《CCD圖像傳感器》PPT課件

《《CCD圖像傳感器》PPT課件》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《CCD圖像傳感器》PPT課件（51頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、圖 像 傳 感 器 成 像 系 統(tǒng) 組 成UV/white epi illuminationUV/white transilluminationSampleCCD CameraLensFilters UV/white Epiillumination LaserSample Scan headFilterPMT CCD簡 介 ：l CCD， 英 文 全 稱 ： Charge-coupled Device， 中 文 全 稱 ： 電 荷 耦 合 元 件 。 可以 稱 為 CCD圖 像 傳 感 器 。l CCD是 一 種 半 導 體 器 件 ， 能 夠 把 光 學 影像 轉(zhuǎn) 化 為 數(shù) 字 信 號 。

2、 CCD上 植 入 的 微 小光 敏 物 質(zhì) 稱 作 像 素 （ Pixel） 。 一 塊 CCD上 包 含 的 像 素 數(shù) 越 多 ， 其 提 供 的 畫 面 分辨 率 也 就 越 高 。 CCD的 作 用 就 像 膠 片 一樣 ， 但 它 是 把 圖 像 像 素 轉(zhuǎn) 換 成 數(shù) 字 信 號 。CCD上 有 許 多 排 列 整 齊 的 電 容 (MIS 結(jié)構(gòu) )， 能 感 應 光 線 ， 并 將 影 像 轉(zhuǎn) 變 成 數(shù) 字信 號 。 經(jīng) 由 外 部 電 路 的 控 制 ， 每 個 小 電容 能 將 其 所 帶 的 電 荷 轉(zhuǎn) 給 它 相 鄰 的 電 容 。 1 前 照 明 光 輸 入 1 背

3、 照 明 光 輸 入2 電 荷 生 成3 電 荷 收 集4 電 荷 轉(zhuǎn) 移 5 電 荷 測 量視 頻 輸 出 線 性 CCD和 矩 陣 性 CCDl線 性 CCD用 于 高 分 辨 率 的 靜 態(tài) 照 相 機 ， 它每 次 只 拍 攝 圖 象 的 一 條 線 ， 這 與 平 板 掃 描儀 掃 描 照 片 的 方 法 相 同 。 這 種 CCD精 度 高 ，速 度 慢 ， 無 法 用 來 拍 攝 移 動 的 物 體 ， 也 無法 使 用 閃 光 燈 。l矩 陣 式 CCD因 為 不 是 同 點 合 成 ， 其 中 包 含著 數(shù) 學 計 算 ， 因 此 這 種 CCD最 大 的 缺 陷 是所 產(chǎn)

4、生 的 圖 象 總 是 無 法 達 到 如 刀 刻 般 的 銳利 。 CCD結(jié) 構(gòu)感 光 二 極 管 （ Photodiode）并 行 信 號 寄 存 器 （ Shift Register）-用 于 暫 時 儲 存 感 光 后 產(chǎn) 生 的 電 荷串 行 信 號 寄 存 器 （ Transfer Register）-用 于 暫 時 儲 存 并 行 積 存 器 的 模 擬 信 號并 將 電 荷 轉(zhuǎn) 移 放 大信 號 放 大 器 -用 于 放 大 微 弱 電 信 號數(shù) 摸 轉(zhuǎn) 換 器 -將 放 大 的 電 信 號 轉(zhuǎn) 換 成 數(shù) 字 信 號 CCD結(jié) 構(gòu) CCD的 MIS結(jié) 構(gòu) 及 存 儲 電 荷

5、原 理 l當 有 1束 光 線 投 射 到MOS電 容 器 上 時 ， 光 子穿 過 透 明 電 極 及 氧 化 層 ，進 入 P型 Si襯 底 ， 襯 底 中處 于 價 帶 的 電 子 將 吸 收光 子 的 能 量 而 躍 入 導 帶 。光 子 進 入 襯 底 時 產(chǎn) 生 的電 子 躍 遷 形 成 電 子 空穴 對 ， 電 子 空 穴 對 在外 加 電 場 的 作 用 下 ， 分別 向 電 極 的 兩 端 移 動 ，這 就 是 信 號 電 荷 。 這 些信 號 電 荷 儲 存 在 由 電 極形 成 的 “ 勢 阱 ” 中 。 l 在 接 受 光 照 之 后 ， 感 光 元 件 產(chǎn) 生 對 應

6、 的 電 流 ， 電 流 大 小 與光 強 對 應 ， 因 此 感 光 元 件 直 接 輸 出 的 電 信 號 是 模 擬 的 。 在CCD傳 感 器 中 ， 每 一 個 感 光 元 件 都 不 對 此 作 進 一 步 的 處 理 ，而 是 將 它 直 接 輸 出 到 下 一 個 感 光 元 件 的 存 儲 單 元 ， 結(jié) 合 該元 件 生 成 的 模 擬 信 號 后 再 輸 出 給 第 三 個 感 光 元 件 ， 依 次 類推 ， 直 到 結(jié) 合 最 后 一 個 感 光 元 件 的 信 號 才 能 形 成 統(tǒng) 一 的 輸出 。 由 于 感 光 元 件 生 成 的 電 信 號 實 在 太 微

7、弱 了 ， 無 法 直 接進 行 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 工 作 ， 因 此 這 些 輸 出 數(shù) 據(jù) 必 須 做 統(tǒng) 一 的 放 大處 理 這 項 任 務 是 由 CCD傳 感 器 中 的 放 大 器 專 門 負 責 ， 經(jīng)放 大 器 處 理 之 后 ， 每 個 像 點 的 電 信 號 強 度 都 獲 得 同 樣 幅 度的 增 大 ； 但 由 于 CCD本 身 無 法 將 模 擬 信 號 直 接 轉(zhuǎn) 換 為 數(shù) 字信 號 ， 因 此 還 需 要 一 個 專 門 的 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 芯 片 進 行 處 理 ， 最終 以 二 進 制 數(shù) 字 圖 像 矩 陣 的 形 式 輸 出 給 專 門 的 DSP處 理

8、 芯片 。l CMOS傳 感 器 中 每 一 個 感 光 元 件 都 直 接 整 合 了 放 大 器 和 模數(shù) 轉(zhuǎn) 換 邏 輯 ， 當 感 光 二 極 管 接 受 光 照 、 產(chǎn) 生 模 擬 的 電 信 號之 后 ， 電 信 號 首 先 被 該 感 光 元 件 中 的 放 大 器 放 大 ， 然 后 直接 轉(zhuǎn) 換 成 對 應 的 數(shù) 字 信 號 。 l每 個 感 光 元 件 對 應圖 像 傳 感 器 中 的 一個 像 點 ， 由 于 感 光元 件 只 能 感 應 光 的強 度 ， 無 法 捕 獲 色彩 信 息 ， 因 此 彩 色CCD/CMOS圖 像 傳感 器 必 須 在 感 光 元件 上 方

9、 覆 蓋 彩 色 濾光 片 。 CCD象 素 合 成 最 常 用 的 做 法 是 覆 蓋 RGB紅 綠 藍 三 色 濾 光 片 ， 以 1：2： 1的 構(gòu) 成 由 四 個 像 點 構(gòu) 成 一 個 彩 色 像 素 （ 即 紅 藍濾 光 片 分 別 覆 蓋 一 個 像 點 ， 剩 下 的 兩 個 像 點 都 覆 蓋綠 色 濾 光 片 ） ， 采 取 這 種 比 例 的 原 因 是 人 眼 對 綠 色較 為 敏 感 。 CCD電 荷 耦 合 CCD電 荷 讀 出 電 荷 的 生 成l電 極 的 吸 收 和 硅 -二 氧化 硅 界 面 上 的 多 次 反射 而 引 起 某 些 波 長 的光 產(chǎn) 生 干

10、 涉 ， 出 現(xiàn) 明暗 條 紋 Super HAD CCD l1、 比 普 通 CCD多 了 一個 聚 光 透 鏡 ， 這 個 目的 是 增 加 采 光 量 l2、 增 大 感 光 點 的 受 光面 積 ， 這 可 以 增 強 物體 反 射 進 入 CCD像 素點 的 色 彩 和 亮 度 。 這樣 各 種 色 彩 被 CCD解吸 的 亮 度 就 更 強 ,其 結(jié)果 就 是 低 照 度 效 果 更好 了 ， 色 彩 更 鮮 艷 真實 了 l上 圖 左 圖 為 不 帶 摩 爾 效 應 的 原 始 圖 像 ， 中圖 為 出 現(xiàn) 摩 爾 效 應 的 圖 像 ， 右 圖 為 使 用OLPF后 的 效 果

11、 ， 可 以 看 出 使 用 OLPF后 雖然 去 除 了 摩 爾 效 應 ， 但 圖 像 清 晰 度 有 一 定的 下 降 Foveon X3 Sensors l我 們 之 前 提 到 ， 傳 統(tǒng) 傳 感 器 最 難 解 決 的 便 是 色 彩干 擾 ， 摩 爾 紋 成 為 嚴 重 影 響 照 片 品 質(zhì) 的 問 題 。 通常 的 解 決 辦 法 是 改 善 低 通 濾 波 鏡 的 效 果 。 但 是 即便 如 此 ， 也 無 法 改 變 由 于 增 加 低 通 濾 波 鏡 所 產(chǎn) 生的 銳 度 下 降 。 相 比 之 下 ， 使 用 X3傳 感 器 令 這 些 問題 迎 刃 而 解 。 C

12、MOS互 補 金 屬 氧 化 物 半 導 體 ） -核 心 元 件 ： 感 光 二 極 管（ Photodiode） -同 一 像 點 當 中 包 含 放 大 器 和數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 電 路 （ 一 個 感 光 二極 管 和 三 顆 晶 體 管 ） -開 口 率 底 （ 開 口 率 ： 有 效 感光 區(qū) 與 整 個 感 光 元 件 面 積 比值 ） -靈 敏 度 底 、 噪 聲 明 顯 -數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 無 法 保 證 嚴 格 一 致 CMOS傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 與 工 作 原 理 CMOS圖 像 傳 感 器 芯 片 結(jié) 構(gòu) 框 圖 CMOS圖 像 傳 感 器 像 素 陣 列 CCD 、 CMO

13、S傳 輸 方 式 CCD 和 CMOS 傳 感 器 lCCD與 CMOS傳 感 器 是 被 普 遍 采 用 的 兩 種 圖 像 傳感 器 ， 兩 者 都 是 利 用 感 光 二 極 管 (photodiode)進行 光 電 轉(zhuǎn) 換 ， 將 圖 像 轉(zhuǎn) 換 為 數(shù) 字 數(shù) 據(jù) ， 而 其 主 要差 異 是 數(shù) 字 數(shù) 據(jù) 傳 送 的 方 式 不 同 。 lCCD傳 感 器 中 每 一 行 中 每 一 個 象 素 的 電 荷 數(shù) 據(jù) 都會 依 次 傳 送 到 下 一 個 象 素 中 ， 由 最 底 端 部 分 輸 出 ，再 經(jīng) 由 傳 感 器 邊 緣 的 放 大 器 進 行 放 大 輸 出 ； 而

14、 在CMOS傳 感 器 中 ， 每 個 象 素 都 會 鄰 接 一 個 放 大 器及 A/D轉(zhuǎn) 換 電 路 ， 用 類 似 內(nèi) 存 電 路 的 方 式 將 數(shù) 據(jù)輸 出 。 光 電 轉(zhuǎn) 換 電 荷 收 集像 元 的 光 敏 區(qū) 電 荷 轉(zhuǎn) 移垂 直 和 水平 CCD 水 平 CCD后放 大 器電 荷 -電 壓轉(zhuǎn) 換 /放 大微 型 信 號 線電 壓 傳 遞CCD 圖 像 傳 感 器CMOS圖 像 傳 感 器像 元 內(nèi) 放大 器電 荷 -電 壓轉(zhuǎn) 換 /放 大CCD與 CMOS比 較 象 素 : 分 辨 率 指 屏 幕 上 象 素 的 數(shù) 目 ， 象 素 是 指 組 成 圖 像 的 最 小 單

15、位 ， 也 即 上 面 提 到 的 發(fā) 光 “ 點 ” 。 比 如 ， 640 480的 分 辨 率 是 說 在 水 平 方 向 上 有 640個 象 素 ， 在 垂 直 方 向 上 有 480個 象 素 。 lCCD傳 感 器 在 靈 敏 度 、分 辨 率 、 噪 聲 控 制 等方 面 都 優(yōu) 于 CMOS傳感 器l而 CMOS傳 感 器 則 具有 低 成 本 、 低 功 耗 、以 及 高 整 合 度 的 特 點 。 CCD采 光 方 式前 照 式 :光 從 正 面 照 射 芯 片 形成 電 荷背 照 式 :光 從 背 面 通 過 并 直 接 進入 二 極 管光 子 效 率 可 達 到 80

16、% 電 荷 的 生 成 理 想 情 況 下 ， 電 極 材 料 應 該 是 完 全 透 明 的 ， 實 際 上 這 些 材料 對 光 都 有 一 些 吸 收 和 反 射 。 如 多 晶 硅 電 極 對 短 波 光 有 較 強 的吸 收 和 反 射 ， 減 少 了 最 終 到 達 硅 片 的 光 子 數(shù) 量 ， 如 圖 中 1和 2所 表 示 的 情 況 。 x： 吸 收y ： 復 合材 料 的 吸 收 系 數(shù) 和 反射 率 與 波 長 有 關(guān) ， 在可 見 光 波 段 ， 波 長 越短 吸 收 系 數(shù) 和 反 射 率越 大 。 圖 中 光 線 的 顏 色 只 是 示 意 ， 不 代 表 光 譜

17、 ！CCD短 波 限 制與 結(jié) 構(gòu) 及 材 料 有 關(guān) 電 荷 的 生 成 深 藍 光 (400nm)穿 透 深 度 或 被 吸 收 的 平 均 深度 離 表 面 大 約 為 0.2m見 圖 中 的 3。 x： 吸 收y ： 復 合 圖 中 光 線 的 顏 色 只 是 示 意 ， 不 代 表 光 譜 ！ 電 荷 的 生 成 紅 光 (650nm)穿 透 深 度 或 被 吸 收 的 平 均 深 度 離 表 面 大 約為 3.33m， 激 發(fā) 出 的 電 子 在 收 集 區(qū) 外 生 成 ， 復 合 壽 命 長 ，熱 擴 散 使 這 些 電 子 被 收 集 。 見 圖 中 的 5。 x： 吸 收y

18、： 復 合 圖 中 光 線 的 顏 色 只 是 示 意 ， 不 代 表 光 譜 ！ 厚型前照明 CCD 光 在 表 面 電 極 產(chǎn) 生 反 射 和 吸 收 ， 使 這 種 CCD的量 子 效 率 比 較 低 ， 對 藍 光 的 響 應 非 常 差 。 其 電極 結(jié) 構(gòu) 不 容 許 采 用 提 高 性 能 的 增 透 膜 技 術(shù) 。 增透 膜 技 術(shù) 在 薄 型 背 照 明 CCD可 以 采 用 。n-型 硅p-型 硅二 氧 化 硅 絕 緣 層多 晶 硅 電 極入射光子625m 電 荷 的 生 成 降 低 反 射 硅 片 減 薄 到 15m左 右 ， 光 線 由 背 面 射 入 ， 避 免 了

19、電極 對 光 線 的 阻 擋 ， 可 以 得 到 很 高 的 量 子 效 率 。 由 于 可以 在 硅 表 面 制 作 減 反 膜 ， 短 波 響 應 將 得 到 很 大 提 高 。n-型 硅p-型 硅二 氧 化 硅多 晶 硅 電 極減 反 (AR)膜Incoming photons15m薄型背照明 CCD 電 荷 的 生 成 降 低 反 射薄 型 CCD對 近 紅 外 光 線 幾 乎 透 明 ， 因 此 長 波 響 應 很 差 。 空 氣 或 真 空 的 折 射 率 為 1.0， 硅 為 3.6。 利 用 上述 方 程 式 可 以 得 出 在 空 氣 中 硅 的 反 射 率 是 32%。 除

20、非 采 取 適 當 的 措 施 消 除 這 種 反 射 ， 否 則 硅 CCD只 能 探測 到 2/3的 入 射 光 子 。 增 透 膜 可 以 解 決 這 個 問 題 。硅 的 折 射 率 (ns)很 高 ， 很 多 入 射 光 子 會 在 其 表 面 反 射 。nins 在 兩 種 不 同 折 射率 物 質(zhì) 的 界 面 上光 子 的 反 射 率 為 = ns-nins+ni 2電 荷 的 生 成 降 低 反 射空 氣硅 加 入 增 透 膜 以 后 ， 有 三 種 介 質(zhì) 需 要 考 慮 ： ns x ni-nt2ns x ni+nt2 2當 時 反 射 率 將 降 為 零 ！ 滿 足 這

21、個 條 件 材 料的 折 射 率 為 nt = 1.9， 幸 運 的 是 這 種 材 料 是 存 在 的 ，它 就 是 二 氧 化 鉿 （ Hafnium Dioxide） 。 通 常 天 文學 所 使 用 的 CCD都 用 這 種 材 料 作 為 增 透 膜 。 nt ns ni2= 反 射 率 降 為 ：空 氣nins 增 透 膜硅nt 電 荷 的 生 成 降 低 反 射 CCD量 子 效 率量 子 效 率 （ Quantum Efficiency ） -陰 極 發(fā) 射 出 的 光 電 子 數(shù) 量 與 入 射 光光 子 的 數(shù) 量 比 ， 用 以 表 訴 CCD在 不 同 波 長 下 的

22、響 應 值 l 在 同 一 波 長 下 QE值 越 高CCD品 質(zhì) 越 好l CCD對 于 不 同 波 長 的 光 的響 應 時 間 的 敏 感 度 不 同l 背 照 式 CCD比 前 照 式 CCD有 更 好 的 量 子 效 率l 多 數(shù) 衡 量 QE高 低 是 在425nm波 長影 響 QE的 因 素 有 吸 收(absorption)、 反 射(reflection)和 穿 越 (transmission) 等 。 CCD系 統(tǒng) 信 噪 比信 噪 比 （ Signal to Noise Ratio ） -衡 量 信 號 及 噪 音 的 關(guān) 系 -表 征 檢 測 的 限 度 （ 靈 敏 度

23、 ） 噪 音 常 常 表 現(xiàn) 在 電 子 元 件傳 輸 或 接 收 信 號 的 時 候 CCD像 素 指 標 -填 充 因 子填 充 因 子 （ Fill Factor ） -CCD實 際 感 光 面 積 占 像 素面 積 的 比 值 l 理 想 值 -100%l 實 際 值 -30%（ 隔 行 傳輸 式 CCD）l 通 過 微 型 鏡 頭（ Microlenses） 改 善（ 但 微 型 鏡 頭 的 應 用會 影 響 紫 外 光 的 檢 測 ）l 填 充 因 子 是 影 響 靈 敏度 的 一 個 因 數(shù) CMOS的 填 充 因 子 較 低l CCD CMOSCCD與 CMOS比 較 CCD像

24、 素 指 標 -井 深井 深 （ Well Capacity） -像 素 可 堆 積 電 荷 的 多 少l 多 數(shù) CCD可 堆 積 85K個 電 荷l 高 品 質(zhì) 的 CCD可 堆 積350K個 電 荷l 影 響 靈 敏 度 的 一 個 因數(shù)l 衡 量 動 力 學 范 圍 的 一個 因 素 CCD暗 電 流暗 電 流 （ Dark Current , Dark Count） -CCD在 一 定 溫 度 下 每 個像 素 在 一 定 時 間 內(nèi) 產(chǎn) 生的 電 荷 數(shù) -暗 噪 音 大 約 為 暗 電 流 的 平方 根影 響 暗 電 流 的 因 素 主 要 是溫 度 。 CCD-控 溫 方 式C

25、ool CCD-消 除 熱 或 暗 電 流 產(chǎn) 生 的 噪 音 -噪 音 底 ， 圖 像 質(zhì) 量 高 -靈 敏 度 高 ， 感 光 效 果 佳 -幾 何 失 真 度 小 -解 析 度 穩(wěn) 定 ， 補 償 效 果 佳 -耐 震 動 ， 不 易 受 點 磁 場 干 擾附 ： 普 通 CCD暴 光 超 過 10秒 ， 發(fā) 熱 ； -20度 攝 像 頭 可 拍攝 5分 鐘 圖 像 ； -40度 攝 像 頭 拍 攝 時 間 可 超 過 1小 時 動 力 學 范 圍動 力 學 范 圍 （ Dynamic Range） -描 述 從 CCD像 素 值 中 可 以 得 到 多 少 數(shù) 量 的灰 度 級 別 的

26、 一 個 術(shù) 語 -用 來 表 示 飽 和 電 壓 （ 最 大 輸 出 級 別 ） 與 攝 像頭 隨 機 噪 音 的 比 率 （ It is expressed as the ratio of full saturation voltage(maximum output level) to the total RMS noise of the camera output.) -動 力 學 范 圍 并 不 總 是 和 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 器 輸 出 的 數(shù)據(jù) 一 致 動 力 學 范 圍Bit Depth Expression Grayscales Expression Orders of Magni

27、tude8 28 256 Log 256 2.410 210 1024 Log 1024 312 212 4096 Log 4096 3.614 214 16384 Log 16384 4.216 2 16 65536 Log 65536 4.8 超 級 CCD超 級 CCD（ Supper CCD） -幾 何 形 狀 的 改 變 ， 增 加 光電 二 極 管 的 面 積 ， 像 素 利 用率 提 高 33% -更 接 近 Microlens形 狀 ， 提高 有 效 面 積 增 加 光 吸 收 率 -排 列 結(jié) 構(gòu) 更 適 合 人 眼 對 分 辨率 的 要 求 （ 分 辨 率 提 高 60%）

28、 倒 車 影 像 系 統(tǒng)l 由 于 要 應 付 日 益 密 集 的 交通 和 潮 水 般 的 信 息 ， 駕 駛員 輔 助 系 統(tǒng) 的 開 發(fā) 減 輕 了駕 駛 員 的 負 擔 。 這 些 輔 助裝 置 可 以 幫 助 駕 駛 員 在 某些 特 定 的 駕 駛 環(huán) 境 下 ， 部分 或 全 部 地 接 管 駕 駛 程 序 。l 倒 車 影 像 系 統(tǒng) 就 是 一 個 例子 。 它 在 駕 駛 員 倒 車 以 及倒 車 進 入 駐 車 區(qū) 域 時 提 供了 幫 助 。 l 處 理 器 （ 帶 集 成 芯 片 ） 鏡化 捕 捉 到 的 圖 像 。 鏡 化 是必 要 的 ， 以 便 于 將 車 輛

29、左側(cè) 的 狀 況 顯 示 在 顯 示 屏 的左 側(cè) 。 圖 像 被 轉(zhuǎn) 化 成 電 子信 號 ， 并 被 傳 送 至 倒 車 影像 系 統(tǒng) 控 制 單 元 。 倒 車 攝像 頭 通 過 三 根 電 線 （ 電 源 ，接 地 線 和 帶 集 成 屏 蔽 層 的視 頻 信 號 線 ） 與 倒 車 影 像系 統(tǒng) 控 制 單 元 連 接 在 一 起 CCD 夜 視 防 水 倒 車 攝 像 頭 CCD和 CMOS芯 片 是 組 成 倒 車 攝 像 頭 的 重 要 組 成 部分 ， 根 據(jù) 元 件 不 同 可 分 為 CCD和 CMOS。 CMOS主 要 應 用 于 較 低 影 像 品 質(zhì) 的 產(chǎn) 品 中

30、 ， 它 的 優(yōu) 點 是制 造 成 本 、 功 耗 較 CCD低 ， 缺 點 是 CMOS攝 像 頭對 光 源 的 要 求 較 高 ； CCD， 是 應 用 在 攝 影 、 攝 像方 面 的 高 端 技 術(shù) 元 件 還 附 帶 有 視 頻 捕 捉 卡 。 CCD和 CMOS在 技 術(shù) 上 和 性 能 差 距 很 大 ， 一 般 來 說 ，CCD效 果 要 好 ， 但 價 格 也 貴 些 ， 建 議 在 不 考 慮 費用 的 前 提 下 選 擇 CCD的 攝 像 頭 。 “CCD University”, Information on dynamic range, pixel binning, types of noise and more.lPGlossary of terms on digital Roper Scientific Website lMost camera vendors have technical notes and other articles on-line有 用 的 網(wǎng) 站