图像传感器 成像系统组成成像系统组成UV/white epi illuminationSampleCCD CameraLensFiltersUV/white EpiilluminationCCD简介：简介：lCCD，英文全称：，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可，中文全称：电荷耦合元件。可以称为以称为CCD图像传感器。图像传感器。lCCD是一种半导体器件，可以把光学影是一种半导体器件，可以把光学影像转化为数字信号。像转化为数字信号。 CCD上植入的微小上植入的微小光敏物质称作像素光敏物质称作像素Pixel。一块。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多陈列整齐的电容上有许多陈列整齐的电容(MIS 构造构造)，能感应光线，并将影像转变成数字信，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。能将其所带的电荷转给它相邻的电容。1 前照明光输入前照明光输入1 背照明光输入背照明光输入2 电荷生成电荷生成3 电荷搜集电荷搜集4 电荷转移电荷转移5 电荷丈量电荷丈量视频输出视频输出线性CCD和矩阵性CCDl线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法一样。这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄挪动的物体，也无法运用闪光灯。l矩阵式CCD由于不是同点合成，其中包含着数学计算，因此这种CCD最大的缺陷是所产生的图象总是无法到达如刀刻般的锐利。CCD构造构造感光二极管感光二极管Photodiode并行信号存放器并行信号存放器Shift Register-用于暂时储存感光后用于暂时储存感光后产生的电荷产生的电荷串行信号存放器串行信号存放器Transfer Register-用于暂时储存并行积用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将存器的模拟信号并将电荷转移放大电荷转移放大信号放大器信号放大器-用于放大用于放大微弱电信号微弱电信号数摸转换器数摸转换器-将放大的将放大的电信号转换电信号转换 成数字信号成数字信号CCD构造构造CCD的的MIS构造及存储电荷原理构造及存储电荷原理l当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁构成电子空穴对，电子空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端挪动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极构成的“势阱中。 l在接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处置，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才干构成一致的输出。由于感光元件生成的电信号真实太微弱了，无法直接进展模数转换任务，因此这些输出数据必需做一致的放大处置这项义务是由CCD传感器中的放大器专门担任，经放大器处置之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需求一个专门的模数转换芯片进展处置，最终以二进制数字图像矩阵的方式输出给专门的DSP处置芯片。lCMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。l每个感光元件对应每个感光元件对应图像传感器中的一图像传感器中的一个像点，由于感光个像点，由于感光元件只能感应光的元件只能感应光的强度，无法捕获颜强度，无法捕获颜色信息，因此彩色色信息，因此彩色CCD/CMOS图像传图像传感器必需在感光元感器必需在感光元件上方覆盖彩色滤件上方覆盖彩色滤光片。光片。CCD象素合成象素合成最常用的做法是覆盖最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以红绿蓝三色滤光片，以1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素即红的构成由四个像点构成一个彩色像素即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片，采取这种比例的缘由是人眼对绿盖绿色滤光片，采取这种比例的缘由是人眼对绿色较为敏感。色较为敏感。 CCD电荷耦合电荷耦合CCD电荷读出电荷读出电荷的生成电荷的生成l电极的吸收和硅-二氧化硅界面上的多次反射而引起某些波长的光产生干涉，出现明暗条纹Super HAD CCD l1、比普通CCD多了一个聚光透镜，这个目的是添加采光量 l2、增大感光点的受光面积，这可以加强物体反射进入CCD像素点的颜色和亮度。这样各种颜色被CCD解吸的亮度就更强,其结果就是低照度效果更好了，颜色更艳丽真实了 l上图左图为不带摩尔效应的原始图像，中图为出现摩尔效应的图像，右图为运用OLPF后的效果，可以看出运用OLPF后虽然去除了摩尔效应，但图像明晰度有一定的下降 Foveon X3 Sensorsl我们之前提到，传统传感器最难处理的便是颜色干扰，摩尔纹成为严重影响照片质量的问题。通常的处理方法是改善低通滤波镜的效果。但是即使如此，也无法改动由于添加低通滤波镜所产生的锐度下降。相比之下，运用X3传感器令这些问题迎刃而解。 CMOS互补金属氧化物半导体互补金属氧化物半导体 - -中心元件：感光二极管中心元件：感光二极管PhotodiodePhotodiode - -同一像点当中包含放大同一像点当中包含放大器和数模转换电路一器和数模转换电路一个感光二极管和三颗晶个感光二极管和三颗晶体管体管 - -开口率底开口率：有开口率底开口率：有效感光区与整个感光元效感光区与整个感光元件面积比值件面积比值 - -灵敏度底、噪声明显灵敏度底、噪声明显 - -数模转换无法保证严厉数模转换无法保证严厉一致一致 CMOS传感器构造与任务原理CMOS图像传感器芯片构造框图CMOS图像传感器像素阵列CCD 、CMOS传输方式CCD 和和 CMOS 传感器传感器 lCCD与与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进进展光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要展光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差别是数字数据传送的方式不同。差别是数字数据传送的方式不同。 lCCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进展放大输出；而在再经由传感器边缘的放大器进展放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。输出。 光电转换电荷搜集像元的光敏区像元的光敏区电荷转移垂直和程垂直和程度度CCD程度程度CCD后后放大器放大器电荷-电压转换/放大微型信号线微型信号线电压传送CCD 图像传感器CMOS图像传感器像元内放像元内放大器大器电荷-电压转换/放大CCD与CMOS比较象素:分辨率指屏幕上象素的数目，象素是指组成图像的最小单位，也即上面提到的发光“点。 比如，640480的分辨率是说在程度方向上有640个象素，在垂直方向上有480个象素。 lCCD传感器在灵敏度、传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等分辨率、噪声控制等方面都优于方面都优于CMOS传传感器感器l而而CMOS传感器那么传感器那么具有低本钱、低功耗、具有低本钱、低功耗、以及高整合度的特点。以及高整合度的特点。 CCD采光方式采光方式前照式前照式:光从正面照射芯片构光从正面照射芯片构成电荷成电荷背照式背照式:光从反面经过并直接进光从反面经过并直接进入二极管入二极管光子效率可到达光子效率可到达80%电荷的生成电荷的生成 理想情况下，电极资料应该是完全透明的，实践上这些资料对光都有一些吸收和反射。如多晶硅电极对短波光有较强的吸收和反射，减少了最终到达硅片的光子数量，如图中1和2所表示的情况。 x： 吸收y ：复合资料的吸收系数和反射率与波长有关，在可见光波段，波长越短吸收系数和反射率越大。图中光线的颜色只是表示，不代表光谱！图中光线的颜色只是表示，不代表光谱！CCD短波限制与构造及资料有关电荷的生成电荷的生成 深蓝光(400nm)穿透深度或被吸收的平均深度离外表大约为0.2m见图中的3。 x： 吸收y ：复合图中光线的颜色只是表示，不代表光谱！图中光线的颜色只是表示，不代表光谱！电荷的生成电荷的生成 红光(650nm)穿透深度或被吸收的平均深度离外表大约为3.33m，激发出的电子在搜集区外生成，复合寿命长，热分散使这些电子被搜集。见图中的5。 x： 吸收y ：复合图中光线的颜色只是表示，不代表光谱！图中光线的颜色只是表示，不代表光谱！厚型前照明 CCD光在外表电极产生反射和吸收，使这种CCD的量子效率比较低，对蓝光的呼应非常差。其电极构造不允许采用提高性能的增透膜技术。增透膜技术在薄型背照明CCD可以采用。n-型硅p-型硅二氧化硅绝缘层多晶硅电极入射光子625mm电荷的生成 降低反射硅片减薄到 15m左右，光线由反面射入，防止了电极对光线的阻挠，可以得到很高的量子效率。由于可以在硅外表制造减反膜，短波呼应将得到很大提高。n-型硅p-型硅二氧化硅多晶硅电极减反(AR)膜Incoming photons15mm薄型背照明 CCD电荷的生成 降低反射薄型CCD对近红外光线几乎透明，因此长波呼应很差。空气或真空的折射率为 1.0， 硅为 3.6。利用上述方程式可以得出 在空气中硅的反射率是 32%。除非采取适当的措施消除这种反射，否那么硅CCD只能探测到2/3的入射光子。增透膜可以处理这个问题。硅的折射率(ns)很高 ，很多入射光子会在其外表反射。nins在两种不同折射率物质的界面上光子的反射率为 = ns-nins+ni2电荷的生成 降低反射空气硅参与增透膜以后，有三种介质需求思索： ns x ni-nt2ns x ni+nt22当 时反射率将降为零！ 满足这个条件资料的折射率为 nt = 1.9，侥幸的是这种资料是存在的，它就是二氧化铪Hafnium Dioxide。 通常天文学所运用的 CCD都用这种资料作为增透膜。 ntns ni2=反射率降为：空气nins增透膜硅nt电荷的生成 降低反射CCD量子效率量子效率量子效率 Quantum Efficiency -阴极发射出的光电子数量与入射光阴极发射出的光电子数量与入射光光子的数量比，用以表诉光子的数量比，用以表诉CCD在不同波长下的呼应值在不同波长下的呼应值 l在同一波长下QE值越高CCD质量越好lCCD对于不同波长的光的呼应时间的敏感度不同l背照式CCD比前照式CCD有更好的量子效率l多数衡量QE高低是在425nm波长l影响QE的要素有吸收(absorption)、反射(reflection)和穿越(transmission) 等。CCD系统信噪比信噪比 Signal to Noise Ratio -衡量信号及噪音的关系 -表征检测的限制灵敏度噪音经常表如今电子元件传输或接纳信号的时候CCD像素目的-填充因子填充因子填充因子 Fill Factor -CCD实践感光面积占像素实践感光面积占像素面积的比值面积的比值 l理想值-100%l实践值-30%隔行传输式CCDl经过微型镜头Microlenses改善但微型镜头的运用会影响紫外光的检测l填充因子是影响灵敏度的一个因数CMOS的填充因子较低的填充因子较低l CCD CMOSCCD与CMOS比较CCD像素目的-井深井深井深Well Capacity-像素可堆积电荷的多少像素可堆积电荷的多少l多数CCD可堆积85K个电荷l高质量的CCD可堆积350K个电荷l影响灵敏度的一个因数l衡量动力学范围的一个要素CCD暗电流暗电流Dark Current , Dark Count -CCD在一定温度下每个像素在一定时间内产生的电荷数 -暗噪音大约为暗电流的平方根影响暗电流的要素主要是温度。CCD-控温方式Cool CCD-消除热或暗电流产生的噪音消除热或暗电流产生的噪音 -噪音底，图像质量高噪音底，图像质量高 -灵敏度高，感光效果佳灵敏度高，感光效果佳 -几何失真度小几何失真度小 -解析度稳定，补偿效果佳解析度稳定，补偿效果佳 -耐震动，不易受点磁场干扰耐震动，不易受点磁场干扰附：普通附：普通CCD暴光超越暴光超越10秒，发热；秒，发热；-20度摄像头可拍摄度摄像头可拍摄5分钟图像；分钟图像；-40度摄度摄像头拍摄时间可超越像头拍摄时间可超越1小时小时动力学范围动力学范围Dynamic Range -描画从CCD像素值中可以得到多少数量的灰度级别的一个术语 -用来表示饱和电压最大输出级别与摄像头随机噪音的比率It is expressed as the ratio of full saturation voltage(maximum output level) to the total RMS noise of the camera output.) -动力学范围并不总是和数模转换器输出的数据一致动力学范围Bit DepthExpressionGrayscalesExpressionOrders of Magnitude828256Log 2562.4102101024Log 10243122124096Log 40963.61421416384Log 163844.21621665536Log 655364.8超级CCD超级超级CCDCCDSupper CCDSupper CCD - -几何外形的改动，添加几何外形的改动，添加光电二极管的面积，像光电二极管的面积，像素利用率提高素利用率提高33%33% - -更接近更接近MicrolensMicrolens外形，外形，提高有效面积添加光吸提高有效面积添加光吸收率收率 - -陈列构造更适宜人眼对陈列构造更适宜人眼对分辨率的要求分辨率分辨率的要求分辨率提高提高60%60% 倒车影像系统l由于要应付日益密集的交通和潮水般的信息，驾驶员辅助系统的开发减轻了驾驶员的负担。这些辅助安装可以协助驾驶员在某些特定的驾驶环境下，部分或全部地接纳驾驶程序。l倒车影像系统就是一个例子。它在驾驶员倒车以及倒车进入驻车区域时提供了协助。l处置器带集成芯片镜化捕捉到的图像。镜化是必要的，以便于将车辆左侧的情况显示在显示屏的左侧。图像被转化成电子信号，并被传送至倒车影像系统控制单元。倒车摄像头经过三根电线电源，接地线和带集成屏蔽层的视频信号线与倒车影像系统控制单元衔接在一同CCD 夜视防水倒车摄像头 CCD和CMOS芯片是组成倒车摄像头的重要组成部分，根据元件不同可分为CCD和CMOS。CMOS主要运用于较低影像质量的产品中，它的优点是制造本钱、功耗较CCD低，缺陷是CMOS摄像头对光源的要求较高；CCD，是运用在摄影、摄像方面的高端技术元件还附带有视频捕捉卡。CCD和CMOS在技术上和性能差距很大，普通来说，CCD效果要好，但价钱也贵些，建议在不思索费用的前提下选择CCD的摄像头。 lccd l“CCD University, Information on dynamic range, pixel binning, types of noise and more.lPcphotoreviewlGlossary of terms on digital lcameraslphotometlRoper Scientific Website lMost camera vendors have technical notes and other articles on-linel 有用的网站