第五章CCD产品简介汇总课件.ppt

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1、第五章-1 CCD产品简介53,5.1 典型CCD芯片简介5.2 特种CCD芯片介绍,总目录,二用于高速检测的(并行/分段输出)线阵CCD,三用于光谱测量的线阵CCD,四用于彩色图像采集的线阵CCD,一 用于尺寸测量的线阵CCD,5.1 典型CCD芯片简介,像敏单元数、响应度、动态范围,二相线阵CCD,二相线阵CCD,比1206多了一个片内驱动器和采样保持器;象元数比1206的多，而象元尺寸是1206的一半，尺寸测量精度至少提高一倍,TCD1500C的引脚及其说明,光敏单元总长度37.38mm（53407um）,二相线阵CCD,无片内驱动器和采样保持器;多了一个钳位脉冲CP；信号分奇偶两列转移

2、分别由OS1和OS2端口输出；二路并行输出优点：在一定的驱动频率下，其数据率是单路输出的2倍,TCD1703C的引脚及其说明,光敏单元总长度52.5mm（75007um）,1典型单沟道线阵CCD(TCD1209),2 典型双沟道线阵CCD(TCD1206UP),3 具有积分时间可调功能的线阵CCD(TCD1205),4 具有采样保持输出电路的线阵CCD(TCD1300D),一 用尺寸测量的线阵CCD 应具备的性能：驱动简单、灵敏度高、分辨率高 象敏阵列长,1 典型单沟道线阵CCD(TCD1209D),TCD1209D是只有一个转移栅和一个模拟移位寄存器的单沟道型线阵器件,TCD1209D的基本

3、结构,TCD1209D为典型的二相单沟道型线阵CCD图像传感器，其基本结构、工作原理及驱动电路等都具有典型性。,结构组成：Photo Diode/转移栅/CCD模拟移位寄存器/输出单元每个光敏单元尺寸1414um，相邻两光敏单元中心距14um，光敏单元总长度28.672mm（204814um）,TCD1209D的引脚及其说明,1）为何PD最左边为D13？还有D0D12吗？所有的光电二极管已经在此图给出，总共2048+27=2075个。即没有实物存在的D0D12。它们只是虚设的单元(在移位寄存器中有13组对应单元)2）遮蔽的27个PD的作用？获得暗电流等信息用于对有效信号处理,转移栅与光敏阵列及

4、移位寄存器的交叠结构,Up为光敏单元；CR1为CCD模拟移位寄存器的一个电极；SH为转移栅（shift gate）输入信号 高电平:沟通光敏阵列和移位寄存器,信号电荷转移到CR1势阱 低电平:隔离二者,光敏单元阵列积分,移位寄存器逐位输出；,转移脉冲SH高电平时,CR1脉冲也应为高电平；SH的下降沿时，CR1也为高电平，以保证信号完整转移成功。(时序及电平要求之一),TCD1209D五路驱动脉冲组成及作用：转移脉冲SH（沟通/阻隔 PD 和 CCD；控制光积分时间）驱动脉冲CR1（配合CR2把信号电荷从CCD右向左移动）驱动脉冲CR2（其中CR2B代表CCD移位寄存器的最后一个电极）复位脉冲R

5、S（清除上一次未来得及转移走留在输出二极管中的电荷）缓冲控制脉冲CP（过滤掉输出信号的尖脉冲噪声）,行周期：SH的周期。必须大于2088个转移脉冲CR1的周期；OS输出信号的构成：虚设单元/哑元/有效信号/检测单元等；,驱动电路的设计思路：1）各脉冲的周期关系及占空比分析；2）确定脉冲之间的逻辑及时序关系；,光谱响应特性,光谱响应的峰值波长为550nm短波响应在400 nm处大于70%光谱响应的长波限在1100nm,应用场合：高速检测物体外形尺寸、振动、飞行姿势、高速图象采集结构特点：二路输出、四路输出分段式输出,二用于高速检测的(并行/分段输出)线阵CCD,1 并行输出的线阵CCD(TCD1

6、703C),2 分段式输出的线阵CCD,1并行输出的线阵CCD-TCD1703C,并行输出的TCD1703C 典型双沟道并行输出二相CCD,有效像素单元(7500像元)分奇偶两列并行转移，分别由OSl和OS2端口并行输出。,并行输出的线阵CCD在相同频率驱动脉冲的作用下可以获得更高的信号输出速率，这在用线阵CCD检测高速运动物体图像的应用中具有非常重要的作用。,2 分段式输出CCD,IT-C5(速度80M),IT-C5型线阵CCD是四相驱动的线阵CCD；4个并行输出端口，有效数据率可提高4倍,2、分段式多路并行输出的高速线阵CCD,RL1282D、RL1284D、RL1288D器件：分别具有2

7、56、512或1024像元像元尺寸：181818(单位：微米)双沟道器件每128像元为一段，每段又分奇偶两个沟道并行输出,整个器件的输出时间大大地缩短，器件的工作速度提高。,RL1288D为1024像元的线阵CCD，分别由16个输出端并行输出,每个输出端口只输出64个像元的信号，因此器件的等效数据率很高。中间的红线代表像敏单元，两侧的16个长方条代表模拟移位寄存器。,四路输出,八路输出,三 用于光谱测量的线阵CCD,应用场合：光学参数、物理参数测量等应具备的性能：动态范围大、光谱范围宽、灵敏度高、噪声低、象敏单元不均匀性好、象元尺寸大、,RL1024：单元25*2500um2大于普通1000倍

8、以上,用于光谱探测的高性能线阵CCD-RL1024SB,用于光谱探测（如单色仪）的线阵CCD,美国Reticon公司SB系列CCD器件。它具有1024个有效像素单元，每个单元尺寸为长25m、高2500m、中心距25m。,“开花”是指光敏单元所存储的电荷超出了势阱容纳电荷的容量而溢出势阱，扩散到邻近势阱的现象。抗开花Antiblooming（RL1024SB中可以用来调整积分时间）,必须的三路脉冲（其他属扩展）：转移脉冲ST、驱动脉冲CR1、CR2EOS信号可以作为A/D转换器的行同步信号；,RL1024SB的特性参数,（1）光谱响应,两种类型：普通光学玻璃窗和石英玻璃窗，以G和Q区分；石英玻璃

9、：光谱响应范围为200nm至1100nm,峰值响应波长为750nm。该器件在中紫外至近红外波段的光谱响应较好，常用于这段谱区的光谱探测和光谱分析应用中，尤其是在紫外波段的光谱探测更为重要。普通玻璃：截止于350nm，对紫外波段光的吸收较大。,光纤窗口,三个窗口C波段、L波段,它的光谱响应范围为200nm至1100nm,峰值响应波长为750nm。该器件在中紫外至近红外波段的光谱响应较好，常用于这段谱区的光谱探测和光谱分析应用中，尤其是在紫外波段的光谱探测更为重要。,由于它光敏单元尺寸小，像敏单元数多，光谱分辨率高，因此在对光谱灵敏度要求不高的情况（如吸收光谱探测器）应用。,RL2048DKQ是美

10、国Reticon公司D系列CCD器件。它具有2048个有效像素单元，每个单元尺寸为长13m、高26m、中心距13m，属于高速(数据率高达30MHz)低功耗器件。,从特性曲线上可以看出，曲线在0.001至0.47(J/cm2)的曝光量范围内的线性很好，即RL2048DKQ在4700倍的曝光量范围内具有近似于直线的光电转换特性。,应用：对彩色图像采集、测量芯片介绍：,四 用于彩色图像采集的线阵CCD,结构特点：象元三个为一组，每组含RGB(红绿兰)三色,彩色线阵CCD,应用例一：在彩色印刷行业中常需要进行几种单一颜色的分段印刷（例如R，G，B分三原色印刷），并将多次印刷的单色图案叠加起来才能印出栩

11、栩儒生的彩色图案。在这种印刷工艺中，能否正确的套色是这项工艺的关键技术。在套色印刷生产线中常用“电眼”进行跟踪套色，所谓的“电眼”实际上是一套彩色线阵CCD图像识别器。他能够对彩色图像进行颜色与图案的采集，并根据所采集的信号进行图样的测量和印刷机运行速度的测量，控制后面单色图像的印刷工作，确保所印出的彩色图像色彩真实。应用例二：使用的扫描仪（实现照片等彩色信息的获取）,彩色线阵CCD有两种形式：单行串行和三行并行,1、TCD2000P单行串行形式,单沟道两相驱动480个有效PD组成像敏区单元尺寸：长11*高33*113个单元一组，每一组依次采用G、B、R滤色片,2、TCD2558D器件三行并行

12、形式,三条5340像敏单元阵列,像敏单元的尺寸为:7*7*7,总长37.38mm每列之间的间距为28m（间隔4行）每列都是5340个像敏单元的单沟道线阵CCD构成,高灵敏度低暗电流的彩色线阵CCD器件。,5.2 特种CCD介绍,一 微光 CCD图像传感器,二 红外CCD图像传感器,三 X光CCD图像传感器,四 紫外CCD图像传感器,一微光图像传感器,1微光图像传感的优势：,2微光图像传感的关键技术,3微光CCD摄像原理,关于电子激发（光增强方式）：,关于“红外”的概念：红外的波长划分：通常人们又把红外辐射称为红外光、红外线，实际上其波段是指其波长约在0.78微米到1000微米的电磁波。将其划分

13、为近、中、远红外三部分：近红外波长为：0.783.0微米；中红外指波长为：3.020微米；远红外则指波长为：201000微米。（另外，由于大气对红外辐射的吸收，只留下三个重要的“窗口”区，即13微米、35微米和813微米 可让红外辐射通过，因而在军事应用上，又分别将这三个波段称为近红外、中红外和远红外。）,二红外CCD图像传感器,红外CCD图像传感器分类及用途分类 主动红外摄像 被动红外摄像用途 军事：俯视、跟踪、制导、红外侦察；民用：（用红外光源）实现大范围监测，银行、仓 库夜间监视（可视门铃）,1主动红外摄像系统原理：当红外光源照射目标时，目标反射的红外光被摄像机所摄取，并将不可见的红外光

14、转换成可见光，在屏幕上显示出来，实现红外摄像。主动红外摄像系统组成：由红外光源和红外摄像器件,白炽灯滤光红外光源：半导体砷化镓光源 半导体激光器红外摄像器件：把不可见红外线转变成可见光的器件。光谱范围：13um,主动红外摄像系统应用,2被动红外摄像系统分类 望远红外摄像 中红外CCD摄像原理：不需要红外线照明，依靠目标本身红外辐射实现摄像CCD红外摄像特点：,（1)望远红外CCD摄像机应用说明：1.太阳照射到目标反射回的射线经滤光片把可见光及不需要的红外线滤掉，剩下有用的红外线。2.经红外光学镜头聚焦成像波长范围：波长在1um以内的近红外摄像获得广泛应用,(3)当天空晴朗能见度为15KM,用它

15、可手动实时跟踪50KM远目标,望远红外CCD摄像机摄像距离,望远红外CCD摄像机应用及现状,（2）中红外CCD摄像系统,中红外CCD摄像系统应用,光学参数分析、遥感、目标追踪、医疗人体发射红外波长910m,基于非晶硅的非制冷红外焦平面阵列,三,X-ray，又被称为艾克斯射线、伦琴射线或X光，是一种波长范围在0.01nm到10nm之间的电磁辐射形式。X射线波长略大于0.5nm的被称作软X射线。波长短于0.1nm的叫做硬X射线。硬X射线与波长长的伽马射线范围重叠，二者的区别在于辐射源，而不是波长，X射线光子产生于高能电子加速，伽马射线则来源于原子核衰变。,四 紫外CCD图像传感器用途：医学、生物学

16、（癌细胞）、环保 100nm400nm 近、中紫外 波长 10nm100nm 远紫外 0.1nm10nm X射线技术原理：在CCD表面淀积一层对紫外光子敏感的磷光物质，并通过适当选择磷光物质将紫外信息转换成与CCD光谱相应相对应的波长。紫外CCD是将硅CCD减薄后涂荧光物质，把紫外光耦合进器件的，响应波长从真空紫外到近紫外,UV-Ultraviolet Rays,紫外线的特点与应用,紫外线最显著的特点就是它能使荧光物质发光,紫外线能杀菌,促进人体维生素D的合成,化学作用强。,使照相底片感光,紫外线与人类生活,紫外线与人类生活、健康密切相关。适度的紫外线照射有益健康，而过量的紫外线照射会有损人体

17、健康，紫外线主要影响眼睛和皮肤，引起急性角膜炎和结膜炎，慢性白内障等眼疾，诱发皮肤癌。所以必须注意防护。,紫外成像器件：硅CCD已可用于远紫外（10nm100nm）、X射线（0.1nm10nm）应用器件 紫外CCD摄像机：能在紫外和X光波段成像 紫外数字摄像机：感应紫外光照相机 紫外制导：红外紫外双色制导应用 紫外告警：导弹入侵报警，通过检测导弹尾焰中紫外 线辐射 紫外探测：紫外大气探测,五 CMOS图像传感器,互补金属氧化物半导体图像传感器 CMOSComplementary Metal Oxide Semiconductor电荷耦合器件图像传感器 CCDCharge-couple Devi

18、ce,图1 图像传感器,一、概况,CMOS与CCD图像传感器的研究几乎是同时起步的，固体图像传感器得到了迅速发展,CMOS图像传感器：由于受当时工艺水平的限制，图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。,CCD图像传感器：因其光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点，一直主宰着图像传感器市场。,一、概况,现在：由于集成电路设计技术和工艺水平的提高 CMOS图像传感器过去存在的缺点 都可以找到办法克服 而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的 因而它再次成为研究的热点,一、概况,2.1图像传感器基本原理,图2 图像传感器原理示意图,CMOS和CCD图像传感器都利用了

19、硅的光电效应原理，不同 点在于像素光生电荷的读出方式。,CMOS和CCD的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料 上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。,二、工作原理,2.2 CMOS图像传感器的工作原理框图,传感器内部芯片集成度高，而外围电路简单；光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷-电压转换。,图3 CMOS图像传感器工作原理框图,二、工作原理,2.3 CCD图像传感器工作原理框图,二、工作原理,曝光后光子通过像元转换为电子电荷包；电子电荷包顺序转移到共同的输出端；通过输出放大器将大小不同的电荷包转换为电压信号。,图4 CCD图像传感器工作原理框图,三、性能比较,3

20、.1 灵敏度,灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力，CCD图像传感器灵敏度较CMOS图像传感器高30%50%。,3.2 分辨率,CMOS图像传感器上集成有放大器、定时器和ADC 等电路，每个像素都比 CCD 复杂，因而电路所占像素的面积也大，所以相同尺寸的传感器，CCD 可以做得更密。通常CCD图像传感器的分辨率会优于CMOS图像传感器。,主要是因为CCD像元耗尽区深度可达10mm,具有对可见光近红外光谱段的完全收集能力。CMOS采用0.180.5mm标准CMOS工艺,由于采用的电阻率硅片须保持地工作电压,像元耗尽区12mm,其吸收截至波长小于650mm,导致像元对红光及近红外

21、光吸收困难。,三、性能比较,3.3 噪声,由于CMOS 图像传感器每个像元都需搭配一个放大器，而CCD只有一个放大器放在芯片边缘，CMOS图像传感器的噪声大很多。,3.4 集成性,CMOS图像传感器同VLSI之间具有良好的兼容性，可以把驱动与控制系统（CDS）、ADC 和信号处理等电路集成在一块芯片上。CCD的驱动电路及模拟、数字处理电路尚未集成在同一芯片上。,三、性能比较,3.5 成本,由于 CMOS 图像传感器采用标准的半导体制造工艺和高集成性，因此可以节省外围芯片的成本。与 CCD 相比，CMOS 图像传感器在制造成本上具有优势。,3.6 可靠性,CMOS 和 CCD 图像传感器在商用及

22、工业应用领域具有等价的可靠性。极端恶劣的应用环境中,由于 CMOS 图像传感器将大部分相机电路集成在一个芯片上，焊点与接头大大减少，其可靠性要优于 CCD图像传感器。,四、发展趋势,4.1 图像传感器发展,世界图像传感器2007年的出货量为10.95亿个，比上年增长19%预期2013年将增长到20亿个，年均增长率超过10%。世界图像传感器的应用情况如表1所示。,表1 世界图像传感器的应用情况,四、发展趋势,4.2 两种传感器发展比较,20072011年间，CCD传感器出货量从1.7亿个下降到1.4亿个，而同期CMOS传感器从9.3亿个快速上升到15.7亿个，年增长率达14%。同期出货值前者从2

23、4.4亿美元下降到10.9亿美元，跌幅过半；后者从30.5亿美元增加到35.8亿美元，年增长率不过4%。可以看出，随着集成电路技术和半导体制造工艺水平的提高，CMOS图像传感器的成本和价格显著下降，因此具有很大的竞争优势。,CMOS图像传感器的应用 CMOS图像传感器与CCD图像传感器一样，可用于自动控制、自动测量、摄影摄像、图像识别等各个领域。CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右。CMOS图像传感器用于数码相机有助于改善人们心目中数码相机是“电老虎”的不良印象。,CMOS和CCD图像传感器工作原理没有本质区别，只是制造的基底材料不一样以及集成

24、度有差别。CMOS图像传感器因其高集成度，使其在性能上与CCD形成互补之势。随着分辨率的不断提高，CMOS图像传感器正在逐步占领更多的图像传感器市场份额。,CMOS图像传感器原理：通过CCD相同的光电转换将入射光转换成电信号与CCD的区别：在每个象元上含有放大器，易引入噪声；单一驱动电压供电；（省电）光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷-电压转换；（像素光生电荷的读出方式不同）CMOS结构可利用VLSI工艺，超小型化。将所有摄像 机功能集成在一个芯片上；(5)基底材料不一样，CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。应用情况：微型摄像系统，适用于安全监控，可视门铃，可视电话，医疗器械等微型应用场合,本章小结,1.用于尺寸测量的线阵CCD应具备的性能2.用于高速检测的线阵CCD的结构特点；并行输出的优点3.用于光谱检测的线阵CCD应具备的性能；“开花”概念4.特种CCD中的“灰度”的概念；彩色线阵CCD的形式5.主动红外摄像，被动红外摄像6.COMS与CCD的不同之处,