图像传感技术PPT课件.ppt

第九章图像传感技术 图像传感器实际上是光电传感器件中的一部分 主要器件有CCD CMOS以及PSD等 主要讨论CCD和CMOS传感器件及图像测量技术 图像传感技术 9 1CCD图像传感器9 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9 3CCD与CMOS传感器的比较9 4图像测量技术 2 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 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域 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 3 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 4 CCD图像传感器 CCD工作时 在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样 将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少 取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中 移位寄存器在驱动时钟的作用下 将信号电荷顺次转移到输出端 将输出信号接到示波器 图像显示器或其他信号存储 处理设备中 就可对信号再现或进行存储处理 由于常用的CCD光敏元可做得很小 约几个微米 所以它的图像分辨率很高 5 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 6 CCD的MOS结构及存储电荷原理 CCD基本结构和工作原理图 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 该电容器能存储电荷 其结构如图所示 7 CCD的MOS结构及存储电荷原理 以P型硅为例 在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层 然后再SiO2上淀积一层金属为栅极 P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴 少数载流子是带负电荷的电子 当金属电极上施加正电压时 其电场能透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引 于是带正电的空穴被排斥到远离电极处 带负电的少数载流子紧靠SiO2层形成负电荷层 耗尽层 这便形成对电子而言的陷阱 电子一旦进入就不能复出 故又称为电子势阱 8 CCD的MOS结构及存储电荷原理 当器件受到光照时 光子的能量被半导体吸收 产生电子 空穴对 光生电子被吸引存储在势阱中 实现了光和电的转换 光越强 势阱中收集的电子越多 势阱中存储的电子不会因光照停止而消失 实现了电荷的存储 9 CCD的MOS结构及存储电荷原理 1 电荷的传输 1 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 它的表面由不透光的金属层覆盖 以实现光屏蔽 2 MOS电容器上的电压愈高 产生的势阱愈深 当外加电压一定 势阱深度随阱中电荷量的增加而线性减小 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 3 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 使信号电荷由浅处流向深处 实现信号电荷转移 10 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冲电压 a 三相CCD的结构及工作原理 b 二相CCD的结构及工作原理 11 三相CCD的结构及工作原理 1 每一个像元 有两个相邻电极 每隔两个电极的所有电极都接在一起 由3个相位相差120 的时钟脉冲驱动 故称三相CCD 2 电荷定向转移靠势阱的非对称性实现 靠时钟脉冲电压的时序控制 来形成非对称势阱 12 二相CCD的结构及工作原理 采用阶梯氧化层电极形成的二相结构 采用不对称的电极结构也可以引进不对称势阱 从而变成二相驱动的CCD 目前实用CCD中多采用二相结构 实现二相驱动的方法有 1 阶梯氧化层电极此结构中将一个电极分成两部分 其左边部分电极下的氧化层比右边的厚 则在同一电压下 左边电极下的位阱浅 自动起到了阻挡信号倒流的作用 13 二相CCD的结构及工作原理 采用势垒注入区形成二相结构 2 设置势垒注入区对于给定的栅压 位阱深度是掺杂浓度的函数 掺杂浓度高 则位阱浅 采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处 则该处位阱就较浅 任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动 14 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 15 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 16 CCD图像传感器基本特征参数 暗输出电压 1 光电转换特性CCD的光电转换特性具有良好的线性 特性曲线的拐点G所对应的曝光量叫饱和曝光量SE 当曝光量大于SE时 CCD输出信号不再增加 饱和输出电压 饱和曝光量 注 曝光量单位为勒克司 秒 lx s 每平方米面积上光通量为1流明时 照度值即为1勒克司 lux或lx t为曝光时间 单位为秒 s 输出信号电压值 曝光量 17 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 5 m和8 14 m 18 CCD图像传感器基本特征参数 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 暗电流提高约一个数量级 CCD摄像器件在室温下暗电流约为5 10nA cm2 19 CCD图像传感器基本特征参数 某线阵CCD的评价曲线 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 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 一个确定的空间频率的物象透射在摄像器件 上 其输出将是随时间变化的波形 其振幅称为调制深度 注 CCD具有很高的空间分辨能力 7000像元线阵CCD器件的分辨能力可达7 m 4096 4096面阵器件的整机分辨能力在1000电视线以上 空间频率 空间单位长度上 周期结构重复的次数 电视线 在用来测试清晰度而输入的图像信号上 会显示出一条条的线 20 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 1 线阵CCD 2 面阵CCD两者都需要用光学成像系统将景物图像成像在CCD的像敏面上 像敏面将入射到每个像敏单元上的光照度分布信号转变为少数载流子密度分布信号存储在像敏单元 MOS电容 中 再通过驱动脉冲的驱动 使其从CCD的移位寄存器中转移出来 形成时序的视频信号 21 线阵CCD摄像器件 1 可直接将接收到的一维光信号转换成时序的电信号输出 获得一维的图像信号 2 若想用线阵CCD获得二维图像信号 必须使线阵CCD与二维图像做相对的扫描运动 3 对匀速运动物体进行扫描成像非常方便 4 现代的扫描仪 传真机 高档复印机和航空图像扫描系统等都采用线阵CCD作为图像传感器 线阵CCD摄像器件有两种基本形式 1 单沟道线阵CCD 2 双沟道线阵CCD 22 线阵CCD摄像器件 单沟道线阵CCD 1 单沟道线阵CCD单沟道线阵CCD由光敏元阵列 转移栅 CCD模拟移位寄存器和输出放大器等单元构成 这种结构的线阵CCD的转移次数多 效率低 调制传递函数MTF较差 只适用于像敏单元较少的摄像器件 23 线阵CCD摄像器件 双沟道线阵CCD的结构 2 双沟道线阵CCD具有两列CCD模拟移位寄存器A与B 分列在像敏阵列的两边 对同样的像敏单元来说 双沟道线阵CCD要比单沟道线阵CCD的转移次数少一半 转移时间缩短一半 它的总转移效率大大提高 在要求提高CCD的工作速度和转移效率的情况下 常采用双沟道的方式 24 面阵CCD摄像器件 面阵CCD是二维的图像传感器 它可以直接将二维图像转变为视频信号输出 按照一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列 即构成二维面阵CCD 由于排列方式不同 面阵CCD常有 1 帧转移方式 2 隔列转移方式 3 线转移方式 4 全帧转移方式 25 1 帧转移面阵CCD 帧转移三相面阵摄像器的构成 成像区 像敏区 暂存区水平读出寄存器特点 结构简单光敏单元尺寸可恨小调制传递函数较高光敏面积占总面积的比例小 帧转移三相面阵摄像器的原理结构图 26 1 帧转移面阵CCD 工作过程 图像经物镜成像到成像区 在场正程期间 为光积分时间 成像区的某一相电极 如ICR1 加有适当的偏压 高电平 光生电荷将被收集到这些电极下方的势阱里 这样就将被摄光学图像变成了光积分电极下的电荷包图像 存储于成像区 光积分周期结束 进入场逆程 在场逆程期间 加到成像区和存储区电极上的时钟脉冲将成像区所积累的信号电荷转移到暂存区 场逆程结束后又进入下一场的场正程时间 在场正程期间 成像区又进入光积分状态 暂存区与水平读出寄存器在场正程期间按行周期工作 27 2 隔列转移型面阵CCD 28 2 隔列转移型面阵CCD 它的像敏单元 图中虚线块 呈二维排列 每列像敏单元被遮光的读出寄存器及沟阻隔开 像敏单元与读出寄存器之间又有转移控制栅 每一像敏单元对应于两个遮光的读出寄存器单元 读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开 由于每列像敏单元均被读出寄存器所隔 因此 这种面阵CCD称为隔列转移型CCD 连续的多晶硅 它经过选择掺杂构成二相转移电极系统 称为多晶硅寄存器栅极系统 转移方向用离子注入势垒方法完成 使电荷只能按规定的方向转移 沟阻常用来阻止电荷向外扩散 29 3 线转移型面阵CCD 取消了存储区 多了一个线寻址电路 像敏单元一行行地紧密排列 很类似于帧转移型面阵CCD的光敏区 但它的每一行都有确定的地址 它没有水平读出寄存器 只有一个垂直放置的输出寄存器 30 3 线转移型面阵CCD 当线寻址电路选中某一行像敏单元时 驱动脉冲将使该行的光生电荷包一位位地按箭头方向转移 并移入输出寄存器 输出寄存器在驱动脉冲的作用下使信号电荷包经输出放大器输出 根据不同的使用要求 线寻址电路发出不同的数码 就可以方面地选择扫描方式 实现逐行扫描或隔行扫描 也可只选择其中一行输出 使其工作在线阵CCD的状态 特点 有效光敏面积达 转移速度快 转移效率高 但其电路较复杂 使它的应用范围受到限制 31 图像传感技术 9 1CCD图像传感器9 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9 3CCD与CMOS传感器的比较9 4图像测量技术 32 CMOS传感器结构与工作原理 CMOS ComplementaryMetalOxideSemiconductor 互补金属氧化物半导体 图像传感器是目前最常见的数字图像传感器 广泛应用于数码相机 数码摄像机 照相手机以及摄像头等产品上 采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列 驱动和控制电路 信号处理电路 模 数转换器 全数字接口电路等完全集成在一起 可以实现单芯片成像系统 这已成为当前一个研究热点 33 CMOS传感器结构与工作原理 根据像素的不同结构 CMOS图像传感器可以分为 1 无源像素被动式传感器 Passive PixelSensor PPS 2 有源像素主动式传感器 ActivePixelSensor APS 根据光生电荷的不同产生方式 APS又分为I光敏二极管型II光栅型III对数响应型 34 CMOS传感器结构与工作原理 CMOS图像传感器芯片结构框图 CMOS图像传感器像素阵列 35 CMOS图像传感器的性能指标 图示为CMOS图像传感器的光谱响应特性曲线 由图可见 其光谱范围为350 1100nm 峰值响应波长在700nm附近 峰值波长响应度达到0 4A W 1 光谱性能与量子效率取决于像敏单元 光敏二极管 36 CMOS图像传感器的性能指标 1 光谱性能与量子效率器件的光谱响应特性与器件的量子效率受器件表面光反射 光干涉 光透过表面层的透过率的差异和光电子复合等因素影响 量子效率总是低于100 此外 由于上述影响会随波长而变 所以量子效率也随波长变化 2 空间传递函数由于CMOS成像器件中存在空间噪声和串音 故实际的空间传递函数特性要降低些 37 CMOS图像传感器的性能指标 3 填充因子填充因子是指光敏面积对全部像敏面积之比 它对器件的有效灵敏度 噪声 时间响应 模传递函数MTF等的影响很大 4 输出特性与动态范围一般有4种输出模式 a 线性模式 b 双斜率模式 c 对数特性模式 d 校正模式它们的动态范围相差很大 特性也有较大区别 38 CMOS图像传感器的性能指标 5 噪声噪声来源于其中的像敏单元的光敏二极管 用于放大器的场效应管和行 列选择等开关的场效应管 这些噪声既有相似之处也有很大差别 此外 由光敏二极管阵列和场效应晶体管电路构成CMOS图像传感器时 还可能产生新的噪声 1 光敏器件的噪声 2 MOS场效应晶体管中的噪声 3 CMOS成像器件中的工作噪声 39 典型CMOS图像传感器 以FillFactory公司的IBIS4SXGA型CMOS成像器产品为例 这是一种彩色面阵CMOS成像器件 也可用做黑白成像器件 40 典型CMOS图像传感器 特点 1 像素尺寸小 2 填充因子大 3 光谱响应范围宽 4 量子效率高 5 噪声等效光电流小 6 无模糊 Smear 现象 7 有抗晕能力 8 可做取景控制 41 典型CMOS图像传感器 成像器件的原理结构 SXGA图像传感器原理结构图 42 典型CMOS图像传感器 SXGA型CMOS成像器件的光谱特性 加入彩色滤光片后 光谱响应普遍降低 此外 3条单色光谱响应曲线有一些差异 可以通过白平衡校正电路进行校正 43 典型CMOS图像传感器 SXGA型CMOS成像器件输出放大器电路原理图 输出放大器主要由三部分组成 增益可调的放大器 钳位器 偏压调节电路 44 图像传感技术 9 1CCD图像传感器9 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9 3CCD与CMOS传感器的比较9 4图像测量技术 45 CCD与CMOS传感器的比较 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 CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中 由最底端部分输出 再经由传感器边缘的放大器进行放大输出 而在CMOS传感器中 每个像素都会邻接一个放大器及A D转换电路 用类似内存电路的方式将数据输出 46 CCD与CMOS传感器的比较 造成这种差异的原因在于 CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真 因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理 而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声 因此 必须先放大 再整合各个像素的数据 47 CCD与CMOS传感器的比较 由于数据传送方式不同 因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异 主要包括 1 灵敏度差异由于CMOS传感器的每个像素由4个晶体管与一个光敏二极管构成 含放大器与A D转换电路 使得每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积 因此在像素尺寸相同的情况 CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器 48 CCD与CMOS传感器的比较 2 成本差异由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺 可轻易将周边电路集成到传感器芯片中 因此可节省外围芯片的成本 除此之外 由于CCD采用电荷传递的方式传送数据 只要其中有一个像素不能运行 就会导致一整排的数据不能运行 因此 CCD传感器的成本要高于CMOS传感器 49 CCD与CMOS传感器的比较 3 分辨率差异CMOS传感器的每个像素都比CCD传感器复杂 其像素尺寸很难达到CCD传感器的水平 因此 相同的CCD和CMOS传感器 CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平 50 CCD与CMOS传感器的比较 4 噪声差异由于CMOS传感器的每个光敏二极管都需搭配一个放大器 而放大器属于模拟电路 很难让每个放大器所得到的结果保持一致 因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比 CMOS传感器的噪声就会增加很多 影响图像品质 51