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固态图像传感器固态图像传感器第一节第一节 概述概述其次节其次节 固态图像传感器的分类及其原理固态图像传感器的分类及其原理第三节第三节 固态图像传感器的应用固态图像传感器的应用内容提要内容提要学习目标学习目标 驾驾驭驭固固态态图图像像传传感感器器的的基基本本特特点点和和CCD传传感感器器的的工工作作原原理理；熟熟悉悉固固态态图图像像传传感感器器的的应应用。用。固态图像传感器固态图像传感器一一.概述概述 定定义义：固固态态图图像像传传感感器器是是指指在在同同一一块块半半导导体体衬衬底底上上，生生成成若若干干个个光光敏敏单单元元与与移移位位寄寄存存器器构构成成一一体体的的集集成成光光电电器器件件，按按空空间间分分布布的的光光强强信信息息转转换换成成按按时时序序串串行行输输出出的的电信号。电信号。是一种集成化、功能化的光电器件。是一种集成化、功能化的光电器件。光光敏敏单单元元又又称称为为“像像素素”或或“像像点点”，不不同同的的光光敏敏单单元元在在空空间间上上、电电气气上上彼彼此此独独立立。每每个个光光敏敏单单元元将将自自身身感感受受到到的的光光强强信信息息转转换换为为电电信信号号，众众多多的的光光敏敏单单元元一一起起工工作作，即即把把入入射射到到传传感感器器整整个个光光敏敏面面上上按按空空间间分分布布的的光光学学图图像像转转换换为为按按时时序序输输出出的的电电信信号号“图图像像”，这这些些电电信号经适当的处理，能再现入射的光辐射图像。信号经适当的处理，能再现入射的光辐射图像。固态图像传感器固态图像传感器u体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，牢靠，寿命长；体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，牢靠，寿命长；u扫扫描描线线性性，畸畸变变小小，重重复复性性好好，适适用用于于尺尺寸寸测测量量、定定位和图像传感等方面；位和图像传感等方面；u光谱响应范围较广，从近紫外到近红外；光谱响应范围较广，从近紫外到近红外；u空空间间辨辨别别率率高高，像像元元间间距距的的几几何何位位置置精精确确，可可以以获获得得很高的定位与测量精度；很高的定位与测量精度；u与微机接口简洁实现。与微机接口简洁实现。固体图像传感器的优点：固体图像传感器的优点：固态图像传感器固态图像传感器组成：组成：固体图像传感器物镜固体图像敏感器件驱动电路信息处理电路固态图像传感器固态图像传感器驱动电路 物镜 敏感器件 扫描、移动 成像 脉冲信号放大和处理 信息处理电路 需要的信号驱动电路 物镜 敏感器件 工作原理如图1-1所示。图1-1 固体图像传感器工作原理图固态图像传感器固态图像传感器 从从运运用用观观点点，可可将将固固态态图图像像分分为为线线型型和和面面型型固固态态两两类类。线线型型固固态态图图像像传传感感器器主主要要用用于于测测试试、传传真真和和光光学学文文字字识识别别技技术术等等方方面面，面面型型固固态态图图像像传传感感器器的的发发展展方方向向主主要要用用作作磁磁带带录录像像的的小小型型照照相相机机。依依据据所所用用的的敏敏感感器器件件不不同同，又又可可分分为为 CCDCCD传传感感器器 、CIDCID传传感感器器、SSPDSSPD传传感感器器、CCPDCCPD传传感感器器等等。其其中中，CCDCCD是是应用最广泛的一种。应用最广泛的一种。分类：分类：二二.固态图像传感器的分类及其原理固态图像传感器的分类及其原理、固态图像传感器固态图像传感器 1.CCD的基本介绍 CCD(Charge Coupled Devices)即电荷耦合器件，它的独创是应用爱因斯坦有关光电效应理论的结果，即光照射到某些物质上，能够引起物质的电性质发生变更。但是从理论到实践，道路却并不平坦。科学家遇到的最大挑战在于如何在很短的时间内，将每一个点上因为光照二产生变更的大量电信号采集并且辨别出来。CCD图像传感器固态图像传感器固态图像传感器 经 过 多 次 试 验，贝 尔 试 验 室 的 波 意 耳（W.S.Boyle)和史密斯（G.E.Smith)于1970年最终解决了上述难题。他们接受一种高感光度的半导体材料，将光线照射导致的电信号变更转换成数字信号，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依次传送等功能，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行少的关键器件，广泛应用于科学教化医学商业工业军事和消费领域。固态图像传感器固态图像传感器“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便利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”。固态图像传感器固态图像传感器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。固态图像传感器固态图像传感器 一个完整的CCD器件由光敏单元转移栅移位寄存器及一些协助输入输出电路组成。CCD是一种新型的MOS型半导体器件，是在N型或P型硅衬底上生长一薄层二氧化硅，然后在二氧化硅薄层上依确定次序沉积金属电极，形成规则排列的金属氧化物（MOS）电容器阵列,再依据不同要求加上输入输出端，就构成了CCD。如图2-1所示为64位CCD结构，每个光敏元（像素）对应3个相邻的转移栅电极1、2、3，全部电极彼此间离得足够近，以保证硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。固态图像传感器固态图像传感器图2-1 CCD芯片的构造固态图像传感器固态图像传感器2.CCD的基本原理 (1)MOS的基本结构与原理 CCD的基本原理是在一系列MOS电容器金属电极上，加以适当的脉冲电压，排斥掉半导体村底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷(少数载流子)的转移。由此可知，CCD的基本原理与MOS电容器的物理机理亲密相关。因此，首先分析MOS电容器的原理。固态图像传感器固态图像传感器 如图2-2所示为热氧化P型Si衬底上沉积金属而构成的MOS电容器的单元结构图，若在某一时刻给它的金属电极加上正向电压U，P-Si中的多数载流子(此时是空穴)便会受到排斥，于是在Si表面处就会形成一个耗尽区。这个耗尽区与一般的PN结一样同样也是电离受阻构成的空间电荷区。并且在确定条件下，U越大，耗尽层就越深。这时，Si表面吸取少数载流子(此时是电子)的势(即表面势V)也就越大。自不待言，这时的MOS电容器所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。据此，恰好可以利用“表面势阱”(简称势阱)这一形象比方来说明MOS电容器在V作用下存储(信号)电荷的实力。固态图像传感器固态图像传感器图2-2 MOS电容器原理结构图固态图像传感器固态图像传感器 表面势V是一个特别重要的物理量。在如图2-3所示的状况下，若所加U不超过某限定值时，则表面势为 式中 q电子电荷；单位面积受阻浓度；耗尽层厚度；Si的介电常数；真空介电常数。如果衬底是N型硅，则在电极上加负电压，可达到同样目的。固态图像传感器固态图像传感器(2)转移栅实行转移的工作原理 下面以三相CCD为例，介绍转移栅实行转移的工作原理。如图2-3所示为3个时钟脉冲的时序图，全部的1电极相连并施加时钟脉冲1，全部的2、3也是如此，并施加时钟脉冲2、3。这3个时钟脉冲在时序上相互交叠。t1时刻1是高电平，于是在电极1下形成势阱，并将少数载流子(电子)吸引至聚集在SiSi02界面处，而电极2、3却因为加的是低电平，形象地称为垒起阱壁。如图2-1所示，第62、64位光敏元受光，而第1、2、63位等单元未受光照。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固态图像传感器 t2时刻，1的高电平有所下降，2变为高电平，而3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下面势阱中的电荷渐渐扩散漂移到电极2下的势阱区。由于电极3上的高电平无变更，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1变为低电平，2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，因此不能接着前进，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。固态图像传感器固态图像传感器图2-4 完成一次转移的过程固态图像传感器固态图像传感器(3)输入输出 CCD的输入事实上是对光信号或电信号进行电荷取样，并把取样的电荷存储于CCD的势阱中，然后在时钟脉冲的作用下，把这些电荷转移到CCD的输出端。信号的输入有光注入和电注入两种方式。CCD作摄像光敏器件时，其信号电荷由光注入产生。器件受光照射时，光被半导体吸取，产生电子-空穴对，这时少数载流子被收集到较深的势阱中。光照越强，产生的电子-空穴对越多，势阱中收集的电子也越多；反之亦然。就是说，势阱中收集的电子电多荷的少反映了光的强弱，从而可以反映图像的明暗程度，这样就实现了光信号与电信号之间的转换。固态图像传感器固态图像传感器 一个MOS光敏单元称为一个像素，通常的CCD器件是在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立排列规则的MOS光敏元，即光敏元阵列，然后在光线照射下产生光生载流子的信号电荷，这一过程称为光电转换，再使其具备转移信号电荷的自扫描功能，即构成CCD固态图像传感器。如图2-5(a)所示为MOS光敏单元示意图，如2-5(b)所示为CCD的单元阵列示意图。固态图像传感器固态图像传感器 图2-5 CCD构成图（a）MOS光敏单元（b）CCD单元列阵固态图像传感器固态图像传感器3.CCD的分类 CCD图像传感器按其像素的空间排列可分为两大类：一是线阵CCD，主要用于一维尺寸的自动检测，如测量精确的位移量、空间尺寸等，也可以由线阵CCD通过附加的机械扫描，得到二维图像，用以实现字符、图像的识别。二是面阵CCD，主要用于实时摄像，如生产线上工件的装配限制、可视电话以及空间遥感遥测、航空摄影等。固态图像传感器固态图像传感器 (1)线阵CCD图像传感器 最简洁的线性固态图像传感器是单通道式的，如图2-6所示是其结构示意图。它包括感光区和传输区两部分：感光区是由一列光敏单元组成；传输区是由转移栅及一列移寄位存器组成。光照产生的信号电荷存储于感光区的势阱中，接通转移栅，信号电荷流入传输区。传输区是遮光的，以防止因光生噪声电荷的干扰而导致图像模糊。固态图像传感器固态图像传感器图2-6 单通道线型图像传感器的结构固态图像传感器固态图像传感器 为了削减信号电荷在转移过程中的损失，转移的次数应尽量少，因此，通常接受双通道式固态图像传感器。双通道式固态图像传感器如图2-7所示，有两个移位寄存器平行地配置在感光区两测。当光生信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移栅。信号电荷就转移到移位寄存器。奇数光敏单元中的电荷转移到A寄存器，偶数单元转移到B寄存器。这样每个电荷包的传输次数削减了一半，降低了器件的传输损失，也缩短了器件尺寸。固态图像传感器固态图像传感器图2-7 双通道线型图像传感器的结构固态图像传感器固态图像传感器(2)面阵CCD图像传感器 按确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，即可以构成面型CCD图像传感器。按传输方式的不同，面阵CCD图像传感器常用的两种传输结构为行间传输结构和场传输结构。如图2-8所示为行间传输面阵CCD结构图。它是由光敏单元阵列构成的光敏面、垂直移位寄存器、转移栅和水平移位寄存器组成。光敏单元与垂直寄存单元相隔排列，即一列感光元件，一列不透光的存储元件，一一对应，两者之间由转移栅限制，下部是一个水平读出移位寄存器。固态图像传感器固态图像传感器 光敏单元在光积分结束时，在转移栅限制下，电荷包并行转移至垂直寄存器中暂存，然后每行信号依次从水平移位寄存器输出。这种器件操作简洁，图像清晰，因此，单片式彩色摄像机大多接受这种器件。固态图像传感器固态图像传感器图2-8 水平移位寄存器固态图像传感器固态图像传感器 如图2-9所示为场传输结构原理图。它由光敏元面阵、存储器面阵和输出移位寄存器组成。存储器面阵的存储单元与光敏元面阵的像素一一对应，在存储器面阵上覆盖了一层遮光层，防止外来光线的干扰，从而消退光学拖影，提高图像的清晰度。在光积分时间内各光敏元感光生成电荷包，曝光结束时，转移脉冲作用下电荷包进行转移，将摄像区的电荷信号全部快速地转移到对应的存储区暂存。此后光敏元面阵起先其次次光积分，与此同时存储器面阵里存储的光生电荷信息从储存器底部起先向下，一排一排地转移到输出移位寄存器中，每向下转移一排，在高速时钟驱动下从移位寄存器中顺次输出每行中各位光信息，从而完成二维图像信息向二维电信息的转换。固态图像传感器固态图像传感器图2-9 输出移位寄存器固态图像传感器固态图像传感器4.CCD的基本特征参数的基本特征参数(1)响应度（光电转换因子）：指输出的电信号与输 入的光信号能量之比；(2)光谱特性：指器件的响应度与入射光频率或波长 的关系。(3)暗电流：CCD器件在没有光信号输入时，由MOS 电容中的少数热载流子形成的转移电流。暗电流是推断CCD器件的重要标准。(4)辨别率：表示辨别图像的实力，取决于光敏单元的间距，常用光敏单元数表示。检测中CCD对被测图像的辨别率取决于光敏单元的中心距、光学系统放大倍数及CCD光敏单元数。固态图像传感器固态图像传感器 CID即电荷注入器传感器。在CCD的读出过程中电荷要经过多次转移,而CID则接受完全不同的读出方式。CID的每个敏感元事实上由一个MOS电容器构成。除公共衬底外,还有两个电极。一个电极接到按X方向排列的引线上,另一电极接到按Y方向排列的引线上。电极电位不等于衬底电位时，电荷保持在电容器中。两电极电位同时等于衬底电位时，电荷就被注入衬底。CID图像传感器固态图像传感器固态图像传感器 光子在各敏感单元产生的电荷用X-Y寻址方式读出,当电荷从一个电极转移到另一电极时,可在它们注入衬底时探测,也可用非破坏性读出系统测出。CID主要接受二维阵列形式，在工业中尚未广泛应用。固态图像传感器固态图像传感器 SSPD即光电二极管阵列，是在最新的集成电路技术的基础上发展起来的。SSPD也是制作在硅片上的，感光元件可接受光电二极管、光晶体管以及MOS二极管。SSPD也有线阵和面阵两种。线阵通常为2561048位。相邻两位二极管的中心距为15100微米。驱动电路工作方式为电压取样模式和再充电取样模式，扫描速度达10兆赫。SSPD图像传感器固态图像传感器固态图像传感器图2-10MOS光电二极管阵列示意图固态图像传感器固态图像传感器 图2-10是接受当前集成度最高的 MOS大规模集成电路制成的SSPD的示意图。图中将光电二极管排列在水平和垂直两个方向上构成光敏元阵列。MOS晶体管是扫描电路的开关管,它的双栅极接成“与电路”，以便在限制信号到来时读出光电二极管的敏感信号。SSPD的读出在垂直扫描电路限制下依行进行，并由水平扫描电路限制取出各行中每个光敏元的信号，这样就能在一条输出线上得到按行扫描的图像信号。固态图像传感器固态图像传感器 CCPD即光电耦合光电二极管。CCPD以光电二极管作为光敏元并以电荷转移方式读出图像信号。它兼有 CCD噪声低和SSPD响应一样性好的优点。目前CCPD最大的线阵列达1728位，相邻两位中心距为16微米。驱动电路工作方式为再充电脉冲模式及取样和保持方波列输出模式。扫描速度为5兆赫。CCPD图像传感器固态图像传感器固态图像传感器 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（简称SCCD）；二是电荷包存储在离半导体表面确定深度的体内，并在半导体体内沿确定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）。固态图像传感器固态图像传感器三三.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：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、卫星侦查）。固态图像传感器固态图像传感器 1.1.尺寸自动检测尺寸自动检测 对对于于尺尺寸寸为为较较小小的的物物体体目目标标（2-30mm2-30mm），可可以以接接受受平平行行光光成成像像法法，不不难难看看出出，此此种种测测试试方方法法的的精精度度取取决决于于平平行行光光的的准准直直程程度度和和CCDCCD像像元元尺尺寸寸的的大大小小。当当然然，平平行行光光源源要要作作得得特特别别志志向向是是有有确确定定困困难难的的，且且随随准准直直度度的的提提高高成成本本增增加加，光光源源的的体体积积也也要要加加大大。在在实实际际应应用用中中常常常常通通过过计计算算机机处处理理，对对测测量量值值进进行行修修正正，以以使使测测量量结结果果更更接接近近于于实实际际，这在确定程度上降低了对光源的苛求。这在确定程度上降低了对光源的苛求。固态图像传感器固态图像传感器固态图像传感器固态图像传感器 对对于于较较大的尺寸大的尺寸测测量，可接受光学成像方法。在前面或背面光照射下，被量，可接受光学成像方法。在前面或背面光照射下，被测测物物经经透透镜镜在在CCD上成像，像尺寸与被上成像，像尺寸与被测测尺寸成正比。尺寸成正比。设设 T为为像尺寸，像尺寸，K为为比例系数，比例系数，则则被被测测尺寸尺寸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，它与光学系表示每个像元所代表的物方尺寸，它与光学系统统的放大倍率、的放大倍率、CCD工作工作频频率和像元尺寸等因素有关；率和像元尺寸等因素有关；T对应对应于像尺寸的脉于像尺寸的脉宽宽，当以像元，当以像元时钟对时钟对T的的宽宽度度进进行行计计数数时时，其，其计计数数值值表示像尺寸所占的像元数，因而可得表示像尺寸所占的像元数，因而可得 式中式中N 计计数脉冲即像元数；数脉冲即像元数；T0 像元像元时钟时钟周期，当知道周期，当知道N和和T0值时值时，则则可求得可求得T，代入式即可得到被，代入式即可得到被测测物尺寸，物尺寸，K值值的大小可通的大小可通过过系系统标统标定定测测得。得。固态图像传感器固态图像传感器 成像法适用于冶金线材直径或机械产品在线尺寸检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，通常接受背面光照射方式。对测。为了保证测量精度，通常接受背面光照射方式。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，再选用较短波长的光源作照管的可见光和红外光辐射，再选用较短波长的光源作照明，以适应明，以适应CCDCCD光谱响应特性的要求。这种照明消退了因光谱响应特性的要求。这种照明消退了因被测目标辐射变更对测量精度的影响。由于被测目标辐射变更对测量精度的影响。由于CCDCCD输出信号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，当光源的光强在关，而对光源的稳定性要求不高，当光源的光强在2020范围内变更时，对其测量结果没有明显影响。图示出了范围内变更时，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框图。光学成像法测量系统的组成原理框图。固态图像传感器固态图像传感器 为了对目标像的宽度进行计数，必需先检测出两个为了对目标像的宽度进行计数，必需先检测出两个边缘信号，这可接受二值化或微分法得到，计数脉冲通边缘信号，这可接受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：过输入接口送入计算机处理。计算机主要完成以下功能：（1 1）完成高速数据采集与限制；）完成高速数据采集与限制；（2 2）完成数据处理与判别，包括被测尺寸计算与校）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、时间计数正、温度校正、偏差运算、极限判定与报警、时间计数等。等。（3 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。固态图像传感器固态图像传感器 2.2.文字和图像识别文字和图像识别 利用线阵CCD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/识别系统。固态图像传感器固态图像传感器 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。射线经过构件后干脆由射线可见光转换屏转换，射线成像检测系统。射线经过构件后干脆由射线可见光转换屏转换，而后由而后由CCD相机获得转换后的图像，经数字图像处理系统处理后，转换为数字图像进行相机获得转换后的图像，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，从而完成构件缺陷的射线实时检测。分析处理和识别，从而完成构件缺陷的射线实时检测。固态图像传感器固态图像传感器固态图像传感器固态图像传感器总结总结 本章主要介绍了CCD固态图像传感器的工作原理、结构、特性等，举例说明白固态图像传感器当前在工业中的应用现状。由于固态图像传感器是一种高精度的检测传感器，其应用已渗透到工业生产的各部门，尤其在精细加工、机器人技术、工业自动化领域中有着广泛的应用，为我国国民经济发展起了重大作用。信任随着固态图像传感器制作技术的提高及图像处理软件的进一步发展，固态图像传感器的应用前景将更为广袤。固态图像传感器固态图像传感器固态图像传感器固态图像传感器固态图像传感器固态图像传感器参考网站参考网站 1传感器课程 :/nepu.edu/eie/cgq/main.html 2仪表技术与传感器 :/i-s 3中国传感器 :/sensor 4传感器技术 :/sensor-tech 521IC中国电子网 :/21ic 6西北工业高校传感器精品课 :/jpkc.nwpu.edu/jp2005/18/index.asp 7吉林高校传感器精品课 :/sensor.jlu.edu/subwebpage/teachergroup.htm