第五章--CCD-图像传感器

第五章CCD图像传感器图像传感器(ImagingSensor,缩写为IS，又称成像器件、摄像器件)作为现代视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展(光谱拓宽、灵敏度范围扩大)，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息(可见光和非可见光)、转换为按时序串行输出的电信号——视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。把空间图像转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描。50年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管(如光导摄像管、飞点扫描管等)来完成。60年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是MOS集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展，到70年代末期。已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛应用。固体图象传感器(SolidStateImagingSensor——缩写为SSIS)主要有三大类型、一种是电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice简称CCD)，第二种是MOS图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(SelfScannedPhotodiodeArray，简称SSPA)，第三种是电荷注入器件(ChargeInjectionDevice，简称CID)。目前，前两种用得比较多。同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：(1)全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性好．可靠性高，寿命长。(2)基本上不保留残象，无象元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。(3)红外敏感性。硅的SSPA光谱响应：0.20~1.0；CCD可作成红外敏感型；CID主要用于光谱响应大于3~5微米的红外敏感器件。(4)象元尺寸的几何位置精度高(优于1微米)，因而可用于不接触精密尺寸测量系统。(5)视频信号与微机接口容易主要应用领域：①小型化黑白/彩色TV摄象机；②传真通讯系统；③光学字符识别（OCR:OpticalCharacterRecognition）；④工业检测与自动控制；⑤医疗仪器；⑥多光谱机载和星载遥感；⑦天文应用；⑧军事应用。CCD摄像器件由光敏（光积分）单元和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成，每个光敏单元对应一个象素如下图所示。各单元的基本结构如右图所示，由金属、绝缘层、半导体构成。VG加正向偏压后在半导体内形成“电子势阱（耗尽区）”，势阱的深度由VG的大小来控制。电子势阱可以用来存放电子，这些电子的注入方式既可用“光注入”（光敏单元采用光注入），也可以用“电注入”（转移电荷时采用电注入）。对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下，半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱俘获。这种光生电子作为反映光强的载体——电荷包被收集，成为光电荷注入，这就是CCD摄像器件的光电变换过程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。光线读出移位寄存器的工作原理是依靠MOS电容与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当MOS电容栅压VG增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当VG增加，势阱变深；当VG减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。当UG＞Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子(少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。电荷存储5.1CCD图像传感器电荷的转移（耦合）电荷的转移（耦合）第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1μm的间隙长度是足够了。ＣＣＤ主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。输入部分：将信号电荷引入到ＣＣＤ的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入–电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。–光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。ＣＣＤ的工作原理P-Si输入栅输入二极管输出二极管输出栅SiO2在ＣＣＤ栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。为了实现电荷的定向转移，在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构。一位CCD中含的MOS个数即为CCD的像数。以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD，简称为P型CCD。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。ＣＣＤ的工作原理为确保CDD的转移功能，对时钟脉冲的要求是：1）三相时钟脉冲有一定的交叠，在交叠区内，电荷包的源势阱与接收势阱同时共存，以保证在这两个势阱间进行充分转移；2）时钟脉冲的低电平必须保证沟道表面处于耗尽状态；3）时钟脉冲幅度选取得当。CCD的特性参数作为成像器件，CCD的主要特性参数仍然是灵敏度、分辨力、光谱响应以及信噪比等。但CCD还起着电荷传输的作用，故还应包括转移效率、噪声、功耗等参数。主要参数：1转移效率和损耗率2时钟频率的上、下限3光谱特性和光电特性CCD的特性参数像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等像素数是指CCD上感光元件的数量。44万（768*576）、100万（1024*1024）、200万（1600*1200）、600万（2832*2128）信噪比：典型值为46分贝感光范围—可见光、红外CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输——表面沟道CCD(简称SCCD)。2、电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，——体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。ＣＣＤ的类型ＣＣＤ的类型线阵ＣＣＤ：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至5000位以至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。目前达到实用阶段的象元数由25万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有1／3英寸、l／2英寸、2／3英寸以至1英寸之分。5.2CCD图像测量的二值化CCD图像测量的基本原理是：光学系统把被测对象的光信息投射在CCD的光敏面元上，形成了光学图像。由CCD器件把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量，积累起来的光电荷在一定频率的时钟脉冲的驱动下，在CCD输出端得到被测对象的视频信号。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收的光强强弱，而信号输出的时序则对应着CCD光敏元位置的顺序。通过后续处理线路对CCD输出的视频信号进行二值化或量化处理后，将被测对象从背景中分离出来，为下一步的数据处理做好准备。图7-5-12二值化处理二值化处理电路5.2CCD图像测量的基本原理二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。光学系统把被测对象成像在CCD光敏元上，由于被测对象与背景在光强上的强烈变化，反映在CCD视频信号中所对应的图像尺寸边界处会有急剧的电平变化，通过二值化处理把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。实现CCD视频信号二值化的处理由硬件电路完成，常采用电压比较器，即将视频信号与某一电平阈值比较，视频信号电平高于阈值的部分输出高电平，而低于阈值部分输出低电平，形成具有一定宽度的二值化电平的脉冲信号，该脉冲宽度对应被测对象的图像尺寸大小，如上图所示。线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低；面阵CCD:整幅图像；直观；价格高，体积大；面阵CCD芯片CCD在检测方面的应用几何量测量–测宽、测长、测径。光谱测量–光谱仪输出信号测量。5.3CCD玻管尺寸测控仪CCD尺寸测量技术是一种非常有效的非接触检测方法，广泛应用于在线检测工件的尺寸。CCD玻管尺寸测控仪就是测量的一个应用实例，它对玻管外圆直径及壁厚尺寸进行实时监测，并根据测量结果对生产过程进行控制。光源照射被测玻管，经光学系统成像在CCD光敏阵列面上。由于各处透射率的不同，玻管的像在上下边缘处形成两条暗带，中间部分的透射光相对较强而形成亮带。两条暗带最外的边界距离是玻管外径成像的大小，中间亮带是玻管内径像的大小，暗带则是玻管壁厚像的大小，如图所示，CCD视频信号上出现了两个谷5.3CCD玻管尺寸测控仪图7-5-14系统结构框图系统结构框图5.3CCD玻管尺寸测控仪图7-5-13CCD视频信号CCD视频信号5.3CCD玻管尺寸测控仪把视频信号中的外径尺寸部分和壁厚部分进行二值化处理，填入标准时钟脉冲，该时钟脉冲对应CCD空间分辨率，由计算机采集这两个尺寸对应的脉冲数，经数据处理后可得到被测玻管的尺寸。本系统被测玻管的直径尺寸为20mm，光学系统的放大率为0.8倍，则玻管像的大小为16mm，被测玻管的测量精度要求达到±0.05mm，他在像面上对应精度为±0.04mm。根据CCD测量灵敏度的要求，0.04mm要大于2个CCD像素的空间尺寸。选择TCD102C型号CCD可满足上述测量范围和精度的要求。该器件的技术指标为：2048感光像素元，14微米相邻像素中心距，工作时钟1MHz，两相驱动，同步脉冲宽度128微秒，同步周期：7.5ms。5.4线阵CCD在线测量棒状物尺寸棒状物长度的非接触式精密在线测量，是采用平行光源对被测物垂直照射，形成被测物的轮廓图像并把它投影在CCD图像传感器上，轮廓图像转变成CCD图像传感器的输出信号，该信号经二值化处理后，再由单片机进行数据采集及信号处理，最后由计算机的屏幕显示出来。整个测量系统如图所示图中，平行光源、棒状物参比端及CCD图像传感器必须置于同一基准面上。棒状物被测端、平行光中心轴线和CCD的中心点要大致位于同一直线上。平行光源的作用是产生一束高平行度的光线，以使棒状物经平行光垂直照射后在CCD上形成1：1的高精度像。5.4线阵CCD在线测量棒状物尺寸7-5-16棒状物成像系统及CCD输出波形5.4线阵CCD在线测量棒状物尺寸平行光源是本系统中的一个关键设备，它采用高亮度白炽灯作为光源，经组合透镜后形成平行光束，因而具有结构简便、平行度高及亮度均匀等特点。本系统中使用的CCD型号为TCD141C，像点尺寸为7μm，共5000个像点，测量长度范围为35mm。由平行光源、CCD图像传感器及棒状物构成的成像系统以及CCD视频输出信号的波形如上图所示。图中，棒状物挡住了部分平行光，未被挡住的平行光照射在CCD上成像。OS1和OS2分别为CCD奇数位和偶数位像点的脉冲输出波形。奇、偶位像点脉冲有一个相位差。利用这个相位差可以很方便地对成像信号进行二值化处理。ΦSH为周期扫描信号脉冲，利用ΦSH可作为计数的定位脉