固体图像传感器
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… 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
CCD分辨率
设CCD 的 M=1mm， N=1mm。镜头象方分辩力=15 线对/ 毫米，现计算其象素总数如下：
1 1 d 0.03333 (毫米 / 线对) 2 分辨率（线对/ 毫米） 30
与该镜头相配的CCD 最小感光单元象素尺寸
m2*n2=0.03333*0.03333
CCD 象素总数=1/(0.03333)*1/(0.03333)=900 象素
•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 用SSIS(Solid State Imaging Sensor固态图象传感器)代替光导摄像管。 1986年柯达公司已推出140万素的IS，尺寸7×9 mm2，比电视图象信号多4倍以上。 •工业检测与自动控制 这是IS应用量很大的一个领域，统称机器视觉应用。 ①．在钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域作零件尺寸的动态检测，产品质量、包装、形状识别、表 面缺陷或粗糙度检测。 ②．在自动控制方面，主要作计算机获取被控信息的手段。 ③．还可作机器人视觉传感器。 •可用于各种标本分析（如血细胞分析仪），眼球运动检测，X射线摄像，胃镜、肠镜摄像等。 •天文观测 ①．天文摄像观测 ②．从卫星遥感地面 如：美国用5个2048位CCD拼接成10240位长取代125mm宽侦察胶卷，作地球卫星传感器。 ③．航空遥感、卫星侦察 如：1985年欧洲空间局首次在SPOT卫星上使用大型线阵CCD扫描，地面分辨率提高到10m。 还在军事上应用：微光夜视、导弹制导、目标跟踪、军用图象通信等。
天文摄影中，使用的大型 CCD阵列，由多块不同尺寸， 不同特性的CCD成像元件组 成
天文摄影用CCD成像 设备拍摄的遥远的深 空天体
1981，索尼Mavica电子相机，数码单反的先驱
电荷耦合器件CCD
表面沟道CCD
体内沟道CCD
电荷存贮 位置
电荷传输 位置
半导体与绝缘 体之间的界面 界面
距半导体表面 一定深度体内 半导体内
时钟脉冲变化幅值
提高时钟脉冲幅值，减小氧化层厚度
27
CCD的特性参数
（4）噪声 –散粒噪声：微观粒子无规律，信号电荷有一定不确定性 –转移噪声：转移时剩下少部分电荷 –热噪声：信号电荷注入回路及读出回路上产生 –总噪声为三者的均方根
28
CCD的光电特性
饱和照度
在低照度下，CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过一定值以后，输出有饱 和现象
3
固体图像传感器的优点
• 体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，可靠，寿命长； • 扫描线性，畸变小，重复性好，适用于尺寸测量、 定位和图像传感等方面； • 光谱响应范围较广，从近紫外到近红外； • 空间分辨率高，像元间距的几何位置精确，可以获 得很高的定位与测量精度； • 与微机接口容易实现。
CCD的发明者获得2009年诺贝尔奖
CCD 的整个感光面上的象素总数：
M N CCD像素总数 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。
0
0
d 2d
1 2d 分辨率（线对/ 毫米）
CCD分辨率
• CCD的分辨率： CCD的分辩率是用象素总数表示的。 设在水平方向上CCD感光有效长度是M毫米，在垂直方向 上CCD 感光有效长度是N毫米。 如果象素（最小感光单元称之为象素）的尺寸是m2 * n2， 那么在水平方向上的象素总数=M/m2，在垂直方向上的象 素总数=N/n2
电荷耦合
电荷包 a1→b1→c1→a2 从t1~t4电荷传输一个电极 从t1~t6电荷传输一位 自扫描：通过时钟脉冲的驱动完成信号电荷的传输
“电荷包”的转移：靠改变不同时刻，各电极上的电压来实现。 时钟脉冲：三相，二相，四相（与CCD结构对应）
电荷耦合
• 耗尽层的耦合：当两个金属栅极彼此足够靠近时， 其间隙下表面势将由两栅极上电位决定，从而形 成两个MOS电容器下耗尽层的耦合 • --使一个MOS电容器中存储的信号电荷能转移到下 一个MOS电容器中，通常电极间隙取0.1~0.2μ m
1973年，仙童公司的产品，第一块商用CCD
数码相机之父亲
柯达的塞尚先生 被尊为数码相机 之父，而1975年， 他的第一台电子 相机使用的核心 成像元件正是一 块5万像素的仙 童产CCD
70年代末，RCA对天文拍摄用CCD的研究，使 其得以因基特峰国家天文台的1米望远镜安装了 其自产的320*512像元制冷CCD而名声大造
电荷传输
19
电荷耦合
电荷注入
• CCD摄象器件的光敏单元为 光注入方式。 • 当光照射到CCD上时，在栅 极附近的半导体体内产生电 子－空穴对，其多数载流子 被栅极电压排开，少数载流 子则被收集在势阱中形成信 号电荷。 • 电注入：CCD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 正面照射式（透射电极，干涉效应） 背面照射式（要求基底薄，适合红外CCD） 为信号电荷。
2)
3)
CCD非稳态工作 • 深耗尽：施加电压VG>Vth瞬间，空穴被排 斥（10-12s），而电子尚未产生（源于热激 发的产生-复合过程，弛豫时间T: 0.1~10s） • t > T，势阱被热激发电子填满而形成反型 层，势阱消失 • 要求存贮有用信号电荷的时间小于热激发 电子的存贮时间。 • 通过内部时钟脉冲控制电荷包的存储时间
分色滤色片
微型透镜
目前有两种分色方式： • RGB原色分色法（原色 CCD的优势在于画质锐利， 色彩真实，但缺点则是噪 声问题。） • CMYG补色分色法（补色 CCD多了一个Y黄色滤色 器，在色彩的分辨上比较 仔细，但却牺牲了部分影 像的分辨率。
分色滤色片
感光层
CCD的第三层是“感光片”，这层主要是 负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号， 并将信号传送到影像处理芯片，将影像还 原。
电荷输出
输出电流Id与注入到二极管中的电荷量QS的关系
Q s= I dd t
CCD的工作原理
电荷 注入
电荷 存储
电荷 输出
电荷 耦合
CCD的特性参数
（1） 电荷转移效率η 和电荷转移损失率ε
电荷转移效率为 电荷转移损失率为
Q(0) Q(t ) Q(t ) 1 Q(0) Q(0)
1 f 3 i
载流子的迁移率/电极长度，衬底 杂质的浓度、温度有关
1 f 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
Q Cox V A N Q / q Cox V A / q Cox 0 s A / d
SiO2层电容 氧化层厚度
Q(t ) Q(0)
电荷转移效率与损失率的关系为
1
电荷转移速度：在时钟脉冲较低时，损失效率为常数，频率高时， 损失率增大。 界面态俘获：解决方法－“胖零”工作模式，通过用一定数量的基 地电荷先将界面态填满，当信号电荷注入时，信号电荷被俘获的几 率变小，而界面态释放出来的电荷又可以跟上原来的电荷包。从而 在一定程度上减小了界面态带来的损失。－“0”信号时，也有基 地电荷注入。 极间势垒：解决方法：尽量减小极间距，采用高阻衬底。
根据照度划分，CCD又分为：
照度参考表：
天气 晴天 阴天 日出日落 月圆 星光 阴暗夜晚 照度LUX 30000~300000 3000 300 0.3~0.03 0.0002~0.00002 0.003~0.0007 室内场所 生产车间 办公室 餐厅 走廊 停车场 照度LUX 10~500 30~50 10~30 5~10 1~5
固体图像传感器
图像传感器
像管
真空成像器件
光电成像器件
固体成像器件
摄像管 电荷耦合器件
光电二极管列阵
图像传感器
• 固体：器件为固态器件,采用半导体工艺制成。 （对比：真空成像器件采用真空玻璃壳中的靶 进行图像转换）
• 成像：利用半导体材料的光电效应，实现光电 转换，通过驱动电信号实现光学图像的转换、 信息存贮及按顺序输出，形成电子图像。（对 比：真空成像器件采用电子束扫描方式）
“CCD是数码相机的电子 眼,它革新了摄影术。现 在光可以被电子化记录, 取代了胶片。这一数字 形式极大地方便了对图 像的处理和发送。无论 是我们大海中深邃之地, 还是宇宙中的遥远之处, 它都能给我们带来水晶 般清晰的影像”。
1970年，Boyle(左)和Smith(右)在测试用最 初状态的CCD元件组装的简易拍摄装置。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ CCD的特性参数
（2） 驱动频率
①
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t ， 少数载流子的平均寿命为τ i 则
下限与少数载流子的寿命有关，而少数载 流子的寿命与器件的工作温度有关，工作 温度越高，寿命越短，下限频率越高
②
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τ g 则
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图像传感器应用技术
完成直角坐标的图像解析需要下面条件：
① 行周期与场周期满足
T y =nT x ② 行、场扫描的时间分配
(1-1)
光机扫描方式的水平分辨率正比于光学图像水平方向的
尺寸与光敏面在水平方向的尺寸之比。像元点数越多，水平
分辨率自然也越高。
垂直分辨率也正比于景物图像与光敏面在垂直方向的尺
寸之比。
减小光电传感器的面积是提高光机扫描方式分辨率的有
1939年RCA公司又推出采用双靶面（光电成像与电子束扫描
靶面）的低速电子扫描摄像管—正析像管。
1946年RCA公司研制出超正析像管，它在正析像管基础上又
增加移像、反束和增强等措施，使灵敏度提高1000倍，图像质
量已经达到相当高的程度。
真空摄像管发展到空前阶段
1963年荷兰菲利普公司推出氧化铅靶面光电导型摄像管（氧
绪论
1.图像传感器发展史 雷达采用极坐标方式扫
描出飞机飞行的方向
1938年英国在法国海岸线上布设能够观测敌方飞机的雷达 链，成为图像传感器用于战争防御最早实例。
自1887年外光电效应被发现后，于1897年人们利用外光电 效应研制出机械扫描电视系统，为早期的真空电子束摄像管
奠定了基础。
开始用直角坐标方式扫描出图像
换成电压号U。
于是，单元光电传感器输出的电压将被定义为Uxy，如图1.1 所示，x,y分别为点元的坐标。
当单元光电传感器以一定的速率做相对于景物图像运动时， 则输出信号电压Uxy成为景物图像的解析信息（或信号），即 信号电压Uxy解析了光学图像。
必备条件： ① 单元光电传感器的面积与被扫描图像的面积相比必须 很小，才可以将图像分解为一个像元点； ② 单元光电传感器必须对图像发出各种波长的光敏感； ③ 单元光电传感器必须相对被分解图像做有规则的周期 运动（扫描），且扫描速率应该较图像的变化速率要快； ④水平往返运动的速率远高于垂直运动的速率； ⑤水平运动为行扫描，由左向右为正程，返回定义为逆程； 垂直运动为场扫描，由上而下为正程，返回为逆程。
车载摄像头的cmos图像传感器是如何工作的？
车载摄像头的cmos图像传感器是如何工作的？
CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成,这几部分通常都被集成在同一块硅片上。
其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。
首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。
行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。
行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D 转换器，转换成数字图像信号输出。
其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。
行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。
模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。
另外，为了获得质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。
为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。
为了便于摄像头的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。
固态图像传感器的作用及实际应用
时 钟 脉 冲 控 制 下 实 现 读 取 与 输 出 ， 成 一 系 列 幅 值 不 形
文 字 识 别 技 术 等 方 面 。面 型 固 态 图 像 传 感 器 的 发 展 方
向 主 要 用 作 磁 带 录 像 的 小 型 照 相 机 。本 节 主 要 介 绍 线 型 ＣＣＤ 传 感 器 。
１ 概 述
掉 半 导体 衬 底 内 的 多 数 载 流 子 ， 成 “ 阱 ” 运 动 ， 形 势 的
进 而达 到 信 号 电 荷 （ 数 载 流 子 ） 转 移 。如 果 所 转 移 少 的 的 信 号 电荷 是 由 光 像 照 射 产 生 的 ， 则 ＣＣＤ 具 备 图 像 传 感 器 的 功 能 。若 所 转 移 的 电荷 通 过 外 界 注 入 方 式 得
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 。 关键词 ：图像传感器；转换；图像；光敏 ； 空间
中 图分 类 号 ： Ｐ２ ２ Ｔ １ ． ９ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编号 ：０４ ｌ６ （０ １０ — ０ ２ ０ １０ 一 １８ ２ １ ）３０ ７— ３
间 分 布 转 换 为 与 光 强 成 比 例 的 、 小 不 等 的 电 荷 包 空 大
ＣＣＤ， ＯＳ线 型传 感器 以及 ＣＣＤ， Ｍ ＭＯＳ面型 传感 器 等。
线 型 固 态 图像 传 感 器 主 要 用 于 测 试 、 真 和 光 学 传
间 分 布 。然 后 利 用 移 位 寄 存 器 的 功 能 将 这 些 电荷 包 在
Ｃ ＣＤ） 是 固 态 图 像 传 感 器 的 敏 感 器 件 ， 与 普 通 的 ， ＭＯＳ、 Ｔ Ｔ Ｌ等 电路 一 样 ， 于 一 种 集 成 电 路 ， ＣＣＤ 属 但 具 有 光 电转 换 、 号 储 存 、 移 （ 输 ） 输 出 、 理 以 信 转 传 、 处 及 电子 快 门等 多 种 独 特 功 能 。 电 荷 耦 合 器 件 ＣＣＤ 的 基 本 原 理 是 在 一 系 列
文 字 识 别 技 术 等 方 面 。面 型 固 态 图 像 传 感 器 的 发 展 方
向 主 要 用 作 磁 带 录 像 的 小 型 照 相 机 。本 节 主 要 介 绍 线 型 ＣＣＤ 传 感 器 。
１ 概 述
掉 半 导体 衬 底 内 的 多 数 载 流 子 ， 成 “ 阱 ” 运 动 ， 形 势 的
进 而达 到 信 号 电 荷 （ 数 载 流 子 ） 转 移 。如 果 所 转 移 少 的 的 信 号 电荷 是 由 光 像 照 射 产 生 的 ， 则 ＣＣＤ 具 备 图 像 传 感 器 的 功 能 。若 所 转 移 的 电荷 通 过 外 界 注 入 方 式 得
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 。 关键词 ：图像传感器；转换；图像；光敏 ； 空间
中 图分 类 号 ： Ｐ２ ２ Ｔ １ ． ９ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编号 ：０４ ｌ６ （０ １０ — ０ ２ ０ １０ 一 １８ ２ １ ）３０ ７— ３
间 分 布 转 换 为 与 光 强 成 比 例 的 、 小 不 等 的 电 荷 包 空 大
ＣＣＤ， ＯＳ线 型传 感器 以及 ＣＣＤ， Ｍ ＭＯＳ面型 传感 器 等。
线 型 固 态 图像 传 感 器 主 要 用 于 测 试 、 真 和 光 学 传
间 分 布 。然 后 利 用 移 位 寄 存 器 的 功 能 将 这 些 电荷 包 在
Ｃ ＣＤ） 是 固 态 图 像 传 感 器 的 敏 感 器 件 ， 与 普 通 的 ， ＭＯＳ、 Ｔ Ｔ Ｌ等 电路 一 样 ， 于 一 种 集 成 电 路 ， ＣＣＤ 属 但 具 有 光 电转 换 、 号 储 存 、 移 （ 输 ） 输 出 、 理 以 信 转 传 、 处 及 电子 快 门等 多 种 独 特 功 能 。 电 荷 耦 合 器 件 ＣＣＤ 的 基 本 原 理 是 在 一 系 列
图像传感器检测系统硬件原理
CCD摄像机应用领域旳发展趋势1、CCD摄像机旳应用领域 CCD摄像机应用领域在不停旳扩展，应用技术旳深化又增进CCD摄像机旳多样化产品旳生产。总体有MOBILE、PUBLIC、HOME三个方面，其中有：
（1）Camcorder摄录一体化CCD摄像机。从中国电子工业部市场预测数据获悉，2023年需求量可达150万台。（2）TV phone据资料简介，有些移动 企业正在研发可带视频图像摄入和显示旳 即大哥大。
广播级电视摄像机中， CCD摄像机可与真空器件摄像机“平分秋色”。而在闭路电视、家庭用摄像方面， CCD摄像机则展现出“一统天下”旳趋势。在工业、军事和科学研究等领域中旳应用，如方位测量、遥感遥测、图像制导，图像识别等方面更展现出其高分辫力，高精确度，高可靠性等突出长处。
图像传感器实际上只能记录光线旳灰度，也就是说，它能记录光线旳强弱，但却没有措施辨别颜色，而我们最需要旳却是光线旳颜色。目前CCD重要旳处理方式是在每一种光电二极管上都采用了滤光器，使对应旳光电二极管只能记录对应单色光。
§6. 1 固体图像传感器检测技木
第六章 图像传感器检测系统
电荷耦合器件
电荷耦合器件(charge—Coupled Devices)简称 CCD，是1970年由美国贝尔试验室首先研制出来旳新型固体器件。作为MOS技术旳延伸而产生旳一种半导体器件。
CCD作为一种多功能器件，有三大应用领域：摄像、信号处理和存贮。尤其是在摄像领域，作为二维传感器件， CCD与真空摄像器件相比，具有无灼伤，无滞后，体积小，低功耗、低价格、长寿命等长处。
半导体作为底电极，称为“衬底”。衬底分为 P型硅衬底和 N型硅衬底，它对应不一样旳沟道形式，由于电子迁移率高，因此，大多数 CCD选用 P型硅衬底。下面以 P型硅衬底 MOS电容器为参照进行阐明。
固体图像传感器
如果镜头鉴别率是150 线对/毫米，CCD 感光面 M=4.8mm，N=3.6mm。 d=1/(2*镜头象方分辩力)=1/300=0.003333(毫米/线对) CCD 象素总数=4.8/(0.003333)*3.6/(0.003333)= 1920000 象素。
微型镜头
• 由于开口率的限制，有效 感光面积受限，在每一像 素装置微小镜片。使感光 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。 如此一来，可以同时兼顾 单一像素的大小，又可在 规格上提高开口率，使感 光度大幅提升
0
0
d 2d
1 2d 分辨率（线对/ 毫米）
CCD分辨率
• CCD的分辨率： CCD的分辩率是用象素总数表示的。 设在水平方向上CCD感光有效长度是M毫米，在垂直方向 上CCD 感光有效长度是N毫米。 如果象素（最小感光单元称之为象素）的尺寸是m2 * n2， 那么在水平方向上的象素总数=M/m2，在垂直方向上的象 素总数=N/n2
电荷耦合
电荷包 a1→b1→c1→a2 从t1~t4电荷传输一个电极 从t1~t6电荷传输一位 自扫描：通过时钟脉冲的驱动完成信号电荷的传输
“电荷包”的转移：靠改变不同时刻，各电极上的电压来实现。 时钟脉冲：三相，二相，四相（与CCD结构对应）
电荷耦合
• 耗尽层的耦合：当两个金属栅极彼此足够靠近时， 其间隙下表面势将由两栅极上电位决定，从而形 成两个MOS电容器下耗尽层的耦合 • --使一个MOS电容器中存储的信号电荷能转移到下 一个MOS电容器中，通常电极间隙取0.1~0.2μ m
1 f 3 i
载流子的迁移率/电极长度，衬底 杂质的浓度、温度有关
1 f 3 g
CCD的特性参数
微型镜头
• 由于开口率的限制，有效 感光面积受限，在每一像 素装置微小镜片。使感光 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。 如此一来，可以同时兼顾 单一像素的大小，又可在 规格上提高开口率，使感 光度大幅提升
0
0
d 2d
1 2d 分辨率（线对/ 毫米）
CCD分辨率
• CCD的分辨率： CCD的分辩率是用象素总数表示的。 设在水平方向上CCD感光有效长度是M毫米，在垂直方向 上CCD 感光有效长度是N毫米。 如果象素（最小感光单元称之为象素）的尺寸是m2 * n2， 那么在水平方向上的象素总数=M/m2，在垂直方向上的象 素总数=N/n2
电荷耦合
电荷包 a1→b1→c1→a2 从t1~t4电荷传输一个电极 从t1~t6电荷传输一位 自扫描：通过时钟脉冲的驱动完成信号电荷的传输
“电荷包”的转移：靠改变不同时刻，各电极上的电压来实现。 时钟脉冲：三相，二相，四相（与CCD结构对应）
电荷耦合
• 耗尽层的耦合：当两个金属栅极彼此足够靠近时， 其间隙下表面势将由两栅极上电位决定，从而形 成两个MOS电容器下耗尽层的耦合 • --使一个MOS电容器中存储的信号电荷能转移到下 一个MOS电容器中，通常电极间隙取0.1~0.2μ m
1 f 3 i
载流子的迁移率/电极长度，衬底 杂质的浓度、温度有关
1 f 3 g
CCD的特性参数
CCD与CMOS的图像传感器的研究(黄成华)
文献综述CCD 与CMOS 的图像传感的研究（黄成华）班级：电子信息工程1103 姓名：黄成华指导老师：徐老师一．前言70 年代初，随着MOS 技术的成熟，三种典型的固体图像传感—电荷耦合器件（CCD）、电荷注入器件（CID）、光敏二极管阵列（PDA）得到了发展。
在这三种固体图像传感器中，CCD 发展最为迅速。
CCD 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展。
到90 年代初，CCD 技术已比较成熟。
作为一种新型光电转换器被广泛应用，特别是在图像传感和非接触式测量领域的发展则更为迅猛。
随着CCD 应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。
为此，人们又开发了另外几种固体图像传感器技术。
其中，最引人注目、最有发展潜力的是CMOS 图像传感器，它能获得和CCD 产品相似的图像质量，且在功耗、集成度上都取得了很大突破。
CMOS 图像传感器具有许多优点，如芯片内部集成了A ／D 转换器、输出为数字信号、外围线路简单、工作时不需要相位驱动脉冲、价格便宜等，这些优点使其很适合于桌面多媒体、视频会议、图像监控等场合。
目前用于图像传感的器件主要有CCD 和CMOS 两大类。
就目前的应用情况来看，CMOS 器件的成像质量还不如CCD 器件的成像质量好。
但由于CMOS 的很多优点，使得其一出现便受到广泛关注，其应用领域也逐渐扩大。
CMOS 器件在工艺等方面的改进，成像质量的改善，系统集成技术的应用。
二．主题本文介绍了CCD与CMOS图像传感器的原理、特点及发展趋势。
分别对CCD与CMOS 图像传感器的结构和工作原理进行对比研究，尤其是CMOS与CCD 两类图像传感之间的不同进行综述。
重点介绍了CMOS 图像传感器的应用技术和发展趋势。
三. 研究的背景和意义随着数码相机、手机相机的兴起，图像传感器正逐渐成为半导体产品中最耀眼的明星之一，而在图像传感器中，CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
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。
传感器与检测技术(填空)
传感器1. 因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K 0, α0, βs ）以及被测试件线膨胀系数βg 有关。
2 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。
1) 电阻温度系数的影响2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响3. 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。
5.注意补偿条件：① 在应变片工作过程中，保证R3=R4② R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K 和初始电阻值R0。
③ 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相④ 两应变片应处于同一温度场。
6.电桥平衡条件：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。
直流电桥平衡条件:R1R4=R2R3.7.电压灵敏度的物理意义：① 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； ② 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n 的函数，恰当地选择桥臂比n 的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。
7. 当E 值确定后，n=1时才能使KU 最高。
即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有 U0=E *△R1/4R1(单臂)8.结论：当电源电压E 和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时， 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。
9.减小和消除非线性误差的方法：①提高桥臂比；②采用差动电桥{公式P29非线性误差}10.半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电桥相邻桥臂。
可知：Uo 与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。
U0=E*△R1/2R1(R1=R2=R3=R4, △R1=△R2)11.全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变(1.4拉)，两个受压应变（2.3压），将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。
图像传感器
根据In-Stat统计资料显示，CMOS传感器的全球销售额到2004年可望突破18亿美元，CMOS将以62%的年复合 成长率快速成长，逐步侵占CCD器件的应用领域。特别是在2013年快速发展的手机应用领域中，以CMOS图像传感 器为主的摄相模块将占领其80%以上的应用市场。
CMOS图像传感器属于新兴产品市场，其市场占有率变化不如成熟产业那般恒常不变，例如在1999年时，CMOS 市场中，按照出货比例排名依序为Agilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市场占有率分别为24%、22%、14% 和14%，其中STM是欧洲厂商，Hyundai是韩国厂商；但只经过一年后的市场竞争，Agilent和OmniVision出货排 名顺序仍然分居一、二，且市场占有率分别提升到37.7%和30.8%，而STM落居第四，市场占有率大幅滑落至4.8%， 至于Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市场占有率，值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成长，全球市场占 有率快速成长至13.7%，排名全球第三。这三家厂商出货量就占全球出货量的82.2%。从中可以分析，这个产业的 厂商集中度相当密集，所以观察上述三家厂商的动态和发展，可看出许产业和技术未来发展方向。
2014年初，美国Foveon公司公开展示了其最新发展的Foveon X3技术，立即引起业界的高度。Foveon X3是 全球第一款可以在一个像素上捕捉全部色彩的图像传感器阵列。传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感 应色彩信息，需要通过滤色镜来感应色彩信息，我们称之为Bayer滤镜。而Foveon X3在一个像素上通过不同的深 度来感应色彩，最表面一层感应蓝色、第二层可以感应绿色，第三层感应红色。它是根据硅对不同波长光线的吸 收效应来达到一个像素感应全部色彩信息，已经有了使用这种技术的CMOS图像传感器，其应用产品是“Sigma SD9”数码相机。
CMOS图像传感器属于新兴产品市场，其市场占有率变化不如成熟产业那般恒常不变，例如在1999年时，CMOS 市场中，按照出货比例排名依序为Agilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市场占有率分别为24%、22%、14% 和14%，其中STM是欧洲厂商，Hyundai是韩国厂商；但只经过一年后的市场竞争，Agilent和OmniVision出货排 名顺序仍然分居一、二，且市场占有率分别提升到37.7%和30.8%，而STM落居第四，市场占有率大幅滑落至4.8%， 至于Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市场占有率，值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成长，全球市场占 有率快速成长至13.7%，排名全球第三。这三家厂商出货量就占全球出货量的82.2%。从中可以分析，这个产业的 厂商集中度相当密集，所以观察上述三家厂商的动态和发展，可看出许产业和技术未来发展方向。
2014年初，美国Foveon公司公开展示了其最新发展的Foveon X3技术，立即引起业界的高度。Foveon X3是 全球第一款可以在一个像素上捕捉全部色彩的图像传感器阵列。传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感 应色彩信息，需要通过滤色镜来感应色彩信息，我们称之为Bayer滤镜。而Foveon X3在一个像素上通过不同的深 度来感应色彩，最表面一层感应蓝色、第二层可以感应绿色，第三层感应红色。它是根据硅对不同波长光线的吸 收效应来达到一个像素感应全部色彩信息，已经有了使用这种技术的CMOS图像传感器，其应用产品是“Sigma SD9”数码相机。
CCD图像传感器
线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直 接将二维图像转变为视频信号输出。为了得到整个二维图像的 视频信号，就必须用扫描的方法。线型CCD图像传感器主要 用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。
CCD图像传感器Biblioteka （2）面型CCD图像传感器。按一定的方式将一维线型光敏单 元及移位寄存器排列成二维阵列，即可构成面型CCD图像传感器， 它主要用于摄像机及测试技术。如图1-13所示，面型CCD图像传感 器有三种基本类型：线转移型、帧转移型和隔离转移型。
CCD图像传感器
CCD输出信号经过滤波、放大和二值化处理，输出DO脉冲信 号和转移脉冲SH。采用外置的CCD 驱动装置自带滤波、放大和二 值化电路，阈值电平可调，DO输出脉冲的幅度直接反映了每个像 敏单元上的光照度。测量前首先需要对系统进行定标，记录光点在 CCD上的初始位置，即（t1+t2）/2。当光点在CCD上发生移动时， 得到的SH下降沿到DO脉冲宽度中心值距离与初始位置相减的宽度 值，它与光点移动的距离值成正比。利用单片机对这几组脉冲进行 测量、处理，结果送至上位机对其进行几何公式的转换，即可实时 显示待测件的偏转角度。
CCD图像传感器
一、 电荷耦合工作原理 1. CCD原理
MOS电容器CCD是一种固 态检测器，由多个光敏像元组 成，其中每个光敏像元就是一 个MOS 体）电容器。CCD的基本结构 如图1-11所示，但其工作原理 与MOS晶体管不同。
图1-11 CCD的基本结构
CCD图像传感器
CCD中的MOS电容器的形成方法是：在P型 或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚 度为100~150 nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面 按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬 底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即 形成了一个MOS电容器，具有光生电荷、电荷存 储和电荷传移的功能。
CCD图像传感器Biblioteka （2）面型CCD图像传感器。按一定的方式将一维线型光敏单 元及移位寄存器排列成二维阵列，即可构成面型CCD图像传感器， 它主要用于摄像机及测试技术。如图1-13所示，面型CCD图像传感 器有三种基本类型：线转移型、帧转移型和隔离转移型。
CCD图像传感器
CCD输出信号经过滤波、放大和二值化处理，输出DO脉冲信 号和转移脉冲SH。采用外置的CCD 驱动装置自带滤波、放大和二 值化电路，阈值电平可调，DO输出脉冲的幅度直接反映了每个像 敏单元上的光照度。测量前首先需要对系统进行定标，记录光点在 CCD上的初始位置，即（t1+t2）/2。当光点在CCD上发生移动时， 得到的SH下降沿到DO脉冲宽度中心值距离与初始位置相减的宽度 值，它与光点移动的距离值成正比。利用单片机对这几组脉冲进行 测量、处理，结果送至上位机对其进行几何公式的转换，即可实时 显示待测件的偏转角度。
CCD图像传感器
一、 电荷耦合工作原理 1. CCD原理
MOS电容器CCD是一种固 态检测器，由多个光敏像元组 成，其中每个光敏像元就是一 个MOS 体）电容器。CCD的基本结构 如图1-11所示，但其工作原理 与MOS晶体管不同。
图1-11 CCD的基本结构
CCD图像传感器
CCD中的MOS电容器的形成方法是：在P型 或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚 度为100~150 nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面 按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬 底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即 形成了一个MOS电容器，具有光生电荷、电荷存 储和电荷传移的功能。