 在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。 CCD 电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图 (b) 采 用电注入方式。
第13章
固态图像传感器
CCD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、 分辨率等。
固体图像传感器
为τ g 则
载流子的迁移率/电极长度，衬底 杂质的浓度、温度有关
f 1
3 g
CCD的特性参数
（3）电荷贮存容量 电极下的势阱中能容纳的电荷量 时钟脉冲变化幅值
Q Cox V A
N Q / q Cox V A / q Cox 0 s A / d
SiO2层电容
CCD 的整个感光面上的象素总数：
CCD像素总数 M N m2 n2
CCD分辨率
• 数码镜头的分辨率与CCD的分辨率的匹配： 在水平方向上数码镜头对线状分辩率图案的成象， 其每个线 宽恰好占用一个象素，我们 就称在水平方向上选用的CCD 与数码镜头在分辩率上是相配的; 在垂直方向上也可同样理解 。这样定义保正了CCD 在最少象素总数下，恰好能分辩清象 的细节。
⑤按形状分类：长形、短形、方块形、半球形、单板形
CCD图象传感器的应用
•小型化黑白、彩色TV摄像机 这是面阵CCD应用最广泛的领域。
•传真通讯系统 用1024～2048像元的线阵CCD作传真机，可在不到一秒钟内完成A4开稿件的扫描。 •光学字符识别
IS代替人眼，把字符变成电信号，进行数字化，然后用计算机识别。 重庆大学1985年的CD-1型OCR机，识别率达99．9﹪。 •广播TV
CCD种类
①按成象器件分类：线阵CCD、面阵CCD 线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低； 面阵CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大；
②按颜色分类：黑白、彩色
黑白：信息量小，时间、空间少 彩色：信息量大，时间、空间多
③按扫描方式分类：逐行扫描、隔行扫描
逐行扫描：高速运动，避免边缘模糊
④按输出信号分类：模拟式、数字式 数字摄像机 ---- 电子快门 曝光时间: 1/50s、1/125s、1/250s、 1/500s、1/1000s、1/2000s、1/4000s、 1/8000s、1/16000s、1/32000s…
《固态图像传感器》课件
C M O S 图像传感器的工作原理
1
曝光
光线通过镜头进入传感器，被转换为电荷。
2
读出
将电荷转换为电压信号，并通过AD转换器进行数字化处理。
C M O S 图像传感器的特点
1 集成度高
由于CMOS传感器采用集成电路制造技术，可集成更多的功能。
2 功耗低
CMOS传感器相较于CCD传感器功耗更低，适合移动设备和无线摄像。
CMOS
CMOS图像传感器采用集成电路制造技术，具有高集成度、低功耗和成本低等优势。
其他类型
除了CCD和CMOS，还有其他类型的固态图像传感器，如BSI、ToF等。
C C D 图像传感器的工作原理
1
暗电流
CCD图像传感器在暗环境下会产生一定的
曝光
2
暗电流，需要进行去噪处理。பைடு நூலகம்
光线通过镜头进入传感器，被转换为电
3 成本低
CMOS传感器的制造成本相对较低，能够为消费者提供更实惠的选择。
小结
C C D 和C M O S 图像传感器的区别
CCD具有低噪声和大动态范围，而CMOS集成度 高且功耗低。
应用领域
CCD适用于高要求的摄影和工业应用，CMOS广 泛用于手机、摄像头等消费电子产品。
《固态图像传感器》PPT 课件
本课程将介绍固态图像传感器的原理、类型和特点，以及CCD和CMOS图像传 感器的区别和应用领域。
什么是固态图像传感器？
固态图像传感器是一种用于将光信号转换为电信号的装置。它具有高感光度、 快速响应和准确捕捉细节等特点。
固态图像传感器的类型
CCD
CCD图像传感器通过光电转换实现图像捕捉，具有低噪声、高动态范围和全局快门等特点。
固态图像传感器的作用及实际应用
固态图像传感器的作用及实际应用
刘云仙
【期刊名称】《云南科技管理》
【年(卷),期】2011(24)3
【摘要】图像传感器是利用光电器件的光-电转换功能,将其感光面上的光像转为与光像比例关系的电信号"图像"的一种功能器件.光导摄像管就是一种图像传感器,而固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单位与移位寄存器构成的集气化,功能化的光电器.光敏单元简称为"像素"或"像点",它们本身在空间上,电器上是彼此独立的.固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号"图像",即将光强的空间分布转换为与光强成比例的,大小不等的电荷包空间分布.然后利用移位寄存器的功能将这些电荷包在时钟脉冲控制下实现读取与输出,形成一系列幅值不等的时序脉冲序列.
【总页数】3页(P72-74)
【作者】刘云仙
【作者单位】昆明市五华区新闻中心,云南,昆明,650021
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.9
【相关文献】
1.固态图像传感器及其应用研究
2.线型CCD固态图像传感器
3.光固态图像传感器在空情探测中的应用
4.针对固态指纹传感器的图像质量评估方法
5.浅谈固态图像传感器的应用前景
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固体成像器件成像原理
固体成像器件成像原理固体成像器件（Solid-state imaging devices）是一种用于光学成像的器件，常见的例子是CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器。
它们广泛应用于数码相机、摄像机、手机摄像头、微控制器等各种成像设备中。
首先，光电转换是指光信号的转换为电信号的过程。
当光照射到固体成像器件表面时，光子会激发器件中的电子，使其跃迁到导带能级上，形成载流体。
绝大部分固体成像器件使用半导体材料作为光电转换材料，其中CCD使用的是硅材料，CMOS传感器则使用的是互补金属氧化物半导体。
当光照强度越大时，激发的电子数目就越多，形成的电荷量也就越大。
在信号读出完成后，固体成像器件会将电荷信号转换为电压信号并进行放大。
在CCD传感器中，电荷通过电荷耦合器件的串行传输结构进行传递，然后通过放大电路进行放大。
而在CMOS传感器中，每个像素都有自己的放大电路，电荷经过感光器件转换为电流信号，再通过放大电路转换为电压信号进行输出。
固体成像器件的成像质量受到颗粒度、量子效率、动态范围等因素的影响。
颗粒度是指图像分辨率，也就是器件的像素数量。
量子效率是指每个像素对光的敏感程度，即光电转换效率。
动态范围是指器件能够处理的最大和最小信号差距。
在实际应用中，固体成像器件还会受到暗电流、暗噪声、像素非均匀性、幅值非线性和读出速度等因素的影响。
暗电流是指没有光照射时器件本身自带的电子产生的电流。
暗噪声是指没有光照射时由于热激励导致的电子和缺陷态的产生的电荷噪声。
像素非均匀性是指不同像素对光的响应程度不均匀。
幅值非线性是指光信号与输出电压之间的关系不是线性的。
读出速度是指将信号读出并进行处理的速度，对于高速成像来说，读出速度尤为重要。
总而言之，固体成像器件使用光电转换和信号读出两个过程进行图像成像。
通过调整材料、器件结构和电路设计等方面的参数，可以改善成像质量，并满足不同应用领域对成像器件的要求。
固态图像传感器..
固态图像传感器
图2-3 3个时钟脉冲的时序
固态图像传感器
t2 时刻， Φ1 的高电平有所下降， Φ2 变为高电平， 而Φ3仍是低电平。这样在电极2下面势阱最深，且和电 极l下面势阱交迭，因此储存在电极1下面势阱中的电荷 逐渐扩散漂移到电极2下的势阱区。由于电极3上的高电 平无变化，因此扔高筑势垒，势阱里的电荷不能往电极 3下扩散或漂移。 t3 时刻 Φ1 变为低电平， Φ2 为高电平，这样电极 1 下 面的势阱完全被撤除而成为阱壁，电荷转移到电极 2 下 的势阱内。由于电极 3 下仍是阱壁，因此不能继续前进， 这样便完成了电荷由电极 1下转移到电极2下的一次转移， 如图2-4所示。
固态图像传感器
经过多次试验，贝尔实验室的波意耳 （W.S.Boyle)和史密斯（G.E.Smith)于1970年终于解 决了上述难题。他们采用一种高感光度的半导体材料， 将光线照射导致的电信号变化转换成数字信号，使得 其高效存储﹑编辑﹑传输都成为可能。由于它有光电 转换﹑信息存储﹑延时和将电信号按顺序传送等功能， 且集成度高﹑功耗低，因此随后得到飞速发展，是图 像采集及数字化处理必不可少的关键器件，广泛应用 于科学﹑教育﹑医学﹑商业﹑工业﹑军事和消费领域。
固态图像传感器
内容提要
第一节 概述 第二节 固态图像传感器的分类及其原理 第三节 固态图像传感器的应用
学习目标
掌握固态图像传感器的基本特点和 CCD 传感器的工作原理；熟悉固态图像传感器的 应用。
固态图像传感器
一.概述
定义： 固态图像传感器是指在同一块半导体衬底 上，生成若干个光敏单元与移位寄存器构成一体的集成 光电器件，按空间分布的光强信息转换成按时序串行输 出的电信号。是一种集成化、功能化的光电器件。 光敏单元又称为“像素”或“像点”， 不同的光 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 光学图像转换为按时序输出的电信号“图像”，这些电 信号经适当的处理，能再现入射的光辐射图像。
固态传感器的工作原理
固态传感器的工作原理
固态传感器是一种用于检测物理量并将其转换为电信号的设备。
它们在许多应用中被广泛使用，例如汽车行业中的压力传感器和温度传感器，医疗行业中的血糖传感器，以及工业自动化中的位移传感器等。
固态传感器相对于传统的机械传感器更加稳定和可靠，因为它们没有运动部件，所以寿命更长且更容易维护。
基本上可以分为两种类型：电容型和电阻型。
1. 电容型传感器
电容型传感器通过监测物体与传感器之间的电容变化来检测物理量。
当物体接近传感器时，物体会改变传感器的电场分布，从而改变传感器的电容。
传感器将这种变化转换为电信号，进而可以测量物体与传感器之间的距离或其他物理量。
电容型传感器的一个常见应用是接近传感器。
当目标物体接近传感器时，电容会发生较大的变化，传感器可以检测到这种变化并输出信号。
这种原理也被用于触摸屏，当手指接近屏幕时会改变屏幕的电容，从而实现触摸的功能。
2. 电阻型传感器
电阻型传感器通过监测物体与传感器之间的电阻变化来检测物理量。
当物体接近传感器时，电阻会发生变化，传感器可以测量并转换这种变化为电信号。
电阻型传感器的一个常见应用是压力传感器。
当压力施加在传感器上时，传感器的电阻会发生变化，从而可以测量压力的大小。
另一个常见应用是温度传感器，当温度变化时，传感器的电阻也会发生变化，从而可以测量温度。
总的来说，固态传感器的工作原理是通过测量物体与传感器之间的电容或电阻变
化来检测物理量。
这种原理使得固态传感器具有稳定性高、寿命长、精度高等优点，因此在各行各业都得到了广泛的应用。
固态图像传感器
❖ CCD（Charge-coupled Device）
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数 字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素。 CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将 影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个 小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
实例分析
以数码相机为例分解CCD，基本结构为三层 ：
❖ 第一层是“微型镜头” ❖ 第二层是“分色滤色片”
CCD Camera
Filters
Lens
❖ 第三层“感光层”
UV/UwVh/iwtehiteepeipi illumilliunmatiino像的关键是在于其感光层，为了 扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受 光面积。但是提高采光率的办法也容易使画 质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光 层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因 为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜 片的表面积来决定。
•多数CCD可堆积 85K个电荷
•高品质的CCD可堆 积350K个电荷
•影响灵敏度的一个 因数
•衡量动力学范围的 一个因素
CCD动力学范围
-描述从CCD像素值中可以得到多少数量的灰 度级别的一个术语
-用来表示饱和电压（最大输出级别）与摄像 头随机噪音的比率
CCD像素合并
像素合并（Binning） -将相临的像素所堆积的电荷
• 背照式CCD比前照式CCD 有更好的量子效率
• 多数衡量QE高低是在 425nm波长
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USB2 480MB/Sec Master-Slave 127 5m with no Hub On Board USB2 PCI Card
Point to Point Point to Point LAN (multiple) No Limit (LAN) 100m with no Hub On Board GigE PCI Card 1 10m PCI Frame Grabber
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相机选型主要考虑参数
基本参数： 特殊参数：
- 分辨率 - 增益 - 速度 - Binning - 转移效率与损耗率 - 抗光晕 - 暗电流 - 外触发 - 光谱响应 - 动态范围 - 灵敏度 - A/D转换位数 - 满阱电荷容量 主要相机生产厂家：DALSA、JAI&PULNIX、 - 填充系数 - 输出接口 Cognex、Balser、Atmel， Admec， Kodak， -体积 IMPERX、Mikrotron、DTA、Sentech等 -重量
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相机分类
Sensor
Page trigger
Encoder
Line trigger
A，线阵，靶面为单线CCD芯片，我们称其为线扫描相机。线扫描相机 的特点是采用较低的成本，实现高分辨率和高速采集处理。广泛应用于 工业机器视觉；如线路板的检测，高精度文件扫描，纸张，玻璃，印刷 品在线检测。
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相机分类
Trigger
Proximity sensor
B，面阵，靶面为面阵芯片，几乎所有CCD相机的制造商，都在生产此类相机。 Jai/Pulnix, Sony,Adimec等公司生产的全线产品都是此类型的。Dalsa公司 生产的产品1/3左右属于此类。 面阵相机是工业机器视觉和科研应用最广泛的相机。
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相机选型主要考虑参数
• 影响图像系统性能的参数：
• • • • • Resolution（分辨率）：是位图 图像中细节的精细度。 Contrast（对比度）：影像中物 体和背景的平均亮度之比较(对比 强烈与否)。 Depth of Field（DOF，景深）： 物体能看清楚的最近和最远的相 差距离，有时称为焦距深度。 Distortion（畸变）：影像在镜头 成像过程中，在不同点位置造成 差异的光学误差。 Perspective Errors（视差）：这 是传统镜头在不同距离会有放大 倍率改变的现象，较近物体比较 远物体产生较大投射误差。
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相机接口
GigE Band Width Connection Max Number Of Connection Maximum Cable Length 1,000MB/Sec CameraLink 2,380MB/Sec (Base) IEEE1394b 800MB/Sec Peer to Peer 63 4.5m with no Hub On Board IEEE PCI Card
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第3页
OV7620工作时序图
OV7620的主要时序图
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OV7620数字相机原理框图
控制
逻辑控制
I2C总线 行场同步
Imaging Array CMOS APS OV7620
Data[0..7]
计算机
USB 接口
单片机 8515
像素时钟
地址及读写控制
DATA[0..7]
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本讲主要内容
• 固态成像技术的应用领域 • 典型成像系统原理分析
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第8页
固态成像技术的应用
• 检测和识别技术领域，图像获取、处理和存储
– – – – – – – – – 有无判断 面积检测 方向检测 位置检测 角度检测 尺寸检测 文字识别 光谱检测 表面检测
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半导体元件检测
IC成品检验 IC管脚成型检测 Wafer的精密检测
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机器视觉系统结构
机 器 （Machine)
+
视 觉 （Vision)
机械
运动
控制
视(硬件)
觉(软件)
包括光源、镜头、相机、图 像采集卡等。
机器视觉是一个系统的概念，运用现代先进的光电传感技术、控制技术、 计算机技术及数字图像处理技术，表现为光机电算等技术的结合。
2/3” format Type 2/3 11 mm
1/2” format Type 1/2 8 mm
1/3” format Type 1/3 6 mm
Image size
12.8 mm
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8.8 mm
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6.4 mm
4.4 mm
Lens Mount C -mount and CS-mount
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系统选型时考虑的主要因素
• 系统评估及选型：精度、速度、可靠性 • 精度：为什么要达到这么高的精度？高精度意味着高代价。 系统的误差分配，系统精度、机台精度、控制传感精度， 视觉部分的精度（分辨率、图像质量、安装精度、镜头、 标定方法、算法等） • 速度：总指标、控制部分、通信速度、采集速度（硬件）、 处理速度（计算机硬件、软件算法、图像质量等） • 可靠性：硬件的可靠性、软件算法的可靠性及稳定性、系 统设计的可靠性等
（1）按芯片类型：CCD，CMOS （2）按靶面类型：1/5″，1/4 ″，1/3 ″，1/2 ″，1 ″ （3）按相机（芯片）的工作方式分：线阵式、面阵式 （4）按照芯片的受光方式：前照式、背光式 （5）输出模式：1394，USB，以太网， Camera Link，PC Dig接口
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二値化
一般照明
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第18页
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第19页
2015年4月28日
第20页
2015年4月28日
第21页
凸出部分
凹入部分
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航空测绘
-从空中或从空间对地观测是航空和航天遥感的一个非常重要的领域。航空和 航天对地观测按其用途分可分为两大类：一类是摄影侦察，一类是摄影测量 。 - 主要用于航空测绘,国土资源勘查、灾害预警、军事侦察、无人机等领域
The most common lens for CCTV cameras are of the C-mount or CS-mount type. Lens thread The standard is from old 16 mm film cameras. The lens thread and the distance from the lens reference flange to the image plane is standard. The lens thread is 1-32 UN-2A. Focal Diameter is 1 inch. plane Thread pitch is 32/inch. 600 . Tolerance 2A The flange back distance in air is 17.526 mm Lens flange for C-mount. For CS-mount it is 12.526 mm. Glass filters or prism between lens and focal Flange back distance plane will increase the distance. The thread length is for some cameras C-mount 17.526 mm specified to be shorter than 4 mm. CS-mount 12.526 mm With a 5 mm adapter ring, a CS lens can be used on a C-mount camera.
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第9页
固态成像技术的应用
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第10页
2015年4月28日
第11页
同軸光
2015年4月28日
第12页
彩色保険絲
2015年4月28日
第13页
电子与半导体行业的应用
2015年4月28日
第14页
二値化
2015年4月28日 第15页
2015年4月28日
第16页
2015年4月28日
第45页
+
Red MCEP-CR8
+
Green Blue MCEP-CG8 2015年4月28日MCEP-CB8 第46页 Designed Color
颜 色
紅
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藍
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緑
镜头
镜头类型：标准、远心、广角、近摄、 远摄等
选择依据：相机接口/物距/拍摄范围 /CCD尺寸/畸变的允许范围/放大率/焦距/光 圈等。
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工厂自动化
2015年4月28日
第29页
工厂自动化
2015年4月28日
第30页
工厂自动化
2015年4月28日
第31页
工厂自动化
2015年4月28日
第32页
医学成像
• • • • • • • • • 移动式X-ray机 数字胃肠机/血管机 大面阵DR 计算机X线断层造影(CT) 核磁共振成像（MRI） 超声 内窥镜应用 医疗显微镜 牙科应用
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