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1、測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),第十一章 固態(tài)圖像傳感器器,電荷耦合器件的工作原理 電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)及分類 圖像傳感器性能參數(shù) 圖像傳感器的應(yīng)用,本章內(nèi)容：,測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),固態(tài)圖像傳感器：一種固態(tài)集成元件，其核心部分是電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)。 CCD：以陣列形式排列在襯底材料上的金屬氧化物硅(Metal Oxide Semiconductor，簡(jiǎn)稱MOS)電容器件組成的，具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷的功能。 固態(tài)圖像傳感器的分類： 線陣型：目前一般有1024、1728、2048和4096個(gè)像素的傳感器； 面陣型：從512512一直到512768個(gè)像素的

2、，最高分辨力的可達(dá)20482048個(gè)像素的。,測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ),在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會(huì)感生出一幅與光照強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的光生電荷圖像。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ),特點(diǎn): (1) 非接觸檢測(cè)； (2) 響應(yīng)快； (3) 可靠性高，維修簡(jiǎn)便； (4) 測(cè)量精度高； (5) 體積小，重量輕；容易與計(jì)算機(jī)連接； (6) 對(duì)被測(cè)物體需要強(qiáng)光照射； (7) 受被測(cè)物體以外的光的影響。,測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ),應(yīng)用： (1) 寬度測(cè)量 (2) 外徑測(cè)量,(4)條形碼掃描器,(3) 主軸徑向跳動(dòng)測(cè)量,測(cè)

3、量技術(shù)基礎(chǔ),一個(gè)完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。 CCD工作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)，光敏元對(duì)光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏元的電荷量。取樣結(jié)束后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位寄存器相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的作用下，將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號(hào)可接到示波器、圖象顯示器或其他信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備中，可對(duì)信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)處理。,,11.1 CCD的基本工作原理,(a) MOS光敏單元,(b) 1024單元陣列,(c) 線陣式攝像機(jī),11.1 CCD的基本工作原理,MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片,

4、CCD光敏元顯微照片,,CCD讀出移位寄存器的數(shù)據(jù)面顯微照片,11.1 CCD的基本工作原理,CMOS圖像傳感器,CMOS圖像傳感器是采用互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體工藝制作的另一類圖像傳感器，簡(jiǎn)稱CMOS。現(xiàn)在市售的視頻攝像頭多使用CMOS作為光電轉(zhuǎn)換器件。雖然目前的CMOS圖像傳感器成像質(zhì)量比CCD略低，但CMOS具有體積小、耗電量小、售價(jià)便宜的優(yōu)點(diǎn)。,,隨著硅晶圓加工技術(shù)的進(jìn)步，CMOS的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有望超過(guò)CCD，它在圖像傳感器中的應(yīng)用也將日趨廣泛。,尼康DSC中的CMOS,11.1 CCD的基本工作原理,1) 線陣CCD外形,,11.2 CCD圖像傳感器的分類,1CCD轉(zhuǎn)移寄存器 2轉(zhuǎn)移

5、控制柵 3積蓄控制電極 4PD陣列 SH轉(zhuǎn)移控制柵輸入端 RS復(fù)位控制 VOD漏極輸出 OS圖像信號(hào)輸出 OG輸出控制柵,線型圖像傳感器結(jié)構(gòu),1) 線陣CCD外形,11.2 CCD圖像傳感器的分類,2) 面陣CCD,面陣CCD能在x、y兩個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像,,,11.2 CCD圖像傳感器的分類,200萬(wàn)和1600萬(wàn)像素的面陣CCD,,,2) 面陣CCD,11.2 CCD圖像傳感器的分類,2) 面陣CCD,11.2 CCD圖像傳感器的分類,2) 面陣CCD,11.2 CCD圖像傳感器的分類,3) 面型固態(tài)圖像傳感器,11.2 CCD圖像傳感器的分類,3) 面型固態(tài)圖像傳感

6、器,11.2 CCD圖像傳感器的分類,光譜響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍、信噪比、CCD芯片尺寸等 在CCD像素?cái)?shù)目相同的條件下，像素點(diǎn)大的CCD芯片可以獲得更好的拍攝效果。大的像素點(diǎn)有更好的電荷存儲(chǔ)能力，因此可提高動(dòng)態(tài)范圍及其他指標(biāo)。,,11.3 CCD的基本特性參數(shù),CCD以電荷作為信號(hào)，所以電荷信號(hào)的轉(zhuǎn)移效率就成為其最重要的性能之一。把一次轉(zhuǎn)移之后，到達(dá)下一個(gè)勢(shì)阱中的電荷與原來(lái)勢(shì)阱中的電荷之比稱為電荷轉(zhuǎn)移效率。好的CCD具有極高的電荷轉(zhuǎn)移效率，一般可達(dá)0.999995，所以電荷在多次轉(zhuǎn)移過(guò)程中的損失可以忽略不計(jì)。例如，一個(gè)有2048像元的CCD，其信號(hào)電荷的總的電荷轉(zhuǎn)移效率為0.99999520

7、48，即0.9898，損失率只有約0.1%。,電荷轉(zhuǎn)移效率(CTE),11.3 CCD的基本特性參數(shù),量子效率(QE),通常造成QE下降的主要原因是CCD結(jié)構(gòu)中的多晶硅電極或絕緣層把光子吸收了，尤其是對(duì)紫外部分的光吸收較多，這部分光子不產(chǎn)生光生電荷許多線陣CCD對(duì)紫外光的響應(yīng)較差就是這個(gè)原因。采用化學(xué)蝕刻將硅片減薄和背部照射方式，可以減少由吸收導(dǎo)致的量子效率損失。背部照射減薄的CCD在真空紫外區(qū)的工作極限可達(dá)1000。,圖中是典型的PMT(光電倍增管)、PDA(光電二極管陣列)、CID(電荷注入器件)和CCD的量子效率?？梢?jiàn)，CCD的量子效率大大優(yōu)于PDA和CID，在400700nm波段優(yōu)于P

8、MT。,11.3 CCD的基本特性參數(shù),暗電流,CCD在低溫工作時(shí)，暗電流非常低，暗電流是由熱生電荷載流子引起的，冷卻會(huì)使熱生電荷的生成速率大為降低但是CCD的冷卻溫度不能太低，因?yàn)楣馍姾蓮母鳈z測(cè)元遷移到放大器的輸出節(jié)點(diǎn)的能力隨溫度的下降而降低制冷到150K的CCD暗電流小于0.001個(gè)電子/檢測(cè)元/秒。,11.3 CCD的基本特性參數(shù),動(dòng)態(tài)范圍DR的定義為： DR=VSAT/VDRK 其中VSAT為飽和輸出電壓，VDRK為有效像元的平均暗電流輸出電壓。在正常工作條件下，CCD檢測(cè)器的所有像元經(jīng)歷同時(shí)曝光，上式表示的是單個(gè)檢測(cè)像元的動(dòng)態(tài)范圍，即簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)范圍。CCD的簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)范圍非常大，寬達(dá)

9、10個(gè)數(shù)量級(jí)。以7500的紅光光子為例，CCD可在1ms積分時(shí)間內(nèi)對(duì)光強(qiáng)達(dá)每秒5109個(gè)光子的光束響應(yīng)可以對(duì)每秒710-2個(gè)光子的光源響應(yīng)，而且在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，都能保持線性響應(yīng)。,動(dòng)態(tài)范圍,11.3 CCD的基本特性參數(shù),11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,彩色CCD顯微照片（放大7000倍）,,,線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,線陣CCD在圖像掃描中的應(yīng)用,彩色印刷中的套色工藝監(jiān)控,風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星可以對(duì)地球上空的云層分布進(jìn)行逐行掃描,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,線陣CCD用于字符識(shí)別,,,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,CCD數(shù)碼照相機(jī),數(shù)碼相機(jī)簡(jiǎn)稱DC，它采用CCD作為光電轉(zhuǎn)換

10、器件，將被攝物體的圖像以數(shù)字形式記錄在存儲(chǔ)器中。 數(shù)碼相機(jī)從外觀看，也有光學(xué)鏡頭、取景器、對(duì)焦系統(tǒng)、光圈、內(nèi)置電子閃光燈等，但比傳統(tǒng)相機(jī)多了液晶顯示器(LCD)，內(nèi)部更有本質(zhì)的區(qū)別，其快門(mén)結(jié)構(gòu)也大不相同。,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,CCD用于圖像記錄,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,數(shù)碼相機(jī)的外形,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,,三基色分離原理,CCD數(shù)碼照相機(jī)的結(jié)構(gòu),11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,,CCD,數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)解剖(索尼F828),11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,,CCD數(shù)碼顯微鏡拍攝的金屬表面顯微照片,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,,,CCD數(shù)碼攝像機(jī),11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,CMO

11、S視頻攝像頭,,,帶紅外LED照明的CMOS視頻攝像頭,,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,CMOS視頻攝像頭的外部結(jié)構(gòu),11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,CMOS視頻攝像頭的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu),,,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,尺寸測(cè)量,被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度L,l1 視場(chǎng) l2傳感器的長(zhǎng)度,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,用于光學(xué)文字識(shí)別裝置,光學(xué)文字識(shí)別裝置(OCR)原理,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,用CCD線陣型攝像機(jī)作流水線零件尺寸在線檢測(cè)。,CCD線陣攝象機(jī)作二維零件尺寸在線檢測(cè),11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,三角法原理測(cè)量物體位移及輪廓,采用攝像機(jī)利用三角法測(cè)量物體位置,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,用三角法測(cè)量工件輪廓尺寸測(cè)量,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,投影法測(cè)量物體三維形貌,采用面陣式CCD攝像機(jī)利用投影法測(cè)量物體三維表面形貌。,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,用莫爾條紋法來(lái)測(cè)量物體的三維形貌。,11.4 圖像傳感器的應(yīng)用,