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1、测试技术基础,第十一章 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结构及分类图像传感器性能参数图像传感器的应用,本章内容：,测试技术基础,固态图像传感器：一种固态集成元件，其核心部分是电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)。CCD：以阵列形式排列在衬底材料上的金属氧化物硅(Metal Oxide Semiconductor，简称MOS)电容器件组成的，具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。固态图像传感器的分类：线阵型：目前一般有1024、1728、2048和4096个像素的传感器；面阵型：从512512一直到512768个像素的，最高分辨力的可达20482
2、048个像素的。,测量技术基础,在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,测量技术基础,特点:(1)非接触检测；(2)响应快；(3)可靠性高，维修简便；(4)测量精度高；(5)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；(7)受被测物体以外的光的影响。,测量技术基础,应用：(1)宽度测量(2)外径测量,(4)条形码扫描器,(3)主轴径向跳动测量,测量技术基础,一个完整的CCD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
3、成。CCD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，转移到CCD内部的移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、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。,11.1 CCD的基本工作原理,(a)MOS光敏单元,(b)1024单元阵列,(c)线阵式摄像机,11.1 CCD的基本工作原理,MOS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,CCD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,CM
4、OS图像传感器,CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。,随着硅晶圆加工技术的进步，CMOS的各项技术指标有望超过CCD，它在图像传感器中的应用也将日趋广泛。,尼康DSC中的CMOS,11.1 CCD的基本工作原理,1)线阵CCD外形,11.2 CCD图像传感器的分类,1CCD转移寄存器 2转移控制栅 3积蓄控制电极 4PD阵列 SH转移控制栅输入端 RS复位控制 VOD漏极输出 OS图像信号输出
5、 OG输出控制栅,线型图像传感器结构,1)线阵CCD外形,11.2 CCD图像传感器的分类,2)面阵CCD,面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像,11.2 CCD图像传感器的分类,200万和1600万像素的面阵CCD,2)面阵CCD,11.2 CCD图像传感器的分类,2)面阵CCD,11.2 CCD图像传感器的分类,2)面阵CCD,11.2 CCD图像传感器的分类,3)面型固态图像传感器,11.2 CCD图像传感器的分类,3)面型固态图像传感器,11.2 CCD图像传感器的分类,光谱响应、动态范围、信噪比、CCD芯片尺寸等 在CCD像素数目相同的条件下，像素点大的C
6、CD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。,11.3 CCD的基本特性参数,CCD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率。好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般可达0.999995，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2048像元的CCD，其信号电荷的总的电荷转移效率为0.9999952048，即0.9898，损失率只有约0.1%。,电荷转移效率(CTE),11.3 CCD的基本特性参数,量子效率(QE),通常造成QE下降
7、的主要原因是CCD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CCD在真空紫外区的工作极限可达1000。,图中是典型的PMT(光电倍增管)、PDA(光电二极管阵列)、CID(电荷注入器件)和CCD的量子效率。可见，CCD的量子效率大大优于PDA和CID，在400700nm波段优于PMT。,11.3 CCD的基本特性参数,暗电流,CCD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成
8、速率大为降低但是CCD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的能力随温度的下降而降低制冷到150K的CCD暗电流小于0.001个电子/检测元/秒。,11.3 CCD的基本特性参数,动态范围DR的定义为：DR=VSAT/VDRK 其中VSAT为饱和输出电压，VDRK为有效像元的平均暗电流输出电压。在正常工作条件下，CCD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态范围，即简单动态范围。CCD的简单动态范围非常大，宽达10个数量级。以7500的红光光子为例，CCD可在1ms积分时间内对光强达每秒5109个光子的光束响应可以对每秒710-2个光子的光源响应，
9、而且在整个动态范围内，都能保持线性响应。,动态范围,11.3 CCD的基本特性参数,11.4 图像传感器的应用,彩色CCD显微照片（放大7000倍）,线阵CCD在扫描仪中的应用,11.4 图像传感器的应用,线阵CCD在图像扫描中的应用,彩色印刷中的套色工艺监控,风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描,11.4 图像传感器的应用,线阵CCD用于字符识别,11.4 图像传感器的应用,CCD数码照相机,数码相机简称DC，它采用CCD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。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，但比传统相机多了液晶显示器
10、(LCD)，内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。,11.4 图像传感器的应用,CCD用于图像记录,11.4 图像传感器的应用,数码相机的外形,11.4 图像传感器的应用,三基色分离原理,CCD数码照相机的结构,11.4 图像传感器的应用,CCD,数码相机的结构解剖(索尼F828),11.4 图像传感器的应用,CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片,11.4 图像传感器的应用,CCD数码摄像机,11.4 图像传感器的应用,CMOS视频摄像头,带红外LED照明的CMOS视频摄像头,11.4 图像传感器的应用,CMOS视频摄像头的外部结构,11.4 图像传感器的应用,CMOS视频摄像头的外形及
11、内部结构,11.4 图像传感器的应用,尺寸测量,被测对象长度L,l1 视场l2传感器的长度,11.4 图像传感器的应用,用于光学文字识别装置,光学文字识别装置(OCR)原理,11.4 图像传感器的应用,用CCD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,11.4 图像传感器的应用,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,11.4 图像传感器的应用,用三角法测量工件轮廓尺寸测量,11.4 图像传感器的应用,投影法测量物体三维形貌,采用面阵式CCD摄像机利用投影法测量物体三维表面形貌。,11.4 图像传感器的应用,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,
