14.4 CCD和CMOS技术的应用在线视频

各位同学

大家好

我是天津大学机械工程学院

工程中的流动测试理论与方法的

主讲老师汪洋

今天由我来给大家讲述

CCD和CMOS技术的应用

这一章节的内容分为如下几部分

第一 CCD相机的工作原理

二 CCD相机的分类

三 CCD相机的应用

第四是CCD和CMOS的对比

CCD相机的工作原理

CCD的英文的原意是电荷耦合器件

它是一种以电荷包的形式

感光储存和传递信息的半导体表面器件

是1969年秋由美国的

贝尔实验室的w·s·Boyle

和G·E·Smith发明的

CCD的结构和原理

CCD呢有许多基本的成像单元组成

每一个单元其结构属于一种MOS电容器

比如金属电极

氧化物半导体组成

如右图所示

这个MOS电容器是通过产生一种势阱

来进行工作的

如图所示

当电极的电压在不同的情况下

它形成的势阱的深度是各不相同

那么这个势阱将完成

电荷的产生储存和输运功能

首先讲电荷的注入和储存

当器件受到光照时

光子的能量会被半导体吸收

产生电子空穴对如下图所示

这时出现在的光电子被吸引储存在势阱中

光越强势阱中收集到的电子越多

光越弱则反之

这样就把光的强弱变化变成电荷的数量

实现了光与电的转化

这些电荷即使光照停止

一定时间内也不会消失

这就实现了对光强图像的记忆

电荷的耦合过程又叫转移过程

CCD的位移寄存器是

一系列紧密相连的MOS电容器

它的表面由不透光的铝层覆盖

可以实现对光的屏蔽

MOS电容器上的电压越高

产生的势阱就越深

这样就可以通过控制相邻的MOS电容器的

三级电压来实现对势阱深浅的控制

如下图所示

一号势阱储存了一部分的光电子

这个时候控制2号势阱的深度

这样的话光电子就会从一号势阱

转移到2号势阱

达到相等

这时候把一号势阱的电压降低

势阱变弱

就可以让所有的光电子从一号势阱

转移到2号势阱

从而完成电荷的转运

如果把三个势阱的电压

按照三相的那个120度间隔进行控制的话

就可以实现电荷在势阱之间传递

电荷的输出

CCD的信号电荷读出的方式有两种

一个是输出二极管电流法和

浮置栅MOS放大器电压法

其功能都是使输出的电压与输出源极

os极上的电荷量成正比

下图中上面是二极管电流法

它直接测量的是电流

就是把电荷量转变成电压量

下面这个图是属于电荷栅MOS放大器电压法

它利用的是场效应管

将那个OS极上的电荷变成

场效应管的三级电压

最后控制场效应管实现对电压的放大

CCD相机的分类

根据CCD阵列的排列方式

可以将CCD分为线型CCD和面型CCD

左图是线型CCD

右图是面型CCD

线型的CCD的图像传感器

又分为几种排列方式

左图是单沟道的线型CCD结构的图像传感器

右图是双沟道的线型的CCD的结构示意图

面型CCD也分为两种结构方式

第一种叫帧转移面型CCD

它的结构分为两个区

一个是感光区

一个是储存区

啊还有一个是水平读出寄存器

它的工作过程是在感光区

产生的光电子图像直接转移到储存区

最后从储存区依次的

转移到水平读出寄存器

然后从右边转出来

实现一个光电子图像的输出

这个是隔列转移的面型CCD结构示意图

它的那个光电子图像先转移到读出寄存器

然后再由读出寄存器依次转移到

水平读出计算器

再从水平读出寄存器向右输出来

那么大家知道除了CCD这种传感器之外

现在用的越来越多的叫CMOS图像传感器

这个CMOS图像传感器是70年代

美国航空航天局NASA的LPL制造成功的

80年代

英国的爱丁堡大学成功试制出了

世界第一块单片CMOS图像传感器

95年像的元素128乘128的高性能CMOS

有源像素图像传感器用JPL首先研制成功

1997年美国爱丁堡VLSI公司首先实现了

CMOS图像传感器的商品化

就在这一年使用的CMOS技术的特征尺寸

达到了0.35微米

那么东芝研制成功了光电二极管型APS

其像元尺寸是5.6微米乘以5.6微米

具有彩色滤色膜和微透膜阵列

2000年日本东芝公司和美国的斯坦福大学

采用0.35微米技术开发的CMOS-APS

已成为开发出超微型的CMOS

摄像机的主流产品

到了目前世界上95%的数码相机

中国百分百的数码相机用的是CCD

而手机拍摄镜头全部用的是CMOS

另外几乎所有的高速摄像机

用的都是CMOS技术

CCD和CMOS在原理上是有很大的区别

CCD每行的电荷信息是被连续读出

再通过一个电荷电压转换器件和放大器件输出

这种构造产生的图像呢

具有低噪声高性能的特点

但是产生CCD需要的时钟信号 偏压技术

因此整个结构呢比较复杂

增大了电耗量

也增加了成本

CMOS那个传感器它的构造如同一个存储器

每一个成像点都包含了一个光电二极管

一个电荷电压转换单元

一个重新设置和选择晶体管

以及一个放大器

覆盖在整个传感器的金属互连器

以及纵向排列的输出信号连接器

它可以通过简单的X-Y寻址读出信号

如这个图所示

这个是实际的CMOS图像传感器的照片

CMOS跟CCD有一定的差别

这个差别表现在首先是iso感光度的差别

CMOS的每个像素

都包含了放大器和A/D转换电路

过多的额外的设备压缩了

单一画素的感光区域的表面积

因此在相同画素下

同样大小的感光器尺寸

CMOS的感光度会低于CCD

性能差异二

分辨率的差异

CMOS每一个话术的结构比CCD复杂

其感光开口不及CCD大

因此相对比较相同尺寸的CCD和CMOS

感光器件时CCD的感光器的分辨率

通常会优于CMOS

性能差异三

噪声差异

CMOS的每个感光器件的二极管

都搭配一个ADC放大器

如果以百万像素计

那么就需要百万个以上的ADC放大器

虽然是统一制造下的产品

但是每个放大器或多或少都有微小的差异

因此很难达到相同的同步的效果

相比于单个放大器的CCD

CMOS最终计算出来的噪声要比CCD要大

成本差异

CMOS应用半导体工业常用的MOS工艺

可以一次性整合全部周边的设施于单芯片中

可以节省加工芯片所需负担的

成本和良率损失

所以CCD的制造成本呢

相对高于CMOS

耗电量差异

CMOS的影像电荷驱动方式为主动式

感光二极管所产生的电荷

会直接由旁边的经济管放大输出

但是CCD却是被动式的必须外加电压

使每一个画素中的电荷转移到传输通道

因此CCD的耗电量远高于CMOS

下面讲最后一个内容

是CCD器件或者CMOS的应用

首先是机器视觉方面

人类的大部分信息是通过视觉系统获得的

随着科学技术的不断进步

研究了利用计算机等现代化工具

来实现视觉功能

以增加对三维世界的理解

这个就是机器视觉

第二个就是我们用的最多的是高速摄影

如图所示

是美国一家公司开发的一个高速摄影技术

其画质达到128×80

全画幅的拍摄速度达到6000多幅每秒

最高排的速度可以达到百万幅每秒

下面是一个高速摄影的那个作品介绍

这个是子弹贯穿一个苹果的瞬间

这个是贯穿一个鸡蛋

这个是子弹击中水气球

这是一个炮弹发射的那个瞬间抓拍的

一个高速摄影图像

这个是美国在51年到53年期间拍摄的核弹

爆炸的瞬间

这个是核弹爆炸瞬间

这是我国的第一次核爆的景象

用到的是克尔盒高速摄影

这是我国的核爆

这个是通过高速摄影呢可以捕捉到

一些火焰的特殊的那种细节的机理

如果用普通相机呢可能捕捉不到

这个是用通过高速摄影拍摄到的牛奶皇冠

那种艺术的摄影非常美妙

这个是一个动态的高速摄影的图像

就是一个水气球爆破的瞬间

这是缸内的喷雾的一个过程

是用激光诱导荧光法拍摄的高速那个图像

这个是爆震的研究过程中捕捉到的

爆震的那个火焰以及扩展的情况

好

这一讲的内容就讲完了