CCD图像传感器

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测控技术与仪器学习小组
小组成员:
刘文华
杨 亮
冯 鹏
李经纬
我们的口号——思想有多远,
我们就能走多远!
CCD图像传感器
---------------------------------Charged Coupled Device
(电荷藕合器件图像传感器)
CCD传感器概论
 电子耦合组件即charged
coupled device,它
就像传统相机的底片一样的感光系统,是感
应光线的电路装置,你可以将它想象成一颗
颗微小的感应粒子,铺满在光学镜头后方,
当光线与图像从镜头透过、投射到ccd表面时,
ccd就会产生电流,将感应到的内容转换成数
码资料储存在相机内部的闪速存储器或内置
硬盘卡内。ccd像素数目越多、单一像素尺寸
越大,收集到的图像就会越清晰。
CCD图像传感器的组成
第一层,微镜头;
 第二层,滤色片;
 第三层,感光元件.
CCD图像传感器的每一个感光元件由一个光电
二极管和控制相邻电荷的存储单元组成光电管当然
是捕捉光子用的,它将光子转化成电子,收集到的
光线越强产生的电子数量就越多,电子信号强了当
然就越容易被记录而越不容易丢失,图像细节就更
丰富了。

CCD传感器是一种特殊的半导体材料,由大量独
立的感光二极管组成,一般按照矩阵形式排列,相当
于传统相机的胶卷。
目前,CCD的种类有很多,其中面阵型CCD是主要
应用在数码相机中。它是由许多单个感光二极管组成
的阵列,整体呈正方形,然后像砌砖一样将这些感光
二极管砌成阵列来组成可以输出一定解析度图像的
CCD传感器。
CCD传感器的成像原理是使用感光二极
管将光线转换为电荷,当拍摄者对焦完毕按
下快门的时候,光线通过打开的快门(目前
消费级数码相机基本都是采用电子快门)透
过马赛克色块射入在CCD图像传感器上,感
光二极管在接受光子的撞击后释放电子,所
产生电子的数目与该感光二极管感应到的光
成正比。
当本次曝光结束之后,每个感光二极管上含
有不同数量的电子,而我们在显示器上面看
到的数码图像就是通过电子数量的多与少来
进行表示和储存,然后控制电路从CCD中读
取图像,进行红R、绿G和蓝B三原色合成,
并且放大和将其数字化,这些数字信号被存
入数码相机的缓存内,最后写入相机的移动
存储介质完成数码相片的拍摄 。
CCD传感器有两种
第一、特殊CCD传感器,如红外CCD芯片(红外焦平
面阵列器件)、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD、
EBCCD等,另外还有大靶面如2048×2048、
4096×4096可见光CCD传感器、宽光谱范围(紫
外光→可见光→近红外光→3-5μm中红外光→814um远红外光)焦平面阵列传感器等。目前已有商
业化产品,并广泛应用于各个领域。
第二、通用型或消费型CCD传感器在许多方面都有较
大地进展,总的方向是提高CCD摄像机的综合性能。
CCD传感器技术
发展的五个趋势
CCD传感器的像面尺寸向集
成化各轻量化方向的发展:
由于制造CCD传感器的硅片和加工成
本都很高,所以很希望一片6.5英寸的硅片上
光刻出更多的CCD传感器芯片;以由于光刻
机的进步,所以在仍保持具有很高灵敏度的
特性下,CCD传感器的尺寸向1/2英寸、1/3
英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向发展在1993
年,1/2英寸的CCD传感器占总产量的5%;1/4
英寸的CCD传感器占总产量的10%;1/3英寸
的CCD传感器占总产量的85%。。
在1997年,在总产量比1993年增200%
以上的情况下,1/2英寸的CCD传感器仍有很
大发展,已占总产量的15%(1/2英寸由于靶
面较大仍有许多场合需要,尤其在科研领域
中如MTV1881EX、MTV-2821CB摄像机);
1/4英寸的CD传感占总产量的60%。也就是
说,1/2英寸较大靶面尺寸CCD传感器仍有很
大增长。
CCD传感器向高素数、多制式发展
各种CCD传感器的像面尺寸在减少,但
其像素数在增加,已由早期的512(H)
×596(V)向795(H)×596(V)发展,甚至
出现超过百万像素的CCD传感器。为提高水
平方向和垂直方向的分辨能力,已从通常的
隔行扫描向逐行扫描格式发展。
降低CCD传感器的工作电压、减少
功耗
在初期研制的CCD摄像机有+24V、+22V、
+17V和+5V等,目前通用的为+12V。为配合
PC摄像机和网络图像传输的应用,逐步以
+12V和+5V两种工作电压为主。
提高CCD摄像机的制造效率
为了降低CCD摄像机的制造成本,实现高速自动
化生产,制造厂家追求紧密性结构,致力于CCD摄
像机的小型化,即由Dip On Board(DOB)过锡板
工艺改进为Chip On Board(COB)板上连接IC芯
片的贴片方式。到目前为止,已实现多层板的Multi
Chip Module(MCM)多芯片集成模组化制造技术。
CCD摄像机的数字化
在制造CCD摄像机时,从以往的Analog
模拟系统逐步实现DSP数位化处理,可以借
助电子计算机和专门软件系统实现对CCD摄
像机,特别是对彩色CCD摄像机的各种参数
的量化调整,可以确保CCD摄像机性能指标
的优化一致性以及在特殊使用条件下的参数
量化修改。
CCD传感器有以下优点:
1. 高解析度(High Resolution):像点的大小为
μm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400~500万
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;
大面积感光(Large Field of View):利
用半导体技术已可制造大面积的CCDD晶
片,目前与传统底片尺寸相当的35mm的C
CD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;
 5.
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
 6.
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;
 7.
 8.
低秏电力,不受强电磁场影响;
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;
 9.
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。
 10.
CCD传感器的应用
★高速线阵CCD IL-P1-4096
主要特点
高速线阵CCD IL-P1-4096是加拿DALSA
公司生产的IL-P1系列图像传感器中的一种。
该器件的像素尺寸是10μm×μm、像素线阵
长度为41mm、相邻像素间距也是10μm。线
阵列的像素共有4096个,分两路输出。
IL-P1-4096的主要性能参数如下:










·双相输出,每相输出数据频率为25MHz;
·线扫描速率为87kHz;
·可使用低压时序信号,时序信号电压小于5V;
·像素尺寸为10μm×10μm;
·每行4096个像素点;
·动态响应范围大于3200:1;
·灵敏度高,响应可达到12V(uJ/cm2);
·采用15V电压供电;
·每行孤立像素为14个;
·每行屏蔽像素为32个。
IL-P1-4096 原理及组成
◇原理
根据传感器光敏单元(像素)上的感光
变化,将对象图像的感光变化转化为电荷包。
电荷包中电子的个数是由感光强度和CCD器
件的光积分时间决定的。电荷包被收集到独
立的存储井中,然后用像素复位时钟来控制
CCD器件的积分和曝光时间。
◇组成
IL-PI系列传感器内部由三大主要功能块组成:
光电二极管、 CCD读出移位寄存器和输出放大器。
其中光电二极管用来生成信号电荷包,输出放大器
用来将电荷转化为电压脉冲。
需要注意的是,IL -P1-4096传感器是两路输出,
奇像素和偶像素分别从不同的输出通道输出,是一
种双排的线列阵CCD,光敏单元在中间,奇、偶单
元的信号电荷分别传到上下两列移位寄存器后分两
路串行输出。这种CCD的优点是具有较高的封装密
度,转移次数减少一半,因而可提高转移效率,改
善图像传感器的信号质量。
IL-PI4096具体应用
IL-P1-4096的精度高、感光响应快,在工业控制
和测量领域(如流水线产品检测、分类,文字与图
像的识别,机械产品尺寸非接触测量等),该器件
具有很强的实用性。

IL-PI4096的工作频率要求很高、相位关系复杂,
使用高速CPLD作为CCD的基本时序发生器。推荐
设计时可使用Lattic公司的 ispMACH4000C/B/V系
列芯片,该芯片的工作时钟可以达到400MHz,完
全可以满足此CCD的工作时序要求。


如图所示是IL-P1-4096的具体应用电路。
从CPLD发送过来的基本时时钟信号可通过简
单电路进行相位校正并提供驱动电流,然后
再送入CCD芯片。在Osn的输出端。电路可
通过几个三极管组成的恒流源来提供CCD所
需要的8mA驱动电流。
CPLD和IL-P1-4096要尽可能靠近,直流
电源的纹波最好不要超过10mV。选用比较低
的频率来控制IL-P1-4096的工作,然后渐升
高工作频率。
★LK-G系列CCD激光位移传感器
 产品特性
全新开发的Li-CCD (直线性CCD)高精度
Ernostar 物镜以及其它独一无二的先进技术。
KEYENCE 进一步改进了成熟的LK系列的CCD传感
器工艺并开发了包括Li-CCD 和高精度Ernostar 物
镜在内的全新技术。
如图所示
Li-CCD减少了像素边缘错误,精确度是传统型号
的两倍之多
由于CCD有数字输出每个像素的特点,
因此在像素边缘产生的渐进输出所造成的错
误会影响精确度的进一步提高。KEYENCE
开发了一种Li-CCD 作为对策,这种CCD能
够以一个像素输出反射光的位置,在精确性
方面极为出色,是传统型号的两倍。此外,
传感器还使用了专门的设计,速度和灵敏度
分别是传统型号的25倍和10倍
* Li-CCD= 直线性CCD
测量原理
 高精度测量的Li-CCD
的原理
使用了三角形测量法。反射光在Li-CCD
上的位置随着目标物位置的改变而改变,通
过检测该变化就可以测量物体的位移量。
如图所示
 超精度
- LK-G10/G15 系列
超精度传感器,解析度高达0.01µm
如图所示
 高精度
- LK-G30/G35 系列
可准确测量透明物体,塑料和金属制品。
如图所示
 高稳定性
- LK-G80/G85系列 (多种用途 )
新技术在需要长距离测量的情况下为高
精度的应用提供了更好的稳定性
如图所示
 长距离
- LK-G150/G155 系列
集高精度、长距离和最快的采样速度于
一身测量范围∶150 ±40 mm
如图所示
 高速、长距离
- LK-G400/G405 系列
集高精度、长距离和最快的采样速度于
一身测量范围∶400 ±100 mm
如图所示
 超长距离
- LK-G500/G505 系列
高精度、高速、超大范围。传统型号之
1.5倍大范围量测:最远达1000mm
如图所示
50 kHz的超高采样速度

[所有类型:
LKG10/15/30/35/80/85/150/155/400/405/500/505]
比传统型号快25倍的高速采样是Li-CCD
的一大特色。由专用波形处理器(数字信号
处理器)对发自Li-CCD的信号进行高速数字
处理,能够满足高速测量和高精度测量的要
求。
Li-CCD可以对高速移动,高速转动或高速振
动的物体进行可靠的测量。
如图所示
★μPD3575D CCD图像传感器
 μPD3575D概述
μPD3575D是NEC公司生产的一种高灵敏度、低
暗电流、1024像元的内置采样保持电路和放大电路
的线阵CCD图像传感器。该传感器可用于传真、图
像扫描和OCR。它内部包含一列1024像元的光敏二
极管和两列525位CCD电荷转移寄存器。该器件可
工作在5V驱动(脉冲)和12V电源条件下。
 μPD3575D的主要特性如下 :
*像敏单元数目:1024像元;
*像敏单元大小:14μm×14μm×14μm(相邻元中
心距为14μm);
*光敏区域:采用高灵敏度和低暗电流PN结作为
光敏单元;
*时钟:二相(5V);
*内部电路:采样保持电路,输出放大电路;
*封装形式:20脚DIP封装。
μPD3575D的内部结构原理
μPD3575D 中间一排是由多个光敏二极
管构成的光敏阵列,有效单元为1024位,它
们的作用是接收照射到CCD硅片的光,并将
之转化成电荷信号,光敏阵列的两侧为转移
栅和模拟寄存器。在传输门时钟φTG的作用
下,像元的光电信号分别转移到两侧的CCD
转移栅。然后CCD的MOS电容中的电荷信号
在φIO的作用下串行从输出端口输出。上述驱
动脉冲由专门的驱动电路产生。
★小型CCD产品
监控好帮手---SONY球形网络摄像机
SNC-RZ50P 使用Sony先进的
Exwave HAD CCD
技术
最低照度:
彩色2.2Lx (50IRE,F1.6,AGC ON);
黑白0.3Lx (50IRE,F1.6,AGC ON)。

SNC-RZ30P 1/6 英寸Super HAD CCD 自
动变焦,25倍光学 (2.4~60毫米 F1.6~2.7),
300倍数字变焦 。高速,静音的PTZ 控制功
能
Pan角度: -170°~+170°
最低照度:
彩色3.0Lx (F1.6,50IRE);
黑白0.18Lx (F1.6,50IRE)。

1/4 英寸Exwave HAD CCD
自动变焦,18倍光学
高速,静态的PTZ控制功能
最低照度:
彩色0.7Lx (F1.4,50IRE,AGC ON);
黑白0.01Lx (F1.4,50IRE,AGC ON)
 SNC-RZ25P

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