固態(tài)成像器件原理及應(yīng)用第一講-緒論

1、202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第1 1 1頁頁頁固態(tài)成像器件原理及應(yīng)用固態(tài)成像器件原理及應(yīng)用長春理工大學長春理工大學劉智劉智2008年年10月月10日日202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第2 2 2頁頁頁主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、課程簡介一、課程簡介 二、主要內(nèi)容二、主要內(nèi)容三、緒論三、緒論四、小結(jié)四、小結(jié)五、作業(yè)五、作業(yè)202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第3 3 3頁頁頁一、課程簡介一、課程簡介 本課程將對固態(tài)圖像傳感器的發(fā)展歷史進行本課程將對固態(tài)圖像傳感器的發(fā)展歷史進行簡要的了解，掌握圖像傳

2、感器的基本概念，簡要的了解，掌握圖像傳感器的基本概念，種類及其應(yīng)用方式；種類及其應(yīng)用方式； 成像系統(tǒng)相關(guān)知識介紹；成像系統(tǒng)相關(guān)知識介紹； 圖像傳感器簡要介紹：種類，性能參數(shù)等；圖像傳感器簡要介紹：種類，性能參數(shù)等； 理解固態(tài)成像器件的主要成員：理解固態(tài)成像器件的主要成員：CCD和和CMOS圖像傳感器的工作原理和應(yīng)用方法；圖像傳感器的工作原理和應(yīng)用方法； 在上述基礎(chǔ)上，了解基于固態(tài)成像器件的圖在上述基礎(chǔ)上，了解基于固態(tài)成像器件的圖像應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建方法。像應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建方法。 202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第4 4 4頁頁頁參考文獻參考文獻 米本和也著米本和也

3、著. CCD/CMOS圖像傳感器基礎(chǔ)圖像傳感器基礎(chǔ)與應(yīng)用與應(yīng)用. 科學出版社科學出版社. 2007年年 從從CCD圖像傳感器的基本工作原理出發(fā)，圖像傳感器的基本工作原理出發(fā)，利用豐富的插圖，簡明易懂地介紹利用豐富的插圖，簡明易懂地介紹CCD圖圖像傳感器的各種構(gòu)造及工作方式，各種特像傳感器的各種構(gòu)造及工作方式，各種特性和應(yīng)用技術(shù)等。另外，也對隨著片上系性和應(yīng)用技術(shù)等。另外，也對隨著片上系統(tǒng)的研發(fā)成功在廣泛領(lǐng)域期待應(yīng)用的統(tǒng)的研發(fā)成功在廣泛領(lǐng)域期待應(yīng)用的CMOS圖像傳感器，如特征與技術(shù)、片上圖像傳感器，如特征與技術(shù)、片上系統(tǒng)等進行詳細介紹。系統(tǒng)等進行詳細介紹。202220222022年年年5 5 5

4、月月月5 5 5日日日 第第第5 5 5頁頁頁參考文獻參考文獻 王慶有著王慶有著. 圖像傳感器應(yīng)用技圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)術(shù).電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社. 2003年年 從應(yīng)用的角度講述從應(yīng)用的角度講述CCD,CMOS半導體圖像傳感半導體圖像傳感器和熱像圖像傳感器等的基器和熱像圖像傳感器等的基本工作原理，基本特性與特本工作原理，基本特性與特性參數(shù)；典型圖像傳感器的性參數(shù)；典型圖像傳感器的驅(qū)動方式及其與計算機的接驅(qū)動方式及其與計算機的接口方法；典型光源、光學系口方法；典型光源、光學系統(tǒng)的基本概念與計算方法等。統(tǒng)的基本概念與計算方法等。 最后列舉了一些典型的應(yīng)用最后列舉了一些典型的應(yīng)用實例。實例。2

5、02220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第6 6 6頁頁頁二、課程主要內(nèi)容二、課程主要內(nèi)容圖像與圖像傳感器的歷史與現(xiàn)狀圖像與圖像傳感器的歷史與現(xiàn)狀圖像傳感器技術(shù)簡介圖像傳感器技術(shù)簡介成像系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)成像系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)固態(tài)圖像傳感器原理和特性固態(tài)圖像傳感器原理和特性固態(tài)圖像傳感器的應(yīng)用固態(tài)圖像傳感器的應(yīng)用202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第7 7 7頁頁頁三、緒論三、緒論 圖像及其重要作用圖像及其重要作用 圖像的獲得圖像的獲得 圖像傳感器的定義圖像傳感器的定義 圖像傳感器的起源圖像傳感器的起源 圖像傳感器發(fā)展歷史圖像傳感器發(fā)展歷史 圖像傳

6、感器的發(fā)展現(xiàn)狀圖像傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 圖像傳感器的主要用途圖像傳感器的主要用途 什么是固態(tài)圖像傳感器？什么是固態(tài)圖像傳感器？ 參考文獻參考文獻 作業(yè)作業(yè)202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第8 8 8頁頁頁圖像及其重要作用圖像及其重要作用這些由星際塵埃及這些由星際塵埃及氣體組成的云氣，氣體組成的云氣，如同纖柔嬌貴的宇如同纖柔嬌貴的宇宙花瓣，遠遠地盛宙花瓣，遠遠地盛開在開在1300光年遠的光年遠的仙王座恒星豐產(chǎn)區(qū)。仙王座恒星豐產(chǎn)區(qū)。有時它被稱為彩虹有時它被稱為彩虹星云，有時人們又星云，有時人們又叫她艾麗斯星云，叫她艾麗斯星云，而被編入目錄的則而被編入目錄的則是是NG

7、C 7023。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第9 9 9頁頁頁雄偉的螺雄偉的螺線星系線星系NGC 4414。距。距離地球大離地球大約約60萬光萬光年。年。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第101010頁頁頁三裂星云位三裂星云位于黃道星座于黃道星座之一的人馬之一的人馬座座(射手座射手座)內(nèi)，內(nèi)，也常被稱為也常被稱為M20。星云內(nèi)。星云內(nèi)的恒星誕生的恒星誕生過程，不僅過程，不僅產(chǎn)生了五彩產(chǎn)生了五彩繽紛的色彩，繽紛的色彩，也造成紛擾也造成紛擾混亂的景象?；靵y的景象。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日

8、 第第第111111頁頁頁 http:/ 5 5月月月5 5 5日日日 第第第121212頁頁頁202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第131313頁頁頁圖像及其重要作用圖像及其重要作用 紅外圖像紅外相機獲得的圖像紅外圖像紅外相機獲得的圖像202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第141414頁頁頁202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第151515頁頁頁圖像及其重要作用圖像及其重要作用圖像可見圖像光學圖像數(shù)學圖像不可見的物理圖像圖片連續(xù)函數(shù)離散函數(shù)照片畫片物體圖像： 一個物體或事物的形象化描述1圖像是物體

9、集合的一個子集202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第161616頁頁頁圖像及其重要作用圖像及其重要作用 人類獲取的信息中超過人類獲取的信息中超過70%是圖像信息；是圖像信息； 獲取圖像信息是人類文明生存和發(fā)展的基獲取圖像信息是人類文明生存和發(fā)展的基本需要，也是獲取信息最方便和最快捷的本需要，也是獲取信息最方便和最快捷的手段；手段； 為了盡可能地獲得不同光譜段，不同環(huán)境為了盡可能地獲得不同光譜段，不同環(huán)境下清晰，亮度、對比度較好的圖片，需要下清晰，亮度、對比度較好的圖片，需要有高質(zhì)量的圖像傳感器和圖像采集系統(tǒng)。有高質(zhì)量的圖像傳感器和圖像采集系統(tǒng)。202220222

10、022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第171717頁頁頁圖像的獲取圖像的獲取202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第181818頁頁頁圖像的獲取圖像的獲取202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第191919頁頁頁202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第202020頁頁頁圖像的獲取圖像的獲取 哈勃空間望遠鏡（哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope，縮寫，縮寫為為HST），是以天文學家愛德溫），是以天文學家愛德溫哈勃（哈勃（Edwin Powell Hubble）為名，在軌

11、道上環(huán)繞著地球的望）為名，在軌道上環(huán)繞著地球的望遠鏡。它的位置在地球的大氣層之上，因此獲得遠鏡。它的位置在地球的大氣層之上，因此獲得了地基望遠鏡所沒有的好處了地基望遠鏡所沒有的好處-影像不會受到大氣湍影像不會受到大氣湍流的擾動的影響。流的擾動的影響。 1990年發(fā)射之后，已經(jīng)成為天文史上最重要的儀年發(fā)射之后，已經(jīng)成為天文史上最重要的儀器。它已經(jīng)填補了地面觀測的缺口，幫助天文學器。它已經(jīng)填補了地面觀測的缺口，幫助天文學家解決了許多根本上的問題，對天文物理有更多家解決了許多根本上的問題，對天文物理有更多的認識，哈勃的使天文學家能夠獲得的最深入的認識，哈勃的使天文學家能夠獲得的最深入（最敏銳的）的光

12、學影像。（最敏銳的）的光學影像。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第212121頁頁頁202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第222222頁頁頁圖像的獲取圖像的獲取圖像傳感器靶面圖像傳感器靶面靶面：圖像傳感器的光敏面靶面：圖像傳感器的光敏面放在光學系統(tǒng)的像面放在光學系統(tǒng)的像面UV202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第232323頁頁頁圖像的獲取圖像的獲取202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第242424頁頁頁物體(信號源)傳輸介質(zhì)光學系統(tǒng)(信號分析器)光電攝像器件(信

13、號變換器)顯示器人眼光源光信號光信號光信號信號信號背景噪聲背景噪聲噪聲噪聲其中光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心。其中光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心。 圖像的獲取圖像的獲取202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第252525頁頁頁圖像傳感器的定義圖像傳感器的定義 圖像傳感器是一種光電變換器件，它將傳感圖像傳感器是一種光電變換器件，它將傳感器感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例器感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的關(guān)系的“圖像圖像”電信號；電信號； 按照工作方式，可分為直視型光電成像器件，按照工作方式，可分為直視型光電成像器件，非直視型光電成像器件；非直視型光

14、電成像器件； 按照成像光譜分布，可分為紅外、可見光、按照成像光譜分布，可分為紅外、可見光、紫外、紫外、X射線、亞毫米波等非可見輻射探測射線、亞毫米波等非可見輻射探測用圖像傳感器；用圖像傳感器； 按照發(fā)展歷史和制造工藝，可分為電真空器按照發(fā)展歷史和制造工藝，可分為電真空器件、固態(tài)成像器件。件、固態(tài)成像器件。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第262626頁頁頁圖像傳感器的起源及發(fā)展圖像傳感器的起源及發(fā)展 1873年，光電導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（史密斯）年，光電導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（史密斯） 1900年，光的量子屬性被發(fā)現(xiàn)（普朗克）年，光的量子屬性被發(fā)現(xiàn)（普朗克） 1916年，量子

15、理論的完善（愛因斯坦），揭示了內(nèi)光電效年，量子理論的完善（愛因斯坦），揭示了內(nèi)光電效應(yīng)的本質(zhì)；應(yīng)的本質(zhì)； 1887年，發(fā)現(xiàn)紫外輻射對放電過程的影響（赫茲）年，發(fā)現(xiàn)紫外輻射對放電過程的影響（赫茲） 20世紀初光電發(fā)射基本定律的建立（斯托列托夫，愛因斯世紀初光電發(fā)射基本定律的建立（斯托列托夫，愛因斯坦，勒納）坦，勒納） 1923年，光電攝像管（年，光電攝像管（iconoscope）誕生（）誕生（Zworykin） 1929年，紅外變像管（科勒）年，紅外變像管（科勒） 19361963年，像增強器（格列胥，薩默，西蒙，伊文思）年，像增強器（格列胥，薩默，西蒙，伊文思）202220222022年年年5

16、 5 5月月月5 5 5日日日 第第第272727頁頁頁圖像傳感器發(fā)展歷史圖像傳感器發(fā)展歷史 1923年，真空光電攝像管年，真空光電攝像管202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第282828頁頁頁圖像傳感器發(fā)展歷史圖像傳感器發(fā)展歷史202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第292929頁頁頁圖像傳感器發(fā)展歷史圖像傳感器發(fā)展歷史202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第303030頁頁頁圖像傳感器發(fā)展歷史圖像傳感器發(fā)展歷史 1936年，像增強器年，像增強器202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5

17、日日日 第第第313131頁頁頁圖像傳感器發(fā)展歷史圖像傳感器發(fā)展歷史像增強器獲得的圖像202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第323232頁頁頁圖像傳感器發(fā)展歷史圖像傳感器發(fā)展歷史紫外變像管紫外變像管202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第333333頁頁頁圖像傳感器的主要用途圖像傳感器的主要用途 工業(yè)檢測工業(yè)檢測 安防監(jiān)控安防監(jiān)控 成像偵察成像偵察 玩具玩具202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第343434頁頁頁什么是固態(tài)圖像傳感器什么是固態(tài)圖像傳感器 固態(tài)圖像傳感器是指在同一半導體襯底上固態(tài)圖像傳感

18、器是指在同一半導體襯底上布設(shè)的若干光敏單元和移位寄存器構(gòu)成的布設(shè)的若干光敏單元和移位寄存器構(gòu)成的集成化、功能化的光電器件。集成化、功能化的光電器件。 固態(tài)圖像傳感器是利用光電器件的光固態(tài)圖像傳感器是利用光電器件的光電電轉(zhuǎn)換功能，將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)換功能，將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的光像成相應(yīng)比例關(guān)系的“圖像圖像”電信號的電信號的一種功能器件。即利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)一種功能器件。即利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學圖像轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學圖像轉(zhuǎn)換成換成“圖像圖像”電信號。電信號。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日

19、 第第第353535頁頁頁什么是固態(tài)圖像傳感器什么是固態(tài)圖像傳感器 固態(tài)圖像傳感器的結(jié)構(gòu)有線列陣和面列陣兩固態(tài)圖像傳感器的結(jié)構(gòu)有線列陣和面列陣兩種形式，它將光強的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強種形式，它將光強的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強成比例的大小不等的電荷包空間分布；成比例的大小不等的電荷包空間分布； 與光強成比例的大小不等的電荷包通過移位與光強成比例的大小不等的電荷包通過移位寄存器形成一系列幅值不等的時序脈沖序列寄存器形成一系列幅值不等的時序脈沖序列輸出。輸出。202220222022年年年5 5 5月月月5 5 5日日日 第第第363636頁頁頁什么是固態(tài)圖像傳感器什么是固態(tài)圖像傳感器 固態(tài)圖像傳感器具有體積小、重量輕、析固態(tài)圖像傳感器具有體積小、重量輕、析像度高、功耗低和低電壓驅(qū)動等優(yōu)點。像度高、功耗低和低電壓驅(qū)動等優(yōu)點。 目前已廣泛應(yīng)用于圖像處理、電視、自動目前已廣泛應(yīng)用于圖像處理、電視、自動控制、自動測量、資源普查、成像偵查和控制、自動測量、資源普查