项目七 视觉传感器（课件）- 《传感器与检测技术应用》同步教学（人民邮电版）

项目七 视觉传感器及其应用 7.1 CCD图像传感器 7.1 CCD图像传感器 CCD（Charge Coupled Device）图像传感器由CCD电荷耦合器件制成，是固态图像传感器的一种，是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的新型半导体传感器。 它是在MOS集成电路基础上发展起来的，能进行图像信息光电转换、存储、延时和按顺序传送。 它的集成度高、功耗小、结构简单、耐冲击、寿命长、性能稳定，因而被广泛应用。 CCD电荷耦合器件 CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列，其构造如图5-1所示。 在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约1200A）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电极，称为栅极。该栅极和P型或N型硅衬底就形成了规则的MOS电容器阵列。 再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD电荷耦合器件芯片。 图7-1 CCD电荷耦合器件 每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件。 当光照射到MOS电容器的P型硅衬底上时，会产生电子空穴对（光生电荷），电子被栅极吸引存储在陷阱中。入射光强，则光生电荷多，入射光弱，则光生电荷少。 无光照的MOS电容器则无光生电荷。 若停止光照，由于陷阱的作用，电荷在一定时间内也不会消失，可实现对光照的记忆。MOS电容器可以被设计成线阵或面阵。一维的线阵接收一条光线的照射。二维的面阵接收一个平面的光线的照射。 CCD摄像机、照相机光电转换如图7-2所示。 景物 CCD 面阵 存储 显示 透镜 滤光片 放大器 图7-2 面阵MOS电容器的光电转换 CCD电荷耦合器件的集成度很高，在一块硅片上制造了紧密排列的许多MOS电容器光敏元件。线阵的光敏元件数目从256个到4096个或更多。 面阵的光敏元件的数目可以是500×500个（25万个），甚至2048×2048个（约400万个）以上，现在已出现800万以上的了。 在CCD芯片上同时集成有扫描电路，它们能在外加时钟脉冲的控制下，产生三相时序脉冲信号，由左到右，由上到下，将存储在整个面阵的光敏元件下面的电荷逐位、逐行快速地以串行模拟脉冲信号输出。 CCD图像传感器 MOS电容器实质上是一种光敏元件与移位寄存器合而为一的结构，称为光积蓄式结构，这种结构最简单。 但是因光生电荷的积蓄时间比转移时间长得多，所以再生图像往往产生“拖尾”，图像容易模糊不清。 另外，直接采用MOS电容器感光虽然有不少优点，但它对蓝光的透过率差，灵敏度低。 现在更多地在CCD图像传感器上使用的是光敏元件与移位寄存器分离式的结构，如图7-3所示。 (a)单读示 （b）双读示 图7-3 光敏元件与移位寄存器分离式结构 这种结构采用光敏二极管阵列作为感光元件，光敏二极管在受到光照时，便产生相应于入射光量的电荷。 再经过电注入法将这些电荷引入CCD电容器阵列的陷阱中，便成为用光敏二极管感光的CCD图像传感器。 它的灵敏度极高，在低照度下也能获得清晰的图像，在强光下也不会烧伤感光面。 CCD电容器阵列在这里只起移位寄存器的作用。 图7-4给出了分离式的2048位MOS电容器线阵CCD电荷耦合器件示意图。 模拟信号传输移位寄存器 奇数传输门 偶数传输门 模拟信号传输移位寄存器 视频信号放大器 视频输出信号 GND 时钟信号 +Ucc 2048 2047 光电元件阵列 2 1 图7-4 线阵CCD内部框图 图中移位寄存器被分别配置在光敏元件线阵的两侧，奇偶数号位的光敏元件分别与两侧的移位寄存器的相应小单元对应。 这种结构为双读式结构，它与长度相同的分离式相比较，可以获得高出两倍的分辨率。 因为CCD移位寄存器的级数仅为光敏单元数的一半，可以使CCD特有的电荷转移损失大为减少，较好地解决了因转移损失造成的分辨率降低的问题。 面阵固态图像传感器由双读式结构线阵构成，它有多种类型。常见的有行转移（LT）、帧转移（FT）和行间转移（ILT）方式。 CCD图像传感器的应用 CCD电荷耦合器件单位面积光敏元件位数很多、一个光敏元件形成一个像素，成像分辨率高、信噪比大、动态范围大，可以在微光下工作。 彩色图像传感器采用三个光敏二极管组成一个像素的