固態(tài)成像器件原理及應(yīng)用

總復(fù)習(xí)長春理工大學(xué)劉智年12月18日Sunday,May5,2024第1頁第1頁二、課程主要內(nèi)容圖像與圖像傳感器歷史與現(xiàn)實(shí)狀況圖像傳感器技術(shù)介紹成像系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)固態(tài)圖像傳感器原理和特征（CCD和CMOS）固態(tài)圖像傳感器應(yīng)用Sunday,May5,2024第2頁第2頁圖像及其主要作用人類獲取信息中超出70%是圖像信息；獲取圖像信息是人類文明生存和發(fā)展基本需要，也是獲取信息最方便和最快捷伎倆；為了盡可能地取得不一樣光譜段，不一樣環(huán)境下清楚，亮度、對(duì)比度很好圖片，需要有高質(zhì)量圖像傳感器和圖像采集系統(tǒng)。Sunday,May5,2024第3頁第3頁圖像獲取Sunday,May5,2024第4頁第4頁圖像傳感器定義圖像傳感器是一個(gè)光電變換器件，它將傳感器感光面上光像轉(zhuǎn)換為與光像成對(duì)應(yīng)百分比關(guān)系“圖像”電信號(hào)；按照工作方式，可分為直視型光電成像器件，非直視型光電成像器件；按照成像光譜分布，可分為紅外、可見光、紫外、X射線、亞毫米波等非可見輻射探測用圖像傳感器；按照發(fā)展歷史和制造工藝，可分為電真空器件、固態(tài)成像器件。Sunday,May5,2024第5頁第5頁什么是固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器是指在同二分之一導(dǎo)體襯底上布設(shè)若干光敏單元和移位存放器組成集成化、功效化光電器件。固態(tài)圖像傳感器是利用光電器件光—電轉(zhuǎn)換功效，將其感光面上光像轉(zhuǎn)換為與光像成對(duì)應(yīng)百分比關(guān)系“圖像”電信號(hào)一個(gè)功效器件。即利用光敏單元光電轉(zhuǎn)換功效將投射到光敏單元上光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成“圖像”電信號(hào)。Sunday,May5,2024第6頁第6頁第二講主要內(nèi)容2.1光度學(xué)基本原理2.2光源2.3固態(tài)成像技術(shù)基礎(chǔ)2.4總結(jié)2.5作業(yè)Sunday,May5,2024第7頁第7頁2.1光度學(xué)基本原理光電效應(yīng)光與物質(zhì)作用產(chǎn)生光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)兩類，這是圖像傳感器工作基礎(chǔ)。內(nèi)光電效應(yīng)：被光激發(fā)所產(chǎn)生載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生改變或產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)現(xiàn)象；外光電效應(yīng)：被光激發(fā)產(chǎn)生電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中電子現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。Sunday,May5,2024第8頁第8頁2.2光源鎢絲白熾燈白熾燈是人們最熟悉一個(gè)光源，它依靠電能加熱鎢質(zhì)燈絲，使它在真空或惰性氣體中到達(dá)白熾狀態(tài)而發(fā)光，所以稱為白熾燈。白熾燈發(fā)射連續(xù)光譜，在可見光譜段中部和黑體輻射光譜僅相差0.5％。鎢絲熔點(diǎn)約為3600K，鎢絲裝在抽成真空或充有惰性氣體玻璃泡里，工作溫度通常在2200—3000K。光源亮度正比于輻射體熱力學(xué)溫度4次方。它發(fā)光特征穩(wěn)定，壽命長，輕易使用，光輻射量值復(fù)現(xiàn)性好，除作光源照明外，也廣泛用作傳遞輻射度、光度量標(biāo)推光源。發(fā)光效率較低，100W以下普通在6%～12%。Sunday,May5,2024第9頁第9頁2.2光源白熾燈供電電壓對(duì)其壽命有很大影響。電壓增加，燈絲溫度上升，光通量增加，發(fā)光效率提升，不過鎢絲蒸發(fā)加緊，壽命降低。Sunday,May5,2024第10頁第10頁2.2光源鹵鎢燈因?yàn)榈?、溴等鹵素和鎢結(jié)合，在高溫時(shí)又極易分解，把它們充入白熾燈中能夠?qū)崿F(xiàn)鹵鎢再循環(huán)，從而提升燈絲工作溫度和發(fā)光效率，這種燈即為鹵鎢燈或鹵素訂。與充氣白熾燈相比，燈殼不發(fā)黑，可一直保持近似恒定光通量，發(fā)光效率和壽命都有提升。Sunday,May5,2024第11頁第11頁2.2光源LED光源：半導(dǎo)體光源主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長，亮度足夠、供電電源簡單等Sunday,May5,2024第12頁第12頁2.2光源激光取得激光輸出三個(gè)條件泵浦源。將處于低能態(tài)得電子激發(fā)或者泵浦到教高能級(jí)上去；實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射足以克服損耗；有一個(gè)諧振腔為出射光子提供正反饋及高增益，用以維持受激輻射連續(xù)振蕩。主要種類氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等等Sunday,May5,2024第13頁第13頁2.2光源激光激光特點(diǎn)方向性強(qiáng)單色性好相干性好亮度高Sunday,May5,2024第14頁第14頁圖像傳感器原理圖像傳感器基本結(jié)構(gòu)光機(jī)掃描圖像傳感器電子束掃描圖像傳感器固體自掃描圖像傳感器圖像顯示與電視制式電視監(jiān)視器掃描電視制式圖像傳感器基本參數(shù)Sunday,May5,2024第15頁第15頁固態(tài)成像技術(shù)基礎(chǔ)圖像傳感器基本結(jié)構(gòu)光機(jī)掃描圖像傳感器電子束掃描圖像傳感器固體自掃描圖像傳感器Sunday,May5,2024第16頁第16頁固態(tài)成像技術(shù)基礎(chǔ)圖像傳感器基本技術(shù)參數(shù)與光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)成像物鏡焦距f：決定了被攝景物在光電成像器件上所成像大小。物距相同情況下焦距越長，所成像越大；相對(duì)孔徑D/f：為物鏡入瞳直徑與其焦距之比。相對(duì)孔徑大小決定了物鏡分辨率、像面照度和成像質(zhì)量；視場角2ω：決定了能在光電圖像傳感器上成像良好空間范圍；鏡頭標(biāo)準(zhǔn)：C口和CS口，Sunday,May5,2024第17頁第17頁圖像顯示與電視制式電視監(jiān)視器掃描方式逐行掃描隔行掃描Sunday,May5,2024第18頁第18頁Sunday,May5,2024第19頁第19頁什么是CCD？CCD是一個(gè)圖像傳感器

CCD是ChargeCoupledDevice(電荷耦合器件)簡稱。CCD作用是將經(jīng)過光學(xué)鏡頭投影到CCD表明上光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為與之成百分比電荷包，在CCD像面上形成電荷圖像，將電荷圖像輸出成為電壓視頻圖像，以后再經(jīng)過數(shù)字化處理，把圖像作為一個(gè)文件存放起來。Sunday,May5,2024第20頁第20頁Sunday,May5,2024第21頁第21頁小結(jié)電荷耦合器件（CCD）特點(diǎn)——以電荷作為信號(hào)。CCD基本功效——電荷存放和電荷轉(zhuǎn)移。CCD工作過程——信號(hào)電荷產(chǎn)生、存放、傳輸和檢測過程。組成CCD基本單元是MOS電容。Sunday,May5,2024第22頁第22頁CMOS圖像傳感器原理CMOS圖像傳感器概念ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorImageSensor。是一個(gè)用傳統(tǒng)集成電路工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存放器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)接口電路集成在一塊硅片上圖像傳感器件。Sunday,May5,2024第23頁第23頁CMOS圖像傳感器像元結(jié)構(gòu)無源像元(PassivePixel)有源像元（ActivePixel）光電柵型像元（PhotogatePixel）Sunday,May5,2024第24頁第24頁CMOS圖像傳感器普通結(jié)構(gòu)Sunday,May5,2024第25頁第25頁CMOS與CCD器件性能對(duì)比序號(hào)性能CMOS圖像傳感器CCD圖像傳感器1填充率（%）10~50靠近100%2暗電流（PA/cm2）100~<203噪聲電子數(shù)30~100<104FPN(%)<0.5%（均方根值RMS）<1%5DRNU(%)<10%1%~10%6工藝難度小大7光探測技術(shù)可優(yōu)化8像元放大器有無9信號(hào)輸出行列開關(guān)控制，可隨機(jī)采樣逐一像元輸出10ADC同一芯片中可設(shè)置只能在器件外設(shè)置11邏輯電路同一芯片中可設(shè)置只能在器件外設(shè)置12接口電路同一芯片中可設(shè)置只能在器件外設(shè)置13驅(qū)動(dòng)電路同一芯片中可設(shè)置只能在器件外設(shè)置14材料和光譜特征Si，400~1000nmSi，400~1000nmSunday,May5,2024第26頁第26頁經(jīng)典CMOS圖像傳感器OV7620（OminiVision企業(yè)出品，）Sunday,May5,2024第27頁第27頁OV7620實(shí)拍圖像2OV7620取得可見光圖像Sunday,May5,2024第28頁第28頁OV7620實(shí)拍圖像3OV7620取得紅外圖像Sunday,May5,2024第29頁第29頁OV7620工作時(shí)序圖OV7620主要時(shí)序圖Sunday,May5,2024第30頁第30頁OV7620數(shù)字相機(jī)原理框圖Sunday,May5,2024第31頁第31頁CCDSensorImageFormat1”format1/2”format2/3”format1/3”format12.8mm9.3mm16mm8.8mm6.6mm11mm6.4mm4.8mm8mm4.4mm3.3mm6mm16mm11mm8mm6mm1”TubeDeflectionyokeTheimagesizeininchesrelatesbacktothetubecamera.Theimageformatofatubewhichcouldbeplacedina1”deflectioncoilwascalled1”format.Theactiveimagesizeis16mmindiagonal.Itisthesameasfora16mmfilmformat.BIPM(BureauInternationaldesPoids&Mesures)recommendtousemetricdesignation.Belowisthemostcommonimageformatsshown.

Diagonal:Type1Type1/2Type2/3Type1/3ImagesizeSony:HomeSunday,May5,2024第32頁第32頁LensMount

C-mountandCS-mountFocalplaneFlangebackdistanceC-mount17.526mmCS-mount12.526mmLensflangeLensthreadThemostcommonlensforCCTVcamerasareoftheC-mountorCS-mounttype.Thestandardisfromold16mmfilmcameras.Thelensthreadandthedistancefromthelensreferenceflangetotheimageplaneisstandard.Thelensthreadis1-32UN-2A.Diameteris1inch.Threadpitchis32/inch.600.Tolerance2ATheflangebackdistanceinairis17.526mmforC-mount.ForCS-mountitis12.526mm.Glassfiltersorprismbetweenlensandfocalplanewillincreasethedistance.Thethreadlengthisforsomecamerasspecifiedtobeshorterthan4mm.Witha5mmadapterring,aCSlenscanbeusedonaC-mountcamera.Sunday,May5,2024第33頁第33頁固態(tài)成像技術(shù)應(yīng)用檢測和識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，圖像獲取、處理和存放有沒有判斷面積檢測方向檢測位置檢測角度檢測尺寸檢測文字識(shí)別光譜檢測表面檢測Sunday,May5,2024第34頁第34頁機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)器（Machine)視覺（Vision)+機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制覺(軟件)視(硬件)包含光源、鏡頭、相機(jī)、圖像采集卡等。機(jī)器視覺是一個(gè)系統(tǒng)概念，利用當(dāng)代先進(jìn)光電傳感技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字圖像處理技術(shù)，表現(xiàn)為光機(jī)電算等技術(shù)結(jié)合。Sunday,May5,2024第35頁第35頁固態(tài)成像系統(tǒng)組成光源光學(xué)系統(tǒng)相機(jī)圖像采集卡處理軟件Sunday,May5,2024第36頁第36頁固態(tài)成像技術(shù)應(yīng)用實(shí)例高幀頻成像現(xiàn)金印刷質(zhì)量檢測入侵報(bào)警圖像統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)激光切割系統(tǒng)Sunday,May5,2024第37頁第37頁高幀頻相機(jī)Sunday,May5,2024第38頁第38頁現(xiàn)金印刷檢測Sunday,May5,2024第39頁第39頁入侵報(bào)警及圖像統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)研究目標(biāo)：利用對(duì)探測靈敏度較高且對(duì)紅外光敏感CMOS圖像傳感器，結(jié)合高靈敏度熱釋電人體探測器，實(shí)現(xiàn)對(duì)住宅、辦公室等候保護(hù)場所監(jiān)視，對(duì)發(fā)生異常情況進(jìn)行現(xiàn)場圖像攝取及存放，同時(shí)經(jīng)過通信線路進(jìn)行報(bào)警，通知總控中心及相關(guān)人員進(jìn)行處理。技術(shù)要求：存放圖像分辨率515×512，存放介質(zhì)（FLASH），通信接口USB1.1，存放容量64M（未壓縮273張），人體探測器采取熱釋電傳感器；系統(tǒng)組成：CMOS數(shù)字相機(jī)及