CCD与CMOS图像传感器王庆有

CCD与CMOS图像传感器2008年6月王庆有天津市耀辉光电技术有限公司天津市开希机器视觉技术有限公司讲座的基点站在应用的角度看图像传感器如何选用图像传感器？如何用好图像传感器？是这次讲座的核心。一、光电图像传感器分类（一）图像信息分类方式1、图像的色彩信息2、图像的灰度（亮度）信息3、图像的尺寸信息4、图像的图形信息5、图像的综合信息（二）图像传感器分类1、线阵CCD传感器2、面阵CCD传感器3、CMOS图像传感器二、CCD基本原理简介CCD（ChargedCoupledDevice)—电荷耦合器件以电荷为信号两种基本类型：–表面沟道CCD（简称SCCD）–体沟道或埋沟道CCD（简称BCCD）1、电荷存储构成CCD的基本单元—MOS（金属-氧化物-半导体）结构氧化层金属栅电极GP型半导体耗尽区UGUth反型层表面势S与栅极电压UG的关系（P型硅杂质浓度NA=1021m-3，反型层电荷QINV=0)Uth=1.0V1.4V2.2V3.0V816026141012414121086420NA=1021m-3(S)min=2F(0.6V)S(V)UG(V)表面势S与反型层电荷密度QINS的关系14500001000200040003000121086420dOX=0.1mS(V)QINV(C/m2)dOX=0.2m2F势阱的概念0481216UG=5VUG=10VUG=15VUG10V10V空势阱填充1/3的势阱全满势阱MOS电容存储信号电荷的容量Q=COX•UG•A2、电荷耦合三相CCD中电荷的转移过程③2V①10V②2V③2V存有电荷的势阱③2V①10V②210V③2V新势阱三相CCD中电荷的转移过程③2V①10V②10V③2V三相CCD中电荷的转移过程③2V①102V②10V③2V电荷移动三相CCD中电荷的转移过程③2V①2V②10V③2V三相CCD中电荷的转移过程三相CCD中电荷的转移过程2V10V110V2V210V2V33、CCD电极的基本结构CCD电极基本结构转移电极结构转移沟道结构信号输入结构信号检测结构4、CCD电极的典型结构（1）三相交叠硅栅结构采用三层多晶硅的三相交叠栅结构（2）二相CCD的电极结构5、电荷的注入电荷的注入光注入ceoinAtqNQ6、电荷的检测7、CCD特性参数转移效率和转移损失率工作频率决定工作频率下限因素工作频率的上限i31fg31f8、线阵CCD器件工作原理线性CCD摄像器的两种基本形式单沟道线型CCD双沟道线阵CCD器件9、面阵CCD器件帧转移面阵CCD隔列转移型面阵CCD输出端21水平读出寄存器沟阻遮光的移出寄存器转移控制栅n+In+In+第一层多晶硅光控制栅第二层多晶硅寄存器栅极系统沟阻注入势垒垂直寄存器的1/2级（不透明）1816m1像敏单元1814m转移线转移方式10、CCD的光学传递特性三、面阵CCD图像传感器1、面阵CCD图像传感器的特性（1）光照特性图像传感器的重要应用是拍照或摄取景物图像，而景物图像的照度范围极大，通常要摄取1~100000lx，或更大的范围。为此，它必须采取非线性手段或采用自动调整积分时间、设置自动增益等措施。这些措施使适应大范围景物照度的需要确带来了灰度信息线性度的损失，使得测量目标灰度成为难题或失败。（2）光谱响应特性典型面阵CCD的光谱响应特性（3）时间响应特性面阵CCD的时间响应特性与面阵CCD的像元数量有关，一般来讲适用于监控系统的CCD摄像头的工作执行PAL工作制式，受PAL工作制式的约束，响应时间为帧周期40ms，而用于数码相机的像元在百万以上的CCD工作周期很长，与像元数及驱动频率等参数有关。必须强调指出，CCD的时间响应与曝光时间是两个概念，时间响应是CCD工作的周期，曝光时间完全可以不受工作周期的限制。四、CMOS传感器简介CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）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，它结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。1、CMOS传感器原理2、CMOS传感器特性（1）光照特性CMOS传感器的主要应用也是图像的采集，也要求能够适应更宽的光照范围。因此也必须采用非线性的处理方法和自动调整曝光时间与自动增益等处理方法。结果与CCD相机一样损失了光电转换的线性，正因为此项，它也受限于灰度的测量。（2）输出特性CMOS图像传感器的突出优点在于输出特性，它可以部分输出任意区域范围内的图像。（并非所有CMOS传感器都具有这个功能，如果生产厂家没有给您提供）这个特性在跟踪、寻的、搜索及室外拍照等的应用前景非常之好。也是CCD传感器所无法办到的。（3）光谱响应光谱响应受半导体材料限制，同种硅材料的光谱响应基本一致，与CCD的光谱响应基本一致。（4）光敏单元的不均匀性光敏单元的不均匀性是CMOS图像传感器的弱项，因为它的光敏单元不像CCD那样严格的在同一硅片上用同样的制造工艺严格制造，因此远不如CCD的光敏单元的一致性好，但是它内部集成单元多，处理能力强能够弥补这个缺陷。五、机器视觉工程1、机器视觉在几何量测量技术中的应用1.1物体外形尺寸的测量2003年10月电子工业出版社出版“图像传感器应用技术”12.1~6节1.2测边与对中1.3物体中心位置的测量1.4物体变形量的测量2、物体状态的测量技术物体位移量、运动状态、振动与加速度的测量3、光谱探测与物质成分的分析4、物面质量的检测与筛选5、色彩分析与色选技术6、图像分析与图像识别技术六、机器视觉人才的培养1、如何培养从事机器视觉工程的人才2、如何培养动手能力3、如何学会CCD光电图像传感器七、线阵CCD实验仪八、面阵CCD实验仪九、典型应用1、高速运动图像的快速采集2、与国外采集的图像图像比对谢谢各位领导、专家和光电事业的同行！