第八章 圖像信息的光電變換2-2節(jié)

1、 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor） 圖像傳感器出現(xiàn)于1969年,它是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏 元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、數(shù)字信號處理器和計算機接 口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件，這種器件的結(jié)構(gòu)簡單、 處理功能多、成品率高和價格低廉，有著廣泛的應(yīng)用前景。 CMOS圖像傳感器雖然比CCD出現(xiàn)還早一年，但在相當長的 時間內(nèi)，由于它存在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率（有效 像元與總面積之比）低（10%20%），響應(yīng)速度慢等缺點，因此 只能用于圖像質(zhì)量要求較低、尺寸較小的數(shù)碼相機中，如機器人視 覺應(yīng)用的場合。 1989

2、年以后，出現(xiàn)了“主動像元”（有源）結(jié)構(gòu)。它不僅有 光敏元件和像元尋址開關(guān)，而且還有信號放大和處理等電路，提高 了光電靈敏度，減小了噪聲，擴大了動態(tài)范圍，使它的一些性能參 數(shù)與CCD圖像傳感器相接近，而在功能、功耗（1/3CCD）、尺寸 和價格等方面要優(yōu)于CCD圖像傳感器，所以應(yīng)用越來越廣泛。 CMOS成像器件的組成 CMOS成像器件的組成原理框圖如圖8-31所示，它的主要組 成部分是像敏單元陣列和MOS場效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是 集成在同一硅片上的。像敏單元陣列實際上是光電二極管陣列，它 沒有線陣和面陣之分。 圖像信號的輸出過程可由（如圖8-32所示）圖像傳感器陣列原理圖 更清楚地說明。

3、 這種器件的像敏單元結(jié)構(gòu)有兩種類型，即被動像敏單元結(jié)構(gòu)和 主動像敏單元結(jié)構(gòu)。前者只包含光電二極管和地址選通開關(guān)兩部分， 如圖8-33所示。其中像敏單元的圖像信號的讀出時序如圖8-34所 示。 主動式像敏單元結(jié)構(gòu)的基本電路如圖8-35所示。從圖可以看出， 場效應(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管的負載，它的柵極接在復(fù)位信號線上， 當復(fù)位脈沖出現(xiàn)時，V1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時復(fù)位；而當復(fù)位脈 沖消失后，V1截止，光電二極管開始積分光信號。 圖8-36所示為上述過程的時序圖，其中，復(fù)位脈沖首先來到，V1導(dǎo) 通，光電二極管復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，光電二極管進行積分；積 分結(jié)束后，V3管導(dǎo)通，信號輸出。 CMOS與CC

4、D器件的比較: CCD攝像器件有光照靈敏度高、噪聲低、像素面積小等優(yōu)點。 但CCD光敏單元陣列難與驅(qū)動電路及信號處理電路單片集成，后 續(xù)信號處理比較復(fù)雜； CCD陣列驅(qū)動脈沖復(fù)雜，需要使用相對高的工作電壓，不能與深 亞微米超大規(guī)模集成 （VLSI）技術(shù)兼容，制造成本比較高。 CMOS攝像器件集成能力強、體積小、工作電壓單一、功耗低、 動態(tài)范圍寬、抗輻射和制造成本低等優(yōu)點。目前CMOS單元像素的 面積已與CCD相當，CMOS已可以達到較高的分辨率。 如果能進一步提高CMOS器件的信噪比和靈敏度，那么CMOS器件 有可能在中低檔攝像機、數(shù)碼相機等產(chǎn)品中取代CCD器件。 http:/www.digi

5、tal.idv.tw/DIGITAL/Classroom/MROH-CLASS/index- classroom-MROH.htm 光譜靈敏度 D700 / CMOS D70s / CCD 3、CCD傳感器的應(yīng)用 CCD傳感器利用光敏元件的光電轉(zhuǎn)換功能將透射到光 敏元件上的光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號“圖像”，即光強的空 間分布轉(zhuǎn)換為與光強成比例的、大小不等的電荷包空間分 布，然后經(jīng)讀出移位寄存器的移位功能將電信號“圖像” 傳送，并輸出放大器輸出。 主要用途大致可歸納為以下三個方面 ： 1）組成測試儀器，可以測量物位、尺寸、工件損傷、自 動焦點等。 2）用作光學信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如 用于傳真技

6、術(shù)、光學文字識別技術(shù)(OCR)與圖像識別技術(shù)、 光譜測量及空間遙感技術(shù)、機器人視覺技術(shù)等方面。 3） 作為自動化流水線裝置中的敏感器件，例如可用于機床、 自動售貨機、自動搬運車以及自動監(jiān)視裝置等方面。 14 （1）、如圖所示為用線陣CCD傳感器測量物體尺寸的 基本原理。 放大 np 4 3 1 2 b a L 驅(qū)動 電路 計數(shù)、 運算、 顯示 1紅外濾光片 2濾光片 3線陣 CCD 傳感器 4透鏡 圖 3 尺寸測量基本原理 IR Cut Filters 16 fba 111 L np a b Mnp f a np M L) 1( 1 當所用光源含紅外光時，可在透鏡與傳感器之間加紅 外濾光片。若

7、所用光源過強時，可再加一濾光片。 利用幾何光學知識，可以很容易地推導(dǎo)出被測對象長 度L與系統(tǒng)諸參數(shù)之間的關(guān)系： 式中：f為所用透鏡的焦距；a為物距；b為像距；M為 倍率；n為線型CCD傳感器的像素數(shù)（感光元件的數(shù) 量）；p為像素間距。 測量精度取決于CCD傳感器像素與透鏡焦距的比值。要 提高測量精度, 應(yīng)當選擇像素多的傳感器。 （2）、CCD在動態(tài)測量直徑中的應(yīng)用 CCD動態(tài)測量細絲直徑的原理如圖4所示。 設(shè)所用的CCD有N0個光敏元，每個光敏元的大小為 13m，計數(shù)器計數(shù)為N，則細絲直徑D為： 圖4 、CCD測量細絲直徑 D13（N0-N） 在上述測量中，由于是 用脈沖計數(shù)測量，故光 源的波

8、動對測量精度影 響不大，故可達到較高 的測量精度。如需要測 量達到更高的分辨率， 可用光學放大。 圖5 、光學放大示意圖 （3）、夫瑯和費細絲衍射 如圖所示，由氦氖激光器發(fā)出的激光束照射細絲（被測物）時，其 衍射效應(yīng)和狹縫一樣，在屏幕（在焦距為f的透鏡的焦平面處）上形 成夫瑯和費衍射圖樣。與上同理，相鄰兩暗點或亮點間隔S與細絲 直徑d的關(guān)系為 S f d 當d變化時，各條紋位置和間距隨之變化。因此可根據(jù)亮點或暗點 間的距測出細絲的直徑。 若在屏幕位置放置線陣CCD 傳感器件，可以直接讀出亮、 暗條紋的間距，即可 測出細絲的直徑。測量范 圍約為0.010.1mm，分 辨力為0.05mm。 如測量

9、大物體，可用二塊 CCD，距離固定為L（如圖6 所示），假定CCD1的計數(shù) 值為N1，CCD2的計數(shù)值為 N2，則： 測量大物體也可用面陣CCD 進行攝像測量，再用計算 機進行數(shù)字圖象處理得到 處理結(jié)果。但測量精度要 比用線陣CCD測量差些 圖6 、CCD測量大物體 DL13N1+13(N0-N2) 掃描儀工作原理 傳真機和郵政編碼識別傳真機和郵政編碼識別 M2A攝影膠囊（Mouth anus）,膠囊直徑約為11mm，長26mm，重約4g。內(nèi) 部裝置有CMOS傳感器，4個發(fā)光二極管做光源，一個微型射頻發(fā)射器、氧化銀 電池及天線。 每秒鐘兩次快門，信號發(fā)射到存儲器，存儲器取下后接入計算機 將圖像

10、進行下載。 M2A攝影膠囊由以色列導(dǎo)彈專家于上世紀90年代中期研發(fā)， 在歐洲大受歡迎，2001年夏天在美國上市，在美國一顆攝影膠囊要價兩千美元 。 全球已經(jīng)有三千名病患，試用過這種膠囊。M2A可在人體內(nèi)停留8個小時并拍攝 約5萬張照片。 潰瘍潰瘍 日本東芝（TOSHIBA）公司線陣CCD芯片 線陣CCD傳感器（驅(qū)動器或相機） 傳真機所用的線陣CCD 13601024分辨率CCD傳感器 拍攝速率高達2億張/秒 最小曝光時間5ns1ms 英國英國Specilised Imaging公司（公司（SI）超高速）超高速CCD相機相機 南開大學關(guān)于采用泵浦探測技術(shù)研究飛秒激光超快燒蝕動力學過程 的研究：

11、Physics Review Letters, 2007, 99,167602 用CCD拍攝到的經(jīng)過不同的延遲時間鋁靶面燒蝕過程： 超高速特種超高速特種CCD相機幅頻已達百萬幅每秒相機幅頻已達百萬幅每秒 1. 點掃描式熱釋電熱像儀 利用物體發(fā)出的紅外熱輻射形成的可見圖像的方法稱為熱成 像技術(shù)。熱成像的方法有很多，例如紅外夜視儀是一種典型的熱 成像儀器，而且應(yīng)用非常廣泛。以下主要討論輻射波長更長，且 對波長響應(yīng)無選擇性的熱像儀熱釋電熱像儀。 點掃描方式熱釋電熱像儀為采用點掃描方式成像的圖像傳感器。 它的掃描方式常采用震鏡對被測景物進行掃描的方式。 wp-95型紅外熱像儀采用碲鎘汞（HgCdTe）

12、熱釋電器件為 熱電傳感器，采用單點掃描方式，掃描一幀圖像的時間為5秒，不 能直接用監(jiān)視器觀測，只能將其采集到計算機，用顯示器觀測。 熱釋電攝像管的基本結(jié)構(gòu)如圖8-48所示。它由透紅外熱輻射的鍺 成像物鏡、斬光器、熱像管和掃描偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)等構(gòu)成。 （1）IR220紅外熱像儀 IR220紅外熱像儀外形圖如圖8-49所示，它的輸出信號由 RS232串口輸出，也可用RS422接口形式輸出，工作制式可選用 PAL或NTSC制式。 （2）IR210高清晰度夜間紅外監(jiān)視探測儀 IR210采用320240像元非制冷焦平面的熱釋電紅外攝像管， 使用者可清楚地探測到處于完全黑暗環(huán)境下的物體。除去特殊的防 雨設(shè)計，小巧

13、的IR210還能融入使用者戶外CCTV安保系統(tǒng)，在毫 無可見光的情況下也能探測到黑暗中的入侵者。 IR210紅外熱像儀外形圖如 圖8-50所示。 8.7、微光像增強器件 明朗夏天采光良好的室內(nèi)照度大致在100至500lx之間 太陽直射時的地面照度可以達到10萬lx 夜間無月時的地面照度只有10-4lx數(shù)量級 微光光電成像系統(tǒng)的工作條件就是環(huán)境照度低于10-1lx 微光光電成像系統(tǒng)的核心部分是微光像增強器件 （一）、微光像增強器 1、 基本原理 光電陰極將光學圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像，電子光學成像 系統(tǒng)（電極系統(tǒng)）將電子圖像傳遞到熒光屏，在傳遞過程 中增強電子能量并完成電子圖像幾何尺寸的縮放，熒光屏

14、完成電光轉(zhuǎn)換，即將電子圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像，圖像的 亮度已被增強到足以引起人眼視覺，在夜間或低照度下可 以直接進行觀察。 輸入圖像輸出圖像 輸入光纖面板輸出光纖面板 電極 光電陰極熒光屏 電 子 軌 跡 2、三代像增強器 一代管以三級級聯(lián)增強技術(shù)為特征，增益高達幾萬倍， 但體積大，重量重； 二代管以微通道板（MCP）增強技術(shù)為特征，體積小， 重量輕，但夜視距離無明顯突破； 三代管則采用GaAs光電陰極，使夜視距離提高1.5-2 倍以上。 Micro Channel Plate 第一代三級纖維光學耦合級聯(lián)微光像增強器第一代三級纖維光學耦合級聯(lián)微光像增強器 二代薄片管使用MCP m MCP由上百萬個緊密排列的空芯通道管組成。通道