光电成像器件-课件.ppt

1、8.1 8.1 摄像管摄像管可分为两大类：可分为两大类：*光电发射型摄像管光电发射型摄像管 利用外光电效应利用外光电效应 *视像管视像管 利用内光电效应利用内光电效应摄像管是能够输出视频信摄像管是能够输出视频信号的真空光电管号的真空光电管光电发射型摄像管光电发射型摄像管视像管视像管 视像管基本结构视像管基本结构：光电靶光电靶 完成光电转换完成光电转换、信号信号存储存储 电子枪电子枪 完成信号扫描输出完成信号扫描输出氧化铅视像管结构与工作原理氧化铅视像管结构与工作原理管子结构管子结构氧化铅氧化铅PIN靶靶PIN光电靶光电靶：反向偏置反向偏置，扫描面形成正电位图像扫描面形成正电位图像电子枪电子枪：

2、发射电子束发射电子束，按电视制式扫描正电按电视制式扫描正电 位图像位图像，输出视频信号输出视频信号像素：像素：组成图像的组成图像的最小单元。摄像管最小单元。摄像管像素大小由电子束像素大小由电子束截面积决定。截面积决定。在电子束扫描某一像素的瞬间，该像在电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电源正极和阴极结成通路。这个像素素与电源正极和阴极结成通路。这个像素的光电流由的光电流由PN，流过负载，流过负载RL,产生负极产生负极性图像信号输出。同时，扫描电子束使性图像信号输出。同时，扫描电子束使P层电位降至阴极电位（图像擦除）。层电位降至阴极电位（图像擦除）。8.2 8.2 摄像器件的性能参数摄像器件的性

3、能参数一一.灵敏度灵敏度S S 在在2856K2856K色温标准光源单位光功率色温标准光源单位光功率照射下照射下,由器件输出信号电流大小来由器件输出信号电流大小来衡量。单位衡量。单位:A/lmA/lm；mA/WmA/W。实际实际常用能产生正常电视图像所需最低常用能产生正常电视图像所需最低光照度光照度L Lminmin来表征。来表征。二二.光电转换特性光电转换特性特性特性 kLIP1 I IP P 与与L L 成线性关系，成线性关系，是最理想情况。是最理想情况。1 低照度下灵敏度相对低照度下灵敏度相对 增加。增加。1 图像对比度提高。图像对比度提高。*关于伽玛关于伽玛校正电路校正电路三三.分辨率

4、分辨率 能够分辨图像中明暗细节的能力能够分辨图像中明暗细节的能力 有两种表示方法有两种表示方法:极限分辨率：极限分辨率：用在图像（光栅）范用在图像（光栅）范围内能分辨的等宽黑白线条数表示（如：水围内能分辨的等宽黑白线条数表示（如：水平平800800线、垂直线、垂直500500线）；也用线）；也用线对线对/mm/mm表示。表示。调制传递函数调制传递函数MTF：能客观地测能客观地测试器件对不同空间频率信号的传递能力试器件对不同空间频率信号的传递能力调制度调制度M：调制传递函数调制传递函数MTF：MTF随着测试卡线条空间频率的增加而降低。随着测试卡线条空间频率的增加而降低。0minmaxminmax

5、AAAAAAMm%100ioMMMTF用一个能量正弦分布的物体来看一下调制（对比）传递函数的情况，用一个能量正弦分布的物体来看一下调制（对比）传递函数的情况，有一个物体的能量分布如下图所示，能量为正弦分布，平均能量有一个物体的能量分布如下图所示，能量为正弦分布，平均能量b0,能量起伏为能量起伏为b1,则我们称这物体的调制度（对比度）为：则我们称这物体的调制度（对比度）为：物体调制度反映了物体的对比情况，物体调制度反映了物体的对比情况，若物体的调制度若物体的调制度M0=1，表示，表示b1=b0，此时物体有最大的调制度；此时物体有最大的调制度；若物体的调制度若物体的调制度M0=0，表示，表示b1=

6、0，即能量没有起伏，物体有最小的调制度；即能量没有起伏，物体有最小的调制度；如果物体经成像系统成像后的如果物体经成像系统成像后的调制度为调制度为Mi，则成像系统对某，则成像系统对某一频率的调制传递函数一频率的调制传递函数MTF为：为：四四.惰性惰性 指输出信号的变化相对于光指输出信号的变化相对于光 照度的变化有一定的滞后照度的变化有一定的滞后 影响摄像管惰性的原因是靶面光电导影响摄像管惰性的原因是靶面光电导 张驰过程和电容电荷释放惰性。张驰过程和电容电荷释放惰性。五五.视频信噪比（视频信噪比（S/NS/N）六六.动态范围动态范围 Lmax:Lmin=10n:1)(lg20)(dBiSNSdm固

7、体摄像器件固体摄像器件 固体摄像器件的功能：固体摄像器件的功能：把入射到传感器光把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号电信号 视频信号。其视频信号能再现视频信号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。入射的光辐射图像。8.3 8.3 电荷耦合器件电荷耦合器件CCDCCD图像传感器主要特点：图像传感器主要特点：固体化摄像器件固体化摄像器件很高的空间分辨率很高的空间分辨率很高的光电灵敏度和大的动态范围很高的光电灵敏度和大的动态范围光敏元间距位置精确光敏元间距位置精确,可获得很

8、高的可获得很高的 定位和测量精度定位和测量精度信号与微机接口容易信号与微机接口容易CCD(Charge Coupled Devices)固体摄像器件主要有三大类：固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）电荷注入器件（电荷注入器件（Charge Injection Device，即即CID）目前，前两种用得较多，我们这里只分析目前，前两种用得较多，我们这里只分析CCD一种。一种。一、电荷耦合摄像器件一、电荷耦合摄像器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（

9、CCD）特点）特点以以电荷作为信号。电荷作为信号。CCD的基本功能的基本功能电荷存储和电荷存储和电荷转移。电荷转移。CCD工作过程工作过程信号电荷的产信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。生、存储、传输和检测的过程。（1）、）、CCD的基本结构包括：的基本结构包括：转移电转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。信号输出结构、信号检测结构。构成构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS电容。电容。1、电荷耦合器件的基本原理、电荷耦合器件的基本原理 一系列彼此非常接近的一系列彼此非常接近的MOS电容电容用同一半导用同一半导体衬底制成

10、，衬底可以是体衬底制成，衬底可以是P型或型或N型材料，上面生型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。（2 2）、电荷存储）、电荷存储 以衬底为以衬底为P型硅构成的型硅构成的MOS电容为例。电容为例。当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2界界面处的电势发生变化，附近的面处的电势发生变化，附近的P型硅中的多数载流子型硅中的多数载流子-空空穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过MOS

11、晶体管晶体管的开启电压，则在的开启电压，则在Si-SiO2界界面处形成深度耗尽状态，电面处形成深度耗尽状态，电子在那里势能较低子在那里势能较低-形成了一形成了一个势阱。如有信号电子，将个势阱。如有信号电子，将聚集在表面，实现电荷的存聚集在表面，实现电荷的存储。此时耗尽层变薄。势阱储。此时耗尽层变薄。势阱的深浅决定存储电荷能力的的深浅决定存储电荷能力的大小。大小。（3）、电荷转移）、电荷转移 CCD的转移电极相数有二相、三相、四相等。对的转移电极相数有二相、三相、四相等。对于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移，于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移，至少需要三相。这里以三相表面沟道

12、至少需要三相。这里以三相表面沟道CCD为例。为例。表面沟道器件，即表面沟道器件，即 SCCD（Surface Channel CCD）转移沟道在界面的转移沟道在界面的CCD器件。器件。表面沟道器件的特点：表面沟道器件的特点：工艺简单，动态范围大，但信号工艺简单，动态范围大，但信号电荷的转移受表面态的影响，转移速电荷的转移受表面态的影响，转移速度和转移效率底，工作频率一般在度和转移效率底，工作频率一般在10MHz以下。以下。体内沟道（或埋沟道体内沟道（或埋沟道CCD）：）：BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而

13、进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达99.999以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件。（4）、光信号的注入）、光信号的注入 CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种，在光纤系统中，入两种，在光纤系统中，CCD接收的信号是由光纤接收的信号是由光纤传来的光信号，即采用光注入传来的光信号，即采用光注入CCD。当光照到当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流子（空穴）流入衬底，

14、少数载流子（电子）被收集子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。光注入的方式常见的有：光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。正面照射和背面照射方式。（5）、电荷检测）、电荷检测（输出）（输出）CCD输出结构是将输出结构是将CCD传输和处理的信号传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。电荷变换为电流或电压输出。电荷输出结构有多种形式，如电流输出结电荷输出结构有多种形式，如电流输出结构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构

15、等。构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构等。浮置扩散输出结构浮置扩散输出结构应用最广。应用最广。OG：输出控制栅，：输出控制栅，FD：浮置扩散区，：浮置扩散区，R:复位控制复位控制栅，栅，RD:复位漏复位漏,T:输出场效应管。输出场效应管。浮置栅是指在浮置栅是指在P型硅衬底表面用型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小族杂质扩散形成小块的块的n+区域，当扩散区不被偏置，其处于浮置状态。区域，当扩散区不被偏置，其处于浮置状态。电荷包的输出过程：电荷包的输出过程：VOG为一定值的正电为一定值的正电压，在压，在OG电极下形成耗尽层，使电极下形成耗尽层，使3与与FD之间之间建立导电沟道。在建立导电沟道。在3高

16、电位期间，电荷包存高电位期间，电荷包存储在储在3电极下面。随后复位栅电极下面。随后复位栅R加正复位脉冲加正复位脉冲R，使，使FD 区与区与RD区沟通。因区沟通。因V RD为正十几为正十几伏的直流偏置电压伏的直流偏置电压，则，则FD区的电荷被区的电荷被RD区抽区抽走。复位正脉冲过去后，走。复位正脉冲过去后，FD 区与区与RD区呈夹区呈夹断状态，断状态，FD 区具有一定的区具有一定的浮置浮置。之后。之后3转变转变为低电位，为低电位，3电极下面的电荷包通过电极下面的电荷包通过OG下的下的沟道转移到沟道转移到FD 区。区。对对CCD的输出信号进行处理时，较多地采的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技

17、术，以去除浮置电平、复位高脉冲用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。及抑制噪声。浮置浮置 栅栅CCD放大输出信号的特点是：放大输出信号的特点是：信号信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度包的输出占有一定的时间长度T；在输出信号；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。中叠加有复位期间的高电平脉冲。彩色彩色CCD的组成结构分图的组成结构分图lCCD 的三层结构：上：增光镜片、中：色块网格 下：感应线路 l由微型镜头、马赛克分色网格，及垫于最底层的电子线路矩阵所组成 彩色彩色CCD运行图运行图2、电荷耦合摄像器件

18、的工作原理、电荷耦合摄像器件的工作原理 CCD的电荷存储、转移的概念+半导体的光电性质CCD摄像器件 按结构可分为线阵按结构可分为线阵CCD和面阵和面阵CCD 按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD 可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD一一.CCD.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理 关于线阵关于线阵CCDCCD 关于面阵关于面阵CCDCCD CCDCCD的基本功能的基本功能:信号电荷的产生、存储、传输和检测信号电荷的产生、存储、传输和检测 以以双列两相线阵双列两相线阵CCDCCD为例介绍其工作原理为例介绍其工作原理光敏区光敏区:光敏二极管阵列，每个

19、光敏元是一个像素。光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。转移栅转移栅:MOSMOS电容构成电容构成,蔽光蔽光;控制光生电荷向移位寄存器转移。控制光生电荷向移位寄存器转移。移位寄存器移位寄存器:MOSMOS电容构成电容构成,蔽光蔽光;控制光生电荷扫描移向输出端。控制光生电荷扫描移向输出端。输出端输出端:将光生电荷包转换为视频信号输出。将光生电荷包转换为视频信号输出。加偏压的加偏压的MOSMOS电容电容的的电荷存贮功能电荷存贮功能 在在AlAl电极上加驱动信号，电极上加驱动信号，MOSMOS阵列阵列使光生电荷包使光生电荷包自扫描输出。自扫描输出。（1）线阵）线阵CCD 线阵线阵CCD可分为双沟道传

20、输与单沟道传输可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构。下图两种结构。下图(a)为单沟道，为单沟道，(b)为双沟道。为双沟道。光积分光积分光生电荷光生电荷并行转移并行转移光生电荷串行传输光生电荷串行传输输出端输出端输出端：输出端：输出栅输出栅OGOG；浮置扩散放大器浮置扩散放大器：输出二极管输出二极管复位管复位管T1T1输出管输出管T2T2双列两相线阵双列两相线阵CCDCCD驱动信号驱动信号像敏区像敏区存储区存储区水平移位寄存器水平移位寄存器输出端输出端信号通道放大器信号通道放大器OSOS补偿放大器补偿放大器OSOS 面阵面阵CCDCCD二二.电荷耦合器件的性能参数电荷耦合器件的性能参数1.1.电

21、荷转移效率电荷转移效率 电荷转移效率电荷转移效率 转移损失率转移损失率 电荷传输效率电荷传输效率)()1(nQnQ1)()1()(nQnQnQnQnQ)0()(2.2.工作频率工作频率 控制控制CCDCCD中信号电荷在移位寄存器中中信号电荷在移位寄存器中 转移的时钟脉冲频率转移的时钟脉冲频率f=1/f=1/T对于二相对于二相CCD,CCD,3.3.光谱特性光谱特性CCDCCD积分灵敏度积分灵敏度 S=U S=Uo o/H/H 单位单位:V:Vcmcm2 2/J J曝光量曝光量H=LH=LL:L:光照度光照度 :曝光时间曝光时间(光积分光积分T TSHSH)H H的单位的单位:J/cmJ/cm2

22、 2;lx;lxs s02121tf 通常通常：ZZMHfkH1100 4.4.分辨率分辨率l 线阵线阵CCDCCD：极限分辨率为极限分辨率为 1/d (1/d (线对线对/mm)/mm)l 面阵面阵CCD:CCD:像元数越多，分辨率越高。像元数越多，分辨率越高。更多更多 用水平方向、垂直方向各自的线数来表示。用水平方向、垂直方向各自的线数来表示。因而由像元的尺寸可确定极限分辨率。因而由像元的尺寸可确定极限分辨率。5.5.光电特性光电特性 CCDCCD是低照度器件，光电靶是低照度器件，光电靶可达可达9999.7%.7%，摄像头常带有摄像头常带有选择。选择。CCDCCD所能分辨的最小间距就是像元

23、间距所能分辨的最小间距就是像元间距d d，6.6.动态范围动态范围 CCD CCD像元的饱和输出电压与它在暗场下像元的饱和输出电压与它在暗场下 的峰的峰-峰噪声电压的比值峰噪声电压的比值 U Usatsat/U/Udn dn。U Usatsat决定于势阱中可存储的最大电荷量决定于势阱中可存储的最大电荷量,一般为数百一般为数百mvmv数数v v；CCDCCD是低噪声器件，可用于微光成像是低噪声器件，可用于微光成像,U Udndn一般为数一般为数mvmv以下。以下。普通普通CCDCCD的动态范围的动态范围1000:11000:1左右。左右。7.7.暗电流暗电流 CCDCCD器件可控制在器件可控制在

24、1nA/cm1nA/cm2 2。三三.线阵线阵CCDCCD驱动电路的设计驱动电路的设计 线阵线阵CCDCCD驱动电路就是要产生正确的驱动电路就是要产生正确的SHSH、1 1、2 2、RS RS 信号，它是信号，它是CCDCCD芯片赖以芯片赖以正常工作的基础。正常工作的基础。介绍介绍TCD1200DTCD1200D线阵线阵CCDCCD驱动电路的设计：驱动电路的设计：TCD1200DTCD1200D有有21602160个光敏单元，其前后各有个光敏单元，其前后各有6464及及1212个哑单元。因此：个哑单元。因此：T TSHSH 2236T2236TRS RS,f fRS RS=1MHz=1MHz，

25、f f11、22=0.5MHz=0.5MHzTCD1200DTCD1200D管脚图和驱动电压管脚图和驱动电压驱动电路由单片机驱动电路由单片机(AT89C2051)(AT89C2051)、可编、可编程门阵列芯片（程门阵列芯片（GAL16V8GAL16V8）构成。）构成。AT89C2051AT89C2051是带是带2K2K字节可编字节可编程电擦除程电擦除EPROMEPROM的的CMOS 8CMOS 8位位 单片机。具有单片机。具有80318031单片机的单片机的功能，可输出功能，可输出20MHz20MHz时钟。时钟。GAL16V8 GAL16V8是一种可编程是一种可编程逻辑器件逻辑器件。图示中未标

26、的图示中未标的管脚管脚 可自由定义，经编可自由定义，经编程，形成所需的逻辑关系。程，形成所需的逻辑关系。15 Q25 QRSQQQ234SHSH信号信号的产生：的产生：3545QQQQQ将将Q Q信号送往单片机信号送往单片机P1.7P1.7口，口，单片机查询后由单片机查询后由P3.7P3.7口输出口输出 P P信号。信号。SHQP4 4路驱动信号路驱动信号SHSH、1 1、2 2、RS RS 都由都由GALGAL器件产生。器件产生。单片机除协同产生单片机除协同产生SHSH外，可充分外，可充分用于用于CCDCCD数据测量工作。数据测量工作。以上介绍的设计思想可用于以上介绍的设计思想可用于任何型号

27、的线阵任何型号的线阵CCDCCD。GALGAL芯片有足够的驱动能力，管脚可自芯片有足够的驱动能力，管脚可自由定义，使由定义，使驱动电路紧凑、连线简单。驱动电路紧凑、连线简单。四四.CCD.CCD像感器的应用像感器的应用 面阵面阵CCDCCD组成电视摄像机、数码照相机，组成电视摄像机、数码照相机，用途极其广泛。用途极其广泛。线阵线阵CCDCCD是行图像传感器件，大量应用是行图像传感器件，大量应用于扫描仪、光谱仪、传真机中，以及目标于扫描仪、光谱仪、传真机中，以及目标定位、精密图像传感和工件尺寸的无接触定位、精密图像传感和工件尺寸的无接触在线测量。在线测量。成像法成像法在线测量线材直径：在线测量线

28、材直径：实例：实例：测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。玻璃管玻璃管CCDCCD视频信号视频信号 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。壁厚像。成像物镜的放大倍率为成像物镜的放大倍率为，CCDCCD相元尺寸

29、为相元尺寸为t t，上壁厚、下壁厚分别为上壁厚、下壁厚分别为n1n1、n2 n2，外径尺寸的脉冲，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为数（即像元个数）为N N，测量结果有：测量结果有：1122/dntdn tDN t 分别为上壁厚、分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。下壁厚，外径尺寸。1d2dD测量电路和观测点波形图测量电路和观测点波形图1 1、CMOSCMOS图像传感器的组成？图像传感器的组成？2 2、CMOSCMOS图像传感器的像元结构哪两种？图像传感器的像元结构哪两种？被动式和主动式被动式和主动式3 3、CCDCCD与与CMOSCMOS的区别有哪些？的区别有哪些？8.4 CMOS8.4 CMOS

30、图像传感器图像传感器CCDCCD图像传感器的不足：图像传感器的不足：驱动电路与信号处理电路难与驱动电路与信号处理电路难与CCDCCD单片集单片集 成，图像系统为多芯片系统；成，图像系统为多芯片系统；电荷耦合方式对转移效率要求近乎苛刻；电荷耦合方式对转移效率要求近乎苛刻；时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压；时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压；图像信息不能随机读取图像信息不能随机读取。CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）采用标准采用标准 CMOS工艺的固体摄像器件工艺的固体摄像器件 CMOS图像传感器的特色图像传感器的特色是单芯片成像系统。是单

31、芯片成像系统。这种片上摄像机用标准逻辑电源电压工作，这种片上摄像机用标准逻辑电源电压工作，仅消耗几十毫瓦功率，功耗极低。仅消耗几十毫瓦功率，功耗极低。可实现随机读取图像信息。可实现随机读取图像信息。一一.CMOS.CMOS图像传感器结构图像传感器结构总体结构框图总体结构框图像元结构像元结构：无源像素无源像素(PPS)(PPS)结构结构有源像素有源像素(APS)(APS)结构结构PPSPPS的致命弱点是读出噪声的致命弱点是读出噪声大大,主要是固定图形噪声，主要是固定图形噪声，一般有一般有250250个均方根电子。个均方根电子。光电二极管型光电二极管型(PD-APS(PD-APS）：）：读出噪声典

32、型值为读出噪声典型值为(75(75100)100)个均方根电子。适用个均方根电子。适用于大多数中低性能成像。于大多数中低性能成像。光栅型（光栅型（PG-APSPG-APS）：）：读出噪声小，目前已读出噪声小，目前已达到达到5 5个均方根电子。个均方根电子。用于高性能科学成像用于高性能科学成像和低光照成像。和低光照成像。二二.CMOS.CMOS摄像机的应用摄像机的应用 由于由于CMOSCMOS摄像机节能、高度集成、成本低摄像机节能、高度集成、成本低等独特优点，使等独特优点，使CMOSCMOS摄像机具有很多应用领域摄像机具有很多应用领域:移动通信移动通信:与手机集成与手机集成,成为移动可视电话成为

33、移动可视电话；视频通信视频通信:视频聊天视频聊天、可视电话可视电话、视频会议；视频会议；保安监控保安监控:大量安装的电子眼大量安装的电子眼,且且CMOSCMOS摄摄 像机可做到纽扣大小像机可做到纽扣大小,用于隐型摄像用于隐型摄像;作数码相机作数码相机;用于游戏市场用于游戏市场;用在汽车上用在汽车上,如可设计成汽车自动防撞系统、如可设计成汽车自动防撞系统、防出轨系统防出轨系统,大大提高汽车运行的安全性大大提高汽车运行的安全性;用于生物特征识别，如指纹识别仪等；用于生物特征识别，如指纹识别仪等；CMOSCMOS摄像机在医学领域有很好的发展空间，摄像机在医学领域有很好的发展空间，如可以在患者身体安装

34、小如可以在患者身体安装小“硅眼硅眼”，应用药，应用药 丸式摄像机等；丸式摄像机等；用于需要高速更新的影像应用领域：航用于需要高速更新的影像应用领域：航 天天、核试验核试验、快速运动快速运动、瞬态过程等。瞬态过程等。三三.发展趋势发展趋势 早期早期CMOSCMOS比比CCDCCD成像质量差，响应速度成像质量差，响应速度 慢，人们主要采用慢，人们主要采用CCDCCD摄像机。近年来，摄像机。近年来，采用有源像素结构等一系列技术措施采用有源像素结构等一系列技术措施,使使 CMOSCMOS的成像质量与的成像质量与CCDCCD相接近，而在功能、相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方面优于功耗、尺寸和价格等

35、方面优于CCDCCD。CMOSCMOS图像传感器必将成为图像传感器必将成为摄像器件的主流摄像器件的主流!8.5 8.5 图像增强器图像增强器变像管是把不可见光图像变为可变像管是把不可见光图像变为可见光图像的真空光电管。见光图像的真空光电管。图像增强器是把亮度很低的光学图图像增强器是把亮度很低的光学图像增强到足够亮度的真空光电管。像增强到足够亮度的真空光电管。图像增强器图像增强器变像管变像管统称为统称为像管像管像管内部没有扫描机构，且不像管内部没有扫描机构，且不能输出视频信号。能输出视频信号。一一.像管像管荧光屏光谱荧光屏光谱增益：增益：单级单级 10102 2三级三级10105 5像管型图像增

36、强器是第一代图像增强器。像管型图像增强器是第一代图像增强器。二二.第二代图像增强器第二代图像增强器-微通道板微通道板 （Microchannel platesMicrochannel plates，MCPMCP）是一种大面积微通道电子倍增器，可实现是一种大面积微通道电子倍增器，可实现单级高增益图像增强。单级高增益图像增强。如加如加10kv10kv电压，电压，增益增益10105 510106 6。增益数千倍增益数千倍增益万倍以上增益万倍以上三三.第三代图像增强器第三代图像增强器 NEA光电阴极光电阴极MCP四四.图像增强器与摄像器件的耦合图像增强器与摄像器件的耦合 微光摄像机微光摄像机三、三、C

37、MOS摄像器件摄像器件 l采用采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制技术可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模数转换器、全数字接口电路电路、信号处理电路、模数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统 Camera-On-A-Chip1 CMOS像素结构像素结构 l无源像素型（无源像素型（PPS）l有源像素型（有源像素型（APS）l无源像素结构无源像素结构l无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，的优点。

38、但是，由于传输线电容较大，CMOS无源像素传感器无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。出噪声变得更大。MOS MOS 摄像器件的工作原理：摄像器件的工作原理：Y1 Y2信号输出Y移位寄存器X 移 位 寄 存 器X1X2RLEMOS开关光电二极管A/D数字信号输出l有源像素结构有源像素结构 l光电二极管型有源像素（PDAPS）l大多数中低性能的应用 l光栅型有源像素结构（光栅型有源像素结构（PGAPS）l成像质量较高成像质量较高 lCMOS有源像素传感器的功耗比较小。但与无源像素有源像素传感器的功

39、耗比较小。但与无源像素结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系数典型值为数典型值为20%-30%。在。在CMOS上制作微透镜阵列，上制作微透镜阵列，可以等效提高填充系数。可以等效提高填充系数。外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元，行像素内的信单元根据需要，选通相应的行像素单元，行像素内的信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器号处理器(ASP)及及A/D变换器，转换成相应的数字图像信变换器

40、，转换成相应的数字图像信号输出。行选通单元可以对像素阵列逐行扫描，也可以号输出。行选通单元可以对像素阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，像的清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息的图像信息 2 CMOS摄像器件的总体结构摄像器件的总体结构CMOS摄像器件的结构摄像器件的结构：lAPS(Active Pixel Structure)：由由1990s中期中期NA

41、SA引入引入CMOS 图像传感器，解决了噪声问题。图像传感器，解决了噪声问题。l像素尺寸减小后低光照下灵敏像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低，采用微透镜和滤色度迅速降低，采用微透镜和滤色片组合以及片组合以及CMOS工艺的优势，工艺的优势，前景好于前景好于CCD。APS 在显微镜下的结构在显微镜下的结构APS 原理框图原理框图Photodiode Active-Pixel Architecture微透镜改善低光特性微透镜改善低光特性3 CMOS与与CCD器件的比较器件的比较 CCD摄像器件摄像器件l灵敏度高、噪声低、像素面积小灵敏度高、噪声低、像素面积小l难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需

42、要使用相难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用相对高的工作电压，制造成本比较高对高的工作电压，制造成本比较高 CMOS摄像器件摄像器件l集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态集成能力强、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范围宽、抗辐射和制造成本低l需进一步提高器件的信噪比和灵敏度需进一步提高器件的信噪比和灵敏度Eric R.Fossum.CMOS Image Sensors:Electronic Camera-On-A-Chip.IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONIC DEVICES,1997,44(10):1689-1698作业：作业：请查资料，编写请查资料，编写PPTPPT平板显示器介绍平板显示器介绍 请于下周六（请于下周六（8 8日）之前发至邮箱：日）之前发至邮箱： 邮件名为：姓名邮件名为：姓名+班级班级+学号学号 每人必须完成，下次课抽查请同学上讲每人必须完成，下次课抽查请同学上讲台讲解。台讲解。