《图像传感器》PPT课件

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图像传感器原理介绍CCD和CMOS介绍V12 课件

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全景Full-Frame
? 全像 CCD 则是一种架构更简单的感光设计。有鉴于 IL 的缺点， FF改良可以利用整个感光区域（没有暂存区的设计），有效增大感光范围，同时也适用长时间曝光。其曝光过程和 Interline 相同，不过感光和电荷输出过程是分开。因此，使用 FF CCD 的数字相机在传送电荷信息时必须完全关闭快门，以隔离镜头入射的光线，防止干扰。这也意味着 FF 必须使用机械快门（无法使用 IL 的电子 CLOCK 快门)，同时也限制了 FF CCD 的连续拍摄能力。 Full-Frame CCD 大多被用在顶级的数位机背上。
数字相机的快门开启，来自影像的光线穿过这些马赛克色块会让感光点的二氧化硅材料释放出电子〈负电〉与电洞〈正电〉。经由外部加入电压，这些电子和电洞会被转移到不同极性的另一个硅层暂存起来。电子数的多寡和曝光过程光点所接收的光量成正比。在一个影像最明亮的部位，可能有超过 10万个电子被积存起来。
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CCD外形尺寸信息
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原理篇
16 的工作需求，业界发展出四种不同类型的 CCD ：
? Linear 线性、 ? Interline扫瞄、 ? 全景 Full-Frame ? Frame-Transfer 全传
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CCD分辨率
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黑白CCD的组成结构图
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彩色CCD的组成结构分图
?CCD 的三层结构：上：增光镜片、中：色块网格下：感应线路
? 由微型镜头、马赛克分色网格，及垫于最底层的电子线路矩阵所组成
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彩色CCD运行图
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彩色CCD运行图说明

CCD图像传感器 ppt课件

通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以实现光电荷在相邻势阱间的转移。
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(a)初始状态； (b)电荷由①电极向电极②转移； (c)电荷在①②电极下均匀分布；(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②电极； (f)三相转移脉冲
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图中CCD的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在偏压为10V的(1)电极下面的深势阱中，其他电极加有大于阈值的较低的电压(例如2V)，如图(a)所示。一定时刻后，(2)电极由2V变为10V，其余电极保持不变，如图(b)。因为(1)和(2)电极靠的很近(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在(1)下的电荷变为(1)和(2)两个电极共有，图(C)示。此后，改变(1)电极上10V电压为2 V，(2)电极上10V不变，如图(d)示，电荷将转移到(2)电极下的势阱中。由此实现了深势阱及电荷包向右转移了一个位置。
输出 4电荷检测
CCD传感器
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CCD结构类型
按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵和面阵两大类。
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目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。
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信号电荷的存储（示意图）
UG < Uth 时
+UG
UG > Uth 时
+UG
入射光
e-
e-
e-
e-
e-
+Uth
e- 势阱

CMOS图像传感器剖析实用PPT课件

小节
3.1 概述 3.2 CMOS成像器件的原理结构 3.3 CMOS成像器件的工作流程
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作业
➢CMOS图像传感器能够像线阵CCD那样只输出一行的信号吗？若能，试说明怎样实现。 ➢何谓被动像敏单元结构与主动像敏单元结构？二者有什么异同？主动像敏单元结构是如何克服被动像敏单元结构的缺陷的？
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感谢您的欣赏！
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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。
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3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.1 CMOS成像器件的组成
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。
3.1 概述
CMOS图像传感器出现于1969年,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。
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3.2 CMOS成像器件的原理结构
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3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.1 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、

cmos图像传感器ppt课件可编辑全文

数码相机传感器尺寸
单反相机一般采用的是大尺寸的APS-C画幅感光元件，而有些卡片相机采用的是1/2.3英寸感光元件，虽然它们可能都拥1800万像素，但是区别在于二者的单个像素宽度不同。APS-C画幅、1800万像素感光元件的每一个像素宽约为4.3微米，而1/2.3英寸、1800万像素感光元件的每一个像素宽约有1.68微米。
6.6
11.00
1/1.7英寸 7.76
5.82
9.70
1/2.3英寸 6.16
4.62
7.70
1/3.2英寸 4.13
3.05
5.13
面积 864.00 518.94 372.88 332.27 261.80 224.90 116.16 58.08 45.16 28.46 12.60
数码相机的像素:
尾端各有3个像元为虚设单元。
图9.SXGA型图像传感器的像敏区结构
六、典型CMOS图像传感器
SXGA型CMOS成像器件的光谱特性如图10所示。
图10.SXGA型图像传感器的光谱响应特性曲线
六、典型CMOS图像传感器
SXGA型CMOS成像器件的输出特性如图11所示。曲线的线性段的动态范围仅为66dB。若采用对数放大
图5.主动式像敏单元结构的基本电路
图6.主动式像敏单元时序图
三、CMOS图像传感器的像敏单元结构
主动式像素结构（Active Pixel Sensor.简称APS），又叫有源式，几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时，人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能，在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了“封装密度”，使40%～50%的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的还小。

图像传感器ppt课件

3、读出。在曝光完成后，RS会被激活，PN结中的信号经过运放SF 放大后，读出到column bus。 4、循环。读出信号后，重新复位，曝光，读出不断的输出图像信号。
图2.6 PN结像素结构
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为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能
6.cmos传感器的动态范围
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2.2 CMOS传感器的像素结构
❖ 由于PPD像素结构在暗电流和噪声方面的优异表现，近年来市面上的CMOS传感器都是以PPD结构为主。但是，PPD结构有4个晶体管，有的设计甚至有5个，这大大降低了像素的填充因子（即感光区占整个像素面积的比值），这会影响传感器的光电转换效率，进而影响传感器的噪声表现。
图2.7 PPD像素结构
对于PPD，右边部分电路只是信号读出电路。读出电路与光电转换结构通过TX完全隔开，这样可以将光感区的设计和读出电路完全隔离开，有利于各种信号处理电路的引入（如CDS，DDS等）。另外，PPD 感光区的设计采用的是p-n-p结构，减小了暗电流
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2.2 CMOS传感器的像素结构
passivel Pixel噪声较大有2 个主要原因：
1、相对读出电路上的寄生电容，PN结的电容相对较小。代表其信号的电压差相对较小，这导致其对电路噪声很敏感。 2、如图2.5(b)，PN结的信号，先经过读出电路，才进行放大。这种情况，注入到读出信号的噪声会随着信号一起放大。

CMOS图像传感器原理及应用ppt课件

• 差异总结及前景展望： • 由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持数据的完整性；CMOS图像传感器的制程比较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个画素的数据。新一代的 CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入手机摄像头的移动通讯市场；CMOS系列，则开始朝向大尺寸面积与高速图像处理芯片整合，借由后续的图像处理修正噪声以及画质表现，CMOS未来跨足高阶的影像市场产品，前景可期。
• • • • • •
ISO感光度
•
ISO值是用来表示传统相机所使用底片的感光度。当ISO数值愈大时，感光度就愈大。
分辨率
• • • • • • • • • • • • • 先来说一下像素：像素，即是影像最基本的单位。也就是说将影像放大到不能再将它分割的影像单位。而分辨率，是在一个特定的区域内共有多少个像素单位，该词最早是用来说明工程中单位长度所撷取到『点』的数目，对应在单位上就成了 dpi (dot per inch)。常见单位有： EPI:每一平方英寸共有多少单位数(element per inch)。 DPI:每一平方英寸共有多少点数(dot per inch)。 PPI:每一平方英寸共有多少像素数(pixel per inch)。 LPI:每一平方英寸共有多少条线(line per inch)。胶片式照相机一般使用35毫米的胶卷。解像度在数百万到一千万点。但是，胶片经镜头所拍下的成像。有时还比不上100万像素档次的数码相机。100万像素档次的数码相机，拍摄1024x768点阵的画像，经高解像度的打印机打印，解像度为每毫米3到4点（解像度可用点数来表示）。另一方面，胶片经镜头所拍下的成像每毫米 3-14点。受我们用肉眼所能鉴别的限制，这种程度的解像度没有太大的区别。

图像传感技术PPT课件

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CCD图像传感器基本特征参数
1. 光电转换特性
CCD的光电转换特性具有良好的线性。特性曲线的
拐点G所对应的曝光量叫饱和曝光量SE，当曝光量
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CCD的MOS结构及存储电荷原理
1.电荷的传输
为了保证信号电荷按确定路线转移，通常MOS电容阵列栅极上所加脉冲电压为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲电压。
(a) 三相CCD的结构及工作原理 (b) 二相CCD的结构及工作原理
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三相CCD的结构及工作原理
(1) 每一个像元，有两个相邻电极，每隔两个电极的所有电极都接在一起，由3个相位相差120°的时钟脉冲驱动，故称三相CCD。 (2) 电荷定向转移靠势阱的非对称性实现。靠时钟脉冲电压的时序控制，来形成非对称势阱。
优点，能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次、内容丰富的可视图像信息 ▪ 广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。 ▪ CCD是目前最为成熟，应用最为广泛的图像传感器，它的典型产品有数码相机、摄像机等。
3
CCD图像传感器
❖CCD有两种基本类型：
不能复出，故又称为电子势阱。
8
CCD的MOS结构及存储电荷原理
当器件受到光照时，光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，光生电子被吸引存储在势阱中，实现了光和电的转换，光越强，势阱中收集的电子越多，势阱中存储的电子不会因光照停止而消失，实现了电荷的存储。
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CCD的MOS结构及存储电荷原理
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二相CCD的结构及工作原理
采用不对称的电极结构也可以引进不对称势阱，从而变成二相驱动的CCD。目前实用CCD中多采用二相结构。实现二相驱动的方法有：

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五、CMOS与CCD图像传感器性能比较
性能指标
ISO感光度分辨率噪点暗电流（PA/M2）电子-电压转换率动态范围响应均匀性读出速度(Mpixels/s) 偏置、功耗工艺难度信号输出方式集成度应用范围性价比
CMOS图像传感器
低低高 10－100 大略小较差 1000 小小 x－y寻址，可随机采样高低端、民用高
三、CMOS图像传感器的像敏单元结构
2.主动式像敏单元结构基本电路如图5所示。从图可以看出，场效应管V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。图6所示为上述过程的时序图，其中，复位脉冲首先来到，V1导通，光电二极管复位；复位脉冲消失后，光电二极管进行积分；积分结束后，V3管导通，信号输出MOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）），互补金属氧化物半导体，出现于1969年,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。 CMOS虽然比CCD出现还早一年，但在相当长的时间内，由于它存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率（有效像元与总面积之比）低（10%~20%），响应速度慢等缺点，因此只能用于图像质量要求较低、尺寸较小的数码相机中，如机器人视觉应用的场合。目前CMOS图像传感器正在监检、保安、自动化等民用领域得到广泛应用：数码相机、摄像机、可拍照手机、可视门铃、PC机的微型摄像头、指纹鉴定、医学诊断：药丸式摄像机（camera-in-apill）

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市场
• 在高分辨率像素产品方面，日前台湾锐视科技已领先业界批量推出了210万像素的 CMOS图像传感器，而且已有美商与台湾的光学镜头厂合作，将在第三季推出此款 CMOS传感器结合镜头的模组，CMOS应用已经开始在200万像素数码相机产品中应用。
结论
• 从产品的技术发展趋势看，无论是CCD还是 CMOS，其体积小型化及高像素化仍是业界积极研发的目标。因为像素大则图像产品的分辨率越高，清晰度越好，体积越小，其应用面更广泛。 • 从上述二种图像传感器解析度来看，未来将有几年时间，以130万像素至200万像素为界，之上的应用领域中，将仍以CCD主流，之下的产品中，将开始以CMOS传感器为主流。目前已有300、 400万像素的CMOS上市。
CCD
• CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件， CMOS则应用于较低影像品质的产品中。 • 它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。 • 尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，但现在该问题已经基本得到解决。目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸。 • 在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。
传统CCD
• 传统CCD使用的是矩形的感光单元，而富士公司2年前研制的“SuperCCD（超级蜂窝结构）使用的是八边形的感光单元，使用了蜂巢的八边形结构，因此其感光单元面积要高于传统CCD。这样会获得三个好处，一是可以提高CCD的感光度、二是提高动态范围、三是提高了信噪比。这三个优点加上SuperCCD更高的生成像素成为富士公司在数码相机产品上的最大卖点。
CCD应用范围
• 图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。
CCD的应用范围
飞利普公司在CCD产品方面的优势
具有业界最大尺寸的CCD传感器，在数码相机的应用中，其35mm尺寸的CCD已经应用在 “Contax”的数码相机中，成为专业数码相机的代言人。其次该公司还具有独特的“FrameTransfer CCD”（面扫描）技术，该产品在应用中，可实现每秒30-60幅的速率。这是真正视频信号的速度。
CCD的优点
• 一般认为，CCD传感器有以下优点： • 1.高解析度（High Resolution）：像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从早期1寸、 1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素数目从初期的10多万增加到现在的400～500万像素； • 2.低杂讯（Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比（SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使CCD的应用较不受天候拘束；
CCD的优点
• 5. 大面积感光（Large Field of View）：利用半导体技术已可制造大面积的CCD晶片，目前与传统底片尺寸相当的35mm的CCD已经开始应用在数码相机中，成为取代专业有利光学相机的关键元件；光谱响应广（Broad Spectral Response）：能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域；
• CMOS市场中，按照出货比例排名依序为Agilent、 OmniVision、STM和Hyundai，其市场占有率分别为24％、22％、14％和14％，其中STM是欧洲厂商，Hyundai是韩国厂商。 • 业界发展了CMOS图像传感器新技术—C3D。 C3D 技术的最大特点就是像素反应的均一性。 C3D技术重新定义了成像器的性能（即把系统的整体性能包括在内）并提高了CMOS图像传感器在均一性和暗电流方面的标准性能。
CCD的优点
• 3. 动态范围广（High Dynamic Range）：同时侦测及分办强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。 • 4. 良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理成本；高光子转换效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器，即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到；
• 短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到400、500、800、1000、1200万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件——图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为CCD、 CMOS以及CIS传感受好评的ITO CCD （氧化铟锡）技术，而不是传统的聚硅化合物。其特点是敏锐度更高，透光性比一般CCD提高了20％，对于一般CCD感应较弱的蓝光以及抗杂讯干扰方面有突破性的改善，其对蓝光感应能力提高了2.5倍，同时大幅降低了杂讯干扰，使影像更强锐利、色彩更加准确，为专业数码摄影提供了高解析度、锐利度的影像。
固体图像传感器图示
CCD固体图像传感器
• 电荷耦合器件（Charge Couple Device, 缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。 • 它以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移并读出信号电荷的功能。
1. CCD的工作原理
• （1）结构 • CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。 • 其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层 SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。 • 这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将 MOS阵列加上输入、输出结构就构成了CCD器件。
CMOS图像传感器的优点
• CMOS图像传感器的芯片功能比CCD强大许多。除了将光子转变为电子和传送电子之外，CMOS还能实现图像处理、边缘检测、降低噪声、模数转换等功能。另外，图像传感器和数码摄像机的设计者可以对CMOS的功能编程，让它变成一种更加灵活的器件。将众多的功能集成在芯片上是CMOS胜过CCD 的地方。另外，它还精减了外围元器件的数量。采用集成 CMOS传感器技术的数码摄像机，其机身将会比使用其它芯片（比如说数字信号处理器DSP和ADC）小一些。 • 另外，因为CMOS的功耗比CCD小，产生的热量也相应小一些，因此，也相应减少了热噪声。 • 正因为此，目前投入研发、生产的厂商较多，美国有30多家，欧洲7家，日本约8家，韩国1家，台湾有8家。而居全球翘楚地位的厂商是Agilent(HP)，其市场占有率51％、ST(VLSI Vision)占16％、Omni Vision占13％、现代占8％、Photobit约占5％，这五家合计市占率达93％。
CCD的优点
• 6. 低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感测器，其影像处理不会有失真的情形，使原物体资讯忠实地反应出来； 7. 体积小、重量轻 CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可容易地装置在人造卫星及各式导航系统上；
CCD的优点
• 8.低秏电力不受强电磁场影响； • 9.电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变较模糊； • 10.可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。根据In-Stat在2001时对全球图像传感器的研究报告中指出，CCD产业前七大厂商皆为日系厂商，占了全球98.5%的市场份额，在技术发展方面，目前较有特色的主要厂商应为索尼、飞利普和柯达公司。
市场
• 在业界，与CCD传感器不同另一点是 CMOS目前占据市场主要地位的是北美厂商，前三大厂商为Agilent、OmniVision和 Photobit。因此图像传感器业界的技术、产业竞争，实质上是日本和北美双雄争霸的局面。
市场
• CMOS图像传感器属于新兴产品市场，其市场占有率变化不如成熟产业那般恒常不变。
CMOS图像传感器
• CMOS图像传感器于80年代发明以来，由于当时CMOS工艺制程的技术不高，以致于传感器在应用中的杂讯较大，商品化进程一直较慢。时至今日， CMOS传感器的应用范围也开始非常的广泛，包括数码相机、PC Camera、影像电话、第三代手机、视讯会议、智能型保全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等用途。在低档产品方面，其画质质量已接近低档CCD的解析度，相关业者希望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐渐明朗。 CMOS 传感器有可细分为：被动式像素传感器CMOS （Passive Pixel Sensor CMOS）与主动式像素传感器CMOS （Active Pixel Sensor CMOS）。
• CCD由多个光敏像元组成，每个像元就是一个MOS电容器或一个光敏二极管。这种电容器能存储电荷，其结构如图所示。
CCD基本结构和工作原理图
(2) 电荷存储原理
• 构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样， MOS电容器能够存储电荷。 • 如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。
图像传感器
什么是图像传感器？能感受光学图像信息并转换成可用输出信号的传感器。图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为 CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件） CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）。