现代传感技术 教学课件 作者 黄元庆 第3章.ppt

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1、第三章图像传感技术图像传感器实际上也是光电传感器件中的一部分，主要器件有CCD、CMOS以及PSD等，PSD已经在光电传感器件中介绍，在这一章中主要讨论CCD和CMOS传感器件及图像测量技术。图像传感技术3.1CCD图像传感器3.2CMOS图像传感器CMOS传感器结构与工作原理CMOS图像传感器的性能指标典型CMOS图像传感器3.3CCD与CMOS传感器的比较3.4图像测量技术CCD图像传感器CCD（ChargeCoupledDevice）全称为电荷耦合器件，是20世纪70年代发展起来的新型固体成像器件。它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领

2、域。它具有光电转换、信息存储和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次、内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。CCD是目前最为成熟，应用最为广泛的图像传感器，它的典型产品有数码相机、摄像机等。CCD图像传感器CCD有两种基本类型：一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿着界面转移，这类器件称为表面沟道CCD器件（简称SCCD）；另一种是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，这类器件

3、称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）.一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD图像传感器CCD的MOS结构及存储电荷原理CCD的MOS结构电荷的传输电荷读出CCD图像传感器基本特征参数CCD摄像器件线阵CCD摄像器件面阵CCD摄像器件CCD的MOS结构及存储电荷原理CCD由多个光敏像元组成，每个像元就是一个MOS电容器或一个光敏二极管。这种电容器能存储电荷，其结构如图3‑1所示。图3‑1CCD基本结构和工作原理图CCD的MOS结构及存储电荷原理1.电荷的传输CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器（或光敏二极管），它的表

4、面由不透光的金属层覆盖，以实现光屏蔽。MOS电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外加电压一定，势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小。利用这一特性，通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。在MOS电容紧密排列，使相邻的MOS电容势阱相互“沟通”，即相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小，且当改变相邻MOS两电极的电压值时，在信号电荷自感生电场的库仑力推动下，就可使信号电荷由浅处流向深处，实现信号电荷转移。CCD的MOS结构及存储电荷原理1.电荷的传输为了保证信号电荷按确定路线转移，通常MOS电容阵列栅极上所加脉冲电压为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉

5、冲电压。三相CCD的结构及工作原理二相CCD的结构及工作原理CCD的MOS结构及存储电荷原理2.电荷读出CCD的信号电荷读出方法一般有两种：输出二极管电流法和浮置栅MOS放大器电压法。图3‑5电荷读出方法CCD图像传感器基本特征参数CCD图像传感器特征主要是指其光电转换特性，而性能参数主要包括灵敏度、分辨率、信噪比、光谱响应、动态范围、暗电流和图像滞后等。CCD摄像器件的优劣评判标准，就是采用这些参数衡量。CCD图像传感器基本特征参数1.光电转换特性横轴为曝光量，纵轴为输出信号电压值。它的光电转换特性与硅靶摄像管相似，具有良好的线性。特性曲线的拐点G所对应的曝光量叫饱和曝光

6、量图3‑6CCD的光电转换特性CCD图像传感器基本特征参数2.光谱响应目前广泛应用的CCD器件是以硅为衬底的器件，其光谱响应范围为400~1100nm。红外CCD器件用多元探测器阵列替代可见光CCD图像器件的光敏元部分，光敏元部分用的主要光敏材料有InSb、PbSnTe和HgCdTe等，其光谱范围延伸至3~5mm和8~14mm。3.动态范围饱和曝光量和等效噪声曝光量的比值称为CCD的动态范围。CCD器件动态范围一般在103~104数量级。4.暗电流暗电流的存在限制了器件动态范围和信号处理能力。暗电流的大小与光积分时间、周围环境密切相关，通常温度每上升30~35℃，暗电流提高

7、约一个数量级。CCD摄像器件在室温下暗电流约为5~10nA/cm2。CCD图像传感器基本特征参数5.分辨率分辨率是图像器件的重要特性，常用调制传递函数MTF(ModulationTransferFunction)来评价。图3‑7是用2856K白炽光源照明下某线阵CCD的MTF曲线。MTF定义为：归一化的无量纲的零空间频率下的调制深度的值。图3‑7某线阵CCD的评价曲线CCD摄像器件CCD电荷耦合摄像器件简称ICCD，它的功能是把二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量的视频输出信号。线阵可以直接将接收到的一维光信号