第二章--影像获取技术-CCD-CMOS0.pptVIP

2.1 数字图像传感器 CCD CMOS 2.1数字图像传感器 成像器件： CCD；CMOS 2.1.1 光电耦合器件-CCD CCD是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device) 贝尔实验室的W. S. Boyle，G. E. Smith在探索磁泡器件的电模拟工作中，于1969年秋构思了电荷耦合器件的原理。 CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。 CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。 紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器可用来存储和转移电荷，按适当的次序对这些电极加上脉冲，它们就会产生携带一包一包少数载流子的运动势阱。 他们首先提出的一种器件结构是采用相同的电极和三相时钟系统，为隔离各个电荷包，最少需要三相时钟 。 电荷耦合器件的结构 电荷耦合器件（CCD）是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。 CCD的特点——以电荷作为信号 CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移 CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测 电荷耦合器件的基本原理 电荷存储 电荷转移 电荷存储 构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器 电荷耦合器件工作在深度耗尽状态 电荷存储 在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。 加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。 当UG＞ Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子(少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。 反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。 电荷转移 电荷的转移（耦合） 第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。 若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。 CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1μm的间隙长度是足够了。 电荷检测 以浮置扩散（FDA）输出为例 电荷注入 电荷注入分为两类：电注入和光注入。 电注入方式：将信号电压转换为势阱中等效的电荷包。 光注入方式：摄像器件采取的唯一注入方法。 当光照射到光敏面上时，在栅极附近的体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被其收集到势阱中形成信号电荷。 电荷耦合器件 电荷耦合器件的组成：输入部分、电荷转移部分和信号输出部分。 CCD的特点 体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。 空间分辨率高，可获得很高的定位和测量精度。 光电灵敏度高，动态范围大，信噪比高 。 高速扫描，基本上不保留残象(电子束摄象管有15~20％的残象) 集成度高 可用于非接触精密尺寸测量系统。 无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。 有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。 电荷耦合摄像器件的类型 按结构可分为线阵CCD和面阵CCD 按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD 可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD ＣＣＤ的类型 线阵ＣＣＤ：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至5000位以至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。 面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。 目前达到实用阶段的象元数由25万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有1／3英寸、l／2英寸、2／3英寸以至1英寸之分。 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； 线阵CCD：可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构 面阵CCD 常见的面阵CCD摄像器件有两种： 行间转移结构与帧转移结构 MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片 CCD光敏元显微照片 彩色CCD显微照片（放大7000倍） 2.1.2 CMOS传感器 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）图像传感器出现于1969年,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，它结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。 CMOS传感器原理 CMOS传感器特性 （1）光照特性 （2）输出特性 （3）光谱响应 小结：CCD与CMOS区别 技术角度：