固态成像器件原理及应用第八讲-固态图像传感器应用技术-修改
固态图像传感器
当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子 产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流 子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集 在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的 光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。 光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。
CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输 出两种。 以电压输出型为例： 有浮置扩散放大器（FDA）、 浮置栅放大器（FGA）。浮置栅放大器（FGA）应用 最广。
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D的特性参数
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D的特性参数
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D的特性参数
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第13章
固态图像传感器
CCD固态图像传感器 线阵CCD型 面阵CCD型
P1 P2 P3 P1 P3 P1 P2 P3 t=t0 P1 P2 P2 P3 t=t1 P1
P1
P2 P2
P3 P3
P1
P2 P3 t=t2
P1 P2
P3 t=t3
（4）光信号的注入
CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入 两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传 来的光信号，即采用光注入CCD。
电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。 也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明 控制电荷定转移的过程。见图
三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极 P1,P2,P3,依次 在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。 CCD 电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图 (b) 采 用电注入方式。
第13章
固态图像传感器
CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述 内部参数：描述的是CCD存储和转移信号电 荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据； 外部参数：描述的是与CCD应用有关的性能 指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移 损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、 分辨率等。
固体图像传感器
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…
《固态图像传感器》课件
C M O S 图像传感器的工作原理
1
曝光
光线通过镜头进入传感器，被转换为电荷。
2
读出
将电荷转换为电压信号，并通过AD转换器进行数字化处理。
C M O S 图像传感器的特点
1 集成度高
由于CMOS传感器采用集成电路制造技术，可集成更多的功能。
2 功耗低
CMOS传感器相较于CCD传感器功耗更低，适合移动设备和无线摄像。
CMOS
CMOS图像传感器采用集成电路制造技术，具有高集成度、低功耗和成本低等优势。
其他类型
除了CCD和CMOS，还有其他类型的固态图像传感器，如BSI、ToF等。
C C D 图像传感器的工作原理
1
暗电流
CCD图像传感器在暗环境下会产生一定的
曝光
2
暗电流，需要进行去噪处理。பைடு நூலகம்
光线通过镜头进入传感器，被转换为电
3 成本低
CMOS传感器的制造成本相对较低，能够为消费者提供更实惠的选择。
小结
C C D 和C M O S 图像传感器的区别
CCD具有低噪声和大动态范围，而CMOS集成度 高且功耗低。
应用领域
CCD适用于高要求的摄影和工业应用，CMOS广 泛用于手机、摄像头等消费电子产品。
《固态图像传感器》PPT 课件
本课程将介绍固态图像传感器的原理、类型和特点，以及CCD和CMOS图像传 感器的区别和应用领域。
什么是固态图像传感器？
固态图像传感器是一种用于将光信号转换为电信号的装置。它具有高感光度、 快速响应和准确捕捉细节等特点。
固态图像传感器的类型
CCD
CCD图像传感器通过光电转换实现图像捕捉，具有低噪声、高动态范围和全局快门等特点。
固态图像传感器的作用及实际应用
固态图像传感器的作用及实际应用
刘云仙
【期刊名称】《云南科技管理》
【年(卷),期】2011(24)3
【摘要】图像传感器是利用光电器件的光-电转换功能,将其感光面上的光像转为与光像比例关系的电信号"图像"的一种功能器件.光导摄像管就是一种图像传感器,而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位与移位寄存器构成的集气化,功能化的光电器.光敏单元简称为"像素"或"像点",它们本身在空间上,电器上是彼此独立的.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.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.
【总页数】3页(P72-74)
【作者】刘云仙
【作者单位】昆明市五华区新闻中心,云南,昆明,650021
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.9
【相关文献】
1.固态图像传感器及其应用研究
2.线型CCD固态图像传感器
3.光固态图像传感器在空情探测中的应用
4.针对固态指纹传感器的图像质量评估方法
5.浅谈固态图像传感器的应用前景
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固体成像器件成像原理
固体成像器件成像原理固体成像器件（Solid-state imaging devices）是一种用于光学成像的器件，常见的例子是CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器。
它们广泛应用于数码相机、摄像机、手机摄像头、微控制器等各种成像设备中。
首先，光电转换是指光信号的转换为电信号的过程。
当光照射到固体成像器件表面时，光子会激发器件中的电子，使其跃迁到导带能级上，形成载流体。
绝大部分固体成像器件使用半导体材料作为光电转换材料，其中CCD使用的是硅材料，CMOS传感器则使用的是互补金属氧化物半导体。
当光照强度越大时，激发的电子数目就越多，形成的电荷量也就越大。
在信号读出完成后，固体成像器件会将电荷信号转换为电压信号并进行放大。
在CCD传感器中，电荷通过电荷耦合器件的串行传输结构进行传递，然后通过放大电路进行放大。
而在CMOS传感器中，每个像素都有自己的放大电路，电荷经过感光器件转换为电流信号，再通过放大电路转换为电压信号进行输出。
固体成像器件的成像质量受到颗粒度、量子效率、动态范围等因素的影响。
颗粒度是指图像分辨率，也就是器件的像素数量。
量子效率是指每个像素对光的敏感程度，即光电转换效率。
动态范围是指器件能够处理的最大和最小信号差距。
在实际应用中，固体成像器件还会受到暗电流、暗噪声、像素非均匀性、幅值非线性和读出速度等因素的影响。
暗电流是指没有光照射时器件本身自带的电子产生的电流。
暗噪声是指没有光照射时由于热激励导致的电子和缺陷态的产生的电荷噪声。
像素非均匀性是指不同像素对光的响应程度不均匀。
幅值非线性是指光信号与输出电压之间的关系不是线性的。
读出速度是指将信号读出并进行处理的速度，对于高速成像来说，读出速度尤为重要。
总而言之，固体成像器件使用光电转换和信号读出两个过程进行图像成像。
通过调整材料、器件结构和电路设计等方面的参数，可以改善成像质量，并满足不同应用领域对成像器件的要求。
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。
固态传感器的工作原理
固态传感器的工作原理
固态传感器是一种用于检测物理量并将其转换为电信号的设备。
它们在许多应用中被广泛使用，例如汽车行业中的压力传感器和温度传感器，医疗行业中的血糖传感器，以及工业自动化中的位移传感器等。
固态传感器相对于传统的机械传感器更加稳定和可靠，因为它们没有运动部件，所以寿命更长且更容易维护。
基本上可以分为两种类型：电容型和电阻型。
1. 电容型传感器
电容型传感器通过监测物体与传感器之间的电容变化来检测物理量。
当物体接近传感器时，物体会改变传感器的电场分布，从而改变传感器的电容。
传感器将这种变化转换为电信号，进而可以测量物体与传感器之间的距离或其他物理量。
电容型传感器的一个常见应用是接近传感器。
当目标物体接近传感器时，电容会发生较大的变化，传感器可以检测到这种变化并输出信号。
这种原理也被用于触摸屏，当手指接近屏幕时会改变屏幕的电容，从而实现触摸的功能。
2. 电阻型传感器
电阻型传感器通过监测物体与传感器之间的电阻变化来检测物理量。
当物体接近传感器时，电阻会发生变化，传感器可以测量并转换这种变化为电信号。
电阻型传感器的一个常见应用是压力传感器。
当压力施加在传感器上时，传感器的电阻会发生变化，从而可以测量压力的大小。
另一个常见应用是温度传感器，当温度变化时，传感器的电阻也会发生变化，从而可以测量温度。
总的来说，固态传感器的工作原理是通过测量物体与传感器之间的电容或电阻变
化来检测物理量。
这种原理使得固态传感器具有稳定性高、寿命长、精度高等优点，因此在各行各业都得到了广泛的应用。
固态图像传感器
❖ CCD（Charge-coupled Device）
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。 CCD上有许多排列整齐的电容，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。
实例分析
以数码相机为例分解CCD，基本结构为三层 ：
❖ 第一层是“微型镜头” ❖ 第二层是“分色滤色片”
CCD Camera
Filters
Lens
❖ 第三层“感光层”
UV/UwVh/iwtehiteepeipi illumilliunmatiino像的关键是在于其感光层，为了 扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受 光面积。但是提高采光率的办法也容易使画 质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光 层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因 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。
•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动力学范围
-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
CCD像素合并
像素合并（Binning） -将相临的像素所堆积的电荷
• 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
固态图像传感器
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输出栅下的势阱
反向偏置二极管产源自ID使得A点的电位变化，反应注入到二极管电荷量的大小
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CCD摄像原理
光束通过电极或电极之间进 入半导体，所激发的光电子
数与光的强度和积分时间的
长短有关。于是光强分布图
就变成了CCD势阱中光子电
荷量分布图。
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CCD摄像器件的应用
CCD摄像器件具有体积小，重量轻，功耗小，工作电压低 和抗烧毁等优点，且具有分辨率，灵敏度，动态范围，实 时传输等优越性，其在民用和军用领域都发挥着重要作用。
固态图像传感器 （CCD光电耦器件)
CCD是一个具有光电转换、信息存储，延时 和将电信号按顺序传送的传感器。
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CCD光电耦器件在军事领域的应用： 卫星侦查，导弹制导，潜水艇潜望镜水平扫描摄像机
。
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信号电荷的存贮 CCD基本工作原理
信号电荷的传输
信号电荷的检测
基本功能：电荷的存贮和转移 特点：以电荷作为信号
度成正比。
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二、信号电荷的传输
势阱产生 势阱合并 电荷转移 移 势阱及电荷转移一个位置
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电荷共有
电荷转
三、信号电荷的检测（输出方式）
以电流输出方式为例 由检测二极管（n+区）、
二极管偏置电阻、源级输出
放大器和复位场效应管构成。
CR2下的势阱 生电流 ID Qs =IDdt
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一、信号电荷的存贮
当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅 区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很 低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作 用下产生电子—空穴对， 空穴被电场作用排斥出 耗尽区，而电子被附近 势阱（俘获），此时势 阱内吸的光子数与光强
图像传感器的原理及应用
图像传感器的原理及应用1. 引言图像传感器是现代电子设备中广泛应用的一种核心技术，它能将光信号转换为电信号，实现图像的采集和传输。
本文将介绍图像传感器的工作原理，并探讨其在各个应用领域中的具体应用。
2. 图像传感器的工作原理图像传感器是利用半导体材料中的光电效应来实现的。
通常使用硅(Si)或镓化物(GaAs)作为图像传感器的主要材料。
其工作原理可以分为以下几个步骤：2.1 光信号的捕捉图像传感器通过感光元件，例如光敏二极管或光电二极管，捕捉光信号。
当光线照射到感光元件上时，光信号的能量将转化为电荷。
2.2 电荷的转换捕捉到的光信号被转化为电荷，并积累在感光元件中。
电荷的积累量与光信号的强度成正比。
2.3 电荷的读取电荷被读取并转化为电压信号。
读取时，感光元件根据光信号的强弱，将转换后的电荷转换为相应的电压。
2.4 电压信号的处理电压信号通过电路进行放大、滤波和处理，最终转换为数字图像信号。
这些数字信号可以通过各种接口传输给其他设备进行后续处理或显示。
3. 图像传感器的应用3.1 摄像头摄像头是最常见的图像传感器应用之一。
它广泛应用于手机、数码相机、监控系统等设备中。
摄像头可以捕捉图像，利用图像传感器将图像转换为电信号，然后通过处理和编码，最终显示在屏幕上。
3.2 工业检测图像传感器在工业领域的应用也越来越广泛。
它可以用于检测产品的尺寸、颜色、缺陷等信息。
通过图像传感器的应用，可以实现自动化的生产和质量控制，提高生产效率和产品质量。
3.3 医学影像在医学领域，图像传感器被用于拍摄和显示医学影像，例如X光、CT扫描、MRI等。
医学影像可以帮助医生做出正确的诊断，图像传感器的高分辨率和灵敏度对于精确捕捉疾病细节非常重要。
3.4 自动驾驶自动驾驶是近年来图像传感器应用的热门领域。
通过图像传感器的识别和处理，汽车可以感知道周围的道路、车辆和障碍物，实现自动驾驶。
图像传感器对于实现安全性和准确性非常重要。
3.5 虚拟现实和增强现实图像传感器也被用于虚拟现实和增强现实技术中。
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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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。
图像传感器的原理与应用
图像传感器的原理与应用1. 概述图像传感器是一种能将光信号转换为电信号的器件，广泛应用于数码相机、手机摄像头等设备中。
本文将介绍图像传感器的原理和应用。
2. 原理2.1 光电效应光电效应是图像传感器的基础原理，它描述了光子与物质之间的相互作用。
当光子照射到物质表面时，会导致物质上电子的运动。
图像传感器利用这个原理来将光信号转换为电信号。
2.2 光敏元件图像传感器中常用的光敏元件包括CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）和CCD（Charge-Coupled Device）。
它们都是通过光电效应将光信号转换为电荷信号。
2.3 像素阵列图像传感器的基本单元是像素（Pixel）。
像素阵列由大量的像素组成，每个像素都对应着图像中的一个小区域。
每个像素可以将光信号转换为电信号，并输出给后续的信号处理电路。
3. 应用3.1 数码相机图像传感器在数码相机中起着关键的作用。
当光线通过镜头进入相机时，会先经过图像传感器。
传感器将光信号转换为电信号，并经过后续的处理和编码，最终生成图像文件。
3.2 手机摄像头现代手机都配备了摄像头，用于拍照和录像。
摄像头中的图像传感器负责将光信号转换为电信号，并通过手机的处理器进行图像处理和编码。
3.3 工业检测图像传感器广泛应用于工业检测领域。
例如，自动光学检测系统利用图像传感器获取样品的图像，并通过图像处理算法进行缺陷检测和分类。
3.4 安防监控安防监控系统中也使用了图像传感器。
摄像头通过图像传感器获取监控区域的图像，并将其传输到监控中心进行实时监控和录像。
3.5 医学影像医学影像设备如X光机、CT扫描仪等都使用了图像传感器。
传感器通过记录人体内部的光信号，生成医学影像，提供给医生进行诊断。
4. 总结图像传感器是一种将光信号转换为电信号的器件，通过光电效应实现。
它在数码相机、手机摄像头、工业检测、安防监控和医学影像等领域有广泛的应用。
第八章 固体成像器件成像原理3
为了获取CCD成像系统的增益，可以使用一种在CCD 相机性能评价中广泛使用的光子传递曲线方法。 光子传递曲 线：横坐标 为信号的对 数；纵坐标 为系统噪声 的对数。
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CCD成像系统的光子传递曲线
Photon Transfer Curve
一个 CCD成 像系统 光子传 递曲线 测量实 例
S E gSC
11
N E gNC
CCD成像系统的增益
总噪声NE2由读出噪声、霰粒噪声和响应非均匀性 等其它噪声构成。
N
2 E
2 RE
2 C
2 SE
2 OE
g
2
2 RC
gSC g
2
2 OC
1 2 2 N SC ( RC OC ) g
CCD成像系统的增益表示从片上放大器开始一 直到AD转换器为止信号链路的增益的倒数。
9
CCD成像系统的增益
Apogee公司出售相机的数据单(部分)
10
www.hfut.ຫໍສະໝຸດ
CCD成像系统的增益
SC：以数字为单位表示的 CCD 信号； SE ：以电子为单位表示的 CCD收集的电荷信号，未知； NC：CCD 图像中以数字为单位计量的总噪声； NE： 以电子为单位计量的总噪声，未知； g： 增益，单位为e-/ADU,该值待计算； RE ： 以电子为单位计量的CCD 读出噪声，未知； SE ：在总噪声 NE 中的霰粒噪声 o ：图像中的其它噪声。
g 1/ a
14
RC b
CCD成像系统的增益
线性方程为： y = 0.336x+40 增益为： g＝1/0.336 =2.98 e-/ADU 读出噪声为：
《固态图像传感器》PPT课件
§11.4 图像传感器的应用 用三角法测量工件轮廓尺寸测量
§11.4 图像传感器的应用 采用面阵式CCD摄像机利用投影法测量物体三维表面形貌。
投影法测量物体三维形貌
§11.4 图像传感器的应用
用莫尔条纹法来测量物体的三维形貌。
0
200
400
600
800 波长(1n00m0 )
通常造成QE下降的主要原因是CCD结构中的多晶硅电极或绝缘层 把光子吸收了，尤其是对紫外部分的光吸收较多，这部分光子不产生 光生电荷．许多线阵CCD对紫外光的响应较差就是这个原因。采用化 学蚀刻将硅片减薄和背部照射方式，可以减少由吸收导致的量子效率 损失。背部照射减薄的CCD在真空紫外区的工作极限可达1000Å 。
§11.3 CCD的基本特性参数
暗电流
CCD在低温工作时，暗电流非常低，暗电流是由热生电荷载流子引起的，冷 却会使热生电荷的生成速率大为降低．但是CCD的冷却温度不能太低，因为光生 电荷从各检测元迁移到放大器的输出节点的能力随温度的下降而降低．制冷到 150K的CCD暗电流小于0.001个电子/检测元/秒。
§11.3 CCD的基本特性参数
电荷转移效率(CTE)
CCD以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就 成为其最重要的性能之一。把一次转移之后，到达下 一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷 转移效率。好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般 可达0.999995，所以电荷在多次转移过程中的损失可 以忽略不计。例如，一个有2048像元的CCD，其信号 电荷的总的电荷转移效率为0.9999952048，即0.9898， 损失率只有约0.1%。
CCD用于图像记录
§11.4 图像传感器的应用
数码相机的外形
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
CCD的应用(CCD固态图像传感器)
CCD的应用（CCD固态图像传感器）电荷耦合器件用于固态图像传感器中, 作为摄像或像敏的器件。
CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。
感光部分是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元组成的阵列元件, 光敏单元简称“像素”。
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, 然后利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”转送, 经输出放大器输出。
根据光敏元件排列形式的不同, CCD固态图像传感器可分为线型和面型两种。
（1）线型CCD图像传感器线型CCD图像传感器结构如图8 - 21 所示。
光敏元件作为光敏像素位于传感器中央, 两侧设置CCD移位寄存器, 在它们之间设有转移控制栅。
在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极, 在光积分周期里, 光敏电极电压为高电平,光电荷与光照强度和光积分时间成正比, 光电荷存储于光敏像敏单元的势阱中。
当转移脉冲到来时, 光敏单元按其所处位置的奇偶性, 分别把信号电荷向两侧移位寄存器转送。
同时, 在CCD移位寄存器上加上时钟脉冲, 将信号电荷从CCD中转移, 由输出端一行行地输出。
线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息, 不能直接将二维图像转变为视频信号输出, 为了得到整个二维图像的视频信号, 就必须用扫描的方法来实现。
线型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。
（2）面型CCD图像传感器按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列, 即可以构成面型CCD图像传感器。
面型CCD图像传感器有三种基本类型: 线转移、帧转移和隔列转移, 如图8 - 22 所示。
图8 - 22（a）为线转移面型CCD的结构图。
它由行扫描发生器、感光区和输出寄存器组成。
行扫描发生器将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上, 驱动脉冲将信号电荷一位位地按箭头方向转移, 并移入输出寄存器, 输出寄存器亦在驱动脉冲的作用下使信号电荷经输出端输出。
《固态传感器 》PPT课件
• 产生这一现象的原因有:
① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；
② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不 均匀；
两电极电不在同一等电位面上
a
等电位面歪斜
17
理想情况下, r1=r2=r3=r4, U0＝0
a
18
补偿网络
a
19
3．寄生直流电势 由于霍尔元件的电极不可能做到完全的欧姆接触，在控制电
寄生直流电势很容易使输出产生漂移，为了减少其影响，在
元件的制作和安装时，应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件 的散热条件。
a
20
4．感应电势 霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电流，由于
霍尔电势的引线布局不合理，在输出回路中也会产生附加感应 电势，其大小不仅正比于磁场的变化频率和磁感应强度的幅值， 并与霍尔电势极引线所构成的感应面积成正比(如下图所示)。
形系状如系右数图所fH(示L/。b)由与图长可宽知比，L/当b之L／间b的＞关2
时，形状系数接近1。因此为了提高元
件的灵敏度，可适当增大L／b值，但是
实际设计时取L／b＝2已经足够了，因
为L／b过大反而使输入功耗增加了，以
致降低元件的效率。
a
16
2、不等位电势补偿
• •
当霍尔元件B=0，I≠0，UH=U0≠0。 这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。
1、外光电效应
在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外
发射的现象称为外光电效应。
向外发射的电子叫做光电子。
外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始
照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管
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USB2 480MB/Sec Master-Slave 127 5m with no Hub On Board USB2 PCI Card
Point to Point Point to Point LAN (multiple) No Limit (LAN) 100m with no Hub On Board GigE PCI Card 1 10m PCI Frame Grabber
2015年4月28日 第39页
相机选型主要考虑参数
基本参数： 特殊参数：
- 分辨率 - 增益 - 速度 - Binning - 转移效率与损耗率 - 抗光晕 - 暗电流 - 外触发 - 光谱响应 - 动态范围 - 灵敏度 - A/D转换位数 - 满阱电荷容量 主要相机生产厂家：DALSA、JAI&PULNIX、 - 填充系数 - 输出接口 Cognex、Balser、Atmel， Admec， Kodak， -体积 IMPERX、Mikrotron、DTA、Sentech等 -重量
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相机分类
Sensor
Page trigger
Encoder
Line trigger
A，线阵，靶面为单线CCD芯片，我们称其为线扫描相机。线扫描相机 的特点是采用较低的成本，实现高分辨率和高速采集处理。广泛应用于 工业机器视觉；如线路板的检测，高精度文件扫描，纸张，玻璃，印刷 品在线检测。
2015年4月28日
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相机分类
Trigger
Proximity sensor
B，面阵，靶面为面阵芯片，几乎所有CCD相机的制造商，都在生产此类相机。 Jai/Pulnix, Sony,Adimec等公司生产的全线产品都是此类型的。Dalsa公司 生产的产品1/3左右属于此类。 面阵相机是工业机器视觉和科研应用最广泛的相机。
2015年4月28日
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相机选型主要考虑参数
• 影响图像系统性能的参数：
• • • • • Resolution（分辨率）：是位图 图像中细节的精细度。 Contrast（对比度）：影像中物 体和背景的平均亮度之比较(对比 强烈与否)。 Depth of Field（DOF，景深）： 物体能看清楚的最近和最远的相 差距离，有时称为焦距深度。 Distortion（畸变）：影像在镜头 成像过程中，在不同点位置造成 差异的光学误差。 Perspective Errors（视差）：这 是传统镜头在不同距离会有放大 倍率改变的现象，较近物体比较 远物体产生较大投射误差。
2015年4月28日
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2015年4月28日
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相机接口
GigE Band Width Connection Max Number Of Connection Maximum Cable Length 1,000MB/Sec CameraLink 2,380MB/Sec (Base) IEEE1394b 800MB/Sec Peer to Peer 63 4.5m with no Hub On Board IEEE PCI Card
2015年4月28日
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OV7620工作时序图
OV7620的主要时序图
2015年4月28日 第4页
OV7620数字相机原理框图
控制
逻辑控制
I2C总线 行场同步
Imaging Array CMOS APS OV7620
Data[0..7]
计算机
USB 接口
单片机 8515
像素时钟
地址及读写控制
DATA[0..7]
2015年4月28日
第7页
本讲主要内容
• 固态成像技术的应用领域 • 典型成像系统原理分析
2015年4月28日
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固态成像技术的应用
• 检测和识别技术领域，图像获取、处理和存储
– – – – – – – – – 有无判断 面积检测 方向检测 位置检测 角度检测 尺寸检测 文字识别 光谱检测 表面检测
2015年4月28日
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半导体元件检测
IC成品检验 IC管脚成型检测 Wafer的精密检测
2015年4月28日 第34页
机器视觉系统结构
机 器 （Machine)
+
视 觉 （Vision)
机械
运动
控制
视(硬件)
觉(软件)
包括光源、镜头、相机、图 像采集卡等。
机器视觉是一个系统的概念，运用现代先进的光电传感技术、控制技术、 计算机技术及数字图像处理技术，表现为光机电算等技术的结合。
2/3” format Type 2/3 11 mm
1/2” format Type 1/2 8 mm
1/3” format Type 1/3 6 mm
Image size
12.8 mm
2015年4月28日
8.8 mm
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6.4 mm
4.4 mm
Lens Mount C -mount and CS-mount
2015年4月28日
第48页
系统选型时考虑的主要因素
• 系统评估及选型：精度、速度、可靠性 • 精度：为什么要达到这么高的精度？高精度意味着高代价。 系统的误差分配，系统精度、机台精度、控制传感精度， 视觉部分的精度（分辨率、图像质量、安装精度、镜头、 标定方法、算法等） • 速度：总指标、控制部分、通信速度、采集速度（硬件）、 处理速度（计算机硬件、软件算法、图像质量等） • 可靠性：硬件的可靠性、软件算法的可靠性及稳定性、系 统设计的可靠性等
（1）按芯片类型：CCD，CMOS （2）按靶面类型：1/5″，1/4 ″，1/3 ″，1/2 ″，1 ″ （3）按相机（芯片）的工作方式分：线阵式、面阵式 （4）按照芯片的受光方式：前照式、背光式 （5）输出模式：1394，USB，以太网， Camera Link，PC Dig接口
2015年4月28日
2015年4月28日
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二値化
一般照明
2015年4月28日
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2015年4月28日
第19页
2015年4月28日
第20页
2015年4月28日
第21页
凸出部分
凹入部分
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航空测绘
-从空中或从空间对地观测是航空和航天遥感的一个非常重要的领域。航空和 航天对地观测按其用途分可分为两大类：一类是摄影侦察，一类是摄影测量 。 - 主要用于航空测绘,国土资源勘查、灾害预警、军事侦察、无人机等领域
The most common lens for CCTV cameras are of the C-mount or CS-mount type. Lens thread The standard is from old 16 mm film cameras. The lens thread and the distance from the lens reference flange to the image plane is standard. The lens thread is 1-32 UN-2A. Focal Diameter is 1 inch. plane Thread pitch is 32/inch. 600 . Tolerance 2A The flange back distance in air is 17.526 mm Lens flange for C-mount. For CS-mount it is 12.526 mm. Glass filters or prism between lens and focal Flange back distance plane will increase the distance. The thread length is for some cameras C-mount 17.526 mm specified to be shorter than 4 mm. CS-mount 12.526 mm With a 5 mm adapter ring, a CS lens can be used on a C-mount camera.
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第9页
固态成像技术的应用
2015年4月28日
第10页
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第11页
同軸光
2015年4月28日
第12页
彩色保険絲
2015年4月28日
第13页
电子与半导体行业的应用
2015年4月28日
第14页
二値化
2015年4月28日 第15页
2015年4月28日
第16页
2015年4月28日
第45页
+
Red MCEP-CR8
+
Green Blue MCEP-CG8 2015年4月28日MCEP-CB8 第46页 Designed Color
颜 色
紅
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藍
第47页
緑
镜头
镜头类型：标准、远心、广角、近摄、 远摄等
选择依据：相机接口/物距/拍摄范围 /CCD尺寸/畸变的允许范围/放大率/焦距/光 圈等。
2015年4月28日 第28页
工厂自动化
2015年4月28日
第29页
工厂自动化
2015年4月28日
第30页
工厂自动化
2015年4月28日
第31页
工厂自动化
2015年4月28日
第32页
医学成像
• • • • • • • • • 移动式X-ray机 数字胃肠机/血管机 大面阵DR 计算机X线断层造影(CT) 核磁共振成像（MRI） 超声 内窥镜应用 医疗显微镜 牙科应用
2015年4月28日