传感器技术及其工程应用金发庆第5章节图像传感器

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1、第5章图像传感器5.1CCD图像传感器5.2CMOS图像传感器5.3CCD和CMOS图像传感器应用实例5.4实训5.1CCD图像传感器5.1CCD图像传感器CCD（ChargeCoupledDevice）图像传感器由CCD电荷耦合器件制成，是固态图像传感器的一种，是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的新型半导体传感器。它是在MOS集成电路基础上发展起来的，能进行图像信息光电转换、存储、延时和按顺序传送。它的集成度高、功耗小、结构简单、耐冲击、寿命长、性能稳定，因而被广泛应用。5.1.1CCD电荷耦合器件CCD电荷耦合器件是

2、按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列，其构造如图5-1所示。图5-1CCD电荷耦合器件在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约1200A）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电极，称为栅极。该栅极和P型或N型硅衬底形成了规则的MOS电容器阵列。加上两端的输入及输出二极管构成了CCD电荷耦合器件芯片。每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件。当光照射到MOS电容器的P型硅衬底上时，会产生电子空穴对（光生电荷），电子被栅极吸引存储在陷阱中。入射光强，则光生电荷多，入射光弱，则光生电荷少。无光照的MOS电容器则无光生

3、电荷。若停止光照，由于陷阱的作用，电荷在一定时间内也不会消失，可实现对光照的记忆。MOS电容器可以被设计成线阵或面阵。一维的线阵接收一条光线的照射。二维的面阵接收一个平面的光线的照射。CCD摄像机、照相机光电转换如图5-2所示。景物CCD面阵存储显示透镜滤光片放大器图5-2面阵MOS电容器的光电转换CCD电荷耦合器件的集成度很高，在一块硅片上制造了紧密排列的许多MOS电容器光敏元件。线阵的光敏元件数目从256个到4096个或更多。面阵的光敏元件的数目可以是500×500个（25万个），甚至2048×2048个（约400万个）以上，现在已出现800万以上的

4、了。在CCD芯片上同时集成有扫描电路，它们能在外加时钟脉冲的控制下，产生三相时序脉冲信号，由左到右，由上到下，将存储在整个面阵的光敏元件下面的电荷逐位、逐行快速地以串行模拟脉冲信号输出。5.1.2CCD图像传感器MOS电容器实质上是一种光敏元件与移位寄存器合而为一的结构，称为光积蓄式结构，这种结构最简单。但是因光生电荷的积蓄时间比转移时间长得多，所以再生图像往往产生“拖尾”，图像容易模糊不清。另外，直接采用MOS电容器感光虽然有不少优点，但它对蓝光的透过率差，灵敏度低。现在更多地在CCD图像传感器上使用的是：光敏元件与移位寄存器分离式的结构，如图5-3所

5、示。(a)单读示（b）双读示图5-3光敏元件与移位寄存器分离式结构采用光敏二极管阵列作为感光元件，光敏二极管在受到光照时，产生相应于入射光量的电荷。经过电注入法将这些电荷引入CCD电容器阵列的陷阱中，成为用光敏二极管感光的CCD图像传感器。它的灵敏度极高，在低照度下也能获得清晰的图像，在强光下也不会烧伤感光面。CCD电容器阵列只起移位寄存器的作用。图5-4为分离式的2048位MOS电容器线阵CCD电荷耦合器件示意图。模拟信号传输移位寄存器奇数传输门偶数传输门模拟信号传输移位寄存器视频信号放大器视频输出信号GND时钟信号+Ucc20482047光电元件阵列

6、21图5-4线阵CCD内部框图图中移位寄存器被分别配置在光敏元件线阵的两侧，奇、偶数号位的光敏元件分别与两侧的移位寄存器的相应小单元对应。这种结构为双读式结构，它与长度相同的分离式相比较，可以获得高出两倍的分辨率。因为CCD移位寄存器的级数仅为光敏单元数的一半，可以使CCD特有的电荷转移损失大为减少，较好地解决了因转移损失造成的分辨率降低的问题。面阵固态图像传感器由双读式结构线阵构成，它有多种类型。常见的有行转移（LT）、帧转移（FT）和行间转移（ILT）方式。5.1.3CCD图像传感器的应用CCD电荷耦合器件单位面积光敏元件位数很多、一个光敏元件形成一

7、个像素，成像分辨率高、信噪比大、动态范围大，可以在微光下工作。彩色图像传感器采用三个光敏二极管组成一个像素的方法。被测景物的图像的每一个光点由彩色矩阵滤光片分解为红、绿、蓝三个光点，分别照射到每一个像素的三个光敏二极管上，各自产生的光生电荷分别代表该像素的红、绿、蓝三个光点的亮度。经输出和传输后，可在显示器上重新组合，显示出每一个像素的原始彩色。固态图像传感器输出信号具有如下特点：(1)与光像位置对应的时间先后性，即能输出时间系列信号；(2)串行的各个脉冲可以表示不同信号，即能输出模拟信号；(3)能够精确反映焦点面信息，即能输出焦点面信号。将不同的光源或

8、光学透镜、光导纤维、滤光片及反射镜等光学元件灵活地与这三个特点组合，可以获得固态