《CCD图像传感器》PPT课件

图像传感器,成像系统组成,UV/whiteepiillumination,UV/whitetransillumination,Sample,CCDCamera,Lens,Filters,UV/whiteEpiillumination,CCD简介：,CCD，英文全称：Charge-coupledDevice，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容(MIS结构)，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。,线性CCD和矩阵性CCD,线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。矩阵式CCD因为不是同点合成，其中包含着数学计算，因此这种CCD最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利。,CCD结构感光二极管（Photodiode）并行信号寄存器（ShiftRegister）-用于暂时储存感光后产生的电荷串行信号寄存器（TransferRegister）-用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大信号放大器-用于放大微弱电信号数摸转换器-将放大的电信号转换成数字信号,CCD结构,CCD的MIS结构及存储电荷原理,当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子空穴对，电子空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱”中。,在接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。,每个感光元件对应图像传感器中的一个像点，由于感光元件只能感应光的强度，无法捕获色彩信息，因此彩色CCD/CMOS图像传感器必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。,CCD象素合成,最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感。,CCD电荷耦合,CCD电荷读出,电荷的生成,电极的吸收和硅-二氧化硅界面上的多次反射而引起某些波长的光产生干涉，出现明暗条纹,SuperHADCCD,1、比普通CCD多了一个聚光透镜，这个目的是增加采光量2、增大感光点的受光面积，这可以增强物体反射进入CCD像素点的色彩和亮度。这样各种色彩被CCD解吸的亮度就更强,其结果就是低照度效果更好了，色彩更鲜艳真实了,上图左图为不带摩尔效应的原始图像，中图为出现摩尔效应的图像，右图为使用OLPF后的效果，可以看出使用OLPF后虽然去除了摩尔效应，但图像清晰度有一定的下降,FoveonX3Sensors,我们之前提到，传统传感器最难解决的便是色彩干扰，摩尔纹成为严重影响照片品质的问题。通常的解决办法是改善低通滤波镜的效果。但是即便如此，也无法改变由于增加低通滤波镜所产生的锐度下降。相比之下，使用X3传感器令这些问题迎刃而解。,CMOS,互补金属氧化物半导体）-核心元件：感光二极管（Photodiode）-同一像点当中包含放大器和数模转换电路（一个感光二极管和三颗晶体管）-开口率底（开口率：有效感光区与整个感光元件面积比值）-灵敏度底、噪声明显-数模转换无法保证严格一致,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,CCD、CMOS传输方式,CCD和CMOS传感器,CCD与CMOS传感器是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象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，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，每个象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。,光电转换,电荷收集,像元的光敏区,电荷转移,垂直和水平CCD,水平CCD后放大器,电荷-电压转换/放大,微型信号线,电压传递,CCD图像传感器,CMOS图像传感器,像元内放大器,电荷-电压转换/放大,CCD与CMOS比较,象素:分辨率指屏幕上象素的数目，象素是指组成图像的最小单位，也即上面提到的发光“点”。比如，640480的分辨率是说在水平方向上有640个象素，在垂直方向上有480个象素。,CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。,CCD采光方式,前照式:光从正面照射芯片形成电荷背照式:光从背面通过并直接进入二极管光子效率可达到80%,电荷的生成,理想情况下，电极材料应该是完全透明的，实际上这些材料对光都有一些吸收和反射。如多晶硅电极对短波光有较强的吸收和反射，减少了最终到达硅片的光子数量，如图中1和2所表示的情况。,x：吸收y：复合,材料的吸收系数和反射率与波长有关，在可见光波段，波长越短吸收系数和反射率越大。,图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！,CCD短波限制与结构及材料有关,电荷的生成,深蓝光(400nm)穿透深度或被吸收的平均深度离表面大约为0.2m见图中的3。,x：吸收y：复合,图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！,电荷的生成,红光(650nm)穿透深度或被吸收的平均深度离表面大约为3.33m，激发出的电子在收集区外生成，复合寿命长，热扩散使这些电子被收集。见图中的5。,x：吸收y：复合,图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！,厚型前照明CCD,光在表面电极产生反射和吸收，使这种CCD的量子效率比较低，对蓝光的响应非常差。其电极结构不容许采用提高性能的增透膜技术。增透膜技术在薄型背照明CCD可以采用。,电荷的生成降低反射,硅片减薄到15m左右，光线由背面射入，避免了电极对光线的阻挡，可以得到很高的量子效率。由于可以在硅表面制作减反膜，短波响应将得到很大提高。,薄型背照明CCD,电荷的生成降低反射,薄型CCD对近红外光线几乎透明，因此长波响应很差。,空气或真空的折射率为1.0，硅为3.6。利用上述方程式可以得出在空气中硅的反射率是32%。除非采取适当的措施消除这种反射，否则硅CCD只能探测到2/3的入射光子。增透膜可以解决这个问题。,硅的折射率(ns)很高，很多入射光子会在其表面反射。,在两种不同折射率物质的界面上光子的反射率为,=,2,电荷的生成降低反射,空气,硅,加入增透膜以后，有三种介质需要考虑：,nsxni-nt,2,nsxni+nt,2,2,反射率降为：,电荷的生成降低反射,CCD量子效率,量子效率（QuantumEfficiency）-阴极发射出的光电子数量与入射光光子的数量比，用以表诉CCD在不同波长下的响应值,在同一波长下QE值越高CCD品质越好CCD对于不同波长的光的响应时间的敏感度不同背照式CCD比前照式CCD有更好的量子效率多数衡量QE高低是在425nm波长影响QE的因素有吸收(absorption)、反射(reflection)和穿越(transmission)等。,CCD系统信噪比,信噪比（SignaltoNoiseRatio）-衡量信号及噪音的关系-表征检测的限度（灵敏度）,噪音常常表现在电子元件传输或接收信号的时候,CCD像素指标-填充因子,填充因子（FillFactor）-CCD实际感光面积占像素面积的比值,理想值-100%实际值-30%（隔行传输式CCD）通过微型镜头（Microlenses）改善（但微型镜头的应用会影响紫外光的检测）填充因子是影响灵敏度的一个因数,CMOS的填充因子较低,CCDCMOS,CCD与CMOS比较,CCD像素指标-井深,井深（WellCapacity）-像素可堆积电荷的多少,多数CCD可堆积85K个电荷高品质的CCD可堆积350K个电荷影响灵敏度的一个因数衡量动力学范围的一个因素,CCD暗电流,暗电流（DarkCurrent,DarkCount）-CCD在一定温度下每个像素在一定时间内产生的电荷数-暗噪音大约为暗电流的平方根影响暗电流的因素主要是温度。,CCD-控温方式,CoolCCD-消除热或暗电流产生的噪音-噪音底，图像质量高-灵敏度高，感光效果佳-几何失真度小-解析度稳定，补偿效果佳-耐震动，不易受点磁场干扰附：普通CCD暴光超过10秒，发热；-20度摄像头可拍摄5分钟图像；-40度摄像头拍摄时间可超过1小时,动力学范围,动力学范围（DynamicRange）-描述从CCD像素值中可以得到多少数量的灰度级别的一个术语-用来表示饱和电压（最大输出级别）与摄像头随机噪音的比率（Itisexpressedastheratiooffullsaturationvoltage(maximumoutputlevel)tothetotalRMSnoiseofthecameraoutput.)-动力学范围并不总是和数模转换器输出的数据一致,动力学范围,超级CCD,超级CCD（SupperCCD）-几何形状的改变，增加光电二极管的面积，像素利用率提高33%-更接近Microlens形状，提高有效面积增加光吸收率-排列结构更适合人眼对分辨率的要求（分辨率提高60%）,倒车影像系统,由于要应付日益密集的交通和潮水般的信息，驾驶员辅助系统的开发减轻了驾驶员的负担。这些辅助装置可以帮助驾驶员在某些特定的驾驶环境下，部分或全部地接管驾驶程序。倒车影像系统就是一个例子。它在驾驶员倒车以及倒车进入驻车区域时提供了帮助。,处理器（带集成芯片）镜化捕捉到的图像。镜化是必要的，以便于将车辆左侧的状况显示在显示屏的左侧。图像被转化成电子信号，并被传送至倒车影像系统控制单元。倒车摄像头通过三根电线（电源，接地线和带集成屏蔽层的视频信号线）与倒车影像系统控制单元连接在一起,CCD夜视防水倒车摄像头,CCD和CMOS芯片是组成倒车摄像头的重要组成部分，根据元件不同可分为CCD和CMOS。CMOS主要应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本、功耗较CCD低，缺点是CMOS摄像头对光源的要求较高；CCD，是应用在