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强化训练
能力拓展训练任务书
学生姓名:
小星星专业班级:
电子0909班
指导教师:
封小钰工作单位:
信息工程学院
题目:
CCD图像传感器的应用
初始条件:
具有扎实的电子科学与技术专业基本理论和系统的专业知识;具备初步的文献查阅和专题调研技能;一定的中英文文献阅读与综合能力。
要求完成的主要任务:
1.CCD图像传感器的应用。
2.查阅与选题相关的文献资料,通过对文献资料的阅读分析与综合,写出调研报告;要求报告内容的可读性强,撰写格式规范,图标的使用正确,参考文献的引用恰当;字数不少于6000字,参考文献不少于10篇,其中外文文献不少于2篇。
时间安排:
1.2012年7月9日集中,布置能力拓展训练任务;讲解训练具体实施计划、报告格式的要求与答疑事项。
2.2012年7月9日至2012年7月12日完成选题的确定、资料查阅、能力拓展训练报告的撰写。
3.2012年7月13日提交能力拓展训练报告书,进行验收和答辩。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
目录
摘要I
AbstractII
1引言1
2CCD的结构原理2
2.1光敏二极管4
2.2并行信号积存器5
2.3并行信号寄存器5
2.4信号放大器5
2.5数模转换器5
3CCD的分类7
3.1 面阵CCD:
7
3.2线阵CCD:
7
3.3三线传感器CCD:
8
3.4彩色CCD8
4CCD器件的特性参数9
4.1.转移效率η9
4.2不均匀度9
4.3暗电流9
5CMOS器件与CCD器件的比较10
5.1CMOS器件的总体结构10
5.2CMOS与CCD器件的比较11
6CCD器件的应用举例12
6.1CCD彩色数码相机12
6.2传真机12
6.3温度的测量13
7总结15
参考文献16
摘要
本文从理论上研究了CCD图像传感器的原理,通过对感光二极管、并行信号积存器、并行信号寄存器、信号放大器、数摸转换器的分析,深入研究了图像传感器的构建理论基础,并从应用的角度,剖析了CCD图像传感器的优点以及应用前景,比较了CCD在不同领域的应用,为认识和了解CCD图像传感器,提供了较好的平台。
关键词:
CCD图像传感器;感光二极管;信号放大;数模转换
Abstract
ThepapertheoreticallytheCCDimagesensorresearchoftheprincipleofphotographicdiode,parallelsignalsstoredupdevice,parallelsignalregisters,signalamplifier,theanalysisofseveraltouchconverter,adeepresearchontheconstructionoftheimagesensortheorybasis,andfromthepointofviewofapplication,thispaperanalyzestheCCDimagesensoradvantagesandapplicationprospect,comparedtheCCDindifferentareasofapplicationforrecognitionandunderstandingoftheCCDimagesensor,provideagoodplatform.
Keywords:
CCDimagesensor;Photographicdiode;Amplification;Analog-to-digitalconversion
1引言
CCD,英文全称:
Charge-coupledDevice,中文全称:
电荷耦合元件。
可以称为CCD图像传感器。
CCD是一种半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号。
CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。
一块CCD上包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高。
CCD的作用就像胶片一样,但它是把图像像素转换成数字信号。
CCD上有许多排列整齐的电容,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,每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
自CCD于1970年在贝尔实验室诞生以来,CCD技术随着半导体微电子技术的发展而迅速发展,CCD传感器的像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高,工作频率范围显著增加,可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄[2],并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点,在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用,成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。
2CCD的结构原理
在栅极未施加电压时,P型半导体分布均匀的空穴(多数载流子)。
栅极加正向电压,空穴远离栅极,形成耗尽层。
电压提高,耗尽层扩散,形成反型层(电子被表面势吸引,极薄,密度极高)。
反型层形成时的外加电压称为阈值电压。
MOS电容的衬底材料由P型换成N型,偏置电压也反号,则反型层为空穴深度耗尽状态,CCD工作状态(因为少数载流子缺乏,反型层不能立即形成)。
图2.1电荷存储
电荷耦合
图2.2电荷耦合
电荷转移
图2.3
电荷检测
浮置扩散:
扩散区不被偏置,处于浮置状态
图2.4电荷检测
2.1光敏二极管
光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件,但在结构上有其特殊的地方。
光电转换原理:
根据PN结反向特性可知,在一定反向电压范围内,反向电流很小且处于饱和状态。
此时,如果无光照射PN结,则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限,反向饱和电流保持不变,在光敏二极管中称为暗电流。
当有光照射PN结时,结内将产生附加的大量电子空穴对(称之为光生载流子),使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增,此时的反向电流称为光电流。
不同波长的光(兰光、红光、红外光)在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。
被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光,在这一区域,因光照产生的光生载流子(电子),一旦漂移到耗尽层界面,就会在结电场作用下,被拉向N区,形成部分光电流;彼长较长的红光,将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对,这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下,分别到达N区和P区,形成光电流。
波长更长的红外光,将透过P型层和耗尽层,直接被N区吸收。
在N区内因光照产生的光生载流子(空穴)一旦漂移到耗尽区界面,就会在结电场作用下被拉向P区,形成光电流。
因此,光照射时,流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。
光敏二极管的两种工作状态
光敏二极管又称光电二极管,它是一种光电转换器件,其基本原理是光照到P-N结上时,吸收光能并转变为电能。
它具有两种工作状态:
(1)当光敏二极管加上反向电压时,管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变,光照强度越大,反向电流越大,大多数都工作在这种状态。
(2)光敏二极管上不加电压,利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理,把它用作微型光电池。
这种工作状态,一般作光电检测器。
光敏二极管分有P-N结型、PIN结型、雪崩型和肖特基结型,其中用得最多的是P-N结型,价格便宜。
图2.3光信号放大和开关电路
2.2并行信号积存器
用于暂时储存感光后产生的电荷。
2.3并行信号寄存器
寄存器是由触发器组成的,一个触发器是一个一位寄存器。
多个触发器就可以组成一个多位的寄存器。
它是用来暂存某个数据,以便在适当的时间节拍和给定的计算步骤将数据输入或输出到其它记忆单元中去。
2.4信号放大器
用于放大微弱的信号。
2.5数模转换器
数模转换器,又称D/A转换器,简称DAC,它是把数字量转变成模拟的器件。
D/A转换器基本上由4个部分组成,即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关数模转换有两种转换方式:
并行数模转换和串行数模转换。
所谓“权”,就是二进制数的每一位所代表的值。
例如三位二进制数“111“,右边第1位的“权”是20/23=1/8;第2位是21/23=1/4;第3位是22/23=1/2。
位数多的依次类推。
当该位的值是“0”时,与地接通;当该位的值是“1”时,与输出相加母线接通。
几路电流之和经过反馈电阻Rf产生输出电压。
串行数模转换是将数字量转换成脉冲序列的数目,一个脉冲相当于数字量的一个单位,然后将每个脉冲变为单位模拟量,并将所有的单位模拟量相加,就得到与数字量成正比的模拟量输出,从而实现数字量与模拟量的转换。
随着数字技术,特别是计算机技术的飞速发展与普及,在现代控制、通信及检测等领域,为了提高系统的性能指标,对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。
将模拟信号转换成数字信号的电路,称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC,AnalogtoDigitalConverter);将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC,DigitaltoAnalogConverter);A/D转换器和D/A转换器已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。
为确保系统处理结果的精确度,A/D转换器和D/A转换器必须具有足够的转换精度;如果要实现快速变化信号的实时控制与检测,A/D与D/A转换器还要求具有较高的转换速度。
转换精度与转换速度是衡量A/D与D/A转换器的重要技术指标。
随着集成技术的发展,现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的A/D和D/A转换器,它们具有愈来愈先进的技术指标。
本章将介绍几种常用A/D与D/A转换器的电路结构、工作原理及其应用。
用非线性误差的大小表示D/A转换的线性度。
并且把理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。
3CCD的分类
3.1 面阵CCD:
常见的面阵CCD摄像器件有两种:
行间横剑转移结构和帧朕转移结构如下图3.1,3.2。
行间转移:
垂直CCD向上传输一次→水平CCD一行读完→水平CCD读新一行→整个场读完
帧转移:
光敏区一场信息转移到存储区→逐行向水平CCD转移→由水平CCD输出。
3.2线阵CCD:
线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构
图4.3
用一排像素扫描过图片,做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝三色滤镜,正如名称所表示的,线性传感器是捕捉一维图像。
初期应用于广告界拍摄静态图像,线性阵列,处理高分辨率的图像时,受局限于非移动的连续光照的物体。
3.3三线传感器CCD:
在三线传感器中,三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜,当捕捉彩色图片时,完整的彩色图片由多排的像素来组合成。
三线CCD传感器多用于高端数码相机,以产生高的分辨率和光谱色阶。
3.4彩色CCD
目前主要有三片式和单片式两种。
三片式CCD用分色棱镜将入射光分
为R、G、B三基色,由CCD换为
信号。
主要用于高质量摄像机。
图3.4
单片式CCD:
滤色器阵列与CCD器件组合(两种方式)。
图3.5拜尔方式滤色器图3.6行间排列滤色器
拜尔方式缺陷:
行间转移CCD器件和隔行读取的器件中,奇数场只能取出R、G,偶数场只能取出G、B,重现彩色图像出现黄蓝闪烁。
行间排列方式可以克服此缺陷。
4CCD器件的特性参数
4.1.转移效率η
电荷包从一个栅转移到下一个栅时,有部分的电荷转移过去,余下部分没有被转移,称为转移效率,称转移损失率。
根据电荷守恒原理。
一个电荷量为Qo的电荷包,经过n次转移后的输出电荷量应为:
总效率为:
4.2不均匀度
CCD成像器件的不均匀度包括光敏元的不均匀和CCD的不均匀。
光敏元响应的不均匀是由于工艺过程及材料不均匀造成的,越是大规模器件,均匀性问题越突出,这往往是成品率下降的重要原因。
定义光敏元响应的均方根偏差对平均响应的比值为CCD的不均匀度:
4.3暗电流
CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号,即暗电流。
暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发。
由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响,CCD中暗电流密度的分布是不均匀的。
5CMOS器件与CCD器件的比较
5.1CMOS器件的总体结构
图5.1
外界光照射像素阵列-产生信号电荷-行选通逻辑单元选通相应的行像素单元-行像素内的信号电荷通过列信号总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D变换器-转换成相应的数字图像信号输出。
行选通单元可以对像素阵列逐行扫描,也可以隔行扫描。
隔行扫描可以提高图像的场频,但会降低图像的清晰度。
外界光照射像素阵列,产生信号电荷,行选通逻辑单元根据需要,选通相应的行像素单元,行像素内的信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D变换器,转换成相应的数字图像信号输出。
行选通单元可以对像素阵列逐行扫描,也可以隔行扫描。
隔行扫描可以提高图像的场频,但会降低图像的清晰度。
行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合,可以实现图像的窗口提取功能,读出感兴趣窗口内像元的图像信息。
5.2CMOS与CCD器件的比较
CCD摄像器件,灵敏度高、噪声低、像素面积小,难与驱动电路及信号处理电路单片集成,需要使用相对高的工作电压,制造成本比较高。
CMOS摄像器件,集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低,需进一步提高器件的信噪比和灵敏度。
6CCD器件的应用举例
6.1CCD彩色数码相机
一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜(Bayerfilter)加装在CCD上。
每四个像素形成一个单元,一个负责过滤红色、一个过滤蓝色,两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。
结果每个像素都接收到感光讯号,但色彩分辨率不如感光分辨率。
用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将颜色分得更好,分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光,由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。
所有的专业级数位摄影机,和一部份的半专业级数位摄影机采用3CCD技术。
截至2005年,超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵,配备3CCD的高解析静态照相机,其价位往往超出许多专业摄影者的预算。
因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜,兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。
这类多次成像的照相机只能用于拍摄静态物品。
CCD它使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存,因而可以轻而易举地把数据传输给计算机,并借助于计算机的处理手段,根据需要和想像来修改图像。
CCD由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。
当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。
CCD在摄像机里是一个极其重要的部件,它起到将光线转换成电信号的作用,类似于人的眼睛,因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。
6.2传真机
传真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后,依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。
传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影,而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像,或从中撷取一块方形的区域。
一旦完成曝光的动作,控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元,到达边缘最后一个单元时,电荷讯号传入放大器,转变成电位。
如此周而复始,直到整个影像都转成电位,取样并数位化之后存入内存。
储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。
6.3温度的测量
物体的辐射光波长和强度与物体温度有着特定的关系,因此CCD作为一种光电转换器件,可用于温度测量。
1993年,Tenchov等人[1]采用CCD间接测量溶液表面温度;1995年,K.Y.Hsu和L.D.Chen[2]用可测量红外波段的加强型CCD测量液态金属的燃烧火焰温度,但其测量误差达到400~200K,缺乏实用性。
此后,利用红外CCD测量温度场成为CCD测温研究的主流。
2001年,TakeshiAza2mi等人[3]利用CCD的亮度波动信息来研究熔融硅
桥表面的热流状况,获得了较好的结果。
2002年,D.Manca等人[4]提出了一种利用红外CCD测控燃烧室火焰温度场的实用方法。
2003年,G.Sutter[5]
等人利用加强型CCD测量近似黑体的物体表面发出的某一波长的单色光,以此得到物体的辐射温度,所得测量结果与物体的真实温度之间的差别几乎可以忽略不计,并将其用于测量直角高速切割机的刀具温度场,但作者未具体说明图像处理和温度计算方法,也未进行误差分析,其实验误差达16e。
这种方法测量不同范围的温度时,需要寻找不同的最佳波长,使用频带很窄的滤波片获取单一波长的光辐射信号。
B.Skarman等人[6,7]于1996年提出用CCD拍摄流体的全息图,通过图像处理技术重建流体的三维温度场,由于当时的CCD采集速度、图像处理速度和储存速度都比较低,激光干涉质量也不高,使该方法缺乏实用性;到1998年,该方法进入实用阶段,能测量稳定透明液体的三维温度,并得到速和流体密度等数据。
2002年,C.HÊhmann等[8]利用高分辨率温度传感液晶颜色随温度变化的特性对被测区域感温,然后用彩色CCD摄取液晶表面的颜色图像来间接测量液体蒸发时弯月面的温度。
此方法可实现小面积的温度测量,但需要进行精确的校正。
还有学者提出利用CCD配合激光感应磷光器测量温度[9]。
事实上,由CCD的光谱响应特性、光电转换特性可知,利用RGB输出值可得到被测物体表面图像中的亮度和色度信息,并根据比色测温原理计算出物体的表面温度场。
虽然有人提出了基于CCD测温系统的三维温度场构建算法[10],但直接利用彩色CCD测量温度的仪器还处在实验研发阶段。
尽管如此,由于CCD技术能测量运动物体的温度给出二维或三维温度场,实现非接触高温测量,因此,CCD测温技术有很大的发展潜力和应用前景。
7总结
综上所述,由于CCD器件有光灵敏度高,噪声低,像素面积小等优点,因而在20世纪80年代一直主宰光电摄像设想器件市场。
到90年代初,CCD技术已经比较成熟,并得到广泛的应用。
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本科生能力拓展训练成绩评定表
姓名
xxx
性别
男
专业、班级
电子0903
能力拓展训练题目:
CCD图像传感器的应用
能力拓展训练答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日
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