CCD和CMOS的比較解讀課件

第5章圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器5.2CMOS圖像傳感器5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實例5.4實訓(xùn)第5章圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器15.1CCD圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器25.1CCD圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice）圖像傳感器由CCD電荷耦合器件制成，是固態(tài)圖像傳感器的一種，是貝爾實驗室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的新型半導(dǎo)體傳感器。它是在MOS集成電路基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能進行圖像信息光電轉(zhuǎn)換、存儲、延時和按順序傳送。它的集成度高、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、耐沖擊、壽命長、性能穩(wěn)定，因而被廣泛應(yīng)用。5.1CCD圖像傳感器35.1.1CCD電荷耦合器件CCD電荷耦合器件是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容器組成的陣列，其構(gòu)造如圖5-1所示。在P型或N型硅襯底上生長一層很?。s1200A）的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅形成電極，稱為柵極。該柵極和P型或N型硅襯底就形成了規(guī)則的MOS電容器陣列。再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD電荷耦合器件芯片。5.1.1CCD電荷耦合器件4圖5-1CCD電荷耦合器件圖5-1CCD電荷耦合器件5每一個MOS電容器實際上就是一個光敏元件。當(dāng)光照射到MOS電容器的P型硅襯底上時，會產(chǎn)生電子空穴對（光生電荷），電子被柵極吸引存儲在陷阱中。入射光強，則光生電荷多，入射光弱，則光生電荷少。無光照的MOS電容器則無光生電荷。若停止光照，由于陷阱的作用，電荷在一定時間內(nèi)也不會消失，可實現(xiàn)對光照的記憶。MOS電容器可以被設(shè)計成線陣或面陣。一維的線陣接收一條光線的照射。二維的面陣接收一個平面的光線的照射。CCD攝像機、照相機光電轉(zhuǎn)換如圖5-2所示。每一個MOS電容器實際上就是一個光敏元件。6景物CCD面陣存儲顯示透鏡濾光片放大器圖5-2面陣MOS電容器的光電轉(zhuǎn)換景物CCD存儲顯示透鏡濾光片放大器圖5-2面陣MOS電容7CCD電荷耦合器件的集成度很高，在一塊硅片上制造了緊密排列的許多MOS電容器光敏元件。線陣的光敏元件數(shù)目從256個到4096個或更多。面陣的光敏元件的數(shù)目可以是500×500個（25萬個），甚至2048×2048個（約400萬個）以上，現(xiàn)在已出現(xiàn)800萬以上的了。在CCD芯片上同時集成有掃描電路，它們能在外加時鐘脈沖的控制下，產(chǎn)生三相時序脈沖信號，由左到右，由上到下，將存儲在整個面陣的光敏元件下面的電荷逐位、逐行快速地以串行模擬脈沖信號輸出。CCD電荷耦合器件的集成度很高，在一塊硅片上制造85.1.2CCD圖像傳感器MOS電容器實質(zhì)上是一種光敏元件與移位寄存器合而為一的結(jié)構(gòu)，稱為光積蓄式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最簡單。但是因光生電荷的積蓄時間比轉(zhuǎn)移時間長得多，所以再生圖像往往產(chǎn)生“拖尾”，圖像容易模糊不清。另外，直接采用MOS電容器感光雖然有不少優(yōu)點，但它對藍光的透過率差，靈敏度低?，F(xiàn)在更多地在CCD圖像傳感器上使用的是光敏元件與移位寄存器分離式的結(jié)構(gòu)，如圖5-3所示。5.1.2CCD圖像傳感器9(a)單讀示（b）雙讀示圖5-3光敏元件與移位寄存器分離式結(jié)構(gòu)

(a)單讀示（10這種結(jié)構(gòu)采用光敏二極管陣列作為感光元件，光敏二極管在受到光照時，便產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷。再經(jīng)過電注入法將這些電荷引入CCD電容器陣列的陷阱中，便成為用光敏二極管感光的CCD圖像傳感器。它的靈敏度極高，在低照度下也能獲得清晰的圖像，在強光下也不會燒傷感光面。CCD電容器陣列在這里只起移位寄存器的作用。圖5-4給出了分離式的2048位MOS電容器線陣CCD電荷耦合器件示意圖。這種結(jié)構(gòu)采用光敏二極管陣列作為感光元件，光敏二極11模擬信號傳輸移位寄存器奇數(shù)傳輸門

偶數(shù)傳輸門

模擬信號傳輸移位寄存器視頻信號放大器視頻輸出信號GND時鐘信號+Ucc

20482047光電元件陣列21圖5-4線陣CCD內(nèi)部框圖模擬信號傳輸移位寄存器奇數(shù)傳輸門偶數(shù)傳輸門模擬信12圖中移位寄存器被分別配置在光敏元件線陣的兩側(cè)，奇偶數(shù)號位的光敏元件分別與兩側(cè)的移位寄存器的相應(yīng)小單元對應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)為雙讀式結(jié)構(gòu)，它與長度相同的分離式相比較，可以獲得高出兩倍的分辨率。CCD和CMOS的比較解讀課件13因為CCD移位寄存器的級數(shù)僅為光敏單元數(shù)的一半，可以使CCD特有的電荷轉(zhuǎn)移損失大為減少，較好地解決了因轉(zhuǎn)移損失造成的分辨率降低的問題。面陣固態(tài)圖像傳感器由雙讀式結(jié)構(gòu)線陣構(gòu)成，它有多種類型。常見的有行轉(zhuǎn)移（LT）、幀轉(zhuǎn)移（FT）和行間轉(zhuǎn)移（ILT）方式。因為CCD移位寄存器的級數(shù)僅為光敏單元數(shù)的一半，145.1.3CCD圖像傳感器的應(yīng)用CCD電荷耦合器件單位面積光敏元件位數(shù)很多、一個光敏元件形成一個像素，成像分辨率高、信噪比大、動態(tài)范圍大，可以在微光下工作。彩色圖像傳感器采用三個光敏二極管組成一個像素的方法。5.1.3CCD圖像傳感器的應(yīng)用15被測景物的圖像的每一個光點由彩色矩陣濾光片分解為紅、綠、藍三個光點，分別照射到每一個像素的三個光敏二極管上，各自產(chǎn)生的光生電荷分別代表該像素紅、綠、藍三個光點的亮度。經(jīng)輸出和傳輸后，可在顯示器上重新組合，顯示出每一個像素的原始彩色。被測景物的圖像的每一個光點由彩色矩陣濾光片分解為16固態(tài)圖像傳感器輸出信號具有如下特點：(1)與光像位置對應(yīng)的時間先后性，即能輸出時間系列信號；(2)串行的各個脈沖可以表示不同信號，即能輸出模擬信號；(3)能夠精確反映焦點面信息，即能輸出焦點面信號。固態(tài)圖像傳感器輸出信號具有如下特點：17將不同的光源或光學(xué)透鏡、光導(dǎo)纖維、濾光片及反射鏡等光學(xué)元件靈活地與這三個特點組合，可以獲得固態(tài)圖象傳感器的各個用途，如圖5-5所示。將不同的光源或光學(xué)透鏡、光導(dǎo)纖維、濾光片及反射鏡18中介物模擬信號時間系列信號焦點面信號1234色濃淡位置形狀距離可測對象固態(tài)圖象傳感器的輸出特點圖5-5固態(tài)圖象傳感器的用途1—濾光片；2—光導(dǎo)纖維；3—平行光；4—透鏡

中介物模擬時間系焦點面1219(1)組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷等；(2)作為光學(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)以及圖象識別技術(shù)、傳真、攝像等方面；(1)組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷等；20(3)作自動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；(4)作為機器人的視覺，監(jiān)控機器人的運行。(3)作自動流水線裝置中的敏感器件。例如：可用于機床、自動售215.2CMOS圖像傳感器5.2CMOS圖像傳感器225.2CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的互補型金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）組成的陣列。5.2CMOS圖像傳感器235.2.1CMOS型光電轉(zhuǎn)換器件以E型NMOS場效應(yīng)管V1作為共源放大管，以E型PMOS場效應(yīng)管V2、V3構(gòu)成的鏡像電流源作為有源負載，就構(gòu)成了CMOS型放大器，如圖5-6所示。可見，CMOS型放大器是由NMOS場效應(yīng)管和PMOS場效應(yīng)管組合而成的互補放大電路，CMOS就叫互補型金屬氧化物半導(dǎo)體。5.2.1CMOS型光電轉(zhuǎn)換器件24圖5-6CMOS型放大器圖5-6CMOS型放大器25CMOS型光電變換器件原理如圖5-7所示。與CMOS型放大器源極相連的P型半導(dǎo)體襯底充當(dāng)光電變換器的感光部分。當(dāng)CMOS型放大器的柵源電壓uGS=0時，CMOS型放大器處于關(guān)閉狀態(tài)，即iD=0。CMOS型光電變換器件原理如圖5-7所示。26CMOS型放大器的P型襯底受光信號照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷，可見CMOS型光電變換器件同樣有存儲電荷的功能。當(dāng)積蓄過程結(jié)束，柵源之間加上開啟電壓時，源極通過漏極負載電阻對外接電容充電形成電流即為光信號轉(zhuǎn)換為電信號的輸出。CMOS型放大器的P型襯底受光信號照射產(chǎn)生并積蓄27圖5-7CMOS型光電變換器件圖5-7CMOS型光電變換器件285.2.2CMOS圖像傳感器利用CMOS型光電變換器件可以做成CMOS圖像傳感器。由CMOS襯底直接受光信號照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷的方式不大采用?，F(xiàn)在更多地在CMOS圖像傳感器上使用的是：光敏元件與CMOS型放大器分離式的結(jié)構(gòu)。CMOS線型圖像傳感器結(jié)構(gòu)如圖5-8所示。5.2.2CMOS圖像傳感器29圖5-8CMOS線型圖像傳感器構(gòu)成圖5-8CMOS線型圖像傳感器構(gòu)成30CMOS線型圖像傳感器由光敏二極管和CMOS型放大器陣列以及掃描電路集成在一塊芯片上制成。一個光敏二極管和一個CMOS型放大器組成一個像素。光敏二極管陣列在受到光照時，便產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷。CMOS線型圖像傳感器由光敏二極管和CMOS型放31掃描電路以時鐘脈沖的時間間隔輪流給CMOS型放大器陣列的各個柵極加上電壓，CMOS型放大器輪流進入放大狀態(tài)，將光敏二極管陣列產(chǎn)生的光生電荷放大輸出。掃描電路以時鐘脈沖的時間間隔輪流給CMOS型放大32CMOS面型圖像傳感器則是由光敏二極管和CMOS型放大器組成的二維像素矩陣，并分別設(shè)有X－Y水平與垂直選址掃描電路。水平與垂直選址掃描電路發(fā)出的掃描脈沖電壓，由左到右，由上到下，分別使各個像素的CMOS型放大器處于放大狀態(tài)。二維像素矩陣面上各個像素的光敏二極管光生和積蓄的電荷依次放大輸出。CMOS面型圖像傳感器則是由光敏二極管和CMOS335.2.3CMOS圖像傳感器的應(yīng)用CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器一樣，可用于自動控制、自動測量、攝影攝像、圖像識別等各個領(lǐng)域。CMOS針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電。CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右。CMOS圖像傳感器用于數(shù)碼相機有助于改善人們心目中數(shù)碼相機是“電老虎”的不良印象。5.2.3CMOS圖像傳感器的應(yīng)用34CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點。目前CMOS傳感器基本都是應(yīng)用在簡易型數(shù)碼相機上如：VIVITAR公司的VIVICAM2655使用的是一塊1/3英吋CMOS芯片，有效分辨率為640×480像素。CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時，由于電35

Mustek設(shè)計制造的GSmart350是一款使用CMOS為感光元件的數(shù)碼相機，最大分辨率為640×480，適用于入門者或單純的網(wǎng)頁設(shè)計應(yīng)用。它非常省電，使用3個1.5V的AA電池，可以持續(xù)拍攝1000張左右的相片。隨著技術(shù)的發(fā)展，高像素的CMOS傳感器已開始商業(yè)應(yīng)用。

365.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實例5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實例375.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實例5.3.1月票自動發(fā)售機用CCD圖像傳感器可以做成月票自動發(fā)售機，其結(jié)構(gòu)如圖5-9所示。顧客按照固定的格式填寫好申請單，送入月票自動發(fā)售機。在傳送的過程中，CCD線型圖像傳感器將申請單以圖像的方式轉(zhuǎn)換為電信號，放大后送自動謄寫機，打印出月票。5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實例38顧客申請單光源CCD線型圖像傳感器放大器自動謄寫機紙打印機月票鏡頭圖5-9月票自動發(fā)售機結(jié)構(gòu)組成顧客光源CCD放自動紙打月鏡圖5-9月票自動發(fā)售機結(jié)構(gòu)組成395.3.2數(shù)字攝像機現(xiàn)在市場上數(shù)字攝像機的品種已經(jīng)很多了，它大多是用CCD彩色圖像傳感器做成的，可以是線型圖像傳感器，也可以是面型圖像傳感器。其基本結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。5.3.2數(shù)字攝像機40對變化的外界景物連續(xù)拍攝圖片，只要拍攝速度超過24幅／秒，則按同樣的速度播放這些圖片，可以重現(xiàn)變化的外界景物，這是利用了人的眼睛的視覺暫留原理。CCD彩色圖像傳感器在掃描電路的控制下，可將變化的外界景物以25幅／秒圖像的速度轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號輸出。對變化的外界景物連續(xù)拍攝圖片，只要拍攝速度超過241景物CCD彩色圖像傳感器掃描電路放大器A/D轉(zhuǎn)換器壓縮編碼電動機磁帶存儲卡鏡頭分色鏡圖5-10數(shù)字攝像機基本結(jié)構(gòu)RGB景CCD掃描電路放A/D壓電動機磁帶存儲卡鏡分圖5-10425.3.3數(shù)碼相機數(shù)碼相機拍攝的是靜止圖像。數(shù)碼相機的基本結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。數(shù)碼相機通常被劃分為高端(400萬像素以上)、中端(330、210萬像素)與低端(百萬像素以下)三種產(chǎn)品。中端數(shù)碼相機使用1/2英寸330萬像素（有效像素為2,048×1,536）的CCD彩色圖像傳感器，芯片面積為35mm膠片的1/5.35。5.3.3數(shù)碼相機43現(xiàn)在已有中端數(shù)碼相機使用的CMOS彩色圖像傳感器推出。高端數(shù)碼相機有2／3英寸CCD芯片830萬像素（有效像素為3,264×2,448），可輸出300dpi（每英寸點數(shù)）的10.88英寸×8.16英寸幅面的相片?，F(xiàn)在已有中端數(shù)碼相機使用的CMOS彩色圖像傳感器44景物分色鏡CCD彩色圖像傳感器取景器電路放大器ASIC集成電路A/D轉(zhuǎn)換器CPU存儲卡鏡頭RGB圖5-10數(shù)碼相機基本結(jié)構(gòu)景分CCD取景器放大器ASICA/DCPU存儲卡鏡RGB圖5455.3.4彩信手機彩信手機也叫相機電話目前大都采用CMOS彩色圖像傳感器。彩信手機的照相機功能由相機模組（攝像頭）實現(xiàn)。相機模組組成如圖5-11所示。相機模組屬于有彩信功能的手機的基本配置，有內(nèi)置式和外置式兩種。外置式通過13芯插頭與手機上的插座連接，現(xiàn)在使用的已基本都是內(nèi)置式。開啟面板上的照相功能鍵后，就可進行照相。5.3.4彩信手機46被攝景物通過鏡頭照射到CMOS彩色圖像傳感器上。CMOS彩色圖像傳感器將圖像轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換，送DSP數(shù)字信號處理器處理。處理后的數(shù)字圖像信號，以YUV422的亮度和色度信號比例，送存儲卡存儲和液晶屏顯示。被攝景物通過鏡頭照射到CMOS彩色圖像傳感器上。47用OK按鍵選定的圖像數(shù)據(jù)，則輸出到手機的基帶信號電路，與話音信號一樣，調(diào)制到射頻頻率上發(fā)送到對方手機。CMOS傳感器被認為是相機電話的理想解決方案，它的優(yōu)點是制造成本較CCD更低，功耗也低得多（手機可接受的功耗為80~100mW），速度快。用OK按鍵選定的圖像數(shù)據(jù)，則輸出到手機的基帶信號48只是CMOS攝像頭對景物光源的要求要高一些，也無法達到CCD那樣高的分辨率。對發(fā)送到對方手機最實用的640×480分辨率（35萬像素）的手機攝像頭來說，CMOS已足以應(yīng)付。現(xiàn)在已出現(xiàn)100萬以上，甚至300萬像素的相機電話，但目前僅用于拍照，若發(fā)送到對方手機則由于像素太多而使傳送時間太長。CCD和CMOS的比較解讀課件49分色鏡CMOS彩色圖像傳感器A/D轉(zhuǎn)換器DSP數(shù)字信號處理器存儲卡手機電路顯示器鏡頭景物發(fā)送RGB圖5-11彩信手機相機模組組成框圖按鍵分CMOSA/DDSP存手機顯鏡景物發(fā)送RGB圖5-11505.3.5計算機攝像頭現(xiàn)在許多計算機都配置有計算機攝像頭，用于現(xiàn)場計算機攝像和網(wǎng)絡(luò)傳輸。一般采用CMOS傳感器制造。圖5-12計算機攝像頭5.3.5計算機攝像頭圖5-12計算機攝像頭515.4實訓(xùn)5.4實訓(xùn)525.4實訓(xùn)

用計算機攝像頭、數(shù)碼相機、USB接口傳輸線、微型計算機、顯示器等組成工作現(xiàn)場圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)。如圖5-13所示。觀察計算機攝像頭和數(shù)碼相機攝入的圖像的差別。5.4實訓(xùn)53計算機攝像頭數(shù)碼相機USB接口USB接口微型計算機顯示器圖5-13工作現(xiàn)場圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)計算機攝像頭數(shù)碼相機USB接口USB接口微型顯示器圖5-1354第5章圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器5.2CMOS圖像傳感器5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實例5.4實訓(xùn)第5章圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器555.1CCD圖像傳感器5.1CCD圖像傳感器565.1CCD圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice）圖像傳感器由CCD電荷耦合器件制成，是固態(tài)圖像傳感器的一種，是貝爾實驗室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的新型半導(dǎo)體傳感器。它是在MOS集成電路基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能進行圖像信息光電轉(zhuǎn)換、存儲、延時和按順序傳送。它的集成度高、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、耐沖擊、壽命長、性能穩(wěn)定，因而被廣泛應(yīng)用。5.1CCD圖像傳感器575.1.1CCD電荷耦合器件CCD電荷耦合器件是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容器組成的陣列，其構(gòu)造如圖5-1所示。在P型或N型硅襯底上生長一層很?。s1200A）的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅形成電極，稱為柵極。該柵極和P型或N型硅襯底就形成了規(guī)則的MOS電容器陣列。再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD電荷耦合器件芯片。5.1.1CCD電荷耦合器件58圖5-1CCD電荷耦合器件圖5-1CCD電荷耦合器件59每一個MOS電容器實際上就是一個光敏元件。當(dāng)光照射到MOS電容器的P型硅襯底上時，會產(chǎn)生電子空穴對（光生電荷），電子被柵極吸引存儲在陷阱中。入射光強，則光生電荷多，入射光弱，則光生電荷少。無光照的MOS電容器則無光生電荷。若停止光照，由于陷阱的作用，電荷在一定時間內(nèi)也不會消失，可實現(xiàn)對光照的記憶。MOS電容器可以被設(shè)計成線陣或面陣。一維的線陣接收一條光線的照射。二維的面陣接收一個平面的光線的照射。CCD攝像機、照相機光電轉(zhuǎn)換如圖5-2所示。每一個MOS電容器實際上就是一個光敏元件。60景物CCD面陣存儲顯示透鏡濾光片放大器圖5-2面陣MOS電容器的光電轉(zhuǎn)換景物CCD存儲顯示透鏡濾光片放大器圖5-2面陣MOS電容61CCD電荷耦合器件的集成度很高，在一塊硅片上制造了緊密排列的許多MOS電容器光敏元件。線陣的光敏元件數(shù)目從256個到4096個或更多。面陣的光敏元件的數(shù)目可以是500×500個（25萬個），甚至2048×2048個（約400萬個）以上，現(xiàn)在已出現(xiàn)800萬以上的了。在CCD芯片上同時集成有掃描電路，它們能在外加時鐘脈沖的控制下，產(chǎn)生三相時序脈沖信號，由左到右，由上到下，將存儲在整個面陣的光敏元件下面的電荷逐位、逐行快速地以串行模擬脈沖信號輸出。CCD電荷耦合器件的集成度很高，在一塊硅片上制造625.1.2CCD圖像傳感器MOS電容器實質(zhì)上是一種光敏元件與移位寄存器合而為一的結(jié)構(gòu)，稱為光積蓄式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最簡單。但是因光生電荷的積蓄時間比轉(zhuǎn)移時間長得多，所以再生圖像往往產(chǎn)生“拖尾”，圖像容易模糊不清。另外，直接采用MOS電容器感光雖然有不少優(yōu)點，但它對藍光的透過率差，靈敏度低。現(xiàn)在更多地在CCD圖像傳感器上使用的是光敏元件與移位寄存器分離式的結(jié)構(gòu)，如圖5-3所示。5.1.2CCD圖像傳感器63(a)單讀示（b）雙讀示圖5-3光敏元件與移位寄存器分離式結(jié)構(gòu)

(a)單讀示（64這種結(jié)構(gòu)采用光敏二極管陣列作為感光元件，光敏二極管在受到光照時，便產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷。再經(jīng)過電注入法將這些電荷引入CCD電容器陣列的陷阱中，便成為用光敏二極管感光的CCD圖像傳感器。它的靈敏度極高，在低照度下也能獲得清晰的圖像，在強光下也不會燒傷感光面。CCD電容器陣列在這里只起移位寄存器的作用。圖5-4給出了分離式的2048位MOS電容器線陣CCD電荷耦合器件示意圖。這種結(jié)構(gòu)采用光敏二極管陣列作為感光元件，光敏二極65模擬信號傳輸移位寄存器奇數(shù)傳輸門

偶數(shù)傳輸門

模擬信號傳輸移位寄存器視頻信號放大器視頻輸出信號GND時鐘信號+Ucc

20482047光電元件陣列21圖5-4線陣CCD內(nèi)部框圖模擬信號傳輸移位寄存器奇數(shù)傳輸門偶數(shù)傳輸門模擬信66圖中移位寄存器被分別配置在光敏元件線陣的兩側(cè)，奇偶數(shù)號位的光敏元件分別與兩側(cè)的移位寄存器的相應(yīng)小單元對應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)為雙讀式結(jié)構(gòu)，它與長度相同的分離式相比較，可以獲得高出兩倍的分辨率。CCD和CMOS的比較解讀課件67因為CCD移位寄存器的級數(shù)僅為光敏單元數(shù)的一半，可以使CCD特有的電荷轉(zhuǎn)移損失大為減少，較好地解決了因轉(zhuǎn)移損失造成的分辨率降低的問題。面陣固態(tài)圖像傳感器由雙讀式結(jié)構(gòu)線陣構(gòu)成，它有多種類型。常見的有行轉(zhuǎn)移（LT）、幀轉(zhuǎn)移（FT）和行間轉(zhuǎn)移（ILT）方式。因為CCD移位寄存器的級數(shù)僅為光敏單元數(shù)的一半，685.1.3CCD圖像傳感器的應(yīng)用CCD電荷耦合器件單位面積光敏元件位數(shù)很多、一個光敏元件形成一個像素，成像分辨率高、信噪比大、動態(tài)范圍大，可以在微光下工作。彩色圖像傳感器采用三個光敏二極管組成一個像素的方法。5.1.3CCD圖像傳感器的應(yīng)用69被測景物的圖像的每一個光點由彩色矩陣濾光片分解為紅、綠、藍三個光點，分別照射到每一個像素的三個光敏二極管上，各自產(chǎn)生的光生電荷分別代表該像素紅、綠、藍三個光點的亮度。經(jīng)輸出和傳輸后，可在顯示器上重新組合，顯示出每一個像素的原始彩色。被測景物的圖像的每一個光點由彩色矩陣濾光片分解為70固態(tài)圖像傳感器輸出信號具有如下特點：(1)與光像位置對應(yīng)的時間先后性，即能輸出時間系列信號；(2)串行的各個脈沖可以表示不同信號，即能輸出模擬信號；(3)能夠精確反映焦點面信息，即能輸出焦點面信號。固態(tài)圖像傳感器輸出信號具有如下特點：71將不同的光源或光學(xué)透鏡、光導(dǎo)纖維、濾光片及反射鏡等光學(xué)元件靈活地與這三個特點組合，可以獲得固態(tài)圖象傳感器的各個用途，如圖5-5所示。將不同的光源或光學(xué)透鏡、光導(dǎo)纖維、濾光片及反射鏡72中介物模擬信號時間系列信號焦點面信號1234色濃淡位置形狀距離可測對象固態(tài)圖象傳感器的輸出特點圖5-5固態(tài)圖象傳感器的用途1—濾光片；2—光導(dǎo)纖維；3—平行光；4—透鏡

中介物模擬時間系焦點面1273(1)組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷等；(2)作為光學(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)以及圖象識別技術(shù)、傳真、攝像等方面；(1)組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷等；74(3)作自動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；(4)作為機器人的視覺，監(jiān)控機器人的運行。(3)作自動流水線裝置中的敏感器件。例如：可用于機床、自動售755.2CMOS圖像傳感器5.2CMOS圖像傳感器765.2CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的互補型金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）組成的陣列。5.2CMOS圖像傳感器775.2.1CMOS型光電轉(zhuǎn)換器件以E型NMOS場效應(yīng)管V1作為共源放大管，以E型PMOS場效應(yīng)管V2、V3構(gòu)成的鏡像電流源作為有源負載，就構(gòu)成了CMOS型放大器，如圖5-6所示?？梢?，CMOS型放大器是由NMOS場效應(yīng)管和PMOS場效應(yīng)管組合而成的互補放大電路，CMOS就叫互補型金屬氧化物半導(dǎo)體。5.2.1CMOS型光電轉(zhuǎn)換器件78圖5-6CMOS型放大器圖5-6CMOS型放大器79CMOS型光電變換器件原理如圖5-7所示。與CMOS型放大器源極相連的P型半導(dǎo)體襯底充當(dāng)光電變換器的感光部分。當(dāng)CMOS型放大器的柵源電壓uGS=0時，CMOS型放大器處于關(guān)閉狀態(tài)，即iD=0。CMOS型光電變換器件原理如圖5-7所示。80CMOS型放大器的P型襯底受光信號照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷，可見CMOS型光電變換器件同樣有存儲電荷的功能。當(dāng)積蓄過程結(jié)束，柵源之間加上開啟電壓時，源極通過漏極負載電阻對外接電容充電形成電流即為光信號轉(zhuǎn)換為電信號的輸出。CMOS型放大器的P型襯底受光信號照射產(chǎn)生并積蓄81圖5-7CMOS型光電變換器件圖5-7CMOS型光電變換器件825.2.2CMOS圖像傳感器利用CMOS型光電變換器件可以做成CMOS圖像傳感器。由CMOS襯底直接受光信號照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷的方式不大采用?，F(xiàn)在更多地在CMOS圖像傳感器上使用的是：光敏元件與CMOS型放大器分離式的結(jié)構(gòu)。CMOS線型圖像傳感器結(jié)構(gòu)如圖5-8所示。5.2.2CMOS圖像傳感器83圖5-8CMOS線型圖像傳感器構(gòu)成圖5-8CMOS線型圖像傳感器構(gòu)成84CMOS線型圖像傳感器由光敏二極管和CMOS型放大器陣列以及掃描電路集成在一塊芯片上制成。一個光敏二極管和一個CMOS型放大器組成一個像素。光敏二極管陣列在受到光照時，便產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷。CMOS線型圖像傳感器由光敏二極管和CMOS型放85掃描電路以時鐘脈沖的時間間隔輪流給CMOS型放大器陣列的各個柵極加上電壓，CMOS型放大器輪流進入放大狀態(tài)，將光敏二極管陣列產(chǎn)生的光生電荷放大輸出。掃描電路以時鐘脈沖的時間間隔輪流給CMOS型放大86CMOS面型圖像傳感器則是由光敏二極管和CMOS型放大器組成的二維像素矩陣，并分別設(shè)有X－Y水平與垂直選址掃描電路。水平與垂直選址掃描電路發(fā)出的掃描脈沖電壓，由左到右，由上到下，分別使各個像素的CMOS型放大器處于放大狀態(tài)。二維像素矩陣面上各個像素的光敏二極管光生和積蓄的電荷依次放大輸出。CMOS面型圖像傳感器則是由光敏二極管和CMOS875.2.3CMOS圖像傳感器的應(yīng)用CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器一樣，可用于自動控制、自動測量、攝影攝像、圖像識別等各個領(lǐng)域。CMOS針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電。CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右。CMOS圖像傳感器用于數(shù)碼相機有助于改善人們心目中數(shù)碼相機是“電老虎”的不良印象。5.2.3CMOS圖像傳感器的應(yīng)用88CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點。目前CMOS傳感器基本都是應(yīng)用在簡易型數(shù)碼相機上如：VIVITAR公司的VIVICAM2655使用的是一塊1/3英吋CMOS芯片，有效分辨率為640×480像素。CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時，由于電89

Mustek設(shè)計制造的GSmart350是一款使用CMOS為感光元件的數(shù)碼相機，最大分辨率為640×480，適用于入門者或單純的網(wǎng)頁設(shè)計應(yīng)用。它非常省電，使用3個1.5V的AA電池，可以持續(xù)拍攝1000張左右的相片。隨著技術(shù)的發(fā)展，高像素的CMOS傳感器已開始商業(yè)應(yīng)用。

905.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實例5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實例915.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實例5.3.1月票自動發(fā)售機用CCD圖像傳感器可以做成月票自動發(fā)售機，其結(jié)構(gòu)如圖5-9所示。顧客按照固定的格式填寫好申請單，送入月票自動發(fā)售機。在傳送的過程中，CCD線型圖像傳感器將申請單以圖像的方式轉(zhuǎn)換為電信號，放大后送自動謄寫機，打印出月票。5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實例92顧客申請單光源CCD線型圖像傳感器放大器自動謄寫機紙打印機月票鏡頭圖5-9月票自動發(fā)售機結(jié)構(gòu)組成顧客光源CCD放自動紙打月鏡圖5-9月票自動發(fā)售機結(jié)構(gòu)組成935.3.2數(shù)字攝像機現(xiàn)在市場上數(shù)字攝像機的品種已經(jīng)很多了，它大多是用CCD彩色圖像傳感器做成的，可以是線型圖像傳感器，也可以是面型圖像傳感器。其基本結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。5.3.2數(shù)字攝像機94對變化的外界景物連續(xù)拍攝圖片，只要拍攝速度超過24幅／秒，則按同樣的速度播放這些圖片，可以重現(xiàn)變化的外界景物，這是利用了人的眼睛的視覺暫留原理。CCD彩色圖像傳感器在掃描電路的控制下，可將變化的外界景物以25幅／秒圖像的速度轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號輸出。對變化的外界景物連續(xù)拍攝圖片，只要拍攝速度超過295景物CCD彩色圖像傳感器掃描電路放大器A/D轉(zhuǎn)換器壓縮編碼電動機磁帶存儲卡鏡頭分色鏡圖5-10數(shù)字攝像機基本結(jié)構(gòu)RGB景CCD掃描電路放A/D壓電動機磁帶存儲卡鏡分圖5-10965.3.3數(shù)碼相機數(shù)碼相機拍攝的是靜止圖像。數(shù)碼相機的基本結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。數(shù)碼相機通常被劃分為高端(400萬像素以上)、中端(330、210萬像素)與低端(百萬像素以下)三種產(chǎn)品。中端數(shù)碼相機使用1/2英寸330萬像素（有效