1、第六章 视觉传感器,图像传感器（ image transducer ），是指能感受光学图像信息并转换成可用输出信号的传感器，也是组成数字摄像头的重要组成部分。 根据元件的不同，可以分为CCD (Charge-Coupled Devices)和CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor）两大类。,6.1 电荷耦合器件,贝尔实验室的George Smith和Willard Boyle将发明了的CCD原型,现代CCD芯片外观,电荷耦合器件(Charge-Coupled Devices)简称 CCD，是1970年由美国贝尔实验室首先研制出来的新型固体器件
2、。作为MOS技术的延伸而产生的一种半导体器件。,基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机,由于CCD具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低,因此得到飞速发展,是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。,CCD结构示意图,显微镜下的MOS元表面,6.1.1 CCD的结构和工作原理,1.基本结构,CCD基本结构分两部分：（1）MOS（金属氧化物半导体） 光敏元阵列；电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面
3、阵有规则地排列。（2）读出移位寄存器。,MOS电容,CCD 是由规则排列的金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。,Metal,Oxide,Semiconductor,2. 电荷耦合器件的工作原理,CCD,光信息,电脉冲,脉冲只反映一个光敏元的受光情况,脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱,输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置,完成图像传感,特点：以电荷作为信号,基本功能：电荷的存贮和转移,CCD基本工作原理,信号电荷的产生,信号电荷的存贮,信号电荷的传输,信号电荷的检测,内光电效应,(1)信号电荷的产生,当金属电极上加正电压时，由于电场
4、作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。,(2)信号电荷的存储,一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包； CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱； 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。,电荷耦合器件的光电物理效应,读出移
5、位寄存器a.CCD电荷耦合器件是以电荷为信号。b.读出移位寄存器也是MOS结构。c.由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元,在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲123。d.按照驱动脉冲时序，栅极下电荷沿半导体表面按一定方向逐个单元转移。,（3）电荷转移原理,CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种,以电压输出型为例：有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA）,(4)电荷耦合器信号输出,1、分类,CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD。结构上有多种不同形式：单沟道CCD双沟道CCD帧转移结构CCD行间转移结构CCD。,二、CCD器件,线阵CCD结构 线阵CCD传感器是由一列M
6、OS光敏元和一列移位寄存器并行构成,光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅 。1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位寄存器组成。读出移位寄存器的输出端一位位输出信息，这一过程是一个串行输出过程。,二、CCD器件,a.线阵型,二、CCD器件,二、CCD器件,64位线阵CCD结构,图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。 行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。,b面型CCD图像传感器,面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转
7、移部分组成。,二相驱动,视频输出,行扫描发生器,输出寄存器,检波二极管,二相驱动,感光区,(a),图（b）所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。 在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。 当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器。,沟阻,P1,P2,P3,P1,P2,P3,
8、P1,P2,P3,感光区,存储区,析像单元,视频输出,输出栅,串行读出,(b),图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图(b)中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。 随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。 这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。,二、CCD器件,对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同的。不同型号的CCD器件具有完
9、全不同的外型结构和驱动时序，在实际使用时必须加以注意。我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索取相关资料，为CCD器件的应用提供技术支持。,CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据；外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。,2、特性参数,CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效
10、的非接触检测方法，CCD被广泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。,三、应用举例,利用CCD测量几何量。，CCD诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，CCD输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷；用于传真技术，文字、图象识别。例如用CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机；,CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描），与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压;作为机器人视觉系统；M2A摄影胶囊（Mouth
11、 anus）,由发光二极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。,CCD传感器应用,实例1：,由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。成像物镜的放大倍率为，CCD相元尺寸为t，上壁厚、下壁厚分别为n1、n2 ，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为N，测量结果有：,分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。,实例2:线阵CCD进行工件尺寸测量,实例3： M2A胶囊 CCD在医疗诊断中的应用,6.2 CMOS成像器件,CMOS（Complementary Me
12、tal Oxide Semiconductor），互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件。是组成CMOS数字集成电路的基本单元。,1970年，CMOS图像传感器在NASA的喷气推进实验室制造成功。1997年，英国爱丁堡VLSI Version公司首次实现CMOS图像传感器的商品化。,它的主要组成部分是像敏单元阵列和输出及信号处理电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的；像敏单元阵列由光电二极管阵列构成。如图中所示的像敏单元阵列按X和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在X，Y各方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；输出信号送A/D转换器进行模数转换变成数字信号输出
13、。,1. CMOS成像器件的组成,6.1.2 CMOS成像器件的工作原理,图像信号的输出过程：在Y方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关（图中标志的Si,j），信号将通过行开关传送到列线上；通过X方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制，输送到放大器。由于信号经行与列开关输出，因此，可以实现逐行扫描或隔行扫描的输出方式。也可以只输出某一行或某一列的信号。,1. CMOS成像器件的组成,注意：在CMOS图像传感器的同一芯片中，还可以设置其他数字处理电路。例如，可以进行自动曝光处理、非均匀性补偿、白平衡处理、校正、黑电平控制等处理。甚至于将具有运算和可编
14、程功能的DSP器件制作在一起形成多种功能的器件。,1. CMOS成像器件的组成,像敏单元结构指每个成像单元的电路结构，是CMOS图像传感器的核心组件。像敏单元结构有两种类型：被动像敏单元结构主动像敏单元结构。,2. CMOS成像器件的像敏单元结构,只包含光电二极管和地址选通开关两部分。,2. CMOS成像器件的像敏单元结构,被动像敏单元结构,被动像敏单元结构的缺点是固定图案噪声（FPN）大、图像信号的信噪比较低。,主动像敏单元结构是当前得到实际应用的结构。它与被动像敏单元结构的最主要区别是，在每个像敏单元都经过放大后，才通过场效应管模拟开关传输，所以固定图案噪声大为降低，图像信号的信噪比显著提
15、高。,主动像敏单元结构,2. CMOS成像器件的像敏单元结构,场效应管T1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲到来时，T1导通，光电二极管被瞬时复位；当复位脉冲消失后，T1截止，光电二极管开始积分光信号。T2为源极跟随器，它将光电二极管的高阻抗输出信号进行电流放大。T3用做选址模拟开关，当选通脉冲到来时，T3导通，使被放大的光电信号输送到列总线上。,主动像敏单元结构,2. CMOS成像器件的像敏单元结构,3. CMOS器件的工作流程,CMOS图像传感器的功能很多，组成也很复杂。由像敏单元，行列开关，地址译码器，A/D转换器等许多部分组成较为复杂的结构。应使诸多的组成部分按
16、一定的程序工作，以便协调各组成部分的工作。为了实施工作流程，还要设置时序脉冲，利用它的时序关系去控制各部分的运行次序；并用它的电平或前后沿去适应各组成部分的电气性能。,（1）初始化初始化时要确定器件的工作模式，如：输出偏压、放大器的增益、取景器是否开通，并设定积分时间。,3. CMOS器件的工作流程,（2）帧读出（YR）移位寄存器初始化利用同步脉冲SYNC-YR，可以使YR移位寄存器初始化。SYNC-YR为行启动脉冲序列，不过在它的第一行启动脉冲到来之前，有一消隐期间，在此期间内要发送一个帧启动脉冲。,3. CMOS器件的工作流程,（3）启动行读出SYNC-YR指令可以启动行读出，从第一行（Y
17、0）开始，直至YYmax止；Ymax等于行的像敏单元减去积分时间所占去的像敏单元。 （4）启动X移位寄存器 利用同步信号SYNC-X，启动X移位寄存器开始读数，从X0起，至XXmax止；X移位寄存器存一幅图像信号。,3. CMOS器件的工作流程,（5）信号采集 A/D转换器对一幅图像信号进行A/D数据采集。（6）启动下行读数 读完一行后，发出指令，接着进行下一行读数。（7）复位 帧复位是用同步信号SYNC-YL控制的，从SYNC-YL开始至SYNC-YR出现的时间间隔便是曝光时间。为了不引起混乱，在读出信号之前应当确定曝光时间。,3. CMOS器件的工作流程,（8）输出放大器复位 用于消除前一
18、个像敏单元信号的影响，由脉冲信号SIN控制对输出放大器的复位。（9）信号采样/保持 为适应A/D转换器的工作，设置采样/保持脉冲，该脉冲由脉冲信号SHY控制。,3. CMOS器件的工作流程,6.3 CCD与CMOS的对比,光电转换,电荷收集,像元的光敏区,电荷转移,垂直和水平CCD,水平CCD后放大器,电荷-电压转换/放大,微型信号线,电压传递,CCD 图像传感器,CMOS图像传感器,像元内放大器,电荷-电压转换/放大,6.3 CCD与CMOS的对比,6.3 CCD与CMOS的对比,主要差异： CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，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CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。 造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声。因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。,
