CCD和CMOS的比較解讀課件

第5章圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器5.2CMOS圖像傳感器5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例5.4實(shí)訓(xùn)第5章圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器15.1CCD圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器25.1CCD圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice）圖像傳感器由CCD電荷耦合器件制成，是固態(tài)圖像傳感器的一種，是貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的新型半導(dǎo)體傳感器。它是在MOS集成電路基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能進(jìn)行圖像信息光電轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、延時(shí)和按順序傳送。它的集成度高、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、耐沖擊、壽命長、性能穩(wěn)定，因而被廣泛應(yīng)用。5.1CCD圖像傳感器35.1.1CCD電荷耦合器件CCD電荷耦合器件是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容器組成的陣列，其構(gòu)造如圖5-1所示。在P型或N型硅襯底上生長一層很薄（約1200A）的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅形成電極，稱為柵極。該柵極和P型或N型硅襯底就形成了規(guī)則的MOS電容器陣列。再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD電荷耦合器件芯片。5.1.1CCD電荷耦合器件4圖5-1CCD電荷耦合器件圖5-1CCD電荷耦合器件5每一個(gè)MOS電容器實(shí)際上就是一個(gè)光敏元件。當(dāng)光照射到MOS電容器的P型硅襯底上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)（光生電荷），電子被柵極吸引存儲(chǔ)在陷阱中。入射光強(qiáng)，則光生電荷多，入射光弱，則光生電荷少。無光照的MOS電容器則無光生電荷。若停止光照，由于陷阱的作用，電荷在一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)消失，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光照的記憶。MOS電容器可以被設(shè)計(jì)成線陣或面陣。一維的線陣接收一條光線的照射。二維的面陣接收一個(gè)平面的光線的照射。CCD攝像機(jī)、照相機(jī)光電轉(zhuǎn)換如圖5-2所示。每一個(gè)MOS電容器實(shí)際上就是一個(gè)光敏元件。6景物CCD面陣存儲(chǔ)顯示透鏡濾光片放大器圖5-2面陣MOS電容器的光電轉(zhuǎn)換景物CCD存儲(chǔ)顯示透鏡濾光片放大器圖5-2面陣MOS電容7CCD電荷耦合器件的集成度很高，在一塊硅片上制造了緊密排列的許多MOS電容器光敏元件。線陣的光敏元件數(shù)目從256個(gè)到4096個(gè)或更多。面陣的光敏元件的數(shù)目可以是500×500個(gè)（25萬個(gè)），甚至2048×2048個(gè)（約400萬個(gè)）以上，現(xiàn)在已出現(xiàn)800萬以上的了。在CCD芯片上同時(shí)集成有掃描電路，它們能在外加時(shí)鐘脈沖的控制下，產(chǎn)生三相時(shí)序脈沖信號(hào)，由左到右，由上到下，將存儲(chǔ)在整個(gè)面陣的光敏元件下面的電荷逐位、逐行快速地以串行模擬脈沖信號(hào)輸出。CCD電荷耦合器件的集成度很高，在一塊硅片上制造85.1.2CCD圖像傳感器MOS電容器實(shí)質(zhì)上是一種光敏元件與移位寄存器合而為一的結(jié)構(gòu)，稱為光積蓄式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最簡單。但是因光生電荷的積蓄時(shí)間比轉(zhuǎn)移時(shí)間長得多，所以再生圖像往往產(chǎn)生“拖尾”，圖像容易模糊不清。另外，直接采用MOS電容器感光雖然有不少優(yōu)點(diǎn)，但它對(duì)藍(lán)光的透過率差，靈敏度低?，F(xiàn)在更多地在CCD圖像傳感器上使用的是光敏元件與移位寄存器分離式的結(jié)構(gòu)，如圖5-3所示。5.1.2CCD圖像傳感器9(a)單讀示（b）雙讀示圖5-3光敏元件與移位寄存器分離式結(jié)構(gòu)

(a)單讀示（10這種結(jié)構(gòu)采用光敏二極管陣列作為感光元件，光敏二極管在受到光照時(shí)，便產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷。再經(jīng)過電注入法將這些電荷引入CCD電容器陣列的陷阱中，便成為用光敏二極管感光的CCD圖像傳感器。它的靈敏度極高，在低照度下也能獲得清晰的圖像，在強(qiáng)光下也不會(huì)燒傷感光面。CCD電容器陣列在這里只起移位寄存器的作用。圖5-4給出了分離式的2048位MOS電容器線陣CCD電荷耦合器件示意圖。這種結(jié)構(gòu)采用光敏二極管陣列作為感光元件，光敏二極11模擬信號(hào)傳輸移位寄存器奇數(shù)傳輸門

偶數(shù)傳輸門

模擬信號(hào)傳輸移位寄存器視頻信號(hào)放大器視頻輸出信號(hào)GND時(shí)鐘信號(hào)+Ucc

20482047光電元件陣列21圖5-4線陣CCD內(nèi)部框圖模擬信號(hào)傳輸移位寄存器奇數(shù)傳輸門偶數(shù)傳輸門模擬信12圖中移位寄存器被分別配置在光敏元件線陣的兩側(cè)，奇偶數(shù)號(hào)位的光敏元件分別與兩側(cè)的移位寄存器的相應(yīng)小單元對(duì)應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)為雙讀式結(jié)構(gòu)，它與長度相同的分離式相比較，可以獲得高出兩倍的分辨率。CCD和CMOS的比較解讀課件13因?yàn)镃CD移位寄存器的級(jí)數(shù)僅為光敏單元數(shù)的一半，可以使CCD特有的電荷轉(zhuǎn)移損失大為減少，較好地解決了因轉(zhuǎn)移損失造成的分辨率降低的問題。面陣固態(tài)圖像傳感器由雙讀式結(jié)構(gòu)線陣構(gòu)成，它有多種類型。常見的有行轉(zhuǎn)移（LT）、幀轉(zhuǎn)移（FT）和行間轉(zhuǎn)移（ILT）方式。因?yàn)镃CD移位寄存器的級(jí)數(shù)僅為光敏單元數(shù)的一半，145.1.3CCD圖像傳感器的應(yīng)用CCD電荷耦合器件單位面積光敏元件位數(shù)很多、一個(gè)光敏元件形成一個(gè)像素，成像分辨率高、信噪比大、動(dòng)態(tài)范圍大，可以在微光下工作。彩色圖像傳感器采用三個(gè)光敏二極管組成一個(gè)像素的方法。5.1.3CCD圖像傳感器的應(yīng)用15被測景物的圖像的每一個(gè)光點(diǎn)由彩色矩陣濾光片分解為紅、綠、藍(lán)三個(gè)光點(diǎn)，分別照射到每一個(gè)像素的三個(gè)光敏二極管上，各自產(chǎn)生的光生電荷分別代表該像素紅、綠、藍(lán)三個(gè)光點(diǎn)的亮度。經(jīng)輸出和傳輸后，可在顯示器上重新組合，顯示出每一個(gè)像素的原始彩色。被測景物的圖像的每一個(gè)光點(diǎn)由彩色矩陣濾光片分解為16固態(tài)圖像傳感器輸出信號(hào)具有如下特點(diǎn)：(1)與光像位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間先后性，即能輸出時(shí)間系列信號(hào)；(2)串行的各個(gè)脈沖可以表示不同信號(hào)，即能輸出模擬信號(hào)；(3)能夠精確反映焦點(diǎn)面信息，即能輸出焦點(diǎn)面信號(hào)。固態(tài)圖像傳感器輸出信號(hào)具有如下特點(diǎn)：17將不同的光源或光學(xué)透鏡、光導(dǎo)纖維、濾光片及反射鏡等光學(xué)元件靈活地與這三個(gè)特點(diǎn)組合，可以獲得固態(tài)圖象傳感器的各個(gè)用途，如圖5-5所示。將不同的光源或光學(xué)透鏡、光導(dǎo)纖維、濾光片及反射鏡18中介物模擬信號(hào)時(shí)間系列信號(hào)焦點(diǎn)面信號(hào)1234色濃淡位置形狀距離可測對(duì)象固態(tài)圖象傳感器的輸出特點(diǎn)圖5-5固態(tài)圖象傳感器的用途1—濾光片；2—光導(dǎo)纖維；3—平行光；4—透鏡

中介物模擬時(shí)間系焦點(diǎn)面1219(1)組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷等；(2)作為光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)。例如：用于傳真技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)以及圖象識(shí)別技術(shù)、傳真、攝像等方面；(1)組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷等；20(3)作自動(dòng)流水線裝置中的敏感器件。例如：可用于機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)搬運(yùn)車以及自動(dòng)監(jiān)視裝置等方面；(4)作為機(jī)器人的視覺，監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行。(3)作自動(dòng)流水線裝置中的敏感器件。例如：可用于機(jī)床、自動(dòng)售215.2CMOS圖像傳感器5.2CMOS圖像傳感器225.2CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的互補(bǔ)型金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）組成的陣列。5.2CMOS圖像傳感器235.2.1CMOS型光電轉(zhuǎn)換器件以E型NMOS場效應(yīng)管V1作為共源放大管，以E型PMOS場效應(yīng)管V2、V3構(gòu)成的鏡像電流源作為有源負(fù)載，就構(gòu)成了CMOS型放大器，如圖5-6所示?？梢姡珻MOS型放大器是由NMOS場效應(yīng)管和PMOS場效應(yīng)管組合而成的互補(bǔ)放大電路，CMOS就叫互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體。5.2.1CMOS型光電轉(zhuǎn)換器件24圖5-6CMOS型放大器圖5-6CMOS型放大器25CMOS型光電變換器件原理如圖5-7所示。與CMOS型放大器源極相連的P型半導(dǎo)體襯底充當(dāng)光電變換器的感光部分。當(dāng)CMOS型放大器的柵源電壓uGS=0時(shí)，CMOS型放大器處于關(guān)閉狀態(tài)，即iD=0。CMOS型光電變換器件原理如圖5-7所示。26CMOS型放大器的P型襯底受光信號(hào)照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷，可見CMOS型光電變換器件同樣有存儲(chǔ)電荷的功能。當(dāng)積蓄過程結(jié)束，柵源之間加上開啟電壓時(shí)，源極通過漏極負(fù)載電阻對(duì)外接電容充電形成電流即為光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的輸出。CMOS型放大器的P型襯底受光信號(hào)照射產(chǎn)生并積蓄27圖5-7CMOS型光電變換器件圖5-7CMOS型光電變換器件285.2.2CMOS圖像傳感器利用CMOS型光電變換器件可以做成CMOS圖像傳感器。由CMOS襯底直接受光信號(hào)照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷的方式不大采用?，F(xiàn)在更多地在CMOS圖像傳感器上使用的是：光敏元件與CMOS型放大器分離式的結(jié)構(gòu)。CMOS線型圖像傳感器結(jié)構(gòu)如圖5-8所示。5.2.2CMOS圖像傳感器29圖5-8CMOS線型圖像傳感器構(gòu)成圖5-8CMOS線型圖像傳感器構(gòu)成30CMOS線型圖像傳感器由光敏二極管和CMOS型放大器陣列以及掃描電路集成在一塊芯片上制成。一個(gè)光敏二極管和一個(gè)CMOS型放大器組成一個(gè)像素。光敏二極管陣列在受到光照時(shí)，便產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷。CMOS線型圖像傳感器由光敏二極管和CMOS型放31掃描電路以時(shí)鐘脈沖的時(shí)間間隔輪流給CMOS型放大器陣列的各個(gè)柵極加上電壓，CMOS型放大器輪流進(jìn)入放大狀態(tài)，將光敏二極管陣列產(chǎn)生的光生電荷放大輸出。掃描電路以時(shí)鐘脈沖的時(shí)間間隔輪流給CMOS型放大32CMOS面型圖像傳感器則是由光敏二極管和CMOS型放大器組成的二維像素矩陣，并分別設(shè)有X－Y水平與垂直選址掃描電路。水平與垂直選址掃描電路發(fā)出的掃描脈沖電壓，由左到右，由上到下，分別使各個(gè)像素的CMOS型放大器處于放大狀態(tài)。二維像素矩陣面上各個(gè)像素的光敏二極管光生和積蓄的電荷依次放大輸出。CMOS面型圖像傳感器則是由光敏二極管和CMOS335.2.3CMOS圖像傳感器的應(yīng)用CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器一樣，可用于自動(dòng)控制、自動(dòng)測量、攝影攝像、圖像識(shí)別等各個(gè)領(lǐng)域。CMOS針對(duì)CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電。CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右。CMOS圖像傳感器用于數(shù)碼相機(jī)有助于改善人們心目中數(shù)碼相機(jī)是“電老虎”的不良印象。5.2.3CMOS圖像傳感器的應(yīng)用34CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。目前CMOS傳感器基本都是應(yīng)用在簡易型數(shù)碼相機(jī)上如：VIVITAR公司的VIVICAM2655使用的是一塊1/3英吋CMOS芯片，有效分辨率為640×480像素。CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時(shí)，由于電35

Mustek設(shè)計(jì)制造的GSmart350是一款使用CMOS為感光元件的數(shù)碼相機(jī)，最大分辨率為640×480，適用于入門者或單純的網(wǎng)頁設(shè)計(jì)應(yīng)用。它非常省電，使用3個(gè)1.5V的AA電池，可以持續(xù)拍攝1000張左右的相片。隨著技術(shù)的發(fā)展，高像素的CMOS傳感器已開始商業(yè)應(yīng)用。

365.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例375.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例5.3.1月票自動(dòng)發(fā)售機(jī)用CCD圖像傳感器可以做成月票自動(dòng)發(fā)售機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖5-9所示。顧客按照固定的格式填寫好申請(qǐng)單，送入月票自動(dòng)發(fā)售機(jī)。在傳送的過程中，CCD線型圖像傳感器將申請(qǐng)單以圖像的方式轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，放大后送自動(dòng)謄寫機(jī)，打印出月票。5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例38顧客申請(qǐng)單光源CCD線型圖像傳感器放大器自動(dòng)謄寫機(jī)紙打印機(jī)月票鏡頭圖5-9月票自動(dòng)發(fā)售機(jī)結(jié)構(gòu)組成顧客光源CCD放自動(dòng)紙打月鏡圖5-9月票自動(dòng)發(fā)售機(jī)結(jié)構(gòu)組成395.3.2數(shù)字?jǐn)z像機(jī)現(xiàn)在市場上數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的品種已經(jīng)很多了，它大多是用CCD彩色圖像傳感器做成的，可以是線型圖像傳感器，也可以是面型圖像傳感器。其基本結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。5.3.2數(shù)字?jǐn)z像機(jī)40對(duì)變化的外界景物連續(xù)拍攝圖片，只要拍攝速度超過24幅／秒，則按同樣的速度播放這些圖片，可以重現(xiàn)變化的外界景物，這是利用了人的眼睛的視覺暫留原理。CCD彩色圖像傳感器在掃描電路的控制下，可將變化的外界景物以25幅／秒圖像的速度轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號(hào)輸出。對(duì)變化的外界景物連續(xù)拍攝圖片，只要拍攝速度超過241景物CCD彩色圖像傳感器掃描電路放大器A/D轉(zhuǎn)換器壓縮編碼電動(dòng)機(jī)磁帶存儲(chǔ)卡鏡頭分色鏡圖5-10數(shù)字?jǐn)z像機(jī)基本結(jié)構(gòu)RGB景CCD掃描電路放A/D壓電動(dòng)機(jī)磁帶存儲(chǔ)卡鏡分圖5-10425.3.3數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)拍攝的是靜止圖像。數(shù)碼相機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。數(shù)碼相機(jī)通常被劃分為高端(400萬像素以上)、中端(330、210萬像素)與低端(百萬像素以下)三種產(chǎn)品。中端數(shù)碼相機(jī)使用1/2英寸330萬像素（有效像素為2,048×1,536）的CCD彩色圖像傳感器，芯片面積為35mm膠片的1/5.35。5.3.3數(shù)碼相機(jī)43現(xiàn)在已有中端數(shù)碼相機(jī)使用的CMOS彩色圖像傳感器推出。高端數(shù)碼相機(jī)有2／3英寸CCD芯片830萬像素（有效像素為3,264×2,448），可輸出300dpi（每英寸點(diǎn)數(shù)）的10.88英寸×8.16英寸幅面的相片?，F(xiàn)在已有中端數(shù)碼相機(jī)使用的CMOS彩色圖像傳感器44景物分色鏡CCD彩色圖像傳感器取景器電路放大器ASIC集成電路A/D轉(zhuǎn)換器CPU存儲(chǔ)卡鏡頭RGB圖5-10數(shù)碼相機(jī)基本結(jié)構(gòu)景分CCD取景器放大器ASICA/DCPU存儲(chǔ)卡鏡RGB圖5455.3.4彩信手機(jī)彩信手機(jī)也叫相機(jī)電話目前大都采用CMOS彩色圖像傳感器。彩信手機(jī)的照相機(jī)功能由相機(jī)模組（攝像頭）實(shí)現(xiàn)。相機(jī)模組組成如圖5-11所示。相機(jī)模組屬于有彩信功能的手機(jī)的基本配置，有內(nèi)置式和外置式兩種。外置式通過13芯插頭與手機(jī)上的插座連接，現(xiàn)在使用的已基本都是內(nèi)置式。開啟面板上的照相功能鍵后，就可進(jìn)行照相。5.3.4彩信手機(jī)46被攝景物通過鏡頭照射到CMOS彩色圖像傳感器上。CMOS彩色圖像傳感器將圖像轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換，送DSP數(shù)字信號(hào)處理器處理。處理后的數(shù)字圖像信號(hào)，以YUV422的亮度和色度信號(hào)比例，送存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)和液晶屏顯示。被攝景物通過鏡頭照射到CMOS彩色圖像傳感器上。47用OK按鍵選定的圖像數(shù)據(jù)，則輸出到手機(jī)的基帶信號(hào)電路，與話音信號(hào)一樣，調(diào)制到射頻頻率上發(fā)送到對(duì)方手機(jī)。CMOS傳感器被認(rèn)為是相機(jī)電話的理想解決方案，它的優(yōu)點(diǎn)是制造成本較CCD更低，功耗也低得多（手機(jī)可接受的功耗為80~100mW），速度快。用OK按鍵選定的圖像數(shù)據(jù)，則輸出到手機(jī)的基帶信號(hào)48只是CMOS攝像頭對(duì)景物光源的要求要高一些，也無法達(dá)到CCD那樣高的分辨率。對(duì)發(fā)送到對(duì)方手機(jī)最實(shí)用的640×480分辨率（35萬像素）的手機(jī)攝像頭來說，CMOS已足以應(yīng)付?，F(xiàn)在已出現(xiàn)100萬以上，甚至300萬像素的相機(jī)電話，但目前僅用于拍照，若發(fā)送到對(duì)方手機(jī)則由于像素太多而使傳送時(shí)間太長。CCD和CMOS的比較解讀課件49分色鏡CMOS彩色圖像傳感器A/D轉(zhuǎn)換器DSP數(shù)字信號(hào)處理器存儲(chǔ)卡手機(jī)電路顯示器鏡頭景物發(fā)送RGB圖5-11彩信手機(jī)相機(jī)模組組成框圖按鍵分CMOSA/DDSP存手機(jī)顯鏡景物發(fā)送RGB圖5-11505.3.5計(jì)算機(jī)攝像頭現(xiàn)在許多計(jì)算機(jī)都配置有計(jì)算機(jī)攝像頭，用于現(xiàn)場計(jì)算機(jī)攝像和網(wǎng)絡(luò)傳輸。一般采用CMOS傳感器制造。圖5-12計(jì)算機(jī)攝像頭5.3.5計(jì)算機(jī)攝像頭圖5-12計(jì)算機(jī)攝像頭515.4實(shí)訓(xùn)5.4實(shí)訓(xùn)525.4實(shí)訓(xùn)

用計(jì)算機(jī)攝像頭、數(shù)碼相機(jī)、USB接口傳輸線、微型計(jì)算機(jī)、顯示器等組成工作現(xiàn)場圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)。如圖5-13所示。觀察計(jì)算機(jī)攝像頭和數(shù)碼相機(jī)攝入的圖像的差別。5.4實(shí)訓(xùn)53計(jì)算機(jī)攝像頭數(shù)碼相機(jī)USB接口USB接口微型計(jì)算機(jī)顯示器圖5-13工作現(xiàn)場圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)攝像頭數(shù)碼相機(jī)USB接口USB接口微型顯示器圖5-1354第5章圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器5.2CMOS圖像傳感器5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例5.4實(shí)訓(xùn)第5章圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器555.1CCD圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器565.1CCD圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice）圖像傳感器由CCD電荷耦合器件制成，是固態(tài)圖像傳感器的一種，是貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的新型半導(dǎo)體傳感器。它是在MOS集成電路基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能進(jìn)行圖像信息光電轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、延時(shí)和按順序傳送。它的集成度高、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、耐沖擊、壽命長、性能穩(wěn)定，因而被廣泛應(yīng)用。5.1CCD圖像傳感器575.1.1CCD電荷耦合器件CCD電荷耦合器件是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容器組成的陣列，其構(gòu)造如圖5-1所示。在P型或N型硅襯底上生長一層很?。s1200A）的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅形成電極，稱為柵極。該柵極和P型或N型硅襯底就形成了規(guī)則的MOS電容器陣列。再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD電荷耦合器件芯片。5.1.1CCD電荷耦合器件58圖5-1CCD電荷耦合器件圖5-1CCD電荷耦合器件59每一個(gè)MOS電容器實(shí)際上就是一個(gè)光敏元件。當(dāng)光照射到MOS電容器的P型硅襯底上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)（光生電荷），電子被柵極吸引存儲(chǔ)在陷阱中。入射光強(qiáng)，則光生電荷多，入射光弱，則光生電荷少。無光照的MOS電容器則無光生電荷。若停止光照，由于陷阱的作用，電荷在一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)消失，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光照的記憶。MOS電容器可以被設(shè)計(jì)成線陣或面陣。一維的線陣接收一條光線的照射。二維的面陣接收一個(gè)平面的光線的照射。CCD攝像機(jī)、照相機(jī)光電轉(zhuǎn)換如圖5-2所示。每一個(gè)MOS電容器實(shí)際上就是一個(gè)光敏元件。60景物CCD面陣存儲(chǔ)顯示透鏡濾光片放大器圖5-2面陣MOS電容器的光電轉(zhuǎn)換景物CCD存儲(chǔ)顯示透鏡濾光片放大器圖5-2面陣MOS電容61CCD電荷耦合器件的集成度很高，在一塊硅片上制造了緊密排列的許多MOS電容器光敏元件。線陣的光敏元件數(shù)目從256個(gè)到4096個(gè)或更多。面陣的光敏元件的數(shù)目可以是500×500個(gè)（25萬個(gè)），甚至2048×2048個(gè)（約400萬個(gè)）以上，現(xiàn)在已出現(xiàn)800萬以上的了。在CCD芯片上同時(shí)集成有掃描電路，它們能在外加時(shí)鐘脈沖的控制下，產(chǎn)生三相時(shí)序脈沖信號(hào)，由左到右，由上到下，將存儲(chǔ)在整個(gè)面陣的光敏元件下面的電荷逐位、逐行快速地以串行模擬脈沖信號(hào)輸出。CCD電荷耦合器件的集成度很高，在一塊硅片上制造625.1.2CCD圖像傳感器MOS電容器實(shí)質(zhì)上是一種光敏元件與移位寄存器合而為一的結(jié)構(gòu)，稱為光積蓄式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最簡單。但是因光生電荷的積蓄時(shí)間比轉(zhuǎn)移時(shí)間長得多，所以再生圖像往往產(chǎn)生“拖尾”，圖像容易模糊不清。另外，直接采用MOS電容器感光雖然有不少優(yōu)點(diǎn)，但它對(duì)藍(lán)光的透過率差，靈敏度低?，F(xiàn)在更多地在CCD圖像傳感器上使用的是光敏元件與移位寄存器分離式的結(jié)構(gòu)，如圖5-3所示。5.1.2CCD圖像傳感器63(a)單讀示（b）雙讀示圖5-3光敏元件與移位寄存器分離式結(jié)構(gòu)

(a)單讀示（64這種結(jié)構(gòu)采用光敏二極管陣列作為感光元件，光敏二極管在受到光照時(shí)，便產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷。再經(jīng)過電注入法將這些電荷引入CCD電容器陣列的陷阱中，便成為用光敏二極管感光的CCD圖像傳感器。它的靈敏度極高，在低照度下也能獲得清晰的圖像，在強(qiáng)光下也不會(huì)燒傷感光面。CCD電容器陣列在這里只起移位寄存器的作用。圖5-4給出了分離式的2048位MOS電容器線陣CCD電荷耦合器件示意圖。這種結(jié)構(gòu)采用光敏二極管陣列作為感光元件，光敏二極65模擬信號(hào)傳輸移位寄存器奇數(shù)傳輸門

偶數(shù)傳輸門

模擬信號(hào)傳輸移位寄存器視頻信號(hào)放大器視頻輸出信號(hào)GND時(shí)鐘信號(hào)+Ucc

20482047光電元件陣列21圖5-4線陣CCD內(nèi)部框圖模擬信號(hào)傳輸移位寄存器奇數(shù)傳輸門偶數(shù)傳輸門模擬信66圖中移位寄存器被分別配置在光敏元件線陣的兩側(cè)，奇偶數(shù)號(hào)位的光敏元件分別與兩側(cè)的移位寄存器的相應(yīng)小單元對(duì)應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)為雙讀式結(jié)構(gòu)，它與長度相同的分離式相比較，可以獲得高出兩倍的分辨率。CCD和CMOS的比較解讀課件67因?yàn)镃CD移位寄存器的級(jí)數(shù)僅為光敏單元數(shù)的一半，可以使CCD特有的電荷轉(zhuǎn)移損失大為減少，較好地解決了因轉(zhuǎn)移損失造成的分辨率降低的問題。面陣固態(tài)圖像傳感器由雙讀式結(jié)構(gòu)線陣構(gòu)成，它有多種類型。常見的有行轉(zhuǎn)移（LT）、幀轉(zhuǎn)移（FT）和行間轉(zhuǎn)移（ILT）方式。因?yàn)镃CD移位寄存器的級(jí)數(shù)僅為光敏單元數(shù)的一半，685.1.3CCD圖像傳感器的應(yīng)用CCD電荷耦合器件單位面積光敏元件位數(shù)很多、一個(gè)光敏元件形成一個(gè)像素，成像分辨率高、信噪比大、動(dòng)態(tài)范圍大，可以在微光下工作。彩色圖像傳感器采用三個(gè)光敏二極管組成一個(gè)像素的方法。5.1.3CCD圖像傳感器的應(yīng)用69被測景物的圖像的每一個(gè)光點(diǎn)由彩色矩陣濾光片分解為紅、綠、藍(lán)三個(gè)光點(diǎn)，分別照射到每一個(gè)像素的三個(gè)光敏二極管上，各自產(chǎn)生的光生電荷分別代表該像素紅、綠、藍(lán)三個(gè)光點(diǎn)的亮度。經(jīng)輸出和傳輸后，可在顯示器上重新組合，顯示出每一個(gè)像素的原始彩色。被測景物的圖像的每一個(gè)光點(diǎn)由彩色矩陣濾光片分解為70固態(tài)圖像傳感器輸出信號(hào)具有如下特點(diǎn)：(1)與光像位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間先后性，即能輸出時(shí)間系列信號(hào)；(2)串行的各個(gè)脈沖可以表示不同信號(hào)，即能輸出模擬信號(hào)；(3)能夠精確反映焦點(diǎn)面信息，即能輸出焦點(diǎn)面信號(hào)。固態(tài)圖像傳感器輸出信號(hào)具有如下特點(diǎn)：71將不同的光源或光學(xué)透鏡、光導(dǎo)纖維、濾光片及反射鏡等光學(xué)元件靈活地與這三個(gè)特點(diǎn)組合，可以獲得固態(tài)圖象傳感器的各個(gè)用途，如圖5-5所示。將不同的光源或光學(xué)透鏡、光導(dǎo)纖維、濾光片及反射鏡72中介物模擬信號(hào)時(shí)間系列信號(hào)焦點(diǎn)面信號(hào)1234色濃淡位置形狀距離可測對(duì)象固態(tài)圖象傳感器的輸出特點(diǎn)圖5-5固態(tài)圖象傳感器的用途1—濾光片；2—光導(dǎo)纖維；3—平行光；4—透鏡

中介物模擬時(shí)間系焦點(diǎn)面1273(1)組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷等；(2)作為光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)。例如：用于傳真技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)以及圖象識(shí)別技術(shù)、傳真、攝像等方面；(1)組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷等；74(3)作自動(dòng)流水線裝置中的敏感器件。例如：可用于機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)搬運(yùn)車以及自動(dòng)監(jiān)視裝置等方面；(4)作為機(jī)器人的視覺，監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行。(3)作自動(dòng)流水線裝置中的敏感器件。例如：可用于機(jī)床、自動(dòng)售755.2CMOS圖像傳感器5.2CMOS圖像傳感器765.2CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的互補(bǔ)型金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）組成的陣列。5.2CMOS圖像傳感器775.2.1CMOS型光電轉(zhuǎn)換器件以E型NMOS場效應(yīng)管V1作為共源放大管，以E型PMOS場效應(yīng)管V2、V3構(gòu)成的鏡像電流源作為有源負(fù)載，就構(gòu)成了CMOS型放大器，如圖5-6所示。可見，CMOS型放大器是由NMOS場效應(yīng)管和PMOS場效應(yīng)管組合而成的互補(bǔ)放大電路，CMOS就叫互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體。5.2.1CMOS型光電轉(zhuǎn)換器件78圖5-6CMOS型放大器圖5-6CMOS型放大器79CMOS型光電變換器件原理如圖5-7所示。與CMOS型放大器源極相連的P型半導(dǎo)體襯底充當(dāng)光電變換器的感光部分。當(dāng)CMOS型放大器的柵源電壓uGS=0時(shí)，CMOS型放大器處于關(guān)閉狀態(tài)，即iD=0。CMOS型光電變換器件原理如圖5-7所示。80CMOS型放大器的P型襯底受光信號(hào)照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷，可見CMOS型光電變換器件同樣有存儲(chǔ)電荷的功能。當(dāng)積蓄過程結(jié)束，柵源之間加上開啟電壓時(shí)，源極通過漏極負(fù)載電阻對(duì)外接電容充電形成電流即為光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的輸出。CMOS型放大器的P型襯底受光信號(hào)照射產(chǎn)生并積蓄81圖5-7CMOS型光電變換器件圖5-7CMOS型光電變換器件825.2.2CMOS圖像傳感器利用CMOS型光電變換器件可以做成CMOS圖像傳感器。由CMOS襯底直接受光信號(hào)照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷的方式不大采用?，F(xiàn)在更多地在CMOS圖像傳感器上使用的是：光敏元件與CMOS型放大器分離式的結(jié)構(gòu)。CMOS線型圖像傳感器結(jié)構(gòu)如圖5-8所示。5.2.2CMOS圖像傳感器83圖5-8CMOS線型圖像傳感器構(gòu)成圖5-8CMOS線型圖像傳感器構(gòu)成84CMOS線型圖像傳感器由光敏二極管和CMOS型放大器陣列以及掃描電路集成在一塊芯片上制成。一個(gè)光敏二極管和一個(gè)CMOS型放大器組成一個(gè)像素。光敏二極管陣列在受到光照時(shí)，便產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷。CMOS線型圖像傳感器由光敏二極管和CMOS型放85掃描電路以時(shí)鐘脈沖的時(shí)間間隔輪流給CMOS型放大器陣列的各個(gè)柵極加上電壓，CMOS型放大器輪流進(jìn)入放大狀態(tài)，將光敏二極管陣列產(chǎn)生的光生電荷放大輸出。掃描電路以時(shí)鐘脈沖的時(shí)間間隔輪流給CMOS型放大86CMOS面型圖像傳感器則是由光敏二極管和CMOS型放大器組成的二維像素矩陣，并分別設(shè)有X－Y水平與垂直選址掃描電路。水平與垂直選址掃描電路發(fā)出的掃描脈沖電壓，由左到右，由上到下，分別使各個(gè)像素的CMOS型放大器處于放大狀態(tài)。二維像素矩陣面上各個(gè)像素的光敏二極管光生和積蓄的電荷依次放大輸出。CMOS面型圖像傳感器則是由光敏二極管和CMOS875.2.3CMOS圖像傳感器的應(yīng)用CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器一樣，可用于自動(dòng)控制、自動(dòng)測量、攝影攝像、圖像識(shí)別等各個(gè)領(lǐng)域。CMOS針對(duì)CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電。CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右。CMOS圖像傳感器用于數(shù)碼相機(jī)有助于改善人們心目中數(shù)碼相機(jī)是“電老虎”的不良印象。5.2.3CMOS圖像傳感器的應(yīng)用88CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。目前CMOS傳感器基本都是應(yīng)用在簡易型數(shù)碼相機(jī)上如：VIVITAR公司的VIVICAM2655使用的是一塊1/3英吋CMOS芯片，有效分辨率為640×480像素。CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時(shí)，由于電89

Mustek設(shè)計(jì)制造的GSmart350是一款使用CMOS為感光元件的數(shù)碼相機(jī)，最大分辨率為640×480，適用于入門者或單純的網(wǎng)頁設(shè)計(jì)應(yīng)用。它非常省電，使用3個(gè)1.5V的AA電池，可以持續(xù)拍攝1000張左右的相片。隨著技術(shù)的發(fā)展，高像素的CMOS傳感器已開始商業(yè)應(yīng)用。

905.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例915.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例5.3.1月票自動(dòng)發(fā)售機(jī)用CCD圖像傳感器可以做成月票自動(dòng)發(fā)售機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖5-9所示。顧客按照固定的格式填寫好申請(qǐng)單，送入月票自動(dòng)發(fā)售機(jī)。在傳送的過程中，CCD線型圖像傳感器將申請(qǐng)單以圖像的方式轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，放大后送自動(dòng)謄寫機(jī)，打印出月票。5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例92顧客申請(qǐng)單光源CCD線型圖像傳感器放大器自動(dòng)謄寫機(jī)紙打印機(jī)月票鏡頭圖5-9月票自動(dòng)發(fā)售機(jī)結(jié)構(gòu)組成顧客光源CCD放自動(dòng)紙打月鏡圖5-9月票自動(dòng)發(fā)售機(jī)結(jié)構(gòu)組成935.3.2數(shù)字?jǐn)z像機(jī)現(xiàn)在市場上數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的品種已經(jīng)很多了，它大多是用CCD彩色圖像傳感器做成的，可以是線型圖像傳感器，也可以是面型圖像傳感器。其基本結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。5.3.2數(shù)字?jǐn)z像機(jī)94對(duì)變化的外界景物連續(xù)拍攝圖片，只要拍攝速度超過24幅／秒，則按同樣的速度播放這些圖片，可以重現(xiàn)變化的外界景物，這是利用了人的眼睛的視覺暫留原理。CCD彩色圖像傳感器在掃描電路的控制下，可將變化的外界景物以25幅／秒圖像的速度轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號(hào)輸出。對(duì)變化的外界景物連續(xù)拍攝圖片，只要拍攝速度超過295景物CCD彩色圖像傳感器掃描電路放大器A/D轉(zhuǎn)換器壓縮編碼電動(dòng)機(jī)磁帶存儲(chǔ)卡鏡頭分色鏡圖5-10數(shù)字?jǐn)z像機(jī)基本結(jié)構(gòu)RGB景CCD掃描電路放A/D壓電動(dòng)機(jī)磁帶存儲(chǔ)卡鏡分圖5-10965.3.3數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)拍攝的是靜止圖像。數(shù)碼相機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。數(shù)碼相機(jī)通常被劃分為高端(400萬像素以上)、中端(330、210萬像素)與低端(百萬像素以下)三種產(chǎn)品。中端數(shù)碼相機(jī)使用1/2英寸330萬像素（有效