第八章 图像信息的光电变换2-2

1、 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）图像传感器出现于1969年,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。 CMOS图像传感器虽然比CCD出现还早一年，但在相当长的时间内，由于它存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率（有效像元与总面积之比）低（10%20%），响应速度慢等缺点，因此只能用于图像质量要求较低、尺寸较小的数码相机中，如机器人视觉应用的场合。 1989年以后，出现了“

2、主动像元”（有源）结构。它不仅有光敏元件和像元寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围，使它的一些性能参数与CCD图像传感器相接近，而在功能、功耗（1/3CCD）、尺寸和价格等方面要优于CCD图像传感器，所以应用越来越广泛。 CMOS成像器件的组成 CMOS成像器件的组成原理框图如图8-31所示，它的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列实际上是光电二极管阵列，它没有线阵和面阵之分。 图像信号的输出过程可由（如图8-32所示）图像传感器阵列原理图更清楚地说明。 这种器件的像敏单元结构有两种类

3、型，即被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。前者只包含光电二极管和地址选通开关两部分，如图8-33所示。其中像敏单元的图像信号的读出时序如图8-34所示。 主动式像敏单元结构的基本电路如图8-35所示。从图可以看出，场效应管V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。 图8-36所示为上述过程的时序图，其中，复位脉冲首先来到，V1导通，光电二极管复位；复位脉冲消失后，光电二极管进行积分；积分结束后，V3管导通，信号输出。CMOS与CCD器件的比较:CCD摄像器件有光照灵敏度高、噪声低

4、、像素面积小等优点。但CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，后续信号处理比较复杂；CCD阵列驱动脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成 （VLSI）技术兼容，制造成本比较高。CMOS摄像器件集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低等优点。目前CMOS单元像素的面积已与CCD相当，CMOS已可以达到较高的分辨率。如果能进一步提高CMOS器件的信噪比和灵敏度，那么CMOS器件有可能在中低档摄像机、数码相机等产品中取代CCD器件。http:/www.digital.idv.tw/DIGITAL/Classroom/MROH-CL

5、ASS/index-classroom-MROH.htm 光谱灵敏度D700 / CMOSD70s / CCD3、CCD传感器的应用 CCD传感器利用光敏元件的光电转换功能将透射到光敏元件上的光学图像转换为电信号“图像”，即光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布，然后经读出移位寄存器的移位功能将电信号“图像”传送，并输出放大器输出。主要用途大致可归纳为以下三个方面 ： 1）组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。 2）用作光学信息处理装置的输入环节，例如用于传真技术、光学文字识别技术(OCR)与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等方面。

6、3）作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车以及自动监视装置等方面。14 （1）、如图所示为用线阵CCD传感器测量物体尺寸的基本原理。 放大 np 4 3 1 2 b a L 驱动电路 计数、运算、显示 1红外滤光片 2滤光片 3线阵 CCD 传感器 4透镜 图 3 尺寸测量基本原理 IR Cut Filters16 fba111LnpabMnpfanpML) 1(1当所用光源含红外光时，可在透镜与传感器之间加红外滤光片。若所用光源过强时，可再加一滤光片。 利用几何光学知识，可以很容易地推导出被测对象长度L与系统诸参数之间的关系：式中：f为所用透镜的焦距；a为物

7、距；b为像距；M为倍率；n为线型CCD传感器的像素数（感光元件的数量）；p为像素间距。 测量精度取决于CCD传感器像素与透镜焦距的比值。要提高测量精度, 应当选择像素多的传感器。（2）、CCD在动态测量直径中的应用CCD动态测量细丝直径的原理如图4所示。设所用的CCD有N0个光敏元，每个光敏元的大小为13m，计数器计数为N，则细丝直径D为： 图4 、CCD测量细丝直径D13（N0-N）在上述测量中，由于是用脉冲计数测量，故光源的波动对测量精度影响不大，故可达到较高的测量精度。如需要测量达到更高的分辨率，可用光学放大。图5 、光学放大示意图（3）、夫琅和费细丝衍射 如图所示，由氦氖激光器发出的激

8、光束照射细丝（被测物）时，其衍射效应和狭缝一样，在屏幕（在焦距为f的透镜的焦平面处）上形成夫琅和费衍射图样。与上同理，相邻两暗点或亮点间隔S与细丝直径d的关系为 Sfd当d变化时，各条纹位置和间距随之变化。因此可根据亮点或暗点间的距测出细丝的直径。若在屏幕位置放置线阵CCD传感器件，可以直接读出亮、暗条纹的间距，即可测出细丝的直径。测量范围约为0.010.1mm，分辨力为0.05mm。 如测量大物体，可用二块CCD，距离固定为L（如图6所示），假定CCD1的计数值为N1，CCD2的计数值为N2，则：测量大物体也可用面阵CCD进行摄像测量，再用计算机进行数字图象处理得到处理结果。但测量精度要比用

9、线阵CCD测量差些图6 、CCD测量大物体 DL13N1+13(N0-N2) 扫描仪工作原理传真机和邮政编码识别传真机和邮政编码识别M2A摄影胶囊（Mouth anus）,胶囊直径约为11mm，长26mm，重约4g。内部装置有CMOS传感器，4个发光二极管做光源，一个微型射频发射器、氧化银电池及天线。 每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。 M2A摄影胶囊由以色列导弹专家于上世纪90年代中期研发，在欧洲大受欢迎，2001年夏天在美国上市，在美国一颗摄影胶囊要价两千美元 。全球已经有三千名病患，试用过这种胶囊。M2A可在人体内停留8个小时并拍摄约5万张照片。溃疡

10、溃疡 日本东芝（TOSHIBA）公司线阵CCD芯片 线阵CCD传感器（驱动器或相机） 传真机所用的线阵CCD 13601024分辨率CCD传感器 拍摄速率高达2亿张/秒 最小曝光时间5ns1ms英国英国Specilised Imaging公司（公司（SI）超高速）超高速CCD相机相机 南开大学关于采用泵浦探测技术研究飞秒激光超快烧蚀动力学过程 的研究：Physics Review Letters, 2007, 99,167602用CCD拍摄到的经过不同的延迟时间铝靶面烧蚀过程： 超高速特种超高速特种CCD相机幅频已达百万幅每秒相机幅频已达百万幅每秒1. 点扫描式热释电热像仪 利用物体发出的红外

11、热辐射形成的可见图像的方法称为热成像技术。热成像的方法有很多，例如红外夜视仪是一种典型的热成像仪器，而且应用非常广泛。以下主要讨论辐射波长更长，且对波长响应无选择性的热像仪热释电热像仪。 点扫描方式热释电热像仪为采用点扫描方式成像的图像传感器。它的扫描方式常采用震镜对被测景物进行扫描的方式。 wp-95型红外热像仪采用碲镉汞（HgCdTe）热释电器件为热电传感器，采用单点扫描方式，扫描一帧图像的时间为5秒，不能直接用监视器观测，只能将其采集到计算机，用显示器观测。 热释电摄像管的基本结构如图8-48所示。它由透红外热辐射的锗成像物镜、斩光器、热像管和扫描偏转系统等构成。 （1）IR220红外热

12、像仪 IR220红外热像仪外形图如图8-49所示，它的输出信号由RS232串口输出，也可用RS422接口形式输出，工作制式可选用PAL或NTSC制式。 （2）IR210高清晰度夜间红外监视探测仪 IR210采用320240像元非制冷焦平面的热释电红外摄像管，使用者可清楚地探测到处于完全黑暗环境下的物体。除去特殊的防雨设计，小巧的IR210还能融入使用者户外CCTV安保系统，在毫无可见光的情况下也能探测到黑暗中的入侵者。 IR210红外热像仪外形图如图8-50所示。 8.7、微光像增强器件 明朗夏天采光良好的室内照度大致在100至500lx之间 太阳直射时的地面照度可以达到10万lx 夜间无月时

13、的地面照度只有10-4lx数量级 微光光电成像系统的工作条件就是环境照度低于10-1lx 微光光电成像系统的核心部分是微光像增强器件（一）、微光像增强器1、 基本原理 光电阴极将光学图像转换为电子图像，电子光学成像系统（电极系统）将电子图像传递到荧光屏，在传递过程中增强电子能量并完成电子图像几何尺寸的缩放，荧光屏完成电光转换，即将电子图像转换为可见光图像，图像的亮度已被增强到足以引起人眼视觉，在夜间或低照度下可以直接进行观察。输入图像输出图像输入光纤面板输出光纤面板电极光电阴极荧光屏电子轨迹2、三代像增强器一代管以三级级联增强技术为特征，增益高达几万倍，但体积大，重量重；二代管以微通道板（MCP）增强技术为特征，体积小，重量轻，但夜视距离无明显突破；三代管则采用GaAs光电阴极，使夜视距离提高1.5-2倍以上。Micro Channel Plate第一代三级纤维光学耦合级联微光像增强器第一代三级纤维光学耦合级联微光像增强器 二代薄片管使用MCP mMCP由上百万个紧密