图像传感器PPT演示文稿
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CCD图像传感器 ppt课件
通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以 实现光电荷在相邻势阱间的转移。
ppt课件
20
(a)初始状态； (b)电荷由①电极向电极②转移； (c)电荷在①②电极下均匀分 布；(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②电极； (f)三相 转移脉冲
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21
图中CCD的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在 偏压为10V的(1)电极下面的深势阱中，其他电极 加有大于阈值的较低的电压(例如2V)，如图(a)所 示。一定时刻后，(2)电极由2V变为10V，其余电 极保持不变，如图(b)。因为(1)和(2)电极靠的很 近(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合 并在一起，原来在(1)下的电荷变为(1)和(2)两个 电极共有，图(C)示。此后，改变(1)电极上10V电 压为2 V，(2)电极上10V不变，如图(d)示，电荷 将转移到(2)电极下的势阱中。由此实现了深势阱 及电荷包向右转移了一个位置。
输出 4电荷检测
CCD传感器
24
CCD结构类型
按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵 和面阵两大类。
ppt课件
25
目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如 图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转 移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作 用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就 形成了原来光敏信号电荷的顺序。
ppt课件
15
信号电荷的存储（示意图）
UG < Uth 时
+UG
UG > Uth 时
+UG
入射光
e-
e-
e-
e-
e-
+Uth
e- 势阱
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(a)初始状态； (b)电荷由①电极向电极②转移； (c)电荷在①②电极下均匀分 布；(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②电极； (f)三相 转移脉冲
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图中CCD的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在 偏压为10V的(1)电极下面的深势阱中，其他电极 加有大于阈值的较低的电压(例如2V)，如图(a)所 示。一定时刻后，(2)电极由2V变为10V，其余电 极保持不变，如图(b)。因为(1)和(2)电极靠的很 近(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合 并在一起，原来在(1)下的电荷变为(1)和(2)两个 电极共有，图(C)示。此后，改变(1)电极上10V电 压为2 V，(2)电极上10V不变，如图(d)示，电荷 将转移到(2)电极下的势阱中。由此实现了深势阱 及电荷包向右转移了一个位置。
输出 4电荷检测
CCD传感器
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CCD结构类型
按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵 和面阵两大类。
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目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如 图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转 移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作 用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就 形成了原来光敏信号电荷的顺序。
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信号电荷的存储（示意图）
UG < Uth 时
+UG
UG > Uth 时
+UG
入射光
e-
e-
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e-
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+Uth
e- 势阱
《图像传感器》PPT课件
市场
• 在高分辨率像素产品方面，日前台湾锐视 科技已领先业界批量推出了210万像素的 CMOS图像传感器，而且已有美商与台湾 的光学镜头厂合作，将在第三季推出此款 CMOS传感器结合镜头的模组，CMOS应 用已经开始在200万像素数码相机产品中应 用。
结论
• 从产品的技术发展趋势看，无论是CCD还是 CMOS，其体积小型化及高像素化仍是业界积极 研发的目标。因为像素大则图像产品的分辨率越 高，清晰度越好，体积越小，其应用面更广泛。 • 从上述二种图像传感器解析度来看，未来将有 几年时间，以130万像素至200万像素为界，之上 的应用领域中，将仍以CCD主流，之下的产品中， 将开始以CMOS传感器为主流。目前已有300、 400万像素的CMOS上市。
CCD
• CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件， CMOS则应用于较低影像品质的产品中。 • 它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多， 这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电 源且价格便宜的原因。 • 尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两 者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源 的要求要高一些，但现在该问题已经基本得到解 决。目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英 寸。 • 在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。
传统CCD
• 传统CCD使用的是矩形的感光单元，而富 士公司2年前研制的“SuperCCD（超级蜂 窝结构）使用的是八边形的感光单元，使 用了蜂巢的八边形结构，因此其感光单元 面积要高于传统CCD。这样会获得三个好 处，一是可以提高CCD的感光度、二是提 高动态范围、三是提高了信噪比。这三个 优点加上SuperCCD更高的生成像素成为富 士公司在数码相机产品上的最大卖点。
CCD应用范围
CMOS图像传感器剖析实用PPT课件
小节
3.1 概述 3.2 CMOS成像器件的原理结构 3.3 CMOS成像器件的工作流程
第17页/共19页
作业
➢CMOS图像传感器能够像线阵CCD那样只输出一行的信号 吗？若能，试说明怎样实现。 ➢何谓被动像敏单元结构与主动像敏单元结构？二者有什 么异同？主动像敏单元结构是如何克服被动像敏单元结构 的缺陷的？
第18页/共19页
感谢您的欣赏！
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和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个 像敏单元都有它在X，Y各方向上的地 址，并可分别由两个方向的地址译码器 进行选择；输出信号送A/D转换器进行 模数转换变成数字信号输出。
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3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.1 CMOS成像器件的组成
图像信号的输出过程：
➢在Y方向地址译码器（可以采用移位寄存器） 的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模 拟开关（图中标志的Si,j），信号将通过行开 关传送到列线上； ➢通过X方向地址译码器（可以采用移位寄存 器）的控制，输送到放大器。 由于信号经行与列开关输出，因此，可以实 现逐行扫描或隔行扫描的输出方式。也可以 只输出某一行或某一列的信号。
3.1 概述
CMOS图像传感器出现于1969年,它是一种用传统的芯 片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数 字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像 传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和 价格低廉，有着广泛的应用前景。
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3.2 CMOS成像器件的原理结 构
第4页/共19页
3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.1 CMOS成像器件的组成
注意：在CMOS图像传感器的同 一芯片中，还可以设置其他数 字处理电路。例如，可以进行 自动曝光处理、非均匀性补偿、
cmos图像传感器ppt课件可编辑全文
数码相机传感器尺寸
单反相机一般采用的是大尺寸的APS-C画幅感光元 件，而有些卡片相机采用的是1/2.3英寸感光元件，虽 然它们可能都拥1800万像素，但是区别在于二者的单 个像素宽度不同。APS-C画幅、1800万像素感光元件 的每一个像素宽约为4.3微米，而1/2.3英寸、1800万像 素感光元件的每一个像素宽约有1.68微米。
6.6
11.00
1/1.7英寸 7.76
5.82
9.70
1/2.3英寸 6.16
4.62
7.70
1/3.2英寸 4.13
3.05
5.13
面积 864.00 518.94 372.88 332.27 261.80 224.90 116.16 58.08 45.16 28.46 12.60
数码相机的像素:
尾端各有3个像元为虚设单元。
图9.SXGA型图像传感器的像敏区结构
六、典型CMOS图像传感器
SXGA型CMOS成像器件的光谱特性如图10所示。
图10.SXGA型图像传感器的光谱响应特性曲线
六、典型CMOS图像传感器
SXGA型CMOS成像器件的输出特 性如图11所示。曲线的线性段的动 态范围仅为66dB。若采用对数放大
图5.主动式像敏单元结构的基本电路
图6.主动式像敏单元时序图
三、CMOS图像传感器的像敏单元结构
主动式像素结构（Active Pixel Sensor.简称APS）， 又叫有源式， 几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时，人 们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素 的性能，在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集 成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降 低了“封装密度”，使40%～50%的入射光被反射。这种传 感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间 有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声 较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读 出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的 还小。
ccd图像传感器基础知识精讲【可编辑的PPT文档】
★LK-G系列CCD激光位移传感器
❖ 产品特性
全新开发的Li-CCD （直线性CCD）高精度 Ernostar 物镜以及其它独一无二的先进技术。 KEYENCE 进一步改进了成熟的LK系列的CCD传感 器工艺并开发了包括Li-CCD 和高精度Ernostar 物 镜在内的全新技术。
如图所示
Li-CCD减少了像素边缘错误，精确度是传统型号
ＣＣＤ传感器有以下优点：
❖ 1. 高解析度（High Resolution）：像点的大小为 μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从 早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸， 像素数目从初期的10多万增加到现在的400～500万 像素；
❖ 2. 低杂讯（Low Noise）高敏感度：ＣＣＤ具有很 低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比 （SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光 也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使ＣＣＤ的应用 较不受天候拘束；
IL-PI4096具体应用
❖ IL-P1-4096的精度高、感光响应快，在工业控制 和测量领域（如流水线产品检测、分类，文字与图 像的识别，机械产品尺寸非接触测量等），该器件 具有很强的实用性。
❖ IL-PI4096的工作频率要求很高、相位关系复杂， 使用高速CPLD作为CCD的基本时序发生器。推荐 设计时可使用Lattic公司的 ispMACH4000C/B/V系 列芯片，该芯片的工作时钟可以达到400MHz，完 全可以满足此CCD的工作时序要求。
需要注意的是，IL -P1-4096传感器是两路输出， 奇像素和偶像素分别从不同的输出通道输出，是一 种双排的线列阵CCD，光敏单元在中间，奇、偶单 元的信号电荷分别传到上下两列移位寄存器后分两 路串行输出。这种CCD的优点是具有较高的封装密 度，转移次数减少一半，因而可提高转移效率，改 善图像传感器的信号质量。
图像传感器PPT演示文稿
滤光片 透镜 固态图像 传感器
放大
比较
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光源（钨丝灯泡即可） 图 9.37 工件微小伤痕及污垢检测
图8.16 尺寸微小伤痕及污垢检测
11
8.4 图像传感器
3. 月票自动发售机
顾客
申请单
CCD线
放
镜头
型图像
大
传感器
器
光源
纸
自动 誉写机
打
印
月
票
机
图 9.38 月票自动发售机结构组成
图8.17 月票自动发售机结构组成
8.4 图像传感器
图像传感器是20世纪70年代发展起来的一 种新型器件，它是利用光电器件的光电转换原 理，将其感光面上的光像转换成为与光像成相 应比例关系的电信号“图像”的一种器件。图 像传感器具有体积小、重量轻、析像度高、功 耗低和低电压驱动等优点，可探测可见光、紫 外光、x射线、红外光和电子轰击等，广泛应 用于图像识别和传送。本节着重介绍CCD 图像 传感器。
8
8.4 图像传感器
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阵和面阵两种。
线阵是指在一块芯片上制造了紧密排列的 许多光敏元，它们排列成一条直线，感受一维 方向的光强变化；
面阵是指将光敏元件数目从256个到4096 个或更多；而在面阵中，光敏元的数目可以是 600 ×500（个），甚至4096 ×4096个以上。
1
8.4 图像传感器
8.4.1 图像传感器的敏感元件 图像传感器的敏感元件有CCD（信号
电荷耦合器件）、CID（信号电荷器件）、 BBD（戽链式器件）以及MOS（金属— 氧化物—半导体）等 。
2
8.4 图像传感器
图像传感器ppt课件
3、读出。在曝光完成后，RS会被 激活，PN结中的信号经过运放SF 放大后，读出到column bus。 4、循环。读出信号后，重新复位， 曝光，读出不断的输出图像信号。
图2.6 PN结像素结构
10
为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
6.cmos传感器的动态范围
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2.2 CMOS传感器的像素结构
❖ 由于PPD像素结构在暗电流和噪声方面的优异表现，近 年来市面上的CMOS传感器都是以PPD结构为主。但是 ，PPD结构有4个晶体管，有的设计甚至有5个，这大大 降低了像素的填充因子（即感光区占整个像素面积的比 值），这会影响传感器的光电转换效率，进而影响传感 器的噪声表现。
图2.7 PPD像素结构
对于PPD，右边部分电路只是信号读出电路。读出电路与光电转换结 构通过TX完全隔开，这样可以将光感区的设计和读出电路完全隔离开 ，有利于各种信号处理电路的引入（如CDS，DDS等）。另外，PPD 感光区的设计采用的是p-n-p结构，减小了暗电流
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为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
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为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
2.2 CMOS传感器的像素结构
passivel Pixel噪声较大有2 个主要原因：
1、相对读出电路上的寄生电 容，PN结的电容相对较小。 代表其信号的电压差相对较小， 这导致其对电路噪声很敏感。 2、如图2.5(b)，PN结的信号， 先经过读出电路，才进行放大。 这种情况，注入到读出信号的 噪声会随着信号一起放大。
图2.6 PN结像素结构
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6.cmos传感器的动态范围
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2.2 CMOS传感器的像素结构
❖ 由于PPD像素结构在暗电流和噪声方面的优异表现，近 年来市面上的CMOS传感器都是以PPD结构为主。但是 ，PPD结构有4个晶体管，有的设计甚至有5个，这大大 降低了像素的填充因子（即感光区占整个像素面积的比 值），这会影响传感器的光电转换效率，进而影响传感 器的噪声表现。
图2.7 PPD像素结构
对于PPD，右边部分电路只是信号读出电路。读出电路与光电转换结 构通过TX完全隔开，这样可以将光感区的设计和读出电路完全隔离开 ，有利于各种信号处理电路的引入（如CDS，DDS等）。另外，PPD 感光区的设计采用的是p-n-p结构，减小了暗电流
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2.2 CMOS传感器的像素结构
passivel Pixel噪声较大有2 个主要原因：
1、相对读出电路上的寄生电 容，PN结的电容相对较小。 代表其信号的电压差相对较小， 这导致其对电路噪声很敏感。 2、如图2.5(b)，PN结的信号， 先经过读出电路，才进行放大。 这种情况，注入到读出信号的 噪声会随着信号一起放大。
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ccd1969年美国贝尔实验室belllabs的维拉波义耳willardboyle和乔治史密斯georgeesmith发明了ccd维拉波义耳willardboyle和乔治史密斯georgeesmith1973年仙童公司制造出第一只商用ccd成像器件索尼ccd技术起步也较早于1980年制造出了第一部ccd彩色摄像机1999年富士公司研制出了第一代超级ccdsuperccd采用八角形的光电二极管和蜂窝状的像素排列使得在单位像素面积不减小的基础上增大了ccd的总面积它有更高的灵敏度更高的信号噪声比并有更广泛的动态范围
CCD传感器应用
• CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件， 取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描）， 与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电 压低、功耗小，且不需要高压; • 作为机器人视觉系统； • M2A摄影胶囊（Mouth anus）,由发光二极管做 光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号 发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图 像进行下载。
一、CCD的结构 1.基本结构
CCD基本结构分两部分： （1）MOS（金属—氧化物—半导体） 光敏元阵列； 电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元， 一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。
显微镜下的MOS元表面
（2）读出移位寄存器。
CCD结构示意图
线阵CCD进行工件尺寸测量
M2A胶囊 CCD在医疗诊断中的应用
CCD发展史
1969年美国贝尔实验室（Bell Labs） 的维拉·波义耳（Willard·Boyle）和 乔治·史密斯（George E·Smith）发明 了CCD
维拉· 波义耳（Willard· Boyle）和 乔治· 史密斯（George E· Smith）
CCD传感器应用
• CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件， 取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描）， 与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电 压低、功耗小，且不需要高压; • 作为机器人视觉系统； • M2A摄影胶囊（Mouth anus）,由发光二极管做 光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号 发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图 像进行下载。
一、CCD的结构 1.基本结构
CCD基本结构分两部分： （1）MOS（金属—氧化物—半导体） 光敏元阵列； 电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元， 一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。
显微镜下的MOS元表面
（2）读出移位寄存器。
CCD结构示意图
线阵CCD进行工件尺寸测量
M2A胶囊 CCD在医疗诊断中的应用
CCD发展史
1969年美国贝尔实验室（Bell Labs） 的维拉·波义耳（Willard·Boyle）和 乔治·史密斯（George E·Smith）发明 了CCD
维拉· 波义耳（Willard· Boyle）和 乔治· 史密斯（George E· Smith）
CMOS图像传感器原理及应用ppt课件
• 差异总结及前景展望： • 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之不 同。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），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可 以保持数据的完整性；CMOS图像传感器的制程比较简单，没有专属 通道的设计，因此必须先行放大再整合各个画素的数据。新一代的 CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入手机摄像头的移动通讯 市场；CMOS系列，则开始朝向大尺寸面积与高速图像处理芯片整合 ，借由后续的图像处理修正噪声以及画质表现，CMOS未来跨足高阶 的影像市场产品，前景可期。
• • • • • •
ISO感光度
•
ISO值是用来表示传统相机所 使用底片的感光度。当ISO数值 愈大时，感光度就愈大。
分辨率
• • • • • • • • • • • • • 先来说一下像素： 像素，即是影像最基本的单位。也就是说将影像放大到不能 再将它分割的影像单位。 而分辨率，是在一个特定的区域内共有多少个像素单位， 该词最早是用来说明工程中单位长度所撷取到『点』的数目，对应在单位上就成了 dpi (dot per inch)。常见单位有： EPI:每一平方英寸共有多少单位数(element per inch)。 DPI:每一平方英寸共有多少点数(dot per inch)。 PPI:每一平方英寸共有多少像素数(pixel per inch)。 LPI:每一平方英寸共有多少条线(line per inch)。 胶片式照相机一般使用35毫米的胶卷。解像度在数百万到一千万点。但是，胶 片经镜头所拍下的成像。有时还比不上100万像素档次的数码相机。100万像素档次 的数码相机，拍摄1024x768点阵的画像，经高解像度的打印机打印，解像度为每毫 米3到4点（解像度可用点数来表示）。另一方面，胶片经镜头所拍下的成像每毫米 3-14点。受我们用肉眼所能鉴别的限制，这种程度的解像度没有太大的区别。
典型线阵CCD图像传感器ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
第六讲
典型线阵CCD图像传感器
不同的线阵CCD具有不同的特点，适用于不同的 应用场合。
本章从应用的角度介绍几种典型线阵CCD的基本 结构、特性参数、驱动方式和应用特点。
TCD1209D优点：速度快;灵敏度高;动态范围宽; 像敏单元不均匀性好;功耗低;光谱响应范围宽
1) 光谱响应特性
光谱响应的峰值波长为550nm; 短波响应在400 nm处大于70%; 光谱响应的长波限在1100nm; （Si基底）
像敏单元不均匀性典型值为3%，双沟道线阵CCD达不到。
50%饱和曝光量作用下:
在的D0～D12。它们只是虚设的单元(在移位寄存器中有12组对应单元) 2）遮蔽的27个PD的作用？
获得暗电流等信息用于对有效信号处理 3）根据原理图请问CCD模拟移位寄存器的驱动电极至少多少？
（2048+27+13）×2 = 4176个。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
2 、TCD1209D的基本工作原理
TCD1209D的驱动脉冲波形图（掌握）
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
TCD1209D五路驱动脉冲组成及作用：
①转移脉冲SH（沟通/阻隔 PD 和 CCD；控制光积分时间） ②驱动脉冲CR1 （配合CR2把信号电荷从CCD右向左移动） ③驱动脉冲CR2（其中CR2B代表CCD移位寄存器的最后一个电极） ④复位脉冲RS（清除上一次未来得及转移走留在输出二极管中的电荷） ⑤缓冲控制脉冲CP（过滤掉输出信号的尖脉冲噪声）
第六讲
典型线阵CCD图像传感器
不同的线阵CCD具有不同的特点，适用于不同的 应用场合。
本章从应用的角度介绍几种典型线阵CCD的基本 结构、特性参数、驱动方式和应用特点。
TCD1209D优点：速度快;灵敏度高;动态范围宽; 像敏单元不均匀性好;功耗低;光谱响应范围宽
1) 光谱响应特性
光谱响应的峰值波长为550nm; 短波响应在400 nm处大于70%; 光谱响应的长波限在1100nm; （Si基底）
像敏单元不均匀性典型值为3%，双沟道线阵CCD达不到。
50%饱和曝光量作用下:
在的D0～D12。它们只是虚设的单元(在移位寄存器中有12组对应单元) 2）遮蔽的27个PD的作用？
获得暗电流等信息用于对有效信号处理 3）根据原理图请问CCD模拟移位寄存器的驱动电极至少多少？
（2048+27+13）×2 = 4176个。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
2 、TCD1209D的基本工作原理
TCD1209D的驱动脉冲波形图（掌握）
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
TCD1209D五路驱动脉冲组成及作用：
①转移脉冲SH（沟通/阻隔 PD 和 CCD；控制光积分时间） ②驱动脉冲CR1 （配合CR2把信号电荷从CCD右向左移动） ③驱动脉冲CR2（其中CR2B代表CCD移位寄存器的最后一个电极） ④复位脉冲RS（清除上一次未来得及转移走留在输出二极管中的电荷） ⑤缓冲控制脉冲CP（过滤掉输出信号的尖脉冲噪声）
图像传感技术PPT课件
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CCD图像传感器基本特征参数
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
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。
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：
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
12
二相CCD的结构及工作原理
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：
CCD图像传感器基本特征参数
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
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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
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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。
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。
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CCD图像传感器
❖CCD有两种基本类型：
不能复出，故又称为电子势阱。
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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。
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CCD的MOS结构及存储电荷原理
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二相CCD的结构及工作原理
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：
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8.4 图像传感器
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阵和面阵两种。
线阵是指在一块芯片上制造了紧密排列的 许多光敏元，它们排列成一条直线，感受一维 方向的光强变化；
面阵是指将光敏元件数目从256个到4096 个或更多；而在面阵中，光敏元的数目可以是 600 ×500（个），甚至4096 ×4096个以上。
p+
（b）
5
8.4 图像传感器
3. 戽链式器件（BBD）
BBD与CCD相同，它同时具备电荷存储与转 移功能。图8.13是其界面构造及等效电路图。
1 2
导体电极
SiO2 膜 n+ 层
p-Si 衬底
（a）
2 1
（b）
图8.13 BBD及其等效电路 （a）BBD的构造；（b）等效电路
6
8.4 图像传感器
15
8.4 图像传感器
图像传感器是20世纪70年代发展起来的一 种新型器件，它是利用光电器件的光电转换原 理，将其感光面上的光像转换成为与光像成相 应比例关系的电信号“图像”的一种器件。图 像传感器具有体积小、重量轻、析像度高、功 耗低和低电压驱动等优点，可探测可见光、紫 外光、x射线、红外光和电子轰击等，广泛应 用于图像识别和传送。本节着重介绍CCD 图像 传感器。
1
8.4 图像传感器
8.4.1 图像传感器的敏感元件 图像传感器的敏感元件有CCD（信号
电荷耦合器件）、CID（信号电荷器件）、 BBD（戽链式器件）以及MOS（金属— 氧化物—半导体）等 。
2
8.4 图像传感器
1. 信号电荷耦合器件（CCD） 一个完整的CCD器件由光敏元、转
移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输 出电路组成 。
3
8.4 图像传感器
势阱
V+ 金属电极 SiO2
P 型硅
图8.12 MOS电容的结构
4
8.4 图像传感器
2. 电荷注入器件（CID）
CID是CCD 的一种特殊形式。它只具 有积蓄电荷的功能而无转移电荷的功能。
导体电极（-10 V ) 信号电荷
SiO2 膜
p+
n-Si 衬底
势阱 （a）
导体电极（0 V)
9
8.4 图像传感器
8.4.3 CCD图像传感器的应用
1. 尺寸测量
线型 传感器 滤光片 红外滤光片
透镜
驱动电路
L
放大
a
b n p
计数、运 算、显示
图 9.36 CCD图像传感器工件尺寸检测系统
图8.15 CCD图像传感器工件尺寸检测系统
10
8.4 图像传感器
2. 工件伤痕及表面污垢测试
伤痕或污垢
12
8.4 图像传感器
4. 数字摄像机
镜头 CCD线
景
物
型图像
传感器
放
大
A/D转
压缩
器
换器
编码
扫描电路
图 9.39 数字摄像机基本结构
图8.18 数字摄像机基本结构
存储卡 磁带 电动机
13
8.4 图像传感器
5. 数码相机
镜头 CCD彩
景
物
色图像
传感器
放大器
取景器 电路
A/D转换器
ASIC集成 电路
图 9.40 数码相机基本结构
图8.19 数码相机基本结构
存储卡 CPU
14
8.4 图像传感器
8.4.4 CCD图像传感器的发展趋势 从目前CCD技术的发展趋势来看，主要有以下几
个方向： 1. 高分辨率。 2. 高速度。 3. 微型、超小型化。 4. 新型器件结构。 5. 微光CCD。 6. 多光谱CCD器件。 7. 超级(Super)CCD。
滤光片 透镜 固态图像 传感器
放大
比较
校正
显示
光源（钨丝灯泡即可） 图 9.37 工件微小伤痕及污垢检测
图8.16 尺寸微小伤痕及污垢检测
11
8.4 图像传感器
3. 月票自动发售机
顾客
申请单
CCD线
放
镜头
型图像Leabharlann 大传感器器
光源
纸
自动 誉写机
打
印
月
票
机
图 9.38 月票自动发售机结构组成
图8.17 月票自动发售机结构组成
4. MOS式光电变换器件
把MOSFET 的源区充当感光部分的 光电变换器。
SiO2 膜
栅
输出 R
p-Si衬底
源（ n+层）
漏（n+ 层）
图8. 14 MOS式光电变换器件
7
8.4 图像传感器
8.4.2 CCD图像传感器 CCD（Charge Couple Device ）图像传感器
是一种MOS结构的新型器件，它具有光电转换、 信号存储和信号传输（自扫描）的功能，是最 有发展前途的固体图像传感器。 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 由若干光敏单元组成的阵列元件。
8.4 图像传感器
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阵和面阵两种。
线阵是指在一块芯片上制造了紧密排列的 许多光敏元，它们排列成一条直线，感受一维 方向的光强变化；
面阵是指将光敏元件数目从256个到4096 个或更多；而在面阵中，光敏元的数目可以是 600 ×500（个），甚至4096 ×4096个以上。
p+
（b）
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8.4 图像传感器
3. 戽链式器件（BBD）
BBD与CCD相同，它同时具备电荷存储与转 移功能。图8.13是其界面构造及等效电路图。
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导体电极
SiO2 膜 n+ 层
p-Si 衬底
（a）
2 1
（b）
图8.13 BBD及其等效电路 （a）BBD的构造；（b）等效电路
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8.4 图像传感器
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8.4 图像传感器
图像传感器是20世纪70年代发展起来的一 种新型器件，它是利用光电器件的光电转换原 理，将其感光面上的光像转换成为与光像成相 应比例关系的电信号“图像”的一种器件。图 像传感器具有体积小、重量轻、析像度高、功 耗低和低电压驱动等优点，可探测可见光、紫 外光、x射线、红外光和电子轰击等，广泛应 用于图像识别和传送。本节着重介绍CCD 图像 传感器。
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8.4 图像传感器
8.4.1 图像传感器的敏感元件 图像传感器的敏感元件有CCD（信号
电荷耦合器件）、CID（信号电荷器件）、 BBD（戽链式器件）以及MOS（金属— 氧化物—半导体）等 。
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8.4 图像传感器
1. 信号电荷耦合器件（CCD） 一个完整的CCD器件由光敏元、转
移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输 出电路组成 。
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8.4 图像传感器
势阱
V+ 金属电极 SiO2
P 型硅
图8.12 MOS电容的结构
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8.4 图像传感器
2. 电荷注入器件（CID）
CID是CCD 的一种特殊形式。它只具 有积蓄电荷的功能而无转移电荷的功能。
导体电极（-10 V ) 信号电荷
SiO2 膜
p+
n-Si 衬底
势阱 （a）
导体电极（0 V)
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8.4 图像传感器
8.4.3 CCD图像传感器的应用
1. 尺寸测量
线型 传感器 滤光片 红外滤光片
透镜
驱动电路
L
放大
a
b n p
计数、运 算、显示
图 9.36 CCD图像传感器工件尺寸检测系统
图8.15 CCD图像传感器工件尺寸检测系统
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8.4 图像传感器
2. 工件伤痕及表面污垢测试
伤痕或污垢
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8.4 图像传感器
4. 数字摄像机
镜头 CCD线
景
物
型图像
传感器
放
大
A/D转
压缩
器
换器
编码
扫描电路
图 9.39 数字摄像机基本结构
图8.18 数字摄像机基本结构
存储卡 磁带 电动机
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8.4 图像传感器
5. 数码相机
镜头 CCD彩
景
物
色图像
传感器
放大器
取景器 电路
A/D转换器
ASIC集成 电路
图 9.40 数码相机基本结构
图8.19 数码相机基本结构
存储卡 CPU
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8.4 图像传感器
8.4.4 CCD图像传感器的发展趋势 从目前CCD技术的发展趋势来看，主要有以下几
个方向： 1. 高分辨率。 2. 高速度。 3. 微型、超小型化。 4. 新型器件结构。 5. 微光CCD。 6. 多光谱CCD器件。 7. 超级(Super)CCD。
滤光片 透镜 固态图像 传感器
放大
比较
校正
显示
光源（钨丝灯泡即可） 图 9.37 工件微小伤痕及污垢检测
图8.16 尺寸微小伤痕及污垢检测
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8.4 图像传感器
3. 月票自动发售机
顾客
申请单
CCD线
放
镜头
型图像Leabharlann 大传感器器
光源
纸
自动 誉写机
打
印
月
票
机
图 9.38 月票自动发售机结构组成
图8.17 月票自动发售机结构组成
4. MOS式光电变换器件
把MOSFET 的源区充当感光部分的 光电变换器。
SiO2 膜
栅
输出 R
p-Si衬底
源（ n+层）
漏（n+ 层）
图8. 14 MOS式光电变换器件
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8.4 图像传感器
8.4.2 CCD图像传感器 CCD（Charge Couple Device ）图像传感器
是一种MOS结构的新型器件，它具有光电转换、 信号存储和信号传输（自扫描）的功能，是最 有发展前途的固体图像传感器。 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 由若干光敏单元组成的阵列元件。