《图像传感器》PPT课件.ppt

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） 。 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 。 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。 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传感器三种。 CCD的应用范围 CCD图像传感器分类 CCD（Charged Coupled Device）于1969 年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等 公司开始量产，其发展历程已经将近30多 年，从初期的10多万像素已经发展至目前 主流应用的500万、800万像素。 CCD又 可分为线型（Linear）与面型（Area）两 种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机 上，而面型主要应用于数码相机（DSC） 、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入 产品上。 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m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400500 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； 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； 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； 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。 CCD的优点 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“Frame-Transfer 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。 柯达 柯达的CCD采用了广受好评的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。 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。 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）。 与CCD相比，CMOS具有体积小，耗电量不到CCD的1/10，售价也 比CCD便宜1/3的优点。 CMOS具有明显的简单和低成本的特点，所以最近日趋成熟的 CMOS产品开始侵蚀CCD产品的市场。不可否认的是，CCD芯片在 500万象素以上的数码相机产品中，能够达到CMOS无法比拟的视觉 效果。但是，CMOS的强项在于动态视频以及其节能性。 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 。同时，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成 本的降低。另外，CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整 合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、 水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC等，都可放在集成在一 颗晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快 闪记忆体（Flash RAM）等也可整合成单晶片（SYSTEM-ON-CHIP ），以达到降低整机生产成本的目的。 CMOS图像传感器优点 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。 CMOS图像传感器的优 点 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 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。 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。 市场 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。 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。 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。 在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就 越深，势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越 大。 如果有光照射在硅片上， 在光子作用下，半导 体硅产生了电子-空穴对，光生电子被附近的势 阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。势阱内所吸 收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成 正比。 (2) 电荷存储原理 （3）电荷转移原理 CCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS 光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底；氧化 层均匀、连续；相邻金属电极间隔极小。 任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移 动。 为了保证信号电荷按确定的方向和路线转移，在 MOS光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格 满足相位要求。 三相CCD时钟电压与电荷转移的关系 (a) 三相时钟脉冲波形； (b) 电荷转移过程 （4）电荷注入方法 电荷注入方法 （a） 背面光注入； （b） 电注入 （5）电荷的输出 CCD输出端结构 面阵型CCD图像传感器 CCD固体图像传感器的分类 线阵型CCD图像传感器 CCD图像传感器的特性参数 1光电转移效率 2总转移效率 3分辨率 是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力 ，是图像传感器最重要的特性，主要取决 于感光单元之间的距离。 3灵敏度及光谱响应 单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量： 5动态范围 饱和曝光量和等效曝光量的比值称为 CCD的动态范围。CCD器件的动态范 围一般在103104数量级。 6 暗电流 暗电流起因于热激发产生的电子-空穴对，是缺陷产生的 主要原因。光信号电荷的积累时间越长，其影响就越大 。 暗电流的产生不均匀，在图像传感器中出现固定图形， 暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围，暗电流大的地 方，多数会出现暗电流尖峰。 暗电流与温度密切有关，温度每降低10，暗电流约减 小一半。 对于每个器件，产生暗电流尖峰的缺陷总是出现在相同 位置的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单 元位置存贮在PROM(可编程只读存贮器)中，单独读取相 应单元的信号值，就能消除暗电流尖峰的影响。 7噪声 CCD是低噪声器件，但由于其他因素产生的噪 声会叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移受 到干扰。 噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪 声、信号输入噪声等。 CCD固体图像传感器的应用 CCD固体图像传感器的应用主要在以下几方面： 计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表 面缺陷的非接触在线检测、距离测定等。 光学信息处理：光学文字识别、标记识别、图形 识别、传真、摄像等。 生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、 自动搬运机、监视装置等。 军事应用：导航、跟踪、侦查(带摄像机的无人 驾驶飞机、卫星侦查)。 CMOS传感器结构与工作原 理 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor, 互补金属氧化物半导体） 图像传感器也是目前最常见的数字图像传感器， 广泛应用于数码相机、数码摄像机、照相手机以 及摄像头等产品上。 采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、驱动 和控制电路、信号处理电路、模/数转换器、全 数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单 芯片成像系统，这已成为当前一个研究热点。 根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分 为 无源像素被动式传感器（PPS） 有源像素主动式传感器（APS） 根据光生电荷的不同产生方式，APS又分为 光敏二极管型 光栅型 对数响应型 CMOS传感器结构与工作原 理 CMOS传感器结构与工作原 理 CMOS图像传感器芯片结构 框图 CMOS图像传感器像素 阵列 CMOS图像传感器的性能指 标 1.光谱性能与量子效率 CMOS成像器件的光谱性能和量子效率取决于 它的像敏单元（光敏二极管）。 2.填充因子 填充因子是指光敏面积对全部像敏面积之比， 它对器件的有效灵敏度、噪声、时间响应、模 传递函数MTF等的影响很大。 3.输出特性与动态范围 CMOS成像器件一般有4种输出模式： 线性模式 双斜率模式 对数特性模式 校正模式 它们的动态范围相差很大，特性也有较大的区 别。 CMOS图像传感器的性能指标 CMOS图像传感器的性能指标 4.噪声 CMOS图像传感器的噪声来源于其中的像敏单 元的光敏二极管、用于放大器的场效应管和行 、列选择等开关的场效应管。这些噪声既有相 似之处也有很大差别。此外，由光敏二极管阵 列和场效应晶体管电路构成CMOS图像传感器 时，还可能产生新的噪声。 （1）光敏器件的噪声 （2）MOS场效应晶体管中的噪声 （3）CMOS成像器件中的工作噪声 5.空间传递函数 由于CMOS成像器件中存在空间噪声和串音， 故实际的空间传递函数特性要降低些。 典型CMOS图像传感器 以FillFactory公司的IBIS4 SXGA型CMOS成像器产品为 例。这是一种彩色面阵CMOS成像器件，但也可以用做 黑白成像器件。 它的特点是： 像素尺寸小 填充因子大 光谱响应范围宽 量子效率高 噪声等效光电流小 无模糊（Smear）现象 有抗晕能力 可做取景控制 CCD与CMOS传感器的比较 数字数据传送的方式 CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种 图像传感器，两者都是利用感光二极管（ photodiode）进行光电转换，将图像转换为数 字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式 不同。 CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据 都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分 输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输 出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接 一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路 的方式将数据输出。造成这种差异的原因在于 ：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失 真，因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行 放大处理；而CMOS工艺的数据在传