高速摄像系统的基本构成及原理简述

１．高速摄像系统的基本构成

１）ＣＭＯＳ摄像系统

ＣＭＯＳ高速摄像系统是借ＣＭＯＳ图像传感技术来得到高质量图像的。以瑞士Weinberger公司Visario系统为例。它采用的ＣＭＯＳ传感器是一种新式的有源像素ＣＭＯＳ传感（ActivePixelＣＭＯＳ）阵列，位于相机内部的心脏位置，在它的内部集成有电子快门，用以进一步控制曝光时间。如图1.2所示。

图1.2ＣＭＯＳ摄像系统的构成

相机内部的缓冲存储器，它用于存放当前一段时间的图像信息。这是个被设计成环形结构的存储器，当拍摄时间大于缓冲存储器所能容纳图像信息的时间长度时，最后拍摄的一帧图像就会覆盖最早拍摄的一帧图像。相机内部的时钟控制电路负责控制拍摄频率、画幅大小、电子快门频率、图像信息存储、触发方式以及与主控制计算机的数据传输，在实际工作中，这些参数的设置和具体控制都是通过主控制计算机上的软件操作来实现。

实际拍摄时，当相机内部的ＣＭＯＳ传感器接收到外部的光信号，就将其转化成模拟电压信号输出，这些模拟电压信号通过相机内集成的Ａ／Ｄ转换器阵列转换成数字量阵列信息并暂时存储在相机内部的缓冲存储器中。拍摄结束后，根

据需要将存储在缓冲存储器中的图像信息通过相机与主控制计算机的数字接口和信号线传送到主控制计算机的存储器中，经过进一步的处理或格式转换输出。

２）ＣＣＤ摄像系统

ＣＣＤ摄像系统分为模拟摄像和数字摄像两种。图1.3为模拟摄像，图1.4为数字摄像。

图1.3ＣＣＤ模拟摄像

图1.4ＣＣＤ数字摄像

２．原理简述

图像传感系统首先通过透镜收集并聚焦来自目标的反射光线，将之投射于光探测器阵列上，在像元阵列中光信号被转换为电信号，并经过信号处理电路，最后以模拟信号或数字信号输出。

为产生彩色图像，可在像元表面覆盖彩色光滤阵列（ＣＦＡ），即在每个像元表面覆盖一个独立的滤波器，这样在随后的信号处理中就可实现修复和重建彩色图像，其中较为普遍的一种模式是红绿蓝模式。此外，还使用微透镜把入射到像素非敏感区的光集中射到像素敏感区，把有效填充系数提高２倍到３倍。微透镜是通过制备一层聚合物薄膜或刻蚀沉积在芯片上的玻璃来实现的。

ＣＣＤ和ＣＭＯＳ两种固态图像传感器的基本共同点是在光探测方面都利用了硅在光照下的光电效应原理，而且都支持光敏二极管型和光栅型。基本不同点是像元里光生电荷的读出方式不同。ＣＣＤＳ是用时序电压输入邻近电容把电荷从积累处迁移到放大器里，因此这种电荷迁移过程导致一些根本缺点：必须一次性读出整行或整列的像素值，不能提供随机访问；需要复杂的时钟芯片来使时序电压同步，需要多种非标准化的高压时钟和电压偏置；ＣＣＤＳ的硅处理专用制作工艺与现今微电子器件的主流制作工艺不同；无法低成本地把控制处理电路集成在同一图像芯片上，这也就造成了基于ＣＣＤ的图像系统体积庞大和功耗大（ＣＣＤ可携式照相机功耗近10Ｗ）。而ＣＣＤ在市场上能保持优势的原因是它的出色的分辨率、较高的动态范围、一致性好、低噪声和像素面积小。在ＣＭＯＳ传感器中，积累电荷不是转移读出，而是立即被像元里的放大器所检测，通过直接寻址方式读出信号。ＣＭＯＳＡＰＳ

的主要优势是低成本、低功耗（为ＣＣＤＳ的1/100～1/1000）、简单的数字接口、随机访问、运行简易（单一的ＣＭＯＳ兼容电源供给）、高速率（可

大于1000帧／ｓ）、通过系统集成实现小型化（为ＣＣＤＳ的1/10～1/100），以及通过片上信号处理电路实现一些智能功能。

随着ＣＭＯＳ工艺和大规模集成电路的发展，以及亚微米平版印刷术、高级信号处理算法的出现，ＣＭＯＳ图像传感器相对于ＣＣＤＳ的优势越来越被人们所认识，成为成像领域的一个重要研究课题。

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