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1、北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制测试技术基础测试技术基础测试技术基础测试技术基础北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制第十一章第十一章 固态图像传感器器固态图像传感器器电荷耦合器件的工作原理电荷耦合器件的工作原理电荷耦合器件的结构电荷耦合器件的结构及分类及分类图像传感器图像传感器性能参数性能参数图像传感器的应用图像传感器的应用本章内容：本章内容：测试技术基础测试技术基础北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制固态图像传感器：一种固态集成元件，其核心部分固态图像传感器
2、：一种固态集成元件，其核心部分是电荷耦合器件是电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)。CCD：以阵列形式排列在衬底材料上的金属以阵列形式排列在衬底材料上的金属氧氧化物化物硅硅(Metal Oxide Semiconductor，简称简称MOS)电容器件组成的，电容器件组成的，具有光生电荷、积蓄和转移具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。电荷的功能。 固态图像传感器的分类：固态图像传感器的分类：线阵型：目前一般有线阵型：目前一般有1024、1728、2048和和4096个个像素的传感器；像素的传感器；面阵型：从面阵型：从512512一直到一直到512768个像素的，最个
3、像素的，最高分辨力的可达高分辨力的可达20482048个像素的。个像素的。 测量技术基础测量技术基础北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 在在半半导导体体硅硅片片上上按按线线阵阵或或面面阵阵排排列列MOS单单元元，如如果果照照射射在在这这些些光光敏敏元元上上的的是是一一幅幅明明暗暗起起伏伏的的图图像像，则则这这些些光光敏敏元元上上就就会会感感生生出出一一幅幅与与光光照照强强度度相相对对应应的的光光生电荷图像。生电荷图像。123456789测量技术基础测量技术基础北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制特点特点:
4、 (1) 非接触检测；非接触检测； (2) 响应快；响应快； (3) 可靠性高，维修简便；可靠性高，维修简便； (4) 测量精度高；测量精度高； (5) 体积小，重量轻；容易与计算机连接；体积小，重量轻；容易与计算机连接； (6) 对被测物体需要强光照射；对被测物体需要强光照射； (7) 受被测物体以外的光的影响。受被测物体以外的光的影响。测量技术基础测量技术基础北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制应用：应用： (1) (1) 宽度测量宽度测量 (2) (2) 外径测量外径测量(4)(4)条形码扫描器条形码扫描器(3) (3) 主轴径向跳动测量主轴径
5、向跳动测量测量技术基础测量技术基础北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 一个完整的一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。存器及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD工作时，工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到到CCD内部的移内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存
6、器在驱动时钟的作用下，位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。现或进行存储处理。11.1 CCD的基本工作原理的基本工作原理北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制(a) MOS光敏单元光敏单元(b) 1024单元阵列单元阵列(c) 线阵式摄像机线阵式摄像机11.1 CCD的基本工作原理的基本工作原理北京工业大学机电学院北京工业大学机
7、电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片读出移位寄存器的数据面显微照片11.1 CCD的基本工作原理的基本工作原理北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制CMOS图像传感器图像传感器 CMOS图像传感器是采用互补金属图像传感器是采用互补金属-氧化物氧化物-半导半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。现在现在市售的视频摄像头多使用市售的视频摄像头多使用CMOS作为
8、光电转换器件。作为光电转换器件。虽然目前的虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比图像传感器成像质量比CCD略低，略低，但但CMOS具有体积小、耗电量小、具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。售价便宜的优点。 随着硅晶圆加工技术的随着硅晶圆加工技术的进步，进步，CMOS的各项技术指的各项技术指标有望超过标有望超过CCD，它在图，它在图像传感器中的应用也将日趋像传感器中的应用也将日趋广泛。广泛。尼康尼康DSC中的中的CMOS 11.1 CCD的基本工作原理的基本工作原理北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制1) 线线阵阵CCD外形外形 11.2 CCD图像
9、传感器的分类图像传感器的分类北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制1CCD转移寄存器转移寄存器 2转移控制栅转移控制栅 3积蓄控制电极积蓄控制电极 4PD阵列阵列 SH转移控制栅输入端转移控制栅输入端 RS复位控制复位控制 VOD漏极输漏极输出出 OS图像信号输出图像信号输出 OG输出控制栅输出控制栅线线型型图图像像传传感感器器结结构构1) 线线阵阵CCD外形外形 11.2 CCD图像传感器的分类图像传感器的分类北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制2) 面阵面阵CCD 面阵面阵CCD能在能在x、y两个方向都两
10、个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维能实现电子自扫描，可以获得二维图像图像 11.2 CCD图像传感器的分类图像传感器的分类北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制200万和万和1600万像素的面阵万像素的面阵CCD 2) 面阵面阵CCD 11.2 CCD图像传感器的分类图像传感器的分类北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制2) 面阵面阵CCD 11.2 CCD图像传感器的分类图像传感器的分类北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制2) 面阵面阵CCD 11.2 CCD图
11、像传感器的分类图像传感器的分类北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制3) 面型固态图像传感器面型固态图像传感器11.2 CCD图像传感器的分类图像传感器的分类北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制3) 面型固态图像传感器面型固态图像传感器11.2 CCD图像传感器的分类图像传感器的分类北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制光谱响应、动态范围、信噪比、光谱响应、动态范围、信噪比、CCD芯片尺寸等芯片尺寸等 在在CCD像素数目相同的条件下，像素点大的像素数目相同的条件下，像
12、素点大的CCD芯片可以获得更好的拍摄效果。大的像素点有更芯片可以获得更好的拍摄效果。大的像素点有更好的电荷存储能力，因此可提高动态范围及其他指标。好的电荷存储能力，因此可提高动态范围及其他指标。 11.3 CCD的基本特性参数的基本特性参数 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 CCD以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就成为其最重要的性能之一。把一次转移之后，到达下成为其最重要的性能之一。把一次转移之后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效
13、率。好的转移效率。好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般具有极高的电荷转移效率，一般可达可达0.999995，所以电荷在多次转移过程中的损失可以，所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。例如，一个有忽略不计。例如，一个有2048像元的像元的CCD，其信号电，其信号电荷的总的电荷转移效率为荷的总的电荷转移效率为0.9999952048，即，即0.9898，损，损失率只有约失率只有约0.1%。电荷转移效率电荷转移效率(CTE)(CTE)11.3 CCD的基本特性参数的基本特性参数 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制量子效率量子效率(QE) 7550
14、2502001000800600400100量子效率量子效率(%)波长波长(nm)PDACIDPMTCCD 通常造成通常造成QE下降的主要原因是下降的主要原因是CCD结构中的多晶硅电极或绝缘结构中的多晶硅电极或绝缘层把光子吸收了，尤其是对紫外部分的光吸收较多，这部分光子不产层把光子吸收了，尤其是对紫外部分的光吸收较多，这部分光子不产生光生电荷许多线阵生光生电荷许多线阵CCD对紫外光的响应较差就是这个原因。采用对紫外光的响应较差就是这个原因。采用化学蚀刻将硅片减薄和背部照射方式，可以减少由吸收导致的量子效化学蚀刻将硅片减薄和背部照射方式，可以减少由吸收导致的量子效率损失。背部照射减薄的率损失。背
15、部照射减薄的CCD在真空紫外区的工作极限可达在真空紫外区的工作极限可达1000。 图中是典型的图中是典型的PMT(PMT(光电光电倍增管倍增管) )、PDA(PDA(光电二极管阵光电二极管阵列列) )、CID(CID(电荷注入器件电荷注入器件) )和和CCDCCD的量子效率。可见，的量子效率。可见，CCDCCD的量子效率大大优于的量子效率大大优于PDAPDA和和CIDCID，在，在400700nm400700nm波段优于波段优于PMTPMT。11.3 CCD的基本特性参数的基本特性参数 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制暗电流暗电流 CCD在低温工
16、作时，暗电流非常低，暗电流是在低温工作时，暗电流非常低，暗电流是由热生电荷载流子引起的，冷却会使热生电荷的生由热生电荷载流子引起的，冷却会使热生电荷的生成速率大为降低但是成速率大为降低但是CCD的冷却温度不能太低，的冷却温度不能太低，因为光生电荷从各检测元迁移到放大器的输出节点因为光生电荷从各检测元迁移到放大器的输出节点的能力随温度的下降而降低制冷到的能力随温度的下降而降低制冷到150K的的CCD暗电流小于暗电流小于0.001个电子个电子/ /检测元检测元/ /秒。秒。11.3 CCD的基本特性参数的基本特性参数 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制
17、 动态范围动态范围DR的定义为：的定义为：DR=VSAT/VDRK 其中其中VSAT为饱和输出电压，为饱和输出电压，VDRK为有效像元的平均为有效像元的平均暗电流输出电压。在正常工作条件下，暗电流输出电压。在正常工作条件下，CCD检测器的所检测器的所有像元经历同时曝光，上式表示的是单个检测像元的动有像元经历同时曝光，上式表示的是单个检测像元的动态范围，即简单动态范围。态范围，即简单动态范围。CCD的简单动态范围非常大，的简单动态范围非常大，宽达宽达10个数量级。以个数量级。以7500的红光光子为例，的红光光子为例，CCD可在可在1ms积分时间内对光强达每秒积分时间内对光强达每秒5109个光子的
18、光束响应个光子的光束响应可以对每秒可以对每秒710-2个光子的光源响应，而且在整个动态个光子的光源响应，而且在整个动态范围内，都能保持线性响应。范围内，都能保持线性响应。动态范围动态范围11.3 CCD的基本特性参数的基本特性参数 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用彩色彩色CCD显微照片（放大显微照片（放大7000倍倍）北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 线阵线阵CCD在扫描仪中的应用在扫描仪中的应用 11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学
19、院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制线阵线阵CCD在图像扫描中的应用在图像扫描中的应用彩色印刷中的套色工艺监控彩色印刷中的套色工艺监控 风云一号卫星可以对地球上风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描空的云层分布进行逐行扫描11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制线阵线阵CCD用于字符识别用于字符识别11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制CCD数码照相机数码照相机 数码相机简称数码相机简称DC，它
20、采用它采用CCD作为光电转换器作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。 数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器了液晶显示器(LCD)，内部更有本质的区别，其快门结，内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。构也大不相同。 11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制CCD用于图像记录用于图像记录 11.4
21、 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制数码相机的外形数码相机的外形11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制三基色分离原理三基色分离原理 CCD数码照相机的结构数码照相机的结构11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制CCD数码相机的结构解剖数码相机的结构解剖( (索尼索尼F828) )11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机
22、电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制CCD数码显微镜拍摄数码显微镜拍摄的金属表面显微照片的金属表面显微照片11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 CCD数码摄像机数码摄像机11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制CMOS视频摄像头视频摄像头 带红外带红外LED照明的照明的CMOS视频摄像头视频摄像头11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制C
23、MOS视频摄像头的外部结构视频摄像头的外部结构11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制CMOS视频摄像头的外形及内部结构视频摄像头的外形及内部结构 11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制尺寸测量尺寸测量被测对象长度被测对象长度Ll1 视场视场l2传感器的长度传感器的长度11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制用于光学文字识别装置用于光学文字识别装置光
24、学文字识别装置光学文字识别装置(OCR)原理原理 11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制用用CCD线阵型摄像机作流水线零件尺寸在线检测。线阵型摄像机作流水线零件尺寸在线检测。 CCD线阵摄象机作二维零件尺寸在线检测线阵摄象机作二维零件尺寸在线检测 11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制三角法原理测量物体位移及轮廓三角法原理测量物体位移及轮廓 采用摄像机利用三角法测量物体位置采用摄像机利用三角法测量物体位置11.4 图像传感器的应
25、用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制用三角法测量工件轮廓用三角法测量工件轮廓尺寸测量尺寸测量11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制投影法测量物体三维形貌投影法测量物体三维形貌 采用面阵式采用面阵式CCD摄像机利用投影法测量物体三维摄像机利用投影法测量物体三维表面形貌。表面形貌。11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制用莫尔条纹法来测量物体的三维形貌。用莫尔条纹法来测量物体的三维形貌。11.4 图像传感器的应用图像传感器的应用
