CIS原理培训教材

CIS原理知识分享CIS内部架构简介自聚焦透镜阵列原理图像传感器的历史CIS光源工作原理Part1CIS简介SummaryCIS结构CIS是英文ContactImageSensor的缩写，直译为“接触式图像传感器”，CIS是新型线性图像传感器，其剖面图如右下图。CIS由LED光源阵列(LEolightsource)、微自聚焦棒状透镜阵列(RodLensarray)、光电传感器阵列(CMOSimagesensorarray)及其电路板、保护玻璃、接口、外壳等部分组成。CIS扫描钞票工作原理LED光源阵列发出的光线直射到待扫描物体表面(印刷品等)，从其表面反射回的光线经自聚焦棒状透镜阵列聚焦，成像在光电传感器阵列上(一般是MOS器件)，被转化为电荷存储起来。扫描面不同部位的光强不同，因而不同位置传感器单元(即CIS的像素)接收到的光强不一样。每个读取周期每个像素的光照时间(电荷积蓄时间)是一致的，达到积蓄时间后，由移位寄存器控制模拟开关依次打开，将像素的电信号以模拟信号的形式依次输出，从而得到纸币的模拟图像信号。主要优点也是缺点CIS以前主要用在扫描仪中，传真机中，本身造价低廉，又无需透镜组，所以可以制作出结构更为紧凑的扫描仪，成本也大大降低。但是，由于是接触式扫描(必须与原稿保持很近的距离)，只能使用LED光源，景深、分辨率以及色彩表现目前都赶不上CCD感光器件，也不能用于扫描透射片。CIS原理学习的目的1.CIS内部各个模块的基本原理？2.CIS为什么有这样的结构？3.NV为什么会选择CIS来获取钞票图像？Part2图像传感器的发展历史ImageSensor图像传感器发展应用分类电荷耦合技术CCD图像传感器在摄像机、手机、光学技术、投影仪、扫描仪、数码相机等领域中都有一定的应用；含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件；超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵，配备3CCD的静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算；因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜；一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等；CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致，速度也同步，以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更大的视场。光敏二极管技术CMOS技术图像传感器微型摄像机，数字摄像机，数码相机，手机，安防监控，USB摄像机电荷注入CID技术图像传感器光电倍增管技术光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200~1200纳米的极微弱辐射功率光电二极管阵列技术光谱观测和色度测量图像传感器-CCD历史1969年•1969年，为了改进存储技术，美国贝尔实验室的W.S.Boyle与G.E.Smith将可视电话和半导体泡存储技术结合，设计了可以沿半导体表面传导电荷的“电荷‘泡’器件”（Charge“Bubble”Devices），率先发明了CCD（ChargedCoupledDevice，电荷耦合件），并在次年以“ChargeCoupledSemiconductorDevices”为题发表论文，元件本身开始是被当作单纯的存储器使用。由于它能存储并传输信号电荷，随后人们认识到，CCD还可以利用内光电效应来拍摄并存储图象，具备图像传感器的功能。•经过人们30多年的研究与开发，CCD在像素集成度、分辨力、灵敏度，工作速度等指标上取得突破性进展，其应用正从一维、二维向三维发展，其光波范围从紫外区到红外区，目前CCD已成为光子探测及视频采集领域最重要的技术，已被普遍认为是20世纪70年代以来出现的最重要的半导体器件之一，得到了广泛应用。1990年7月，诞生了全世界第一台V81980年，SONY发表全世界第一个商品化的CCD摄影机(编号XC-1)1987年，1/2inch25万图素的CCD，在市面上销售图像传感器-CCD结构电荷耦合器件CCD是由规则排列的金属—氧化物—半导体（MetalOxideSemiconductor,MOS）电容阵列组成。MetalOxideSemiconductor图像传感器-CCD工作原理：主要流程光信息脉冲信息01脉冲只反映一个光敏元的受光情况02脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱03输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置0405完成图像传感图像传感器-CCD彩色实现的原理马赛克滤光片（亦被称作拜尔滤光片）使得每个像素只能显示红、绿或蓝当中的一种颜色。但由于我们希望相机能在每个像素都输出红、绿和蓝这三种颜色，相机的处理单元需要插入缺失色彩的值。图像传感器-彩色CCD原理-原色混色目前CCD有两种分色方式：一是RGB原色分色法，另一个则是CMYG补色分色法，这两种方法各有利弊，过去原色和补色CCD的产量比例约在2：1左右，2003年后由于影像处理引擎的技术和效率进步，目前超过80％都是原色CCD的天下。图像传感器-彩色CCD原理-原色混色补色CCD由多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感度，一般都可设定在800以上。CMOS图像传感器CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）互补金属氧化物半导体CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别。主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电）和P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。核心是光敏二极管阵列(PDA）与CCD有着共同的历史渊源：1963年Morrison发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS图像传感器发展的开端。1967年,仙童公司的Weckler提出了以光子通量积分模式工作的p-n结,光电流收集在反向偏置的p-n结电容中,并提出了采用PMOS开关读出积分电荷的方法。1968年,仙童首次报道了(100×100)元的光敏二极管阵列。到80年代中期,CMOS技术逐渐成熟。90年代初期,可为数字系统设计百万个或更多晶体管。采用标准CMOS技术生产实用像元尺寸质量高的固体图像传感器已成为可能。1995年低噪声的CMOS有源像素传感器单片数字相机获得成功。CMOS图像传感器架构(1)首先进入“复位状态”,此时打开门管M.电容被充电至V,二极管处于反向状态;(2)然后进人“取样状态”.这时关闭门管M,在光照下二极管产生光电流，使电容上存贮的电荷放电，经过一个固定时间间隔后，电容C上存留的电荷量就与光照成正比例，这时就将一幅图像摄入到了敏感元件阵列之中了;(3)最后进入“读出状态”.这时再打开门管M,逐个读取各像素中电容C上存贮的电荷电压。CMOS与CCD对比CCD和CMOS差异分析-成像过程CCD与CMOS图像传感器光电转换的原理相同，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；由于CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。但是CCD为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS相对CCD的固有劣势。CCD和CMOS差异分析-集成性从制造工艺的角度看，CCD中电路和器件是集成在半导体单晶材料上，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产CCD晶元，如DALSA、SONY、松下等。CCD仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，集成度非常低。而CMOS是集成在被称作金属氧化物的半导体材料上，这种工艺与生产数以万计的计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，因此生产CMOS的成本相对CCD低很多。同时CMOS芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。随着CMOS成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS成像芯片，包括：Micron、CMOSIS、Cypress等。CCD和CMOS差异分析-速度CCD采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。CMOS有多个电荷—电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，大部分500fps以上的高速相机都是CMOS相机。此外CMOS的地址选通开关可以随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。CMOS与CCD对比CCD和CMOS差异分析-ISO感光度差异CMOS每个画素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积，因此在相同画素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。CCD和CMOS差异分析-分辨率差异CMOS每个画素的结构比CCD复杂，其感光开口不及CCD大，相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时，CCD感光器的分辨率通常会优于CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS感光原件已经可达到1400万画素/全片幅的设计，CMOS技术在良率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅24mm-by-36mm这样的大小。CCD和CMOS差异分析-成本差异与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。可以一次整合全部周边设施于单芯片中，节省加工芯片所需负担的成本和良率的损失；相对地CCD采用电荷传递的方式输出信息，必须另辟传输信道，如果信道中有一个画素故障（Fail），就会导致一整排的讯号壅塞，无法传递，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟传输通道和外加ADC等，CCD的制造成本相对高于CMOS。CCD和CMOS差异分析-耗电量差异CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的晶体管做放大输出；但CCD却为被动式，必须外加电压让每个画素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因此CCD还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使CCD的电量远高于CMOS。扫描仪分类与NV扫描的关系1.手持式扫描仪（早期CCD后来CIS）诞生于1987年，扫描幅面窄，难于操作和捕获精确图像，扫描效果也差。1996年后，各扫描仪厂家相继停产，从此手持式扫描仪销声匿迹。到2002年，随着CIS技术的不断成熟，3R集团首先在市面上推出了Planon（普蓝诺）型号为RC800手持式扫描仪，其能扫描A4幅度，扫描分辨率300DPI，其是当时扫描仪市场上的最大亮点；而到2009年，随着一体机的不断普及，其吞噬着传统台式扫描仪的市场，手持式扫描仪凭借着其小巧轻便的设计，及扫描分辨率也提高到600dpi，颠覆着以往传统扫描仪移动困难，操作滞后的形象，引领起一场跨时代的办公革命。2.馈纸式扫描仪（与平板式竞争而生，多数为CIS技术，NV扫描工作的方式相同）诞生于20世纪90年代初，随着平板式扫描仪价格的下降，这类产品也于1997年后退出了历史舞台。3.鼓式扫描仪又称为滚筒式扫描仪，是专业印刷排版领域应用最广泛的产品，使用感光器件是光电倍增管。4.平板式扫描仪（早期CCD后来CIS，专业级还是CCD）又称平台式扫描仪、台式扫描仪，这种扫描仪诞生于1984年，是办公用扫描仪的主流产品。扫描幅面一般为A4或者A3。5.大幅面扫描仪6.底片扫描仪又称胶片扫描仪，光学分辨率一般可以达到2