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1、焦作大学毕业论文CCD 图像传感器在微光电视系统的应用姓 名 学制 专 业电气自动化技术研究方向自动化技术导 师 学 号 论文提交日期2011.12.18论文答辩日期 焦作大学摘要CCD图像传感器在微光电视系统中的应用是人工智能与人为操作领域极富挑战性的高技术密集项目，它涉及机械、计算机、自动化、电子、传感器信息、图象处理、无线网络等高技术。同时又是人工工能技术的一个理想突破点。本次设计从最基本的硬件开发做起，在原有的基础上进行了一系列的改进，该设计涉及采用的部分电子管光器件隶属于高精端技术产品，结构简单，性能稳定，同时本文在对CCD图像传感器的特性进行分析的基础上，除主要阐述了CCD图像传感
2、器在微光电视系统中的应用外，还涉及到了一些相关的基础知识，发展历程以及未来的发展方向等.其中重点讨论了CCD与像增强器耦合方式，并指出了应用当中应该注意的几个问题及解决的途径。关键词： CCD ，图像增强，微光电视，发展方向，耦合目录摘要11 引言32 基础知识42.1传感器的基础知识42.1.1 传感器的定义.42.1.2 传感器的分类.42.1.3 传感器的静态特性.42.1.4传感器的动态特性.42.2 CCD图像传感器基础知识42.2.1 CCD图像传感器原理42.2.2结构52.2.3 CCD图像传感器分类62.2.4 CCD 图像传感器的特性.73 CCD在微光电视系统组成中的应用
3、83.1图像增强器与CCD的耦合83.1.1 光纤光锥耦合方式83.1.2 中继透镜耦合方式93.1.3 电子轰击式CCD93.1.4存在的问题及解决的途径94 CCD与其它同类型器件的对比104.1 CCD传感器与CMOS传感器区别104.2 CCD和传统底片区别115 CCD图像传感器的问世及前景125.1 CCD图像传感器的发明与发展历程125.1.1 CCD图像传感器的发明125.1.2 CCD图像传感器的发展历程.125.2 CCD图像传感器市场现状与展望135.2.1 CCD图像传感器市场现状135.2.2 CCD图像传感器前景135.2.3国内CCD图像传感器的市场分析与预测.1
4、46 参考文献157 总结168 体会171 引言CCD (Charge Coupled Device) ，电荷耦合器件，是一种金属氧化物半导体结构的新型器件，其基本结构是一种密排的MOS电容器，能够存储由入射光在CCD像敏单元激发出的光信息电荷，并能在适当相序的时钟脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实现自扫描，完成从光信号到电信号的转换。这种电信号通常是符合电视标准的视频信号，可在电视屏幕上复原成物体的可见光像，也可以将信号存储在磁带机内，或输入计算机，进行图像增强、识别、存储等处理。因此，CCD器件是一种理想的摄像器件。其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号“
5、图像”的一种功能器件。 固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能化的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像点”，它们本身在空间上、电气上是彼此独立的。固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布。然后利用移位寄存器的功能将这些电荷包在时钟脉冲控制下实现读取与输出，形成一系列幅值不等的时序脉冲序列。 固态图像传感器与普通的图像传感器比，具有体积小、失真小、灵敏度高、抗振动、耐潮湿、成本低的特点。这些特色决定了它可以广泛用于自动控制和自动测量，尤
6、其是适用于图像识别技术中。本文从分析固态图像传感器的原理出发，着重对它在测控及图像识别领域进行分析和探讨2 基础知识2.1传感器的基础知识2.1.1传感器的定义国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。2.1.2 传感器的分类 目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：
7、）按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器 ）按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。 ）按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“”和”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。2.1.3传感器的静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征
8、传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。2.1.4传感器的动态特性 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。2.2 CCD图像传感器基础知识2.2.1 CCD图像传感器原理CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特
9、定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成，具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令 CCD传感器人瞩目的发展。CCD有面阵和线阵
10、之分，面阵是把CCD像素排成1个平面的器件;而线阵是把CCD像素排成1直线的器件。目前有能力生产CCD 的公司分别为：索尼、菲利普、柯达、松下、富士和夏普，大半是日本厂商。柯达3900万像素CCD“KAF-39000”2.2.2结构CCD是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的。每个像元就是一个MOS电容器(大多为光敏二极管)，它是在P 型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为1000A1500A的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅)，在衬底和金属电极间加上1个偏置电压，就构成1个MOS电容器。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
11、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。MOS电容器的电荷储存容量可由下式求得：QS=CiVGA式中： QS是电荷储存量；Ci是单位面积氧化层的电容；CCD传感器VG是外加偏置电压；A是MOS电容栅的面积。由此可见，光敏元面积越大，其光电灵敏度越高。1个3相驱动工作的CCD中电荷转移的过程。(a)初始状态；(b)电荷由电极向电极转移；(c)电荷在、电极下均匀分布；(d)电荷继续由电极向电极转移；(e)电荷完全转移到电极；(f)3相交叠脉冲。
12、假设电荷最初存储在电极(加有10V电压)下面的势阱中，如图2(a)所示，加在CCD所有电极上的电压，通常都要保持在高于某一临界值电压Vth，Vth称为CCD阈值电压，设Vth=2V。所以每个电极下面都有一定深度的势阱。显然，电极下面的势阱最深，如果逐渐将电极的电压由2V增加到10V，这时，、两个电极下面的势阱具有同样的深度，并合并在一起，原先存储在电极下面的电荷就要在两个电极下面均匀分布，(b)和(c)所示，然后再逐渐将电极下面的电压降到2V，使其势阱深度降低，(d)和(e)所示，这时电荷全部转移到电极下面的势阱中，此过程就是电荷从电极到电极的转移过程。如果电极有许多个，可将其电极按照1、4、7，2、5、8和3、6、9的顺序分别连在一起，加上一定时序的驱动脉冲，即可完成电荷从左向右转移的过程。用3相时钟驱动的CCD称为3相CCD2.2.3 CCD图像传感器分类1）面阵CCD面阵CCD：允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。面阵CCD的结构一般有3种。第一种是帧转性CCD。它由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。其优点是结构较简单并容易增加像素数，缺点是CCD尺寸较大，易产生垂直拖影。第二种是行间转移性CCD。它是目前CCD的主流产品，它们是像素群和垂直寄
