圖像傳感器圖像傳感器是在光電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，分為真空管圖像傳感器和半導(dǎo)體圖像傳感器。固態(tài)圖像傳感器是高度集成的半導(dǎo)體光電器件，在一個(gè)器件上可以完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、傳輸和處理。固態(tài)圖像傳感器的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件，有五種類型：電荷耦合器件（CCD）互補(bǔ)式金屬-氧化物-半導(dǎo)體（CMOS）型電荷注入器件（CID）電荷引發(fā)器件（CPD）疊層型成像器件圖像傳感器圖像傳感器是在光電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的將光學(xué)圖像

電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，簡(jiǎn)稱CCD）是以陣列形式排列在襯底材料上的金屬－氧化物－半導(dǎo)體（MetalOxideSemiconductor，簡(jiǎn)稱MOS）電容器組成的，具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移的功能。MOS光敏單元電荷耦合器件(CCD)

光敏單元陣列電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，

以P型襯底MOS結(jié)構(gòu)為例，如果在金屬電極——柵極上施加一足夠大的正點(diǎn)壓，半導(dǎo)體表面將處于深耗盡狀態(tài)，在半導(dǎo)體表面形成電子勢(shì)阱。半導(dǎo)體表面相對(duì)于體內(nèi)的電勢(shì)差稱為勢(shì)阱深度。勢(shì)阱可以存儲(chǔ)少數(shù)載流子（在P型襯底情況下少數(shù)載流子是電子），勢(shì)阱越深存儲(chǔ)電荷越多。當(dāng)光照射到硅片上時(shí)，在光子作用下產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，自由電子會(huì)被勢(shì)阱收集，電子數(shù)主要取決于光照強(qiáng)度和收集（積分）時(shí)間的長(zhǎng)短。CCD以電荷作為信號(hào)的載體，而不是電壓或電流。

CCD電荷的產(chǎn)生以P型襯底MOS結(jié)構(gòu)為例，如果在金屬電極——柵極上施加一足

為了將勢(shì)阱中的電荷轉(zhuǎn)移并輸出，每個(gè)光敏單元對(duì)應(yīng)設(shè)置3個(gè)相鄰的電極（三相）作為轉(zhuǎn)移單元，電極上的脈沖電壓相位依次相差120°，波形都是前緣陡峭后緣傾斜。

**可以是二相、三相、四相等結(jié)構(gòu)。電荷轉(zhuǎn)移CCD電荷的轉(zhuǎn)移為了將勢(shì)阱中的電荷轉(zhuǎn)移并輸出，每個(gè)光敏單元

在t1時(shí)刻，電極1、4、7下方出現(xiàn)勢(shì)阱，并接收各自對(duì)應(yīng)光生電荷包，電荷的多少與光強(qiáng)有關(guān)。

在t2時(shí)刻，電壓φ1下降，電壓φ2最高，電極2、5、8下方勢(shì)阱最深，原來存儲(chǔ)在電極1、4、7下方的電荷將在電場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)移到2、5、8下方。

到t3時(shí)刻，電荷全部向右轉(zhuǎn)移的一步。依次類推，在t5時(shí)刻，電荷將轉(zhuǎn)移到電極3、6、9下方。CCD電荷的轉(zhuǎn)移在t1時(shí)刻，電極1、4、7下方出現(xiàn)勢(shì)阱，并

CCD電荷的轉(zhuǎn)移CCD電荷的轉(zhuǎn)移

CCD結(jié)構(gòu)CCD結(jié)構(gòu)主要功能模塊：光敏區(qū)（成像區(qū)、光電轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)移柵（隔離，轉(zhuǎn)移電荷）電荷移位寄存器陣列（電荷移位輸出）電荷/電壓轉(zhuǎn)換器和電壓放大器（輸出視頻信號(hào)）CCD結(jié)構(gòu)CCD結(jié)構(gòu)主要功能模塊：

CCD圖像傳感器一般分為線型和面型。二者的原理類似，都是通過光學(xué)成像系統(tǒng)將景物圖像成在CCD的像敏面上。CCD圖像傳感器分類線型CCD可以直接接收一維光信號(hào)，主要用于測(cè)試、傳真和光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等方面。CCD可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。每一個(gè)脈沖反應(yīng)一個(gè)光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強(qiáng)弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這就構(gòu)成了圖像傳感器。CCD圖像傳感器一般分為線型和面型。二者的原理類似，都是通

最簡(jiǎn)單的線型CCD是單通道式的，它包括感光區(qū)（光積分單元）和傳輸區(qū)兩部分：感光區(qū)由一列光敏單元組成；傳輸區(qū)由轉(zhuǎn)移柵及一列移位寄存器組成。光照產(chǎn)生的信號(hào)電荷存儲(chǔ)于感光區(qū)的勢(shì)阱中。在轉(zhuǎn)移脈沖到來時(shí)，光敏陣列勢(shì)阱中的電荷被并行轉(zhuǎn)移到移位寄存器中，最后在時(shí)鐘脈沖的作用下一位位的移出，形成視頻信號(hào)。傳輸區(qū)是遮光的，以防止因光生噪聲電荷的干擾造成圖像模糊。線型CCD工作原理最簡(jiǎn)單的線型CCD是單通道式的，它包括感光區(qū)（光積分單元）

為了減少信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過程中的損失，通常采用雙通道式結(jié)構(gòu)。雙通道式CCD有兩列移位寄存器，平行的分置在感光區(qū)兩側(cè)。同樣感光區(qū)的雙通道線型CCD比單通道線型CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，降低了傳輸損耗，同時(shí)也縮短了器件尺寸。線型CCD工作原理為了減少信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過程中的損失，通常采

線型CCD工作原理線掃相機(jī)視覺檢測(cè)平臺(tái)線型CCD工作原理線掃相機(jī)

隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的像敏單元呈二維排列，每列像敏單元被遮光的垂直移位寄存器隔開，像敏單元與垂直移位寄存器之間又有轉(zhuǎn)移控制柵。像敏單元中的信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移柵電壓控制下轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器，然后在讀出脈沖作用下逐行轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器中，再由水平移位寄存器快速輸出，得到視頻信號(hào)。常見的結(jié)構(gòu)有隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)（行間傳輸）和幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)（場(chǎng)傳輸）。面型CCD工作原理隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的像敏單元呈二維排列，每列像敏

幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)包括成像區(qū)（光敏區(qū)）、電荷移位寄存器和水平移位寄存器三部分。當(dāng)光積分周期結(jié)束時(shí)，加在成像區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)電極上的時(shí)鐘脈沖使所收集到的信號(hào)電荷迅速轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)中。然后逐行轉(zhuǎn)移到讀出寄存器并輸出。在第一幀讀出的同時(shí)，成像區(qū)開始收集第二幀信號(hào)電荷。一旦第一幀信號(hào)被全部讀出，馬上傳送第二幀信號(hào)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出。面型CCD工作原理幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)包括成像區(qū)（光敏區(qū)）、電荷移位寄存器和水平移位寄

彩色CCD結(jié)構(gòu)CCD硅芯片不能區(qū)分不同光譜的顏色，為了區(qū)分光譜的RGB三基色，常采用兩種方式：1.三晶片結(jié)構(gòu)：利用三棱鏡組將圖像分為RGB三基色圖像，分別投影到三片CCD芯片上。圖片質(zhì)量高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴彩色CCD結(jié)構(gòu)CCD硅芯片不能區(qū)分不同光譜的顏色，

彩色CCD結(jié)構(gòu)2.彩色濾波陣列—Bayer濾波器模式彩色濾波馬賽克；犧牲分辨率，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低價(jià)格；通過反馬賽克算法從Bayer模式圖像恢復(fù)出RGB模式圖像。彩色CCD結(jié)構(gòu)2.彩色濾波陣列—Bayer濾波器模式

彩色CCD結(jié)構(gòu)基于USB2.0總線的高分辨數(shù)字圖像傳感器（1280*1024）

彩色CCD結(jié)構(gòu)基于USB2.0總線的高分辨數(shù)字圖像傳感器

CCD的長(zhǎng)寬比和尺寸CCD長(zhǎng)寬比為4：3，尺寸如圖所示：CCD像元密度Z——有效區(qū)內(nèi)采樣的點(diǎn)數(shù)：768*576,1024*768,2048*2048等CCD的長(zhǎng)寬比和尺寸CCD長(zhǎng)寬比為4：3，尺寸如圖

1.響應(yīng)度（靈敏度）：光電轉(zhuǎn)換效率，輸出電信號(hào)與輸入光信號(hào)能量之比；與入射光波長(zhǎng)有關(guān)，因此分為光譜響應(yīng)度（對(duì)特定波長(zhǎng)入射光）和積分響應(yīng)度（對(duì)連續(xù)波長(zhǎng)輻射光）；2.光譜特性：響應(yīng)度與入射光頻率或波長(zhǎng)的關(guān)系（光譜峰值）；

CCD硅晶片對(duì)400nm至1060nm的光波都很敏感，為使CCD和人眼對(duì)外界圖像的感應(yīng)盡可能一致，常在CCD前方加入紅外濾波器（Infra-RedFilter）。在機(jī)器視覺中，可將IR濾波器去掉，或加入特定光譜濾波器，制成紅外光感應(yīng)器。CCD的基本特性參數(shù)1.響應(yīng)度（靈敏度）：光電轉(zhuǎn)換效率，輸出電信號(hào)與輸入光信

CCD的光譜特性CCD的光譜特性

CCD的光譜特性可見光與近紅外混合成像，波長(zhǎng)約為400-1200nmCCD的光譜特性可見光與近紅外混合成像，波長(zhǎng)約為400

CCD的基本特性參數(shù)3.暗電流：無光信號(hào)時(shí)的輸出電流——圖像噪聲；4.分辨率：取決于光敏單元間距，常用光敏單元數(shù)表示，一般像元越多分辨率越高；實(shí)際分辨率還與CCD光敏單元的中心間距、光學(xué)系統(tǒng)的放大率有關(guān)。CCD實(shí)際分辨率=光敏單元中心距/光學(xué)系統(tǒng)放大倍率最大被測(cè)物尺寸=最大成像尺寸/光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)5.均勻性：光敏單元對(duì)光強(qiáng)度響應(yīng)的一致性。CCD的基本特性參數(shù)3.暗電流：無光信號(hào)時(shí)的輸出電流——

非接觸檢測(cè);響應(yīng)快;可靠性高,維修簡(jiǎn)便;測(cè)量精度高;體積小,重量輕;容易與計(jì)算機(jī)連接；對(duì)被測(cè)物體需要強(qiáng)光照射;受被測(cè)物體以外的光的影響.CCD傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)非接觸檢測(cè);CCD傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)

CMOS圖像傳感器

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）互補(bǔ)式金屬-氧化物-半導(dǎo)體，NMOS和PMOS串聯(lián)；是集成電路中廣泛使用的一個(gè)基本單元，在動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中廣泛使用，如計(jì)算機(jī)內(nèi)存；出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代初，早期CMOS圖像傳感器圖片質(zhì)量差，僅用于低端產(chǎn)品；90年代后重新得到關(guān)注，低功耗、高集成度；已廣泛用于各種高、中、低端圖像采集設(shè)備。CMOS圖像傳感器CMOS（Complementar

CCD和CMOS的工作框圖以電荷形式傳輸以電壓形式傳輸CCD和CMOS的工作框圖以電荷形式傳輸以電壓形

CCD和CMOS的集成度CMOS芯片除了具有CCD芯片的功能單元，還包括了控制電路、A/D轉(zhuǎn)換和視頻信號(hào)處理電路，可以進(jìn)行亮度、對(duì)比度、噪音抑制、邊緣檢測(cè)等復(fù)雜處理。CCD和CMOS