第八章圖像信息的光電變換2-2

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(dāng)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年以后，出現(xiàn)了“

2、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。 這種器件的像敏單元結(jié)構(gòu)有兩種類

3、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(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號線上，當(dāng)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(dāng)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(jìn)行積分；積分結(jié)束后，V3管導(dǎo)通，信號輸出。CMOS與CCD器件的比較:CCD攝像器件有光照靈敏度高、噪聲低

4、、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(dāng)，CMOS已可以達(dá)到較高的分辨率。如果能進(jìn)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.digital.idv.tw/DIGITAL/Classroom/MROH-CL

5、ASS/index-classroom-MROH.htm 光譜靈敏度D700 / CMOSD70s / CCD3、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(xué)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(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如用于傳真技術(shù)、光學(xué)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。

6、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 Filters16 fba111LnpabMnpfanpML) 1(1當(dāng)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。若所用光源過強時，可再加一濾光片。 利用幾何光學(xué)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

7、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(dāng)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(xì)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(xì)絲直徑D為： 圖4 、CCD測量細(xì)絲直徑D13（N0-N）在上述測量中，由于是用脈沖計數(shù)測量，故光源的波動對測量精度影響不大，故可達(dá)到較高的測量精度。如需要測量達(dá)到更高的分辨率，可用光學(xué)放大。圖5 、光學(xué)放大示意圖（3）、夫瑯和費細(xì)絲衍射 如圖所示，由氦氖激光器發(fā)出的激

8、光束照射細(xì)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(xì)絲直徑d的關(guān)系為 Sfd當(dāng)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(xì)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(xì)絲的直徑。測量范圍約為0.010.1mm，分辨力為0.05mm。 如測量大物體，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(jìn)行攝像測量，再用計算機進(jìn)行數(shù)字圖象處理得到處理結(jié)果。但測量精度要比用

9、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進(jìn)行下載。 M2A攝影膠囊由以色列導(dǎo)彈專家于上世紀(jì)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

10、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(dá)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(xué)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(xué)過程 的研究：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(dá)百萬幅每秒相機幅頻已達(dá)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

11、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(jìn)行掃描的方式。 wp-95型紅外熱像儀采用碲鎘汞（HgCdTe）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

12、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(dá)到10萬lx 夜間無月時

13、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(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像，電子光學(xué)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(jìn)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(dá)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(xué)耦合級聯(lián)微光像增強器第一代三級纖維光學(xué)耦合級聯(lián)微光像增強器 二代薄片管使用MCP mMCP由上百萬個緊密