圖像傳感器詳解演示文稿

圖像傳感器詳解演示文稿當前1頁，總共69頁。優(yōu)選圖像傳感器當前2頁，總共69頁。CCD（ChargeCoupledDevice）圖像傳感器由CCD電荷耦合器件制成，是固態(tài)圖像傳感器的一種，是貝爾實驗室的和于1970年發(fā)明的新型半導體傳感器。它是在MOS集成電路基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能進行圖像信息光電轉(zhuǎn)換、存儲、延時和按順序傳送。它的集成度高、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、耐沖擊、壽命長、性能穩(wěn)定，因而被廣泛應(yīng)用。當前3頁，總共69頁。5.1.1CCD電荷耦合器件

CCD電荷耦合器件是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導體）電容器組成的陣列，其構(gòu)造如圖5-1所示。當前4頁，總共69頁。圖5-1CCD電荷耦合器件

當前5頁，總共69頁。

在P型或N型硅襯底上生長一層很薄（約1200A）的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅形成電極，稱為柵極。該柵極和P型或N型硅襯底形成了規(guī)則的MOS電容器陣列。加上兩端的輸入及輸出二極管構(gòu)成了CCD電荷耦合器件芯片。當前6頁，總共69頁。

每一個MOS電容器實際上就是一個光敏元件。當光照射到MOS電容器的P型硅襯底上時，會產(chǎn)生電子空穴對（光生電荷），電子被柵極吸引存儲在陷阱中。入射光強，則光生電荷多，入射光弱，則光生電荷少。無光照的MOS電容器則無光生電荷。當前7頁，總共69頁。

若停止光照，由于陷阱的作用，電荷在一定時間內(nèi)也不會消失，可實現(xiàn)對光照的記憶。

MOS電容器可以被設(shè)計成線陣或面陣。一維的線陣接收一條光線的照射。

二維的面陣接收一個平面的光線的照射。

CCD攝像機、照相機光電轉(zhuǎn)換如圖5-2所示。當前8頁，總共69頁。景物CCD面陣存儲顯示透鏡濾光片放大器圖5-2面陣MOS電容器的光電轉(zhuǎn)換

當前9頁，總共69頁。CCD電荷耦合器件的集成度很高，在一塊硅片上制造了緊密排列的許多MOS電容器光敏元件。線陣的光敏元件數(shù)目從256個到4096個或更多。面陣的光敏元件的數(shù)目可以是500×500個（25萬個），甚至2048×2048個（約400萬個）以上，現(xiàn)在已出現(xiàn)1200萬以上的面陣。當前10頁，總共69頁。

在CCD芯片上同時集成有掃描電路，它們能在外加時鐘脈沖的控制下，產(chǎn)生三相時序脈沖信號，

由左到右，由上到下，將存儲在整個面陣的光敏元件下面的電荷逐位、逐行快速地以串行模擬脈沖信號輸出。當前11頁，總共69頁。5.1.2CCD圖像傳感器

MOS電容器實質(zhì)上是一種光敏元件與移位寄存器合而為一的結(jié)構(gòu)，稱為光積蓄式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最簡單。但是因光生電荷的積蓄時間比轉(zhuǎn)移時間長得多，所以再生圖像往往產(chǎn)生“拖尾”，圖像容易模糊不清。另外，直接采用MOS電容器感光雖然有不少優(yōu)點，但它對藍光的透過率差，靈敏度低。當前12頁，總共69頁。

現(xiàn)在更多地在CCD圖像傳感器上使用的是：

光敏元件與移位寄存器分離式的結(jié)構(gòu)，如圖5-3所示。當前13頁，總共69頁。

(a)單讀示（b）雙讀示圖5-3光敏元件與移位寄存器分離式結(jié)構(gòu)

當前14頁，總共69頁。

采用光敏二極管陣列作為感光元件，在受到光照時，產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷。經(jīng)過電注入法將這些電荷引入CCD電容器陣列的陷阱中，成為用光敏二極管感光的CCD圖像傳感器。特點是靈敏度極高，在低照度下也能獲得清晰的圖像，在強光下也不會燒傷感光面。

CCD電容器陣列只起移位寄存器作用。當前15頁，總共69頁。圖5-4為分離式的2048位MOS電容器線陣CCD電荷耦合器件示意圖。當前16頁，總共69頁。模擬信號傳輸移位寄存器

奇數(shù)傳輸門

偶數(shù)傳輸門

模擬信號傳輸移位寄存器視頻信號放大器視頻輸出信號GND時鐘信號+Ucc

20482047光電元件陣列21圖5-4分離式2048位線陣CCD內(nèi)部框圖

當前17頁，總共69頁。

圖5-4中移位寄存器被分別配置在光敏元件線陣的兩側(cè)，奇、偶數(shù)號位的光敏元件分別與兩側(cè)的移位寄存器的相應(yīng)小單元對應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)為雙讀式結(jié)構(gòu)，它與長度相同的分離式相比較，可以獲得高出兩倍的分辨率。當前18頁，總共69頁。

因為CCD移位寄存器的級數(shù)僅為光敏單元數(shù)的一半，可以使CCD特有的電荷轉(zhuǎn)移損失大為減少，較好地解決了因轉(zhuǎn)移損失造成的分辨率降低的問題。面陣固態(tài)圖像傳感器由雙讀式結(jié)構(gòu)線陣構(gòu)成，它有多種類型。常見的有行轉(zhuǎn)移（LT）、幀轉(zhuǎn)移（FT）和行間轉(zhuǎn)移（ILT）方式。當前19頁，總共69頁。5.1.3CCD圖像傳感器的應(yīng)用

CCD電荷耦合器件單位面積光敏元件位數(shù)很多、一個光敏元件形成一個像素，成像分辨率高、信噪比大、動態(tài)范圍大，可以在微光下工作。彩色圖像傳感器采用三個光敏二極管組成一個像素的方法。當前20頁，總共69頁。

被測景物的圖像的每一個光點由彩色矩陣濾光片分解為紅、綠、藍三個光點，

分別照射到每一個像素的三個光敏二極管上，

各自產(chǎn)生的光生電荷分別代表該像素的紅、綠、藍三個光點的亮度。經(jīng)輸出和傳輸后，可在顯示器上重新組合，顯示出每一個像素的原始彩色。當前21頁，總共69頁。

固態(tài)圖像傳感器輸出信號特點：(1)與光像位置對應(yīng)的時間先后性，即能輸出時間系列信號；(2)串行的各個脈沖可以表示不同信號，即能輸出模擬信號；(3)能夠精確反映焦點面信息，即能輸出焦點面信號。當前22頁，總共69頁。

將不同的光源或光學透鏡、光導纖維、濾光片及反射鏡等光學元件靈活地與這三個特點組合，

可以獲得固態(tài)圖象傳感器的各個用途。

如圖5-5所示。當前23頁，總共69頁。

中介物

模擬信號

時間系列信號焦點面信號1234色濃淡位置形狀距離

可測對象固態(tài)圖象傳感器的輸出特點

圖5-5固態(tài)圖象傳感器的用途1—濾光片；2—光導纖維；3—平行光；4—透鏡當前24頁，總共69頁。(1)組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷等；(2)作為光學信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)。例如：用于傳真技術(shù)、光學文字識別技術(shù)以及圖象識別技術(shù)、傳真、攝像等方面；當前25頁，總共69頁。(3)作自動流水線裝置中的敏感器件。

例如：可用于機床、自動售貨機、自動搬運車以及自動監(jiān)視裝置等方面；(4)作為機器人的視覺，監(jiān)控機器人的運行。當前26頁，總共69頁。5.2CMOS圖像傳感器當前27頁，總共69頁。CMOS圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的互補型金屬—氧化物—半導體場效應(yīng)管（MOSFET）組成的陣列。當前28頁，總共69頁。5.2.1CMOS型光電轉(zhuǎn)換器件以E型NMOS場效應(yīng)管V1作為共源放大管，

以E型PMOS場效應(yīng)管V2、V3構(gòu)成的鏡像電流源作為有源負載。

構(gòu)成了CMOS型放大器。當前29頁，總共69頁。圖5-6CMOS型放大器當前30頁，總共69頁。由圖5-6可見，CMOS型放大器是由NMOS場效應(yīng)管和PMOS場效應(yīng)管組合而成的互補放大電路，CMOS就叫互補型金屬氧化物半導體。當前31頁，總共69頁。CMOS型光電變換器件原理如圖5-7所示。與CMOS型放大器源極相連的P型半導體襯底充當光電變換器的感光部分。當CMOS型放大器的柵源電壓uGS=0時，CMOS型放大器處于關(guān)閉狀態(tài)，即iD=0。當前32頁，總共69頁。圖5-7CMOS型光電變換器件當前33頁，總共69頁。CMOS型放大器的P型襯底受光信號照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷，

可見CMOS型光電變換器件同樣有存儲電荷的功能。當積蓄過程結(jié)束，柵源之間加上開啟電壓時，源極通過漏極負載電阻對外接電容充電形成電流。

即為光信號轉(zhuǎn)換為電信號的輸出。當前34頁，總共69頁。5.2.2CMOS圖像傳感器利用CMOS型光電變換器件可以做成CMOS圖像傳感器。由CMOS襯底直接受光信號照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷的方式不大采用?，F(xiàn)在更多地在CMOS圖像傳感器上使用的是：光敏元件與CMOS型放大器分離式的結(jié)構(gòu)。當前35頁，總共69頁。圖5-8CMOS線型圖像傳感器構(gòu)成當前36頁，總共69頁。

由圖5－8可見，CMOS線型圖像傳感器由光敏二極管和CMOS型放大器陣列以及掃描電路集成在一塊芯片上制成。一個光敏二極管和一個CMOS型放大器組成一個像素。

光敏二極管陣列在受到光照時，便產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷。當前37頁，總共69頁。

掃描電路以時鐘脈沖的時間間隔輪流給CMOS型放大器陣列的各個柵極加上電壓，CMOS型放大器輪流進入放大狀態(tài)，將光敏二極管陣列產(chǎn)生的光生電荷放大輸出。當前38頁，總共69頁。CMOS面型圖像傳感器則是由光敏二極管和CMOS型放大器組成的二維像素矩陣，分別設(shè)有X－Y水平與垂直選址掃描電路。當前39頁，總共69頁。水平與垂直選址掃描電路發(fā)出的掃描脈沖電壓。

由左到右，由上到下進行掃描，分別使各個像素的CMOS型放大器處于放大狀態(tài)。二維像素矩陣面上各個像素的光敏二極管光生和積蓄的電荷依次放大輸出。當前40頁，總共69頁。5.2.3CMOS圖像傳感器的應(yīng)用

CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器一樣，可用于自動控制、自動測量、攝影攝像、圖像識別等各個領(lǐng)域。

CMOS針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電。

CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右。當前41頁，總共69頁。CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)噪點。因此，CMOS傳感器對光源的要求高一些，分辨率也沒有CCD傳感器高。。當前42頁，總共69頁。

新型背照式CMOS是將傳統(tǒng)CMOS表面的電子電路布線層移到感光面的背部。

使感光面前移接近微型透鏡，能獲得約兩倍于傳統(tǒng)正照式CMOS的光通量。

從而使CMOS傳感器可在低光照環(huán)境下、夜視環(huán)境下使用，低光照對焦能力也大大提高。當前43頁，總共69頁。5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實例當前44頁，總共69頁。5.3.1月票自動發(fā)售機用CCD圖像傳感器可以做成月票自動發(fā)售機，其結(jié)構(gòu)如圖5-9所示。顧客按照固定的格式填寫好申請單，送入月票自動發(fā)售機。在傳送的過程中，CCD線型圖像傳感器將申請單以圖像的方式轉(zhuǎn)換為電信號，放大后送自動謄寫機，打印出月票。當前45頁，總共69頁。顧客申請單光源CCD線型圖像傳感器放大器自動謄寫機紙打印機月票鏡頭圖5-9月票自動發(fā)售機結(jié)構(gòu)組成當前46頁，總共69頁。5.3.2數(shù)字攝像機現(xiàn)在市場上數(shù)字攝像機的品種已經(jīng)很多了，它大多是用CCD彩色圖像傳感器做成的，

可以是線型圖像傳感器，也可以是面型圖像傳感器。

其基本結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。當前47頁，總共69頁。景物CCD彩色圖像傳感器掃描電路放大器A/D轉(zhuǎn)換器壓縮編碼電動機磁帶存儲卡鏡頭分色鏡圖5-10數(shù)字攝像機基本結(jié)構(gòu)RGB當前48頁，總共69頁。

對變化的外界景物連續(xù)拍攝圖片，只要拍攝速度超過24幅／秒，則按同樣的速度播放這些圖片，可以重現(xiàn)變化的外界景物，

這是利用了人的眼睛的視覺暫留原理。

CCD彩色圖像傳感器在掃描電路的控制下，可將變化的外界景物以25幅／秒圖像的速度轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號輸出。當前49頁，總共69頁。5.3.3數(shù)碼相機數(shù)碼相機拍攝的是靜止圖像。數(shù)碼相機的基本結(jié)構(gòu)如圖5-11所示。

數(shù)碼相機的工作過程為1.打開數(shù)碼相機電源開關(guān)，主控CPU開始檢查相機的各部件是否處于可工作狀態(tài)。如有故障，則在顯示屏上顯示故障信息。當前50頁，總共69頁。圖5-11數(shù)碼相機基本結(jié)構(gòu)當前51頁，總共69頁。2.若一切正常，則打開取景器電路，讓外界景物通過鏡頭照射到CCD彩色圖像傳感器上，轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號輸出，經(jīng)放大和A／D轉(zhuǎn)換后，送液晶顯示器顯示。

當感覺滿意的圖像出現(xiàn)時，半按快門，主控CPU開始計算對焦距離，快門速度和光圈大小，由ASIC集成電路發(fā)出信號給取景器電路進行自動聚焦和快門、光圈調(diào)整。當前52頁，總共69頁。3.全按下快門，ASIC集成電路發(fā)出信號給取景器電路進行信號鎖定.CCD彩色圖像傳感器將景物圖像轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號輸出，經(jīng)放大和A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)ASIC集成電路壓縮后，存儲在PCMCIA卡上。當前53頁，總共69頁。4.存儲卡上的圖像數(shù)據(jù)可送微型計算機顯示和保存。

壓縮的數(shù)字圖像信號也可由串行口直接送微型計算機顯示和保存。5.按下查看鍵，將存儲卡上的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)ASIC集成電路解壓縮，送液晶顯示器顯示，供回放查看。當前54頁，總共69頁。

高端數(shù)碼相機采用2／3英寸CCD芯片830萬像素（有效像素為3,264×2,448），可輸出300dpi（每英寸點數(shù)）的10.88英寸×8.16英寸幅面的相片，對一般照相而言，清晰度已足夠。

現(xiàn)在已有1200萬以上像素的數(shù)碼相機，使用CCD攝像頭或背照式CMOS攝像頭，相片清晰度很高，但存儲數(shù)據(jù)量太大。當前55頁，總共69頁。5.3.4平板電腦和手機攝像頭

平板電腦和手機大多有兩個攝像頭，一個在前面，與液晶屏幕同一方向，用于上網(wǎng)視頻聊天和視頻通話，也可以進行拍照片；另一個在背面用于拍照片。

一般都采用CMOS彩色圖像傳感器。前面的攝像頭的像素一般為120萬～200萬。背面的攝像頭的像素為500萬～800萬，采用背照式CMOS攝像頭。

點擊功能鍵的攝像和照相菜單，進行攝像和拍照。當前56頁，總共69頁。圖5-12平板電腦和手機拍照和攝像模組框圖當前57頁，總共69頁。被攝景物通過鏡頭照射到CMOS彩色圖像傳感器上，CMOS圖像傳感器將圖像轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換，送液晶顯示屏顯示。按下拍照鍵，即將液晶顯示屏上選定的景物的數(shù)字圖像信號，經(jīng)DSP數(shù)字信號處理器壓縮后送入存儲器存儲，即完成了該景物的拍照。當前58頁，總共69頁。

若是攝像，則會將液晶顯示屏上選定的景物的數(shù)字圖像信號，以每秒25幀（張）的速度送DSP數(shù)字信號處理器進行壓縮，壓縮后的數(shù)字圖像信號送入存儲器存儲。

點擊發(fā)送菜單，可將照片或攝像的壓縮數(shù)字圖像信號送基帶數(shù)字信號處理電路，與語音基帶信號混合，再由RF射頻信號處理器（3G或WIFI網(wǎng)卡）調(diào)制到射頻信號上，由天線向空中發(fā)送。當前59頁，總共69頁。空間信號經(jīng)移動通信3G網(wǎng)或WIFI無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備接收后，進入Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄Ψ绞謾C或平板電腦（經(jīng)3G或WIFI）。WIFI（WirelessFidelity）為無線保真技術(shù)，又稱IEEE．802.11b標準。WIFI網(wǎng)速最高達11Mb/s，可自動調(diào)整為5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s。

載波頻率為2.4GHz，發(fā)射功率不超過100毫瓦，傳輸距離可達150m～300m。當前60頁，總共69頁。WIFI是由AP(AccessPoint)和無線網(wǎng)卡組成的無線網(wǎng)絡(luò)。AP一般稱為網(wǎng)絡(luò)橋接器，無線網(wǎng)卡是負責接收由AP所發(fā)射信號的CLIENT（客戶）端設(shè)備。廠商只要在辦公室、機場、車站、咖啡店、圖書館等人員較密集的地方設(shè)置AP，并通過高速線路（寬帶）接入Internet網(wǎng)絡(luò)。配有無線網(wǎng)卡的筆記本電腦或平板電腦拿到該區(qū)域內(nèi)，均可上網(wǎng)分享Internet網(wǎng)絡(luò)資源。當前61頁，總共69頁。5.3.5外置計算機攝像頭

為了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目旖荩@種攝像頭一