光電成像器件

1、4.1 4.1 攝像管攝像管可分為兩大類：可分為兩大類： * *光電發(fā)射型攝像管光電發(fā)射型攝像管 利用外光電效應(yīng)利用外光電效應(yīng) * *視像管視像管 利用內(nèi)光電效應(yīng)利用內(nèi)光電效應(yīng)攝像管是能夠輸出視頻信攝像管是能夠輸出視頻信號的真空光電管號的真空光電管光電發(fā)射型攝像管光電發(fā)射型攝像管視像管視像管 視像管基本結(jié)構(gòu)視像管基本結(jié)構(gòu) ： 光電靶光電靶 完成光電轉(zhuǎn)換完成光電轉(zhuǎn)換、信號信號存儲存儲 電子槍電子槍 完成信號掃描輸出完成信號掃描輸出氧化鉛視像管結(jié)構(gòu)與工作原理氧化鉛視像管結(jié)構(gòu)與工作原理管子結(jié)構(gòu)管子結(jié)構(gòu)氧化鉛氧化鉛PIN靶靶PIN光電靶光電靶 ：反向偏置反向偏置，掃描面形成正電位圖像掃描面形成正電位圖

2、像電子槍電子槍 ： 發(fā)射電子束發(fā)射電子束，按電視制式掃描正電按電視制式掃描正電 位圖像位圖像，輸出視頻信號輸出視頻信號像素：像素：組成圖像的組成圖像的最小單元。攝像管最小單元。攝像管像素大小由電子束像素大小由電子束截面積決定。截面積決定。 在電子束掃描某一像素的瞬間，該像在電子束掃描某一像素的瞬間，該像素與電源正極和陰極結(jié)成通路。這個像素素與電源正極和陰極結(jié)成通路。這個像素的光電流由的光電流由PN，流過負(fù)載，流過負(fù)載RL, ,產(chǎn)生負(fù)極產(chǎn)生負(fù)極性圖像信號輸出。同時，掃描電子束使性圖像信號輸出。同時，掃描電子束使P層電位降至陰極電位（圖像擦除）。層電位降至陰極電位（圖像擦除）。4.2 4.2 攝像

3、器件的性能參數(shù)攝像器件的性能參數(shù)一一. .靈敏度靈敏度S S 在在2856K2856K色溫標(biāo)準(zhǔn)光源單位光功率色溫標(biāo)準(zhǔn)光源單位光功率照射下照射下, ,由器件輸出信號電流大小來由器件輸出信號電流大小來衡量。單位衡量。單位: :A/lmA/lm；mAmA/W/W。實(shí)際實(shí)際常用能產(chǎn)生正常電視圖像所需最低常用能產(chǎn)生正常電視圖像所需最低光照度光照度L Lminmin來表征。來表征。二二. .光電轉(zhuǎn)換特性光電轉(zhuǎn)換特性特性特性 kLIP1 I IP P 與與L L 成線性關(guān)系，成線性關(guān)系， 是最理想情況。是最理想情況。1 低照度下靈敏度相對低照度下靈敏度相對 增加。增加。1 圖像對比度提高。圖像對比度提高。

4、* * 關(guān)于伽瑪關(guān)于伽瑪校正電路校正電路三三. .分辨率分辨率 能夠分辨圖像中明暗細(xì)節(jié)的能力能夠分辨圖像中明暗細(xì)節(jié)的能力 有兩種表示方法有兩種表示方法: : 極限分辨率：極限分辨率：用在圖像（光柵）范用在圖像（光柵）范圍內(nèi)能分辨的等寬黑白線條數(shù)表示（如：水圍內(nèi)能分辨的等寬黑白線條數(shù)表示（如：水平平800800線、垂直線、垂直500500線）；也用線）；也用線對線對/mm/mm表示。表示。 調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF：能客觀地測能客觀地測試器件對不同空間頻率信號的傳遞能力試器件對不同空間頻率信號的傳遞能力調(diào)制度調(diào)制度M：調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF：MTF隨著測試卡線條空間頻率的增加而降低

5、。隨著測試卡線條空間頻率的增加而降低。0minmaxminmaxAAAAAAMm%100ioMMMTF四四. .惰性惰性 指輸出信號的變化相對于光指輸出信號的變化相對于光 照度的變化有一定的滯后照度的變化有一定的滯后 影響攝像管惰性的原因是靶面光電導(dǎo)影響攝像管惰性的原因是靶面光電導(dǎo) 張馳過程和電容電荷釋放惰性。張馳過程和電容電荷釋放惰性。五五. .視頻信噪比（視頻信噪比（S/NS/N） 六六. .動態(tài)范圍動態(tài)范圍 Lmax : : Lmin = 10n : : 1)(lg20)(dBiSNSdm4.3 4.3 電荷耦合器件電荷耦合器件CCDCCD圖像傳感器主要特點(diǎn)：圖像傳感器主要特點(diǎn)：固體化攝

6、像器件固體化攝像器件很高的空間分辨率很高的空間分辨率很高的光電靈敏度和大的動態(tài)范圍很高的光電靈敏度和大的動態(tài)范圍光敏元間距位置精確光敏元間距位置精確, ,可獲得很高的可獲得很高的 定位和測量精度定位和測量精度信號與微機(jī)接口容易信號與微機(jī)接口容易CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）CCD類型：l表面溝道CCD（SCCD）：電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?；l體溝道CCD（BCCD）：電荷包存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸。工作過程：電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸檢測。 CCD全稱電荷耦合器件，全稱電荷耦

7、合器件，它具備它具備光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ?，光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ?，具有集成度高、功耗小、分辨力高、具有集成度高、功耗小、分辨力高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。動態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。 CCD圖像傳感器圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于生活、天文、醫(yī)療、電被廣泛應(yīng)用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測和自動視、傳真、通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。 MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD光敏元顯微照片光敏元顯微照片CCD讀出移位寄存器讀出移位寄存器的的數(shù)據(jù)面顯微照片數(shù)據(jù)面顯微照片 彩色CCD顯微照片（放大7000倍） 一個完整的一個完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存

8、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。器及一些輔助輸入、輸出電路組成。 CCD工作時，在設(shè)工作時，在設(shè)定的積分時間內(nèi)，光敏元對光信號進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱定的積分時間內(nèi)，光敏元對光信號進(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)移柵信號驅(qū)動下，轉(zhuǎn)移到在轉(zhuǎn)移柵信號驅(qū)動下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位寄存器相內(nèi)部的移位寄存器相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下，將信號電荷應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號可接到示波器、圖象顯示器順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號可接

9、到示波器、圖象顯示器或其他信號存儲、處理設(shè)備中，可對信號再現(xiàn)或進(jìn)行存儲或其他信號存儲、處理設(shè)備中，可對信號再現(xiàn)或進(jìn)行存儲處理。處理。 一、電荷存儲柵電極G氧化層P型半導(dǎo)體耗盡區(qū)反型層uGuthuGuthuG=0l構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。當(dāng)柵極G施加正偏壓UG之前（UG=0），P型半導(dǎo)體中的空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的；當(dāng)柵極電壓加正向偏壓（UGUth時，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢（表面勢S）變得如此之高，以至于將半導(dǎo)體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）吸引到表面，形成電荷濃度極高的極薄反型層，反型層電荷的存在說明了MOS結(jié)構(gòu)具有存儲電荷的功能。SUGP型硅雜質(zhì)濃度Nd=

10、1021m-3反型層電荷QINV=0 1.0V 1.4VUth= 2.2V 3.0Vdox=0.1um0.30.40.6表面勢與柵極電壓的關(guān)系SQINVdox=0.1umdox=0.2umUG=15VUG=10V表面勢與反型層電荷密度的關(guān)系曲線的直線特性好，說明兩者有著良好的反比例線性關(guān)系?？梢浴皠葳濉钡母拍顏斫忉?。u010V10VUG=5VUG=10VUG=15V空勢阱填充1/3勢阱全滿勢阱電子被加有柵極電壓的MOS結(jié)構(gòu)吸引到勢能最低的氧化層與半導(dǎo)體地交界面處。MOS電容存儲信號電荷的容量為：Q=CoxUGA二、電荷耦合假定開始有一些電荷存儲在偏壓為20V的第二個電極下面的勢阱里，其他電極上

11、均加有大于閾值得較低電壓（例如2V）。設(shè)a圖為零時刻，經(jīng)過一段時間后，各電極的電壓發(fā)生變化，第二個電極仍保持10V，第三個電極上的電壓由2V變?yōu)?0V，因這兩個電極靠的很近（幾個微米），它們各自的對應(yīng)勢阱將合并在一起。原來在第二個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有。如圖bc。若此后第二個電極上的電壓由10V變?yōu)?V，第三個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第三個電極下的勢阱中，如圖e。由此可見，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。2V10V 2V2Va存有電荷的勢阱b2V10V2V10V2V2V10V 10V 2V2V10V2V10V 2V2V2V10V 2Vcdef123l通過將一定規(guī)

12、則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體表面按一定方向移動。通常把CCD電極分為幾組，并施加同樣的時鐘脈沖。如圖f，為三相時鐘脈沖，此種CCD稱為三相CCD。lCCD電極間隙必須很小，否則被電極間的勢壘所間隔。l產(chǎn)生完全耦合條件的最大間隙一般由具體電極結(jié)構(gòu)，表面態(tài)密度等因素決定。間隙長度應(yīng)小于3um。l以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD（工作頻率高）,而以空穴為信號電荷的CCD稱為P型溝道CCD。三、電荷的注入檢測1、電荷的注入（1）光注入當(dāng)光照射CCD硅片時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。它

13、有可分為正面照射式背面照射式。其光注入電荷：材料的量子效率入射光的光子流速率0ATqQeonIP光敏電壓的受光面積光注入時間U+U+勢壘P-Si背面照射式光注入IDuINuIDN+IG1232PID為源極，IG為柵極,而2為漏極，當(dāng)它工作在飽和區(qū)時，輸入柵下溝道電流為：22UUUCLWIIGINGs經(jīng)過Tc時間注入后，其信號電荷量為：cIGINGsTUUUCLWQ22IDIG213231N+P-Si電壓注入法與電流注入法類似，但輸入柵極IG加與2同位相的選通脈沖，在選通脈沖作用下，電荷被注入到第一個轉(zhuǎn)移柵極2下的勢阱里，直到阱的電位與N+區(qū)的電位相等時，注入電荷才停止。往下一級轉(zhuǎn)移前，由于選通

14、脈沖的終止，IG的勢壘把2N+的勢阱分開。電荷注入量與時鐘脈沖頻率無關(guān)。2、電荷的檢測信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時鐘脈沖無任何電容耦合，而在輸出端需選擇適當(dāng)?shù)剌敵鲭娐芬詼p小時鐘脈沖容性的饋入輸出電路的程度。（1）電流輸出：如圖a。由反向偏置二極管收集信號電荷來控制A點(diǎn)電位的變化，直流偏置的輸出柵極OG用來使漏擴(kuò)散時鐘脈沖之間退耦，由于二極管反向偏置，形成一個深陷落信號電荷的勢阱，轉(zhuǎn)移到2電極下的電荷包越過輸出柵極，流入到深勢阱中。UDRDRgAOG12放大P-Si圖aN+OG12浮置擴(kuò)散T1（復(fù)位管）T2（放大管）RgUDD(2)浮置擴(kuò)散放大器輸出：如圖b.圖b復(fù)位管在2下的勢阱未形成前，在RG端

15、加復(fù)位脈沖，使復(fù)位管導(dǎo)通，把浮置擴(kuò)散區(qū)剩余電荷抽走，復(fù)位到UDD，而當(dāng)電荷到來時，復(fù)位管截止，由浮置擴(kuò)散區(qū)收集的信號電荷來控制放大管柵極電位變化。（3）浮置柵放大器輸出：如下圖。浮柵T2UDD1321323T2的柵極不是直接與信號電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當(dāng)信號電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道時，在浮置柵上感應(yīng)出鏡像電荷，以此來控制T2的柵極電位。四、CCD的特性參數(shù)1、轉(zhuǎn)移效率轉(zhuǎn)移損失率轉(zhuǎn)移效率：一次轉(zhuǎn)移后，到達(dá)下一個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷之比。 01QtQ1(t)Q(0)/C5MHz1MHz影響電荷轉(zhuǎn)移效率的主要因素為界面態(tài)對電荷的俘獲。為此，常采用“胖零”工作模

16、式，即讓“零信號”也有一定的電荷。2、工作頻率f（1）下限：為避免由于熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子對注入信號的干擾，注入電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所用的時間必須小于少數(shù)載流子的平均壽命，對于三相CCD,t 為：t=T/3=1/3f,故，f1/3。（2）上限：當(dāng)工作頻率升高時，若電荷本身從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所需的時間大于驅(qū)動脈沖使其轉(zhuǎn)移地時間T/3,那么信號電荷跟不上驅(qū)動脈沖的變化，使轉(zhuǎn)移效率大大降低。故tT/3，即f 1/3t。(t)Q(0)/C=2V5V10V實(shí)測三相多晶硅N溝道SCCD的關(guān)系曲線10MHz五、電荷耦合攝像器件（ICCD）1、工作原理利用光學(xué)成像系統(tǒng)將景物圖像成在CCD地像敏

17、面上。像敏面將照在每一像敏面的圖像照度信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)載流子數(shù)密度信號存儲于像敏單元（MOS電容）中，然后，再轉(zhuǎn)移到CCD的移位寄存器（轉(zhuǎn)移電極下的勢阱）中，在驅(qū)動脈沖的作用下順序地移出器件，成為視頻信號。2、類型（1）線型CCD攝像器件l單溝道線型ICCDl雙溝道線型ICCD（2）面陣ICCDl幀轉(zhuǎn)移面陣ICCDl隔列轉(zhuǎn)移型面陣ICCDl線轉(zhuǎn)移型面陣ICCD它們的結(jié)構(gòu)原理見課本P126_128線陣線陣CCD外形外形 面陣CCD 面陣面陣CCD能在能在x、y兩兩個方向都能實(shí)現(xiàn)電個方向都能實(shí)現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。子自掃描，可以獲得二維圖像。 面陣CCD外形（續(xù)） 200萬和萬和1600萬

18、像素的面陣萬像素的面陣CCD 面陣CCD外形（續(xù)） 面陣CCD外形（續(xù)） 3、ICCD的基本特性參數(shù)（1）光電轉(zhuǎn)換特性良好，光電轉(zhuǎn)換因子可達(dá)到99.7%。（2）光譜響應(yīng)ICCD常采用背面照射的受光方式，采用硅襯底的ICCD，其光譜響應(yīng)范圍為0.41.1um，平均量子效率為25，絕對響應(yīng)為0.10.2A*W-1。(3)動態(tài)范圍：由勢阱的最大電荷存儲量與噪聲電荷量之比決定。（4）噪聲：電荷注入噪聲；電荷量變化引起的噪聲（轉(zhuǎn)移噪聲）檢測時產(chǎn)生的噪聲（輸出噪聲）。（5）暗電流產(chǎn)生的主要原因：l耗盡的硅襯底中電子自價(jià)帶至導(dǎo)帶的本征躍遷；l少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴(kuò)散；l來自SiO2表面（硅中缺陷雜質(zhì)數(shù)目）

19、引起的暗電流；lSi-SiO2界面表面的晶體缺陷玷污等；l溫度，溫度越高，暗電流越大。（6）分辨力MTFMTF2856K白熾光源單色光源頻率頻率600nm700nm800nm1000nm 線陣線陣CCD在在 掃描儀中的應(yīng)用掃描儀中的應(yīng)用 線陣CCD在圖像掃描中的應(yīng)用 線線陣陣CCD攝像機(jī)可攝像機(jī)可用于彩色印刷中的用于彩色印刷中的套色工藝監(jiān)控套色工藝監(jiān)控 風(fēng)云一號衛(wèi)星可以對風(fēng)云一號衛(wèi)星可以對 地球上空的云層分布地球上空的云層分布 進(jìn)行逐行掃描進(jìn)行逐行掃描線陣CCD用于字符識別CCD數(shù)碼照相機(jī) 數(shù)碼相機(jī)簡稱數(shù)碼相機(jī)簡稱DC，它采用它采用CCD作為作為光電轉(zhuǎn)換器件，將被攝物體的圖像以數(shù)光電轉(zhuǎn)換器件，

20、將被攝物體的圖像以數(shù)字形式記錄在存儲器中。字形式記錄在存儲器中。 數(shù)碼相機(jī)從外觀看，也有光學(xué)鏡頭、數(shù)碼相機(jī)從外觀看，也有光學(xué)鏡頭、取景器、對焦系統(tǒng)、光圈、內(nèi)置電子閃取景器、對焦系統(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，內(nèi)部更有本質(zhì)的區(qū)別，其快門結(jié)構(gòu)也大不相同。門結(jié)構(gòu)也大不相同。 數(shù)碼相機(jī)的外形三基色分離原理三基色分離原理 CCD數(shù)碼照相機(jī)的結(jié)構(gòu)數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)解剖（索尼F828）CCDCCD數(shù)碼顯微鏡拍攝的金屬表面顯微照片CCD數(shù)碼攝像機(jī) CMOS圖像傳感器是采用互補(bǔ)金屬圖像傳感器是采用互補(bǔ)金屬-氧化物氧化物-

21、半導(dǎo)體工藝制作的另一類圖像傳半導(dǎo)體工藝制作的另一類圖像傳感器，簡稱感器，簡稱CMOS。現(xiàn)在市售的視頻攝像?，F(xiàn)在市售的視頻攝像頭多使用頭多使用CMOS作為光電轉(zhuǎn)換器件。雖然作為光電轉(zhuǎn)換器件。雖然目前的目前的CMOS圖像傳感器成像質(zhì)量比圖像傳感器成像質(zhì)量比CCD略低，但略低，但CMOS具有體積小、耗電量小、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)的售價(jià)便宜的優(yōu)點(diǎn)。隨著硅晶圓加工技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)步，CMOS的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有望超過的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有望超過CCD，它在圖像傳感器中的應(yīng)用也將日趨，它在圖像傳感器中的應(yīng)用也將日趨廣泛。廣泛。 CMOS視頻攝像頭 帶紅外帶紅外LED照明的照明的CM

22、OS視頻攝像頭視頻攝像頭CMOS視頻攝像頭的外部結(jié)構(gòu) CMOS視頻攝像頭的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 一一.CCD.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理 關(guān)于線陣關(guān)于線陣CCDCCD 關(guān)于面陣關(guān)于面陣CCDCCD CCDCCD的基本功能的基本功能: : 信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測 以以雙列兩相線陣雙列兩相線陣CCDCCD為例介紹其工作原理為例介紹其工作原理光敏區(qū)光敏區(qū): :光敏二極管陣列，每個光敏元是一個像素。光敏二極管陣列，每個光敏元是一個像素。轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵: :MOSMOS電容構(gòu)成電容構(gòu)成, ,蔽光蔽光; ;控制光生電荷向控制光生電荷向移位寄存器移位寄存器轉(zhuǎn)移。

23、轉(zhuǎn)移。移位寄存器移位寄存器: :MOSMOS電容構(gòu)成電容構(gòu)成, ,蔽光蔽光; ;控制光生電荷掃描移向輸出端。控制光生電荷掃描移向輸出端。輸出端輸出端: :將光生電荷包轉(zhuǎn)換為將光生電荷包轉(zhuǎn)換為視頻信號輸出視頻信號輸出。加偏壓的加偏壓的MOSMOS電容電容的的電荷存貯功能電荷存貯功能 在在AlAl電極上加驅(qū)動信號，電極上加驅(qū)動信號，MOSMOS陣列陣列使光生電荷包使光生電荷包自掃描輸出。自掃描輸出。光積分光積分光生電荷光生電荷并行轉(zhuǎn)移并行轉(zhuǎn)移光生電荷串行傳輸光生電荷串行傳輸輸出端輸出端輸出端：輸出端：輸出柵輸出柵OGOG； 浮置擴(kuò)散放大器浮置擴(kuò)散放大器：輸出二極管輸出二極管復(fù)位管復(fù)位管T1T1輸出

24、管輸出管T2T2雙列兩相線陣雙列兩相線陣CCDCCD驅(qū)動信號驅(qū)動信號像敏區(qū)像敏區(qū)存儲區(qū)存儲區(qū)水平移位寄存器水平移位寄存器輸出端輸出端信號通道放大器信號通道放大器OSOS補(bǔ)償放大器補(bǔ)償放大器OSOS 面陣面陣CCDCCD二二. .電荷耦合器件的性能參數(shù)電荷耦合器件的性能參數(shù)1.1.電荷轉(zhuǎn)移效率電荷轉(zhuǎn)移效率 電荷轉(zhuǎn)移效率電荷轉(zhuǎn)移效率 轉(zhuǎn)移損失率轉(zhuǎn)移損失率 電荷傳輸效率電荷傳輸效率 )() 1(nQnQ1)() 1()(nQnQnQnQnQ)0()(2.2.工作頻率工作頻率 控制控制CCDCCD中信號電荷在移位寄存器中中信號電荷在移位寄存器中 轉(zhuǎn)移的時鐘脈沖頻率轉(zhuǎn)移的時鐘脈沖頻率f=1/f=1/T對

25、于二相對于二相CCD,CCD,3.3.光譜特性光譜特性CCDCCD積分靈敏度積分靈敏度 S=US=Uo o/H/H 單位單位:V:Vcmcm2 2/J J曝光量曝光量H=LH=LL:L:光照度光照度 : :曝光時間曝光時間( (光積分光積分T TSHSH) ) H H的單位的單位:J/cmJ/cm2 2 ;lx;lxs s02121tf 通常通常：ZZMHfkH1100 4. 4.分辨率分辨率 線陣線陣CCDCCD：極限分辨率為極限分辨率為 1/d (1/d (線對線對/mm)/mm) 面陣面陣CCD: CCD: 像元數(shù)越多，分辨率越高。像元數(shù)越多，分辨率越高。更多更多 用水平方向、垂直方向各

26、自的線數(shù)來表示。用水平方向、垂直方向各自的線數(shù)來表示。 因而由像元的尺寸可確定極限分辨率。因而由像元的尺寸可確定極限分辨率。5.5.光電特性光電特性 CCDCCD是低照度器件，光電靶是低照度器件，光電靶可達(dá)可達(dá)99.7%99.7%， 攝像頭常帶有攝像頭常帶有選擇。選擇。CCDCCD所能分辨的最小間距就是像元間距所能分辨的最小間距就是像元間距d d，6.6.動態(tài)范圍動態(tài)范圍 CCD CCD像元的飽和輸出電壓與它在暗場下像元的飽和輸出電壓與它在暗場下 的峰的峰- -峰噪聲電壓的比值峰噪聲電壓的比值 U Usatsat/U/Udndn 。 U Usatsat決定于勢阱中可存儲的最大電荷量決定于勢阱中

27、可存儲的最大電荷量, , 一般為數(shù)百一般為數(shù)百mvmv數(shù)數(shù)v v； CCDCCD是低噪聲器件，可用于微光成像是低噪聲器件，可用于微光成像, , U Udndn一般為數(shù)一般為數(shù)mvmv以下。以下。 普通普通CCDCCD的動態(tài)范圍的動態(tài)范圍1000:11000:1左右。左右。 7.7.暗電流暗電流 CCDCCD器件可控制在器件可控制在1nA/cm1nA/cm2 2。三三. .線陣線陣CCDCCD驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì) 線陣線陣CCDCCD驅(qū)動電路就是要產(chǎn)生正確的驅(qū)動電路就是要產(chǎn)生正確的SHSH、 1 1、 2 2、RS RS 信號，它是信號，它是CCDCCD芯片賴以芯片賴以正常工作的基礎(chǔ)。正

28、常工作的基礎(chǔ)。 介紹介紹TCD1200DTCD1200D線陣線陣CCDCCD驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)：驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)： TCD1200DTCD1200D有有21602160個光敏單元，其前后各有個光敏單元，其前后各有6464及及1212個啞單元。因此：個啞單元。因此： T TSHSH 2236T2236TRS RS , , f fRSRS =1MHz=1MHz， f f11、22=0.5MHz=0.5MHzTCD1200DTCD1200D管腳圖和驅(qū)動電壓管腳圖和驅(qū)動電壓驅(qū)動電路由單片機(jī)驅(qū)動電路由單片機(jī)(AT89C2051)(AT89C2051)、可編、可編程門陣列芯片（程門陣列芯片（GAL16V8GAL

29、16V8）構(gòu)成。）構(gòu)成。AT89C2051AT89C2051是帶是帶2K2K字節(jié)可編字節(jié)可編程電擦除程電擦除EPROMEPROM的的CMOS 8CMOS 8位位 單片機(jī)。具有單片機(jī)。具有80318031單片機(jī)的單片機(jī)的功能，可輸出功能，可輸出20MHz20MHz時鐘。時鐘。 GAL16V8 GAL16V8是一種可編輯是一種可編輯 器件器件。圖示中未標(biāo)的管腳圖示中未標(biāo)的管腳 可自由定義，通過編程，可自由定義，通過編程，形成所需的邏輯關(guān)系。形成所需的邏輯關(guān)系。 15 Q25 QRSQQQ234SHSH信號信號的產(chǎn)生：的產(chǎn)生：3545QQQQQ將將Q Q信號送往單片機(jī)信號送往單片機(jī)P1.7P1.7口

30、，口，單片機(jī)查詢后由單片機(jī)查詢后由P3.7P3.7口輸出口輸出 P P信號。信號。SHQP4 4路驅(qū)動信號路驅(qū)動信號SHSH、 1 1、 2 2、RS RS 都由都由GALGAL器件產(chǎn)生。器件產(chǎn)生。單片機(jī)除協(xié)同產(chǎn)生單片機(jī)除協(xié)同產(chǎn)生SHSH外，可充分外，可充分用于用于CCDCCD數(shù)據(jù)測量工作。數(shù)據(jù)測量工作。以上介紹的設(shè)計(jì)思想可用于以上介紹的設(shè)計(jì)思想可用于任何型號的線陣任何型號的線陣CCDCCD。 GALGAL芯片有足夠的驅(qū)動能力，管腳可自芯片有足夠的驅(qū)動能力，管腳可自由定義，使由定義，使驅(qū)動電路緊湊、連線簡單。驅(qū)動電路緊湊、連線簡單。四四.CCD.CCD像感器的應(yīng)用像感器的應(yīng)用 面陣面陣CCDC

31、CD組成電視攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)，組成電視攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)，用途極其廣泛。用途極其廣泛。 線陣線陣CCDCCD是行圖像傳感器件，大量應(yīng)用是行圖像傳感器件，大量應(yīng)用于掃描儀、光譜儀、傳真機(jī)中，以及目標(biāo)于掃描儀、光譜儀、傳真機(jī)中，以及目標(biāo)定位、定位、精密圖像傳感和精密圖像傳感和工件尺寸的無接觸工件尺寸的無接觸在線測量。在線測量。 成像法成像法在線測量線材直徑：在線測量線材直徑：測量電路和觀測點(diǎn)波形圖測量電路和觀測點(diǎn)波形圖4.4 CMOS4.4 CMOS圖像傳感器圖像傳感器CCDCCD圖像傳感器的不足：圖像傳感器的不足：驅(qū)動電路與信號處理電路難與驅(qū)動電路與信號處理電路難與CCDCCD單片集單片集 成

32、，圖像系統(tǒng)為多芯片系統(tǒng)；成，圖像系統(tǒng)為多芯片系統(tǒng)；電荷耦合方式對轉(zhuǎn)移效率要求近乎苛刻；電荷耦合方式對轉(zhuǎn)移效率要求近乎苛刻；時鐘脈沖復(fù)雜，需要相對高的工作電壓；時鐘脈沖復(fù)雜，需要相對高的工作電壓；圖像信息不能隨機(jī)讀取圖像信息不能隨機(jī)讀取。 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）采用標(biāo)準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS工藝的固體攝像器件工藝的固體攝像器件 CMOS圖像傳感器的特色圖像傳感器的特色是單芯片成像系統(tǒng)。是單芯片成像系統(tǒng)。這種片上攝像機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電源電壓工作，這種片上攝像機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電源電壓工作，僅消耗幾十毫瓦功率，功耗極低。僅消耗幾十毫瓦功率，功耗極

33、低?？蓪?shí)現(xiàn)隨機(jī)讀取圖像信息。可實(shí)現(xiàn)隨機(jī)讀取圖像信息。一一.CMOS.CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)圖像傳感器結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)框圖總體結(jié)構(gòu)框圖像元結(jié)構(gòu)像元結(jié)構(gòu) ：無源像素?zé)o源像素(PPS)(PPS)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)有源像素有源像素(APS)(APS)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)PPSPPS的致命弱點(diǎn)是讀出噪聲的致命弱點(diǎn)是讀出噪聲大大, ,主要是固定圖形噪聲，主要是固定圖形噪聲，一般有一般有250250個均方根電子。個均方根電子。光電二極管型光電二極管型(PD-APS(PD-APS）：）：讀出噪聲讀出噪聲典型值為典型值為(75(75100)100)個均方根電子。適用個均方根電子。適用于大多數(shù)中低性能成像。于大多數(shù)中低性能成像。光柵型（光

34、柵型（PG-APSPG-APS）：）：讀出噪聲小，目前已讀出噪聲小，目前已達(dá)到達(dá)到5 5個均方根電子。個均方根電子。用于高性能科學(xué)成像用于高性能科學(xué)成像和低光照成像。和低光照成像。二二.CMOS.CMOS攝像機(jī)的應(yīng)用攝像機(jī)的應(yīng)用 由于由于CMOSCMOS攝像機(jī)節(jié)能、高度集成、成本低攝像機(jī)節(jié)能、高度集成、成本低等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使CMOSCMOS攝像機(jī)具有很多應(yīng)用領(lǐng)域攝像機(jī)具有很多應(yīng)用領(lǐng)域: :移動通信移動通信:與手機(jī)集成與手機(jī)集成,成為移動可視電話成為移動可視電話；視頻通信視頻通信: :視頻聊天視頻聊天、可視電話可視電話、視頻會議；視頻會議；保安監(jiān)控保安監(jiān)控: :大量安裝的電子眼大量安裝的電子眼, ,且且CMOSCMOS攝攝 像機(jī)可做