固体图像传感器
固态图像传感器的作用及实际应用
文 字 识 别 技 术 等 方 面 。面 型 固 态 图 像 传 感 器 的 发 展 方
向 主 要 用 作 磁 带 录 像 的 小 型 照 相 机 。本 节 主 要 介 绍 线 型 ＣＣＤ 传 感 器 。
１ 概 述
掉 半 导体 衬 底 内 的 多 数 载 流 子 ， 成 “ 阱 ” 运 动 ， 形 势 的
进 而达 到 信 号 电 荷 （ 数 载 流 子 ） 转 移 。如 果 所 转 移 少 的 的 信 号 电荷 是 由 光 像 照 射 产 生 的 ， 则 ＣＣＤ 具 备 图 像 传 感 器 的 功 能 。若 所 转 移 的 电荷 通 过 外 界 注 入 方 式 得
将光强的空间分布转换 为与光强成 比例 的， 大小不等的电荷包空间分 布。然后利用移位寄存器的功能将这些 电荷包 在时钟脉冲控制下实现读取与输出 ， 形成一 系列幅值不等的时序脉冲序列 。 关键词 ：图像传感器；转换；图像；光敏 ； 空间
中 图分 类 号 ： Ｐ２ ２ Ｔ １ ． ９ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编号 ：０４ ｌ６ （０ １０ — ０ ２ ０ １０ 一 １８ ２ １ ）３０ ７— ３
间 分 布 转 换 为 与 光 强 成 比 例 的 、 小 不 等 的 电 荷 包 空 大
ＣＣＤ， ＯＳ线 型传 感器 以及 ＣＣＤ， Ｍ ＭＯＳ面型 传感 器 等。
线 型 固 态 图像 传 感 器 主 要 用 于 测 试 、 真 和 光 学 传
间 分 布 。然 后 利 用 移 位 寄 存 器 的 功 能 将 这 些 电荷 包 在
Ｃ ＣＤ） 是 固 态 图 像 传 感 器 的 敏 感 器 件 ， 与 普 通 的 ， ＭＯＳ、 Ｔ Ｔ Ｌ等 电路 一 样 ， 于 一 种 集 成 电 路 ， ＣＣＤ 属 但 具 有 光 电转 换 、 号 储 存 、 移 （ 输 ） 输 出 、 理 以 信 转 传 、 处 及 电子 快 门等 多 种 独 特 功 能 。 电 荷 耦 合 器 件 ＣＣＤ 的 基 本 原 理 是 在 一 系 列
图像传感器检测系统硬件原理
CCD摄像机应用领域旳发展趋势1、CCD摄像机旳应用领域 CCD摄像机应用领域在不停旳扩展，应用技术旳深化又增进CCD摄像机旳多样化产品旳生产。总体有MOBILE、PUBLIC、HOME三个方面，其中有：
（1）Camcorder摄录一体化CCD摄像机。从中国电子工业部市场预测数据获悉，2023年需求量可达150万台。（2）TV phone据资料简介，有些移动 企业正在研发可带视频图像摄入和显示旳 即大哥大。
广播级电视摄像机中， CCD摄像机可与真空器件摄像机“平分秋色”。而在闭路电视、家庭用摄像方面， CCD摄像机则展现出“一统天下”旳趋势。在工业、军事和科学研究等领域中旳应用，如方位测量、遥感遥测、图像制导，图像识别等方面更展现出其高分辫力，高精确度，高可靠性等突出长处。
图像传感器实际上只能记录光线旳灰度，也就是说，它能记录光线旳强弱，但却没有措施辨别颜色，而我们最需要旳却是光线旳颜色。目前CCD重要旳处理方式是在每一种光电二极管上都采用了滤光器，使对应旳光电二极管只能记录对应单色光。
§6. 1 固体图像传感器检测技木
第六章 图像传感器检测系统
电荷耦合器件
电荷耦合器件(charge—Coupled Devices)简称 CCD，是1970年由美国贝尔试验室首先研制出来旳新型固体器件。作为MOS技术旳延伸而产生旳一种半导体器件。
CCD作为一种多功能器件，有三大应用领域：摄像、信号处理和存贮。尤其是在摄像领域，作为二维传感器件， CCD与真空摄像器件相比，具有无灼伤，无滞后，体积小，低功耗、低价格、长寿命等长处。
半导体作为底电极，称为“衬底”。衬底分为 P型硅衬底和 N型硅衬底，它对应不一样旳沟道形式，由于电子迁移率高，因此，大多数 CCD选用 P型硅衬底。下面以 P型硅衬底 MOS电容器为参照进行阐明。
固体图像传感器
微型镜头
• 由于开口率的限制，有效 感光面积受限，在每一像 素装置微小镜片。使感光 面积不再因为传感器的开 口面积而决定，而改由微 型镜片的表面积来决定。 如此一来，可以同时兼顾 单一像素的大小，又可在 规格上提高开口率，使感 光度大幅提升
0
0
d 2d
1 2d 分辨率（线对/ 毫米）
CCD分辨率
• CCD的分辨率： CCD的分辩率是用象素总数表示的。 设在水平方向上CCD感光有效长度是M毫米，在垂直方向 上CCD 感光有效长度是N毫米。 如果象素（最小感光单元称之为象素）的尺寸是m2 * n2， 那么在水平方向上的象素总数=M/m2，在垂直方向上的象 素总数=N/n2
电荷耦合
电荷包 a1→b1→c1→a2 从t1~t4电荷传输一个电极 从t1~t6电荷传输一位 自扫描：通过时钟脉冲的驱动完成信号电荷的传输
“电荷包”的转移：靠改变不同时刻，各电极上的电压来实现。 时钟脉冲：三相，二相，四相（与CCD结构对应）
电荷耦合
• 耗尽层的耦合：当两个金属栅极彼此足够靠近时， 其间隙下表面势将由两栅极上电位决定，从而形 成两个MOS电容器下耗尽层的耦合 • --使一个MOS电容器中存储的信号电荷能转移到下 一个MOS电容器中，通常电极间隙取0.1~0.2μ m
1 f 3 i
载流子的迁移率/电极长度，衬底 杂质的浓度、温度有关
1 f 3 g
CCD的特性参数
固态图像传感器及其应用研究
图像 传感 器 是 利 用 光 电器 件 的 光一 电转 换 功 能 ， 将 其感光 面上 的光 像转换 为 与光像 成相 应 比例关 系 的 电信 号“ 图像 ” 的一 种 功能 器 件 ． 固态 图像 传 感 器 是 指 在 同一半 导体衬 底上 布设 的若 干光敏 单元 与移 位 寄存
输 ）输 出 、 理 以及 电子 快 门等多 种独 特功 能 ． 、 处
謇 Ｉ ｌ
Ｉ － 信电 ＼ｆ… ＇ ｉ １ 号荷 …
＼
势 阱 ｆ） 阱 图 ｂ势
图 １ ＭＯ Ｓ电容 器 及 其 表 面 势 阱 概 念
电荷耦 合 器 件 的基 本 原 理 ， 在 一 系列 ＭｏＳ电 是 容器 金属 电极 上加 以适 当 的脉 冲 电 压 ， 斥掉 半 导 体 排 衬底 内 的多数 载流子 ， 形成 “ 阱 ” 势 的运动 ， 而达到 信 进 号电 荷 （ 少数 载 流子 ） 的转 移 ． 果 所 转 移 的信 号 电 荷 如
立 的． 固态 图像传 感器 利用 光敏单 元 的光 电转换 功能 ，
将投 射 到 光 敏 单 元 上 的 光 学 图 像 转 换 成 电信 号 “ 图
像 ” 即将 光强 的空 间分 布转 换 为 与 光 强成 比例 的 、 ， 大 小不 等 的电荷包 空 间分 布 ， 后 利 用 移 位 寄存 器 的功 然
Ｖｏ ． Ｉ３ ＮＯ． ３
Ｊ１ ２ ０ ｕ． ０ ７
固态 图像传 感器 及 其应 用 研 究
陈 东雷 ， 清元 张天顺 ，王 一 ，
（ 、 州大 学 能源 与动力 工程 学 院， 苏 扬 州 ２ ５ ０ ； ． 南农 业大 学 工程技 术 学院 ， １扬 江 ２ ０９ ２ 云 昆明 ６ ０ ０ ） ５ ２ １
CCD与CMOS的图像传感器的研究(黄成华)
文献综述CCD 与CMOS 的图像传感的研究（黄成华）班级：电子信息工程1103 姓名：黄成华指导老师：徐老师一．前言70 年代初，随着MOS 技术的成熟，三种典型的固体图像传感—电荷耦合器件（CCD）、电荷注入器件（CID）、光敏二极管阵列（PDA）得到了发展。
在这三种固体图像传感器中，CCD 发展最为迅速。
CCD 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展。
到90 年代初，CCD 技术已比较成熟。
作为一种新型光电转换器被广泛应用，特别是在图像传感和非接触式测量领域的发展则更为迅猛。
随着CCD 应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。
为此，人们又开发了另外几种固体图像传感器技术。
其中，最引人注目、最有发展潜力的是CMOS 图像传感器，它能获得和CCD 产品相似的图像质量，且在功耗、集成度上都取得了很大突破。
CMOS 图像传感器具有许多优点，如芯片内部集成了A ／D 转换器、输出为数字信号、外围线路简单、工作时不需要相位驱动脉冲、价格便宜等，这些优点使其很适合于桌面多媒体、视频会议、图像监控等场合。
目前用于图像传感的器件主要有CCD 和CMOS 两大类。
就目前的应用情况来看，CMOS 器件的成像质量还不如CCD 器件的成像质量好。
但由于CMOS 的很多优点，使得其一出现便受到广泛关注，其应用领域也逐渐扩大。
CMOS 器件在工艺等方面的改进，成像质量的改善，系统集成技术的应用。
二．主题本文介绍了CCD与CMOS图像传感器的原理、特点及发展趋势。
分别对CCD与CMOS 图像传感器的结构和工作原理进行对比研究，尤其是CMOS与CCD 两类图像传感之间的不同进行综述。
重点介绍了CMOS 图像传感器的应用技术和发展趋势。
三. 研究的背景和意义随着数码相机、手机相机的兴起，图像传感器正逐渐成为半导体产品中最耀眼的明星之一，而在图像传感器中，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。
固态图像传感器..
固态图像传感器
图2-3 3个时钟脉冲的时序
固态图像传感器
t2 时刻， Φ1 的高电平有所下降， Φ2 变为高电平， 而Φ3仍是低电平。这样在电极2下面势阱最深，且和电 极l下面势阱交迭，因此储存在电极1下面势阱中的电荷 逐渐扩散漂移到电极2下的势阱区。由于电极3上的高电 平无变化，因此扔高筑势垒，势阱里的电荷不能往电极 3下扩散或漂移。 t3 时刻 Φ1 变为低电平， Φ2 为高电平，这样电极 1 下 面的势阱完全被撤除而成为阱壁，电荷转移到电极 2 下 的势阱内。由于电极 3 下仍是阱壁，因此不能继续前进， 这样便完成了电荷由电极 1下转移到电极2下的一次转移， 如图2-4所示。
固态图像传感器
经过多次试验，贝尔实验室的波意耳 （W.S.Boyle)和史密斯（G.E.Smith)于1970年终于解 决了上述难题。他们采用一种高感光度的半导体材料， 将光线照射导致的电信号变化转换成数字信号，使得 其高效存储﹑编辑﹑传输都成为可能。由于它有光电 转换﹑信息存储﹑延时和将电信号按顺序传送等功能， 且集成度高﹑功耗低，因此随后得到飞速发展，是图 像采集及数字化处理必不可少的关键器件，广泛应用 于科学﹑教育﹑医学﹑商业﹑工业﹑军事和消费领域。
固态图像传感器
内容提要
第一节 概述 第二节 固态图像传感器的分类及其原理 第三节 固态图像传感器的应用
学习目标
掌握固态图像传感器的基本特点和 CCD 传感器的工作原理；熟悉固态图像传感器的 应用。
固态图像传感器
一.概述
定义： 固态图像传感器是指在同一块半导体衬底 上，生成若干个光敏单元与移位寄存器构成一体的集成 光电器件，按空间分布的光强信息转换成按时序串行输 出的电信号。是一种集成化、功能化的光电器件。 光敏单元又称为“像素”或“像点”， 不同的光 敏单元在空间上、电气上彼此独立。每个光敏单元将自 身感受到的光强信息转换为电信号，众多的光敏单元一 起工作，即把入射到传感器整个光敏面上按空间分布的 光学图像转换为按时序输出的电信号“图像”，这些电 信号经适当的处理，能再现入射的光辐射图像。
传感器与检测技术(填空)
传感器1. 因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K 0, α0, βs ）以及被测试件线膨胀系数βg 有关。
2 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。
1) 电阻温度系数的影响2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响3. 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。
5.注意补偿条件：① 在应变片工作过程中，保证R3=R4② R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K 和初始电阻值R0。
③ 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相④ 两应变片应处于同一温度场。
6.电桥平衡条件：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。
直流电桥平衡条件:R1R4=R2R3.7.电压灵敏度的物理意义：① 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； ② 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n 的函数，恰当地选择桥臂比n 的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。
7. 当E 值确定后，n=1时才能使KU 最高。
即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有 U0=E *△R1/4R1(单臂)8.结论：当电源电压E 和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时， 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。
9.减小和消除非线性误差的方法：①提高桥臂比；②采用差动电桥{公式P29非线性误差}10.半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电桥相邻桥臂。
可知：Uo 与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。
U0=E*△R1/2R1(R1=R2=R3=R4, △R1=△R2)11.全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变(1.4拉)，两个受压应变（2.3压），将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。
图像传感器
CMOS图像传感器属于新兴产品市场，其市场占有率变化不如成熟产业那般恒常不变，例如在1999年时，CMOS 市场中，按照出货比例排名依序为Agilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市场占有率分别为24%、22%、14% 和14%，其中STM是欧洲厂商，Hyundai是韩国厂商；但只经过一年后的市场竞争，Agilent和OmniVision出货排 名顺序仍然分居一、二，且市场占有率分别提升到37.7%和30.8%，而STM落居第四，市场占有率大幅滑落至4.8%， 至于Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市场占有率，值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成长，全球市场占 有率快速成长至13.7%，排名全球第三。这三家厂商出货量就占全球出货量的82.2%。从中可以分析，这个产业的 厂商集中度相当密集，所以观察上述三家厂商的动态和发展，可看出许产业和技术未来发展方向。
2014年初，美国Foveon公司公开展示了其最新发展的Foveon X3技术，立即引起业界的高度。Foveon X3是 全球第一款可以在一个像素上捕捉全部色彩的图像传感器阵列。传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感 应色彩信息，需要通过滤色镜来感应色彩信息，我们称之为Bayer滤镜。而Foveon X3在一个像素上通过不同的深 度来感应色彩，最表面一层感应蓝色、第二层可以感应绿色，第三层感应红色。它是根据硅对不同波长光线的吸 收效应来达到一个像素感应全部色彩信息，已经有了使用这种技术的CMOS图像传感器，其应用产品是“Sigma SD9”数码相机。
lecture8__固态图像传感器光敏机理
减小开发成本、制造成本、多个供应商；
特征尺寸减小：低功耗、高速度，集成功能（对 所有IC有效）；改善填充因子，转换效率；
电源电压降低：模拟电压摆幅减小（VDD-VT）； 减小动态范围；模拟信号处理困难；
短沟道效应：关断电流增加（随VT指数增加）； PN结隧道电流增加像素热生成暗电流
工艺尺寸减小的优势
复合
半导体处于平衡状态时，电子和空穴数目一定，因此还存 在另外一种与产生相反的机制-复合。 复合率与电子空穴数成正比：
光照条件下，随着光照产生的电子空穴对数增加复合数量 也增加。
为了测量信号：1、必须有效地分开光生电子空穴对，减 小复合。2、同时使电子和空穴分别到达不同的收集接触 端。
反射
Hole drift Hole diffusion Electric
光电二极管的工作原理
J total J drift J diff
J diff qDn ( N p x
W
) xw qIi 0
Ln D exp(W ) qN p 0 n 1 Ln Ln
J drift q G( x)dx qIio (1 exp(W ))
效率随耗尽区宽度和波长的变化关系
实际效率在短波长区也会下降，由于穿透深度效 率顶层掺杂浓度。
实际量子效率曲线
集成光电二极管通常采用n+p结，主要因为1、与标准的 CMOS工艺相符合；2、Ln>Lp
8.4、光电流的积分和转换
二极管复位到反向偏压Vdd后，reset信号断开，二极管 与电源隔离。电容就通过光电流放电。经过一段时间： 用电容转换成电压为： ，C包括二极管自身电 容和与该节点连接的器件和导线的电容。
电子课件-《传感器及应用(第二版)》-B02-1472 模块七 图像检测
模块七 图像检测
３． 固态图像传感器的比较 CCD 传感器一般被认为具有以下优点。 （１） 高分辨率：像素大小为 μm 级，可感测及识别精 细物体，提高影像品质。 （２） 高灵敏度：CCD 具有很低的读出噪声和暗电流噪 声，信噪比高，从而具有高灵敏度。 （３） 动态范围广：可同时感知及分辨强光和弱光，提 高系统环境的使用范围。
模块七 图像检测
２． 图像检测系统的组成 图像检测系统是采用图像传感器摄取图像，利用转换 电路将其转化为数字信号，再用计算机软硬件对信号进行 处理得到需要的最终图像或通过识别、计算后获取进一步 信息的检测系统，其组成如图所示。
图像传感器在图像检测系统的组成
模块七 图像检测
３． 图像传感器 图像传感器是利用光敏元器件的光电转换功能，将元 器件感光面上感受到的光线图像转换为成一定比例关系的 电信号并做相应处理后输出的功能器件，它能够实现图像 信息的获取、转换和视觉功能的扩展。
模块七 图像检测
二、固态图像传感器
固态图像传感器如图所示，是数码相机、数码摄像机的 关键零件，因常用于摄像领域，又被称为摄像管。
固态图像传感器要求具有两个基本功能：一是具有把光 信号转换为电信号的作用；二是具有将平面图像上的像素进 行点阵取样，并将其按时间取出的扫描作用。
固态图像传感器
模块七 图像检测
模块七 图像检测
知识引入
光纤传感器（Fiber Optical Sensor，FOS）是 20 世 纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传 感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，与以 电为基础的传感器有着本质区别。
模块七 图像检测
知识讲解 一、光纤传递的基本知识
１． 光纤结构 光纤的结构如图所示，光纤呈圆柱形，它 由玻璃纤维芯 （纤芯） 和玻璃包皮 （包层） 两个同心圆柱的双层结构组成。纤芯位于光 纤的中心部位，光主要在此传输。 ２． 光纤导光原理 对于多模光纤，可以用几何光学的方法分 析光的传播现象。此时，光在两层结构之间 的界面上靠全反射进行传播.
CMOS工作原理及应用PPT课件
首先进入“复位状态”,M1打开,对
光敏二极管复位然后进入“取样状
态”,M1关闭,光照射到光敏二极管 M2上产生光生载流子,并通过源踉 随器放大输出,纂启进入。读击状 态”,这时行选通管M3打开,信号通 过列总线输出。
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2021/3/9
CMOS图像传感器的基本 工作流程
1.发生光电效应。 2.行选择逻辑单元选通相应的行 像素单元。 3.信号通过各自所在列的信号总 线传输到对应的模拟信号处理单 元以及A/D转换器。
感光组件的区别： 放大器位置和数量:比较CCD图
像传感器和CMOS图像传感器的 结构，放大器的位置和数量是最 大的不同之处 。
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性能差异： 由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现的不同点。 CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透
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CMOS图像传感器的组成
组成： CMOS图像传感器的原理
如图所示，通常由像敏单 元阵列、行驱动器、列时 序控制逻辑、A/D转换器、 数据总线输出接口、控制 接口等几部分组成，这几 部分通常都被集成在同一 块硅片上。
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CMOS图像传感器的像素阵列
CMOS图像传感器的像素阵 列由大量相同的像素单元组 成，这些相同的像素单元是 传感器的关键部分。
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CMOS图像传感器件的应用
数码相机：
CMOS在数码相机中的应用: 彩色 CMOS 摄像头在电子快门 的控制下 ,摄取一幅照片存在 DRAM 中 , 然后再转至快ROM 中存放起来。
CMOS 还可以完成其他许多功 能 , 如模数转换、负载信号处 理、处理白平衡及进行相机控 制等。目前几乎所有的初级数 码相机都是基于 CMOS 图 像传感器的。
CMOS图像传感器与CCD的比较
摘要：上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念，CMOS图像传感器全称互补金属氧化物半导体图像传感器（CMOS—Complementary Metal Oxide Semiconductor），CCD 全称电荷耦合器件图像传感器（ CCD—Charge-couple Device）。
二者的研究几乎是同时起步的，固体图像传感器得到了迅速发展。
CMOS图像传感器由于受当时工艺水平的限制，图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。
CCD图像传感器因其光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点，一直主宰着图像传感器市场。
CMOS 和CCD图像传感器都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。
CMOS 和CCD的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。
本文将详细介绍CMOS图像传感器与CCD至今的比较。
图11 CMOS和CCD图像传感器基本原理介绍1.1 CMOS图像传感器工作原理介绍图2所示为CMOS图像传感器工作原理框图。
光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷F电压转换#这种信号转换与读出技术的不同对两种图像传感器的结构、性能及其性能的限制产生明显的影响，相机的大部分功能集成在图像传感器芯片上，这使传感器的功能应用弹性较小，但由于集成度高、结构紧密CMOS相机可应用于小尺寸摄像,可适应恶劣的环境$具有更高的可靠性.图2 CMOS图像传感器工作原理框图其特点有：1）传感器内部芯片集成度高，而外围电路简单；2）光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷-电压转换。
图3 CCD图像传感器工作原理框图其特点有：1）曝光后光子通过像元转换为电子电荷包；2）电子电荷包顺序转移到共同的输出端；3）通过输出放大器将大小不同的电荷包转换为电压信号。
2 CMOS图像传感器与CCD的特性比较CMOS图像传感器与CCD相比具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点，但其图像质量（特别是低亮度环境下）与系统灵活性与CCD相比相对较低,由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型(微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域CMOS图像传感器相比，具较好的图像质量和灵活性，仍然保持高端的摄像技术应用，如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电视、高性能工业摄像、大部分科学与医学摄像等应用CCD器件的灵活性体现为与采用CMOS器件相比,用户可构建更多不同的摄像系统CMOS图像传感器相比，在价格方面，目前几乎相等。
CCD固态图像传感器传感器课件
CCD固态图像传感器的性能直接影响到成像的质量。其分辨率、灵敏度、动态范围等参数决定了图像的清晰度、色彩 准确性和细节表现。
在自动化和机器人领域的应用
随着自动化和机器人技术的快速发展，CCD固态图像传感器在定位、识别、导航等方面发挥着越来越重 要的作用，推动了相关行业的进步。
技术发展与市场需求的相互促进
市场发展
技术创新推动CCD固态图像传感器市 场不断扩大，应用领域从传统的摄影 和摄像领域拓展到医疗、安全监控、 无人驾驶等新兴领域。
新型应用领域的拓展
医疗领域
随着医疗设备的高端化和智能化，CCD固态图像传感器在 医疗领域的应用越来越广泛，如内窥镜、显微镜和医学影 像诊断等。
安全监控领域
CCD固态图像传感器的高分辨率、低噪声和快速响应等特 点使其成为安全监控领域的理想选择，广泛应用于视频监 控、人脸识别和交通监控等领域。
光子能量与电子-空穴对数量关系
光子能量越高，产生的电子-空穴对数量越多，从而在像素中形成更多的电荷。
光电转换效率
不同波长的光线具有不同的光电转换效率，因此CCD传感器对不同颜色的敏感度不同。
信号电荷的产生与转移
01
02
03
信号电荷的产生
在光电转换过程中，电子空穴对被半导体材料捕获 并形成信号电荷。
低噪声性能
总结词
CCD固态图像传感器具有低噪声性能，能够降低图像中的随机噪声和干扰，提高 图像的信噪比和稳定性。
详细描述
CCD固态图像传感器采用电荷耦合技术，能够有效地将信号电荷传输到放大器中 ，避免了传统传感器中的热噪声和散粒噪声等问题。此外，其低噪声性能还能够 在高帧频下实现连续稳定的图像采集。
未来挑战
第4章像探测器
几种摄像管的特性参数比较见表 4.2 - 1。
第4章 像探测 器
表 4.2 - 1 几种摄像管的特性参数
第4章 像探测 器
4.3 自扫描光电二极管阵列
1. SSPD线阵列 1. 线阵的结构 图4.3 - 1是一种再充电采样的SSPD线阵电路框图。
位寄存器, 其基本单元的MOS结构如图4.4 - 1(a)所示 。
形象地说, Si-SiO2界面处形成了电子势阱, 如图4.4 - 1(b)所示。
第4章 像探测 器
图 4.4 - 1 CCD的MOS结构 (a) MOS电容器剖面图; (b) 有信号电荷的势阱
第4章 像探测 器
仍以P型半导体为例, 先讨论在不同偏压下处于稳 定态的MOS结构。 图4.4 - 2(a)所示是对栅极加负偏 压的情况, 电场排斥界面处的电子而吸收空穴, 电 子在界面处能量增大、 能带上弯、 空穴浓度增加, 形成多数载流子堆积层, 这种情况称为表面积累。
第4章 像探测 器
4.2.2 光电发射式摄像管
1. 增强硅靶摄像管
增强硅靶摄像管简称“SIT”(Silicon Intensified Target)管, 它是在硅靶视像管的基础上发明的。 其结 构原理如图4.2 - 5所示, 它将硅靶作为二次电子增益靶 (电荷存储元件), 并增加了电子光学移像部分与光电阴 极。
(3) 光电导材料的禁带宽度为17 eV≤Eg＜2 eV。
第4章 像探测 器
2. 硅靶视像管
硅靶是由大量微小的光电二极管的阵列构成的,
其结构如图4.2 - 4所示。 极薄的N型硅片的一面经抛 光、氧化而形成一层绝缘良好的二氧化硅(SiO2)膜。
CMOS传感器
目录基本原理与应用展开CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。
CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成这几部分通常都被集成在同一块硅片上。
其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。
在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。
1963年Morrison发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS 图像传感器发展的开端。
1995年低噪声的CMOS有源像素传感器单片数字相机获得成功。
CMOS图像传感器具有以下几个优点:1)、随机窗口读取能力。
随机窗口读取操作是CMOS图像传感器在功能上优于CCD的一个方面，也称之为感兴趣区域选取。
此外，CMOS图像传感器的高集成特性使其很容易实现同时开多个跟踪窗口的功能。
2)、抗辐射能力。
总的来说，CMOS图像传感器潜在的抗辐射性能相对于CCD性能有重要增强。
3)、系统复杂程度和可靠性。
采用CMOS图像传感器可以大大地简化系统硬件结构。
4)、非破坏性数据读出方式。
5)、优化的曝光控制。
值得注意的是，由于在像元结构中集成了多个功能晶体管的原因，CMOS图像传感器也存在着若干缺点，主要是噪声和填充率两个指标。
鉴于CMOS图像传感器相对优越的性能，使得CMOS图像传感器在各个领域得到了广泛的应用。
美国高清高速CMOS图像传感器DYNAMAX-11:潘纳维申影像这颗新的传感器含有的全局电子曝光快门技术，极大地改善了工业成像在室内和室外的应用。
这颗新发布的DYNAMAX-11图像传感器适合用于机器视觉、安防监控、智能交通、生命科学、生物医疗、科学影像、高清录像、电视广播等工业成像领域。
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为τ g 则
载流子的迁移率/电极长度，衬底 杂质的浓度、温度有关
f 1
3 g
CCD的特性参数
（3）电荷贮存容量 电极下的势阱中能容纳的电荷量 时钟脉冲变化幅值
Q Cox V A
N Q / q Cox V A / q Cox 0 s A / d
SiO2层电容
CCD 的整个感光面上的象素总数：
CCD像素总数 M N m2 n2
CCD分辨率
• 数码镜头的分辨率与CCD的分辨率的匹配： 在水平方向上数码镜头对线状分辩率图案的成象， 其每个线 宽恰好占用一个象素，我们 就称在水平方向上选用的CCD 与数码镜头在分辩率上是相配的; 在垂直方向上也可同样理解 。这样定义保正了CCD 在最少象素总数下，恰好能分辩清象 的细节。
⑤按形状分类：长形、短形、方块形、半球形、单板形
CCD图象传感器的应用
•小型化黑白、彩色TV摄像机 这是面阵CCD应用最广泛的领域。
•传真通讯系统 用1024～2048像元的线阵CCD作传真机，可在不到一秒钟内完成A4开稿件的扫描。 •光学字符识别
IS代替人眼，把字符变成电信号，进行数字化，然后用计算机识别。 重庆大学1985年的CD-1型OCR机，识别率达99．9﹪。 •广播TV
CCD种类
①按成象器件分类：线阵CCD、面阵CCD 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；
②按颜色分类：黑白、彩色
黑白：信息量小，时间、空间少 彩色：信息量大，时间、空间多
③按扫描方式分类：逐行扫描、隔行扫描
逐行扫描：高速运动，避免边缘模糊
④按输出信号分类：模拟式、数字式 数字摄像机 ---- 电子快门 曝光时间: 1/50s、1/125s、1/250s、 1/500s、1/1000s、1/2000s、1/4000s、 1/8000s、1/16000s、1/32000s…
照度参考表：
天气 晴天 阴天 日出日落 月圆 星光 阴暗夜晚
照度LUX 30000~300000 3000 300 0.3~0.03 0.0002~0.00002 0.003~0.0007
室内场所 生产车间 办公室 餐厅 走廊 停车场
照度LUX 10~500 30~50 10~30 5~10 1~5
域值照度
使CCD恰好能起反应的最低光照度为CCD的域值照度，常用CCD域值照度大致=0.02～5 Lx(勒克斯)
分辨率域值与频率 明暗对比度（反衬度）：
调制度：
频率f的物象调制值： 当f是包含整个空间频率时，T（f）称之为调制传递函数，用
MTF表示。 CCD的MTF域值是：MTF=0.15 CCD可分辨的MTF空间频率是：MTF=0.15的频数。
• 通过内部时钟脉冲控制电荷包的存储时间
电荷耦合
电荷包 a1→b1→c1→a2 从t1~t4电荷传输一个电极 从t1~t6电荷传输一位 自扫描：通过时钟脉冲的驱动完成信号电荷的传输
“电荷包”的转移：靠改变不同时刻，各电极上的电压来实现。 时钟脉冲：三相，二相，四相（与CCD结构对应）
电荷耦合
• 耗尽层的耦合：当两个金属栅极彼此足够靠近时， 其间隙下表面势将由两栅极上电位决定，从而形 成两个MOS电容器下耗尽层的耦合
3
固体图像传感器的优点
• 体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，可靠，寿命长； • 扫描线性，畸变小，重复性好，适用于尺寸测量、
定位和图像传感等方面； • 光谱响应范围较广，从近紫外到近红外； • 空间分辨率高，像元间距的几何位置精确，可以获
得很高的定位与测量精度； • 与微机接口容易实现。
CCD的发明者获得2009年诺贝尔奖
CCD分辨率
是CCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度， 分辨率越高，图像细节的表现越好。
像素 --- CCD每一个元素，像素越多，图像越清晰 44万（768*576）、100万（1024*1024） 200万（1600*1200）、600万（2832*2128）
电视线 --- 简称线(TV LINES)，彩色摄像头一般330~500线， 黑白可以达到600线。电视线与CCD和镜头有关， 还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通 常规律是1MHz的频带宽度相当于清晰度为80线。 频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。
1973年，仙童公司的产品，第一块商用CCD
数码相机之父亲
柯达的塞尚先生 被尊为数码相机 之父，而1975年， 他的第一台电子 相机使用的核心 成像元件正是一 块5万像素的仙 童产CCD
70年代末，RCA对天文拍摄用CCD的研究，使 其得以因基特峰国家天文台的1米望远镜安装了 其自产的320*512像元制冷CCD而名声大造
CCD的特性参数
（2） 驱动频率
① 驱动频率的下限
下限与少数载流子的寿命有关，而少数载 流子的寿命与器件的工作温度有关，工作 温度越高，寿命越短，下限频率越高
电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t ，
少数载流子的平均寿命为τ i 则
② 驱动频率的上限
f 1
3 i
电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间
“CCD是数码相机的电子 眼,它革新了摄影术。现 在光可以被电子化记录, 取代了胶片。这一数字 形式极大地方便了对图 像的处理和发送。无论 是我们大海中深邃之地, 还是宇宙中的遥远之处, 它都能给我们带来水晶 般清晰的影像”。
1970年，Boyle(左)和Smith(右)在测试用最 初状态的CCD元件组装的简易拍摄装置。
用SSIS(Solid State Imaging Sensor固态图象传感器)代替光导摄像管。 1986年柯达公司已推出140万素的IS，尺寸7×9 mm2，比电视图象信号多4倍以上。 •工业检测与自动控制 这是IS应用量很大的一个领域，统称机器视觉应用。 ①．在钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域作零件尺寸的动态检测，产品质量、包装、形状识别、表 面缺陷或粗糙度检测。 ②．在自动控制方面，主要作计算机获取被控信息的手段。 ③．还可作机器人视觉传感器。 •可用于各种标本分析（如血细胞分析仪），眼球运动检测，X射线摄像，胃镜、肠镜摄像等。 •天文观测 ①．天文摄像观测 ②．从卫星遥感地面 如：美国用5个2048位CCD拼接成10240位长取代125mm宽侦察胶卷，作地球卫星传感器。 ③．航空遥感、卫星侦察 如：1985年欧洲空间局首次在SPOT卫星上使用大型线阵CCD扫描，地面分辨率提高到10m。
天文摄影中，使用的大型 CCD阵列，由多块不同尺寸， 不同特性的CCD成像元件组 成
天文摄影用CCD成像 设备拍摄的遥远的深 空天体
1981，索尼Mavica电子相机，数码单反的先驱
电荷耦合器件CCD
电荷存贮 位置
电荷传输 位置
表面沟道CCD 半导体与绝缘 体之间的界面
界面
体内沟道CCD 距半导体表面 一定深度体内
形成n型（反型层） “载流子反型层状态”
CCD非稳态工作
• 深耗尽：施加电压VG>Vth瞬间，空穴被排 斥（10-12s），而电子尚未产生（源于热激 发的产生-复合过程，弛豫时间T: 0.1~10s）
• t > T，势阱被热激发电子填满而形成反型 层，势阱消失
• 要求存贮有用信号电荷的时间小于热激发 电子的存贮时间。
氧化层厚度
提高时钟脉冲幅值，减小氧化层厚度
27
CCD的特性参数
（4）噪声 –散粒噪声：微观粒子无规律，信号电荷有一定不确定性 –转移噪声：转移时剩下少部分电荷 –热噪声：信号电荷注入回路及读出回路上产生 –总噪声为三者的均方根
28
CCD的光电特性
饱和照度
在低照度下，CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过一定值以后，输出有饱 和现象
CCD分辨率
设CCD 的 M=1mm， N=1mm。镜头象方分辩力=15 线对/ 毫米，现计算其象素总数如下：
d
1 2 分辨率（线对/
毫米）
1 30
0.03333(毫米
/
线对)
与该镜头相配的CCD 最小感光单元象素尺寸
m2*n2=0.03333*0.03333
CCD 象素总数=1/(0.03333)*1/(0.03333)=900 象素
CCD的光电特性
最低照度 ：
也称灵敏度，是CCD对环境光线的敏感程度（最暗光线）。 单位---勒克斯，LUX，数值越小，需要的光线越少，越灵敏。
根据照度划分，CCD又分为：
普通型
正常工作所需照度1~3LUX
月光型
正常工作所需照度0.1LUX左右
星光型
正常工作所需照度0.01LUX以下
红外型 采用红外灯照明，在没有光线的情况下也可以成像
CCD的特性参数
（1） 电荷转移效率η 和电荷转移损失率ε
电荷转移效率为
Q(0) Q(t) 1 Q(t)
Q(0)
Q(0)
电荷转移损失率为
Q(t)
Q(0)
电荷转移效率与损失率的关系为
1
电荷转移速度：在时钟脉冲较低时，损失效率为常数，频率高时， 损失率增大。 界面态俘获：解决方法－“胖零”工作模式，通过用一定数量的基 地电荷先将界面态填满，当信号电荷注入时，信号电荷被俘获的几 率变小，而界面态释放出来的电荷又可以跟上原来的电荷包。从而 在一定程度上减小了界面态带来的损失。－“0”信号时，也有基 地电荷注入。 极间势垒：解决方法：尽量减小极间距，采用高阻衬底。
• 电注入：CCD通过输入结构 对信号电压或电流进行采样，
正面照射式（透射电极，干涉效应） 然后将信号电压或电流转换 背面照射式（要求基底薄，适合红外CCD）为信号电荷。
电荷输出
输出电流Id与注入到二极管中的电荷量QS的关系 Qs=Iddt