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1、CIS原理知识分享CIS原理知识分享 CIS内部架构简介CIS内部架构简介 自聚焦透镜阵列原理自聚焦透镜阵列原理 图像传感器的历史图像传感器的历史 CIS光源工作原理CIS光源工作原理 Part 1 CIS 简介简介 Summary CIS 结构CIS 结构 CISCIS是英文Contact Image Sensor的缩写，直译为“接触式图像是英文Contact Image Sensor的缩写，直译为“接触式图像 传感器”，CIS是新型线性图像传感器，其剖面图如右下图。传感器”，CIS是新型线性图像传感器，其剖面图如右下图。 CIS由LED光源阵列(LEolightsource)、微自聚焦棒状
2、透镜阵列(Rod Lens CIS由LED光源阵列(LEolightsource)、微自聚焦棒状透镜阵列(Rod Lens array)、光电传感器阵列(CMOS image sensor array)及其电路板、保护array)、光电传感器阵列(CMOS image sensor array)及其电路板、保护 玻璃、接口、外壳等部分组成。玻璃、接口、外壳等部分组成。 CIS 扫描钞票工作原理CIS 扫描钞票工作原理 LED光源阵列发出的光线直射到待扫描物体表面(印LED光源阵列发出的光线直射到待扫描物体表面(印 刷品等)，从其表面反射回的光线经自聚焦棒状透刷品等)，从其表面反射回的光线经自聚
3、焦棒状透 镜阵列聚焦，成像在光电传感器阵列上(一般是MOS镜阵列聚焦，成像在光电传感器阵列上(一般是MOS 器件)，被转化为电荷存储起来。器件)，被转化为电荷存储起来。 扫描面不同部位的光强不同，因而不同位置传感器扫描面不同部位的光强不同，因而不同位置传感器 单元(即CIS的像素)接收到的光强不一样。单元(即CIS的像素)接收到的光强不一样。 每个读取周期每个像素的光照时间(电荷积蓄时间)每个读取周期每个像素的光照时间(电荷积蓄时间) 是一致的，达到积蓄时间后，由移位寄存器控制模是一致的，达到积蓄时间后，由移位寄存器控制模 拟开关依次打开，将像素的电信号以模拟信号的形拟开关依次打开，将像素的电
4、信号以模拟信号的形 式依次输出，从而得到纸币的模拟图像信号。式依次输出，从而得到纸币的模拟图像信号。 主要优点也是缺点主要优点也是缺点 CIS以前主要用在扫描仪中，传真机中，本身造价低 廉，又无需透镜组，所以可以制作出结构更为紧凑 的扫描仪，成本也大大降低。但是，由于是接触式 扫描(必须与原稿保持很近的距离)，只能使用LED光 源，景深、分辨率以及色彩表现目前都赶不上CCD感 光器件，也不能用于扫描透射片。 CIS原理学习的目的CIS原理学习的目的 1.CIS内部各个模块的基本原理？1.CIS内部各个模块的基本原理？ 2.CIS为什么有这样的结构？2.CIS为什么有这样的结构？ 3.NV为什么
5、会选择CIS来获取钞票图像？3.NV为什么会选择CIS来获取钞票图像？ Part 2 图像传感器的发展历史图像传感器的发展历史 Image Sensor Image Sensor 图像传感器发展应用分类图像传感器发展应用分类 电荷耦合技术电荷耦合技术 CCD CCD 图像传感器图像传感器 在摄像机、手机、光学技术、投影仪、扫描仪、数码相机等领域中都有一定的应用；含格状 排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件；超高分辨率的CCD芯片仍 相当昂贵，配备3CCD的静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算；因此有些高 档相机使用旋转式色彩滤镜；一般的CCD大多能感应红外线
6、，所以衍生出红外线影像、夜视装 置、零照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等；CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能 使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天 体运行方向一致，速度也同步，以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜 记录到比原来更大的视场。 光敏二极管技术光敏二极管技术 CMOSCMOS技术图像传感器技术图像传感器 微型摄像机，数字摄像机，数码相机，手机，安防监控，USB摄像机 电荷注入电荷注入CIDCID技术图像传感器技术图像传感器 光电倍增管技术光电倍增管技术 光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能
7、级光度学和光谱学 方面测量波 长2001200纳米的极微弱辐射功率 光电二极管阵列技术光电二极管阵列技术 光谱观测和色度测量 图像传感器-CCD历史图像传感器-CCD历史 1969年 19691969年，为了改进存储技术，美国贝尔实验室的年，为了改进存储技术，美国贝尔实验室的W.S.BoyleW.S.Boyle与与 G.E.SmithG.E.Smith将可视电话和半导体泡存储技术结合，设计了可以沿将可视电话和半导体泡存储技术结合，设计了可以沿 半导体表面传导电荷的“电荷泡器件”（Charge 半导体表面传导电荷的“电荷泡器件”（Charge “Bubble” Devices），率先发明了CCD
8、 （“Bubble” Devices），率先发明了CCD （Charged Coupled Charged Coupled DeviceDevice，电荷耦合件），并在次年以 “，电荷耦合件），并在次年以 “Charge Coupled Charge Coupled Semiconductor Devices”Semiconductor Devices”为题发表论文，元件本身开始是被当为题发表论文，元件本身开始是被当 作单纯的存储器使用 。由于它能存储并传输信号电荷，随后人作单纯的存储器使用 。由于它能存储并传输信号电荷，随后人 们认识到，CCD还可以利用内光电效应来拍摄并存储图象，具备们认识
9、到，CCD还可以利用内光电效应来拍摄并存储图象，具备 图像传感器的功能。图像传感器的功能。 经过人们30多年的研究与开发，CCD在像素集成度、分辨力、经过人们30多年的研究与开发，CCD在像素集成度、分辨力、 灵敏度，工作速度等指标上取得突破性进展，其应用正从一维灵敏度，工作速度等指标上取得突破性进展，其应用正从一维 、二维向三维发展，其光波范围从紫外区到红外区，目前CCD已、二维向三维发展，其光波范围从紫外区到红外区，目前CCD已 成为光子探测及视频采集领域最重要的技术，已被普遍认为是成为光子探测及视频采集领域最重要的技术，已被普遍认为是 20世纪70年代以来出现的最重要的半导体器件之一，得
10、到了广20世纪70年代以来出现的最重要的半导体器件之一，得到了广 泛应用。泛应用。 1990年7月， 诞生了全世界 第一台V8 1980年，SONY 发表 全世界第一个商品化的 CCD摄影机(编号XC- 1) 1987年，1/2 inch 25万图素的CCD， 在市面上销售 图像传感器-CCD结构图像传感器-CCD结构 电荷耦合器件CCD 是由规则排列的金属氧化物半导体（电荷耦合器件CCD 是由规则排列的金属氧化物半导体（ Metal Oxide Semiconductor,MOS ）Metal Oxide Semiconductor,MOS ）电容阵电容阵列组成。列组成。 Metal Oxi
11、de Semiconductor 图像传感器-CCD工作原理：图像传感器-CCD工作原理： 主 要 流 程 光信息光信息脉冲信息脉冲信息0101 脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲只反映一个光敏元的受光情况0202 脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱0303 输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置0404 0505 完成图像传感完成图像传感 图像传感器-CCD彩色实现的原理图像传感器-CCD彩色实现的原理 马赛克滤光片（亦被称马赛克滤光片（亦被称 作拜尔滤光片）使得每作拜尔滤光片）使得每 个像素只能显示红、绿个像素
12、只能显示红、绿 或蓝当中的一种颜色。或蓝当中的一种颜色。 但由于我们希望相机能但由于我们希望相机能 在每个像素都输出红、在每个像素都输出红、 绿和蓝这三种颜色，相绿和蓝这三种颜色，相 机的处理单元需要插入机的处理单元需要插入 缺失色彩的值。缺失色彩的值。 图像传感器-彩色CCD原理-原色混色图像传感器-彩色CCD原理-原色混色 目前CCD有两种分色方式：一是 RGB 原色分色法，另一个则是目前CCD有两种分色方式：一是 RGB 原色分色法，另一个则是 CMYG补色分色法，这两种方法各有利弊，过去原色和补色CCD的产CMYG补色分色法，这两种方法各有利弊，过去原色和补色CCD的产 量比例约在 2
13、：1左右，2003年后由于影像处理引擎的技术和效率量比例约在 2：1左右，2003年后由于影像处理引擎的技术和效率 进步，目前超过 80都是原色 CCD 的天下。进步，目前超过 80都是原色 CCD 的天下。 图像传感器-彩色CCD原理-原色混色图像传感器-彩色CCD原理-原色混色 补色补色CCDCCD由多了一个由多了一个Y Y 黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细， 但却牺牲了部分影像分辨率，而在但却牺牲了部分影像分辨率，而在ISOISO值上，补色值上，补色CCDCCD可以容忍较可以容忍较 高的感度，一般都可设定在高的感度，一般都可设定在800800以上。以
14、上。 CMOS图像传感器CMOS图像传感器 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）互CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）互 补金属氧化物半导体补金属氧化物半导体 CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别。 主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带电）和 P（带+电）主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带电）和 P（带+电） 级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片
15、纪录和解读成影像。级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。 核心是光敏二极管阵列(PDA）核心是光敏二极管阵列(PDA） 与CCD有着共同的历史渊源：与CCD有着共同的历史渊源： 1963年Morrison发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS图像1963年Morrison发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS图像 传感器发展的开端。传感器发展的开端。 1967年,仙童公司的Weckler提出了以光子通量积分模式工作的p-n结,光电流收集在反向偏置的p-n结电容1967年,仙童公司的Wec
16、kler提出了以光子通量积分模式工作的p-n结,光电流收集在反向偏置的p-n结电容 中,并提出了采用PMOS开关读出积分电荷的方法。1968年,仙童首次报道了(100100)元的光敏二极管阵中,并提出了采用PMOS开关读出积分电荷的方法。1968年,仙童首次报道了(100100)元的光敏二极管阵 列。到列。到 80年代中期,CMOS技术逐渐成熟。90年代初期,可为数字系统设计百万个或更多晶体管。采用标准CMOS技80年代中期,CMOS技术逐渐成熟。90年代初期,可为数字系统设计百万个或更多晶体管。采用标准CMOS技 术生产实用像元尺寸质量高的固体图像传感器已成为可能。1995年低噪声的CMOS有源像素传感器单片数术生产实用像元尺寸质量高的固体图像传感器已成为可能。1995年低噪声的CMOS有源像素传感器单片数 字相机获得成功。字相机获得成功。 CMOS图像传感器架构CMOS图像传感器架构 (1)首先进入“复位状态”,此时打开门管M.电容被充电至V,二极管处于反向(1)首先进入“复位状态”,此时打开门管M.电容被充电
