CCD图像传感器.ppt

图像传感器 成像系统组成成像系统组成UV/white epi illuminationSampleCCD CameraLensFiltersUV/white EpiilluminationCCD简介：简介：lCCD，英文全称：，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件可，中文全称：电荷耦合元件可以称为以称为CCD图像传感器图像传感器lCCD是一种半导体器件，能够把光学影是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号像转化为数字信号 CCD上植入的微小上植入的微小光敏物质称作像素（光敏物质称作像素（Pixel）一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高辨率也就越高CCD的作用就像胶片一的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号样，但它是把图像像素转换成数字信号CCD上有许多排列整齐的电容上有许多排列整齐的电容(MIS 结构结构)，能感应光线，并将影像转变成数字信，能感应光线，并将影像转变成数字信号经由外部电路的控制，每个小电容号经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

1 前照明光输入前照明光输入1 背照明光输入背照明光输入2 电荷生成电荷生成3 电荷收集电荷收集4 电荷转移电荷转移5 电荷测量电荷测量视频输出视频输出线性CCD和矩阵性CCDl线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯l矩阵式CCD因为不是同点合成，其中包含着数学计算，因此这种CCD最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利CCD结构结构感光二极管（感光二极管（Photodiode））并行信号寄存器（并行信号寄存器（Shift Register））-用于暂时储存感光后产生的电荷用于暂时储存感光后产生的电荷串行信号寄存器（串行信号寄存器（Transfer Register））-用于暂时储存并行积存器的模拟信号用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大并将电荷转移放大信号放大器信号放大器-用于放大微弱电信号用于放大微弱电信号数摸转换器数摸转换器-将放大的电信号转换将放大的电信号转换 成数字信号成数字信号CCD结构结构CCD的的MIS结构及存储电荷原理结构及存储电荷原理l当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。

光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子－空穴对，电子－空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱”中 l在接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理—这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片lCMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号l每个感光元件对应每个感光元件对应图像传感器中的一图像传感器中的一个像点，由于感光个像点，由于感光元件只能感应光的元件只能感应光的强度，无法捕获色强度，无法捕获色彩信息，因此彩色彩信息，因此彩色CCD/CMOS图像传图像传感器必须在感光元感器必须在感光元件上方覆盖彩色滤件上方覆盖彩色滤光片光片。

CCD象素合成象素合成最常用的做法是覆盖最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以红绿蓝三色滤光片，以1：：2：：1的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因是人眼对绿盖绿色滤光片），采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感色较为敏感 CCD电荷耦合电荷耦合CCD电荷读出电荷读出电荷的生成电荷的生成l电极的吸收和硅-二氧化硅界面上的多次反射而引起某些波长的光产生干涉，出现明暗条纹Super HAD CCD l1、比普通CCD多了一个聚光透镜，这个目的是增加采光量 l2、增大感光点的受光面积，这可以增强物体反射进入CCD像素点的色彩和亮度这样各种色彩被CCD解吸的亮度就更强,其结果就是低照度效果更好了，色彩更鲜艳真实了 l上图左图为不带摩尔效应的原始图像，中图为出现摩尔效应的图像，右图为使用OLPF后的效果，可以看出使用OLPF后虽然去除了摩尔效应，但图像清晰度有一定的下降 Foveon X3 Sensorsl我们之前提到，传统传感器最难解决的便是色彩干扰，摩尔纹成为严重影响照片品质的问题。

通常的解决办法是改善低通滤波镜的效果但是即便如此，也无法改变由于增加低通滤波镜所产生的锐度下降相比之下，使用X3传感器令这些问题迎刃而解 CMOS互补金属氧化物半导体互补金属氧化物半导体）） - -核心元件：感光二极管核心元件：感光二极管（（PhotodiodePhotodiode）） - -同一像点当中包含放大器和同一像点当中包含放大器和数模转换电路（一个感光二数模转换电路（一个感光二极管和三颗晶体管）极管和三颗晶体管） - -开口率底（开口率：有效感开口率底（开口率：有效感光区与整个感光元件面积比光区与整个感光元件面积比值）值） - -灵敏度底、噪声明显灵敏度底、噪声明显 - -数模转换无法保证严格一致数模转换无法保证严格一致 CMOS传感器结构与工作原理CMOS图像传感器芯片结构框图CMOS图像传感器像素阵列CCD 、CMOS传输方式CCD 和和 CMOS 传感器传感器 lCCD与与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。

差异是数字数据传送的方式不同 lCCD传感器传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出 光电转换电荷收集像元的光敏区像元的光敏区电荷转移垂直和水垂直和水平平CCD水平水平CCD后后放大器放大器电荷-电压转换/放大微型信号线微型信号线电压传递CCD 图像传感器CMOS图像传感器像元内放像元内放大器大器电荷-电压转换/放大CCD与CMOS比较象素:　　分辨率指屏幕上象素的数目，象素是指组成图像的最小单位，也即上面提到的发光“点” 比如，640×480的分辨率是说在水平方向上有640个象素，在垂直方向上有480个象素 lCCD传感器在灵敏度、传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等分辨率、噪声控制等方面都优于方面都优于CMOS传传感器感器l而而CMOS传感器则具传感器则具有低成本、低功耗、有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。

以及高整合度的特点 CCD采光方式采光方式前照式前照式:光从正面照射芯片形光从正面照射芯片形成电荷成电荷背照式背照式:光从背面通过并直接进光从背面通过并直接进入二极管入二极管光子效率可达到光子效率可达到80%电荷的生成电荷的生成 理想情况下，电极材料应该是完全透明的，实际上这些材料对光都有一些吸收和反射如多晶硅电极对短波光有较强的吸收和反射，减少了最终到达硅片的光子数量，如图中λ1和λ2所表示的情况 x： 吸收y ：复合材料的吸收系数和反射率与波长有关，在可见光波段，波长越短吸收系数和反射率越大图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！CCD短波限制与结构及材料有关电荷的生成电荷的生成 深蓝光(400nm)穿透深度或被吸收的平均深度离表面大约为0.2m见图中的λ3 x： 吸收y ：复合图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！电荷的生成电荷的生成 红光(650nm)穿透深度或被吸收的平均深度离表面大约为3.33m，激发出的电子在收集区外生成，复合寿命长，热扩散使这些电子被收集见图中的λ5 x： 吸收y ：复合图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！厚型前照明 CCD光在表面电极产生反射和吸收，使这种CCD的量子效率比较低，对蓝光的响应非常差。

其电极结构不容许采用提高性能的增透膜技术增透膜技术在薄型背照明CCD可以采用n-型硅p-型硅二氧化硅绝缘层多晶硅电极入射光子625m电荷的生成 降低反射硅片减薄到 15m左右，光线由背面射入，避免了电极对光线的阻挡，可以得到很高的量子效率由于可以在硅表面制作减反膜，短波响应将得到很大提高n-型硅p-型硅二氧化硅多晶硅电极减反(AR)膜Incoming photons15m薄型背照明 CCD电荷的生成 降低反射薄型CCD对近红外光线几乎透明，因此长波响应很差空气或真空的折射率为 1.0， 硅为 3.6利用上述方程式可以得出 在空气中硅的反射率是 32%除非采取适当的措施消除这种反射，否则硅CCD只能探测到2/3的入射光子增透膜可以解决这个问题硅的折射率(n ns s) )很高 ，很多入射光子会在其表面反射nins在两种不同折射率物质的界面上光子的反射率为 = [ ]ns-nins+ni2电荷的生成 降低反射空气硅加入增透膜以后，有三种介质需要考虑：[ ]ns x ni-nt2ns x ni+nt22当 时反射率将降为零！ 满足这个条件材料的折射率为 n nt t = 1.9，幸运的是这种材料是存在的，它就是二氧化铪（Hafnium Dioxide）。

通常天文学所使用的 CCD都用这种材料作为增透膜 ntns ni2=反射率降为：空气nins增透膜硅nt电荷的生成 降低反射CCD量子效率量子效率（量子效率（ Quantum Efficiency ））-阴极发射出的光电子数量与入射光阴极发射出的光电子数量与入射光光子的数量比，用以表诉光子的数量比，用以表诉CCD在不同波长下的响应值在不同波长下的响应值 l在同一波长下QE值越高CCD品质越好lCCD对于不同波长的光的响应时间的敏感度不同l背照式CCD比前照式CCD有更好的量子效率l多数衡量QE高低是在425nm波长影响QE的因素有吸收(absorption)、反射(reflection)和穿越(transmission) 等CCD系统信噪比信噪比（ Signal to Noise Ratio ） -衡量信号及噪音的关系 -表征检测的限度（灵敏度）噪音常常表现在电子元件传输或接收信号的时候CCD像素指标-填充因子填充因子（填充因子（ Fill Factor ））-CCD实际感光面积占像素实际感光面积占像素面积的比值面积的比值 l理想值理想值-100%l实际值实际值-30%（隔行传（隔行传输式输式CCD））l通过微型镜头通过微型镜头（（Microlenses））改善改善（但微型镜头的应用（但微型镜头的应用会影响紫外光的检测）会影响紫外光的检测）l填充因子是影响灵敏度填充因子是影响灵敏度的一个因数的一个因数CMOS的填充因子较低的填充因子较低l CCD CMOSCCD与CMOS比较CCD像素指标-井深井深（井深（Well Capacity））-像素可堆积电荷的多少像素可堆积电荷的多少l多数多数CCD可堆积可堆积85K个个电荷电荷l高品质的高品质的CCD可堆积可堆积350K个电荷个电荷l影响灵敏度的一个因数影响灵敏度的一个因数l衡量动力学范围的一个衡量动力学范围的一个因素因素CCD暗电流暗电流（Dark Current , Dark Count） -CCD在一定温度下每个像素在一定时间内产生的电荷数 -暗噪音大约为暗电流的平方根影响暗电流的因素主要是温度。

CCD-控温方式Cool CCD-消除热或暗电流产生的噪音消除热或暗电流产生的噪音 -噪音底，图像质量高噪音底，图像质量高 -灵敏度高，感光效果佳灵敏度高，感光效果佳 -几何失真度小几何失真度小 -解析度稳定，补偿效果佳解析度稳定，补偿效果佳 -耐震动，不易受点磁场干扰耐震动，不易受点磁场干扰附：普通附：普通CCD暴光超过暴光超过10秒，发热；秒，发热；-20度摄像头可拍度摄像头可拍摄摄5分钟图像；分钟图像；-40度摄像头拍摄时间可超过度摄像头拍摄时间可超过1小时小时动力学范围动力学范围（Dynamic Range） -描述从描述从CCD像素值中可以得到多少数量的像素值中可以得到多少数量的灰度级别的一个术语灰度级别的一个术语 -用来表示饱和电压（最大输出级别）与摄像用来表示饱和电压（最大输出级别）与摄像头随机噪音的比率（头随机噪音的比率（It is expressed as the ratio of full saturation voltage(maximum output level) to the total RMS noise of the camera output.) -动力学范围并不总是和数模转换器输出的数动力学范围并不总是和数模转换器输出的数据一致据一致动力学范围Bit DepthExpressionGrayscalesExpressionOrders of Magnitude828256Log 2562.4102101024Log 10243122124096Log 40963.61421416384Log 163844.21621665536Log 655364.8超级CCD超级超级CCDCCD（（Supper CCDSupper CCD）） - -几何形状的改变，增加光几何形状的改变，增加光电二极管的面积，像素利用电二极管的面积，像素利用率提高率提高33%33% - -更接近更接近MicrolensMicrolens形状，提形状，提高有效面积增加光吸收率高有效面积增加光吸收率 - -排列结构更适合人眼对分辨排列结构更适合人眼对分辨率的要求（分辨率提高率的要求（分辨率提高60%60%）） 倒车影像系统l由于要应付日益密集的交通和潮水般的信息，驾驶员辅助系统的开发减轻了驾驶员的负担。

这些辅助装置可以帮助驾驶员在某些特定的驾驶环境下，部分或全部地接管驾驶程序l倒车影像系统就是一个例子它在驾驶员倒车以及倒车进入驻车区域时提供了帮助l处理器（带集成芯片）镜化捕捉到的图像镜化是必要的，以便于将车辆左侧的状况显示在显示屏的左侧图像被转化成电子信号，并被传送至倒车影像系统控制单元倒车摄像头通过三根电线（电源，接地线和带集成屏蔽层的视频信号线）与倒车影像系统控制单元连接在一起CCD 夜视防水倒车摄像头 CCD和CMOS芯片是组成倒车摄像头的重要组成部分，根据元件不同可分为CCD和CMOSCMOS主要应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本、功耗较CCD低，缺点是CMOS摄像头对光源的要求较高；CCD，是应用在摄影、摄像方面的高端技术元件还附带有视频捕捉卡CCD和CMOS在技术上和性能差距很大，一般来说，CCD效果要好，但价格也贵些，建议在不考虑费用的前提下选择CCD的摄像头  ¡“CCD University”, Information on dynamic range, pixel binning, types of noise and more.lP¡Glossary of terms on digital ¡Roper Scientific Website lMost camera vendors have technical notes and other articles on-line 有用的网站。