圖像傳感器的龍象之爭(zhēng).ppt

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圖像傳感器的龍象之爭(zhēng),CCD與CMOS,目錄,一、圖像傳感器簡(jiǎn)介1.簡(jiǎn)介二、CCD2.結(jié)構(gòu)與工作原理3.分類1.簡(jiǎn)介三、CMOS2.結(jié)構(gòu)與工作原理3.分類四、CCD與CMOS的對(duì)比五、圖像傳感器的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì),,,圖像傳感器（imagetransducer），是指能感受光學(xué)圖像信息并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，也是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分。根據(jù)元件的不同，可以分為CCD(Charge-CoupledDevices)和CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）兩大類。,一、圖像傳感器簡(jiǎn)介,貝爾實(shí)驗(yàn)室的GeorgeSmith和WillardBoyle將發(fā)明了的CCD原型,現(xiàn)代CCD芯片外觀,二、CCD,電荷耦合器件(Charge-CoupledDevices)簡(jiǎn)稱CCD，是1970年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首先研制出來(lái)的新型固體器件。作為MOS技術(shù)的延伸而產(chǎn)生的一種半導(dǎo)體器件。,1.簡(jiǎn)介,由于CCD具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)、延時(shí)和將電信號(hào)按順序傳送等功能,且集成度高、功耗低,因此得到飛速發(fā)展,是圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的關(guān)鍵器件,廣泛應(yīng)用于科學(xué)、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)、軍事和消費(fèi)領(lǐng)域。,二、CCD,感光二極管（Photodiode）并行信號(hào)寄存器（ShiftRegister）-用于暫時(shí)儲(chǔ)存感光后產(chǎn)生的電荷串行信號(hào)寄存器（TransferRegister）-用于暫時(shí)儲(chǔ)存并行積存器的模擬信號(hào)并將電荷轉(zhuǎn)移放大信號(hào)放大器-用于放大微弱電信號(hào)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器-將放大的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),2.結(jié)構(gòu)與工作原理,二、CCD,每個(gè)感光元件對(duì)應(yīng)圖像傳感器中的一個(gè)像素點(diǎn)，由于感光元件只能感應(yīng)光的強(qiáng)度，無(wú)法捕獲色彩信息，因此彩色CCD圖像傳感器必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。,二、CCD,最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍(lán)三色濾光片，以1：2：1的構(gòu)成由四個(gè)像點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)彩色像素（即紅藍(lán)濾光片分別覆蓋一個(gè)像點(diǎn)，剩下的兩個(gè)像點(diǎn)都覆蓋綠色濾光片），采取這種比例的原因是人眼對(duì)綠色較為敏感。,二、CCD,CCD,光信息,電脈沖,脈沖只反映一個(gè)感光元件的受光情況,輸出脈沖的順序可以反映一個(gè)感光元件的位置,,完成圖像傳感,,,,,脈沖幅度的高低反映該感光元件受光照的強(qiáng)弱,二、CCD,CCD從功能上可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。,二、CCD,二、CCD,面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。左圖所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號(hào)由信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)。,線型應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機(jī)上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)（DSC）、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項(xiàng)影像輸入產(chǎn)品上。,二、CCD,三、CMOS,1.簡(jiǎn)介,CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，電壓控制的一種放大器件。是組成CMOS數(shù)字集成電路的基本單元。,1970年，CMOS圖像傳感器在NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室制造成功。1997年，英國(guó)愛(ài)丁堡VLSIVersion公司首次實(shí)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的商品化。,現(xiàn)代CMOS芯片外觀,專家們認(rèn)為，21世紀(jì)初全球CMOS圖像傳感器市場(chǎng)將在PC攝像機(jī)、移動(dòng)通信市場(chǎng)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)市場(chǎng)市場(chǎng)等領(lǐng)域獲得大幅度增長(zhǎng)，在未來(lái)的幾年時(shí)間內(nèi)，在130萬(wàn)像素至200萬(wàn)像素之下的產(chǎn)品中，將開始以CMOS傳感器為主流。以小型化和低功耗CMOS圖像傳感器為核心的攝像機(jī)正在成為消費(fèi)類產(chǎn)品的主流，上述領(lǐng)域?qū)閳D像傳感器市場(chǎng)帶來(lái)巨大發(fā)展。,三、CMOS,2.結(jié)構(gòu)與工作原理,CMOS圖像傳感器芯片結(jié)構(gòu)框圖,CMOS圖像傳感器像素陣列,三、CMOS,CMOS感光元件的構(gòu)成比較復(fù)雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，每個(gè)像素點(diǎn)的構(gòu)成為一個(gè)感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據(jù)的面積只是整個(gè)元件的一小部分，造成CMOS傳感器的開口率遠(yuǎn)低于CCD（開口率：有效感光區(qū)域與整個(gè)感光元件的面積比值）；這樣在接受同等光照及元件大小相同的情況下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信號(hào)就明顯小于CCD元件，靈敏度較低。,三、CMOS,三、CMOS,3.分類,,CMOS,無(wú)源像素傳感器PPS,有源像素傳感器APS,數(shù)字像素傳感器DPS,,,視覺(jué)傳感器、應(yīng)力傳感器、指紋圖像傳感器、凹型傳感器等,PPS,APS,DPS將模／數(shù)轉(zhuǎn)換集成在每一個(gè)像素單元里，每一像素單元輸出的是數(shù)字信號(hào)。該器件的優(yōu)點(diǎn)是高速數(shù)字讀出，無(wú)列讀出噪聲或固定圖形噪聲，工作速度更快，功耗更低。,三、CMOS,Tx：開關(guān)管Col：列總線,M1：復(fù)位管M2：源跟隨器M3：行選通管Col：列總線,,四、CCD與CMOS的對(duì)比,,,,,,,,光電轉(zhuǎn)換,電荷收集,像元的光敏區(qū),,,電荷轉(zhuǎn)移,垂直和水平CCD,,,水平CCD后放大器,電荷-電壓轉(zhuǎn)換/放大,,,微型信號(hào)線,電壓傳遞,,,CCD圖像傳感器,CMOS圖像傳感器,像元內(nèi)放大器,電荷-電壓轉(zhuǎn)換/放大,四、CCD與CMOS的對(duì)比,主要差異：CCD傳感器中每一行中每一個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個(gè)像素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。造成這種差異的原因在于：CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時(shí)不會(huì)失真，因此各個(gè)像素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此，必須先放大，再整合各個(gè)像素的數(shù)據(jù)。,四、CCD與CMOS的對(duì)比,五、圖像傳感器的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì),CCD和CMOS技術(shù)大概都在60年代末、70年代初成型。發(fā)明CCD的初衷是為了進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。但是這一功能為后來(lái)的CMOS和磁介質(zhì)所完全取代了?？墒荂CD并沒(méi)有死亡，而是在影像記錄方面大放異彩。從70年代開始，CCD就使用在錄像機(jī)等產(chǎn)品中。80年代，CCD又開始被最早的數(shù)碼相機(jī)所使用。而CCD傳感器的許多影響畫質(zhì)的缺點(diǎn)也被逐一克服。30年來(lái)，CCD圖像傳感器已經(jīng)完全成熟。,,在電子技術(shù)高速發(fā)展的階段，隨著硅晶體技術(shù)的逐漸完善和加強(qiáng)，CMOS具有CCD無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)的占有率上CMOS將更有挑戰(zhàn)性，越來(lái)越多的基于圖像傳感器的產(chǎn)品將嘗試CMOS，使其應(yīng)用廣泛。,五、圖像傳感器的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì),目前，我國(guó)在CCD方面的技術(shù)還不成熟，與發(fā)達(dá)國(guó)家有很大的距離。在CMOS上已經(jīng)有所突破，但高速攝像設(shè)備仍然依靠進(jìn)口,謝謝！,