固态图像传感器原理课件

固态图像传感器原理课件

三光谱响应特性 CCD图像传感器具有

很宽的感光光谱范围其感光光谱可延伸至红外区域利用此特性可以在夜间无可

见光照明的情况下用辅助红外光源照明也能使CCD图像传感器清晰地成像 CCD

的光谱响应范围CCD器件的光谱响应范围宽于人眼的视觉范围一般在0211

μm的波长范围内特种材料的红外CCD 的波长响应可扩展到几微米即CCD 的光

谱响应范围从远紫外近紫外可见光到近红外区甚至到中红外区人眼的视觉范

围光波的波长范围从几纳米到1 mm即10-9 10-3m而人眼的感光范围

只在038078 μm的范围四暗电流暗电流起因于热激发产生的电子－

空穴对是缺陷产生的主要原因暗电流的大小与温度的关系极为密切温度每降低100度暗电流约减少一半 CCD器件暗电流越小越好五分辨率

CCD图象传感器的分辨率表示能够分辨图像中明暗细节的能力通常用极限分辨

率和调制传递函数MTF来表征极限分辨率fm 极限分辨率fm 是指人眼

能够分辨的最细线条数通常用每毫米线对数来表示一黑一白线条为一线对CCD

是离散采样器件根据奈奎斯特采样定理定义图像传感器的最高分辨率fm等于它

的空间采样频率f0的一半即如果某一方向上的像元间距为α则该方向上的空间采样频率为1α线对mm 五分辨率调制传递函数MTF 当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时电信号幅度随光像空间频率的变化

为调制转移函数MTF可表示为输出调制度Mout与输入调制度Min之比 t i O

T 六转移效率当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时若Q1为

转移一次后的电荷量Q0为原始电荷则转移效率定义为若转移损耗定义为则电

荷进行N次转移时总转移效率为要求转移效率必须达到9999％－99999 七信噪

比表示在图像信号中包含噪声成分的指标在显示的图像中表现为不规则的

闪烁细点噪声颗粒越小越好信噪比的数值以分贝DB表示 112 其它类型的图像传感器 1121 电荷注入器件 CID CID是一种电荷注入器件Charge-Injected Device其基本结构与CCD相似也是一种MOS结构当栅极上加上电压时表面形成少数载流子电子的势阱入射光子在势阱邻近被吸收时产生的电子被收集在势阱里其积分过程与CCD一样 112 其它类型的图像传感器CID与CCD的主要区别在于读出过程在CCD中信号电荷必须经过转移才能读出信号一经读取即刻消失而在CID中信号电荷不用转移是直接注入体内形成电流来读出的即每当积分结束时去掉栅极上的电压存贮在势阱中的电荷少数载流子电子被注入到体内从而在外电路中引起信号电流这种读出方式称为非破坏性读取Non-Destructive Read Out简称NDROCID的NDRO特性使它具有优化指定波长处的信噪比SN的功能同时CID可寻址到任意一个或一组象素因此可获得如相板一样的所有元素谱线信息下图为MOS单通道线型固态图像传感器的结构示意图由感光区和传输区两部分组成感光区由一列光敏单元组成传输区由转移栅及一列移位寄存器组成光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏二极管中接通转移栅后信号电荷流入传输区传输区是遮光的以防因光生噪声电荷干扰导致的图像模糊 1122 MOS图像传感器 MOS图像传感器又称自扫描光电二极管阵列Self Scanned Photodiode Array简称SSPA 113 固态图像传感器的应用固态图像传感器的应用主要在以下几方面 1计量检测仪器工业生产产品的尺寸位置表面缺陷的非接触在线检测距离测定等 2光学信息处理光学文字识别标记识别图形识别传真摄像等 3生产过程自动化自动工作机械自动售货机自动搬运机监视装置等 4军事应用导航跟踪侦查带摄像机的无人驾驶飞机卫星侦查 1尺寸自动检测对于尺寸较小的物体目标2～30mm可以采用平行光成像法如下图所示不难看出此种测试方法的精度取决于平行光的准直程度和CCD像元尺寸的大小当然平行光源要作得十分理想是有一定困难的且随准直度的提高成本增加光源的体积也要加大在实际

应用中常常通过计算机处理对测量值进行修正以使测量结果更接近于实际这在一定程度上降低了对光源的苛求对于较大的尺寸测量可采用光学成像方法在前面或背面光照射下被测物经透镜在CCD上成像像尺寸与被测尺寸成正比设 T为像尺寸K为比例系数则被测尺寸S可用下式表示

式中 K表示每个像元所代表的物方尺寸它与光学系统的放大倍率CCD工作频率和像元尺寸等因素有关 T对应于像尺寸的脉宽当以像元时钟对像尺寸T的宽度进行计数时其计数值表示像尺寸所占的像元数因而可得式中 N 计数脉冲即像元数

T0 像元时钟周期当知道N和T0值时则可求得T代入式即可得到被测物尺寸K 值的大小可通过系统标定测得成像法适用于冶金线材直径或机械产品在线尺寸检测为了保证测量精度通常采用背面光照射方式对于自发光被测物如热扎钢管常用窄带滤光片滤除钢管的可见光和红外光辐射再选用较短波长的光源作照明以适应CCD光谱响应特性的要求这种照明消除了因被测目标辐射变化对测量精度的影响由于CCD输出信号是以脉冲计数表示其测量精度与边缘信号检测精度有关而对光源的稳定性要求不高当光源的光强在20％范围内变化时对其测量结果没有明显影响图示出了光学成像法测量系统的组成原理框图为了对目标像的宽度进行计数必须先检测出两个边缘信号这可采用二值化或微分法得到计数脉冲通过输入接口送入计算机处理计算机主要完成以下功能

1完成高速数据采集与控制 2完成数据处理与判别包括被测尺寸计算与校正温度校正偏差运算极限判定与报警时间计数等 3数据存贮显示打印与信号提取及反馈 2文字和图像识别利用线阵CCD的自扫描特性可以实现文字和图像识别从而组成一个功能很强的扫描识别系统写有邮政编码的信封放在传送带上传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上当信封运动时传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出读出的数字经二值化等处理与计算机中存储的