第6章 图像传感与检测（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西安交通大学出版社）

传感器与检测技术 第6章 图像传感与检测 图像传感器的发展 图像传感器的基本概念 CCD图像传感器 6.1 6.2 6.3 CMOS图像传感器 图像传感器应用实例 6.4 6.5 6.1 图像传感器的发展 图像检测的基础是图像传感器。图像传感器的目的是将所拍摄的图像转换为电信号。 最早提出图像传感器的设计时，晶体管类固态元件尚未出现，电信号的放大是通过真空管来完成的。1933年，美国物理学家兹沃里金(V.K.Zworykin)发明了光电摄像管。光电摄像管的基本构造如图6.1.1所示，其中，在真空管中放置了一块云母板，云母板表面涂覆具有光电效应的铯(Cs)。光线经镜头后在云母板上成像，由光电效应所产生的电荷经从灯丝放出的电子束扫描而成为输出信号电流。在此之后，移像正析摄像管、光导摄像管、硒砷碲摄像管、雪崩倍增靶摄像管等改良感光度的摄像管相继被发明，用于产生电视图像。 图6.1.1 光电摄像管的基本构造 6.1 图像传感器的发展 到了晶体管发明10年之后，固态图像传感器(固态图像元件)在集成多数晶体管的集成电路出现后才得以诞生。用于晶体管或集成电路的硅等半导体具有将所接收到的光转换为电的性质，但如何正确而有效地获取产生的电信号，则是图像传感器固态化的最大问题。 6.1 图像传感器的发展 最早出现的可以产生图像、像素平面排列的固态图像传感器，具有与目前的电荷耦合元件(chargecoupled device，CCD)不同的构造。例如，由M.A.Schuster与G.Strull于1966年将光敏晶体管按平面排列而得的图像传感器；P.K.Wiener等在1967年提出将光电二极管以平面矩阵方式排列，通过扫描脉冲和MOS晶体管，按XY地址的方式读取信号，即MOS型图像传感器的原型。该方法虽然得到了实用化，但在与CCD的开发竞争中失败，目前已经不用。 6.1 图像传感器的发展 1969年，贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith发明了CCD。由于CCD具有存储信号电荷后进行传输的功能，因此可广泛应用于内存、显示器、延迟元件等。用于天文摄像及某些专业级摄像机的帧转移CCD(frame transfer CCD，FT-CCD)图像传感器也由贝尔实验室于1971年公开。 6.1 图像传感器的发展 与CCD同年问世的戽链器件(bucket brigade device，BBD)具有与CCD相同的功能，基于BBD的图像传感器也于1970年公开。尽管BBD与CCD的功能相同，但BBD就原理而言，信号电荷的传输并不完全，导致信号严重劣化，不适于图像传感器的应用。 自CCD发明以来，为使其实用化，开发人员进行了众多研究。早期的研究主要针对FT-CCD方式进行。此外，决定图像传感器感光度的电荷检测技术中的FD(floating diffusion)构造，以及目前使用最为广泛的行间转移CCD(interline-transfer CCD，IT-CCD)构造等，也相对较早地公开了原理。 6.1 图像传感器的发展 8 在信号处理技术的相关方面，M.H.White在1974年开发出抑制CCD图像传感器信号中的噪声的相关双采样(correlated double sampling，CDS)电路；越智成之发明了对应于电视机隔行扫描方式的场读出方式；可以明显减少图像噪声的掩埋型光电二极管，以及有助于减小像素尺寸和实现电子快门的垂直溢出构造光电二极管，也是CCD实用化之前的重要研究成果。1983年提出的片上微镜头可以弥补像素尺寸减小时感光度的下降，促进了摄影机的小型化与普及。 6.1 图像传感器的发展 除CCD图像传感器外，还提出了基于XY地址方式的MOS型图像传感器、电荷注入器件(charge injection device，CID)、电荷引发器件(charge priming device，CPD)及属于CCD一类的电荷扫描器件(charge sweep device，CSD)等。但尽管提出了各式各样的图像传感器，真正实现实用化且应用于照相机则是在CCD发明10余年后，而且真正实用化了的图像传感器也只有MOS型图像传感器与CCD图像传感器而已。使用MOS型图像传感器的摄影机于1981年实现实用化，而CCD图像传感器产品紧随其后，在1982年登场。先出现的MOS型图像传感器尽管具有信号动态范围广的特点，但噪声多，感光度低。随着图像传感器小型化与高性能化的趋势，以及摄影机的普及，MOS型图像传感器在与感光度高、画质优良的CCD图像传感器的竞争中败北，并最终撤出市场。CCD图像传感器的时代最终来临。