图像传感器总结

例如：用于传真技术、光学文字识别 技术以及图象识别技术、传真、摄像等方 面；

(3)作自动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； (4)作为机器人的视觉，监控机器人的运 行。

5.2 CMOS 图像传感器

CMOS图像传感器是按一定规律排列 的互补型金属—氧化物—半导体场效应管 （MOSFET）组成的阵列。
特点是灵敏度极高，在低照度下也能 获得清晰的图像，在强光下也不会烧伤感 光面。 CCD电容器阵列只起移位寄存器作用。




图5-4为分离式的2048位MOS电容器线 阵CCD电荷耦合器件示意图。
+Ucc
模拟信号传输移位寄存器 奇 数 传 输 2 门 门 1
时 钟 信 号
2048 2047 光电元件阵列 偶 数 传 输
CCD电荷耦合器件单位面积光敏元件位 数很多、一个光敏元件形成一个像素，成像 分辨率高、信噪比大、动态范围大，可以在 微光下工作。 彩色图像传感器采用三个光敏二极管组成 一个像素的方法。

被测景物的图像的每一个光点由彩色矩 阵滤光片分解为红、绿、蓝三个光点， 分别照射到每一个像素的三个光敏二极 管上， 各自产生的光生电荷分别代表该像素的 红、绿、蓝三个光点的亮度。 经输出和传输后，可在显示器上重新组 合，显示出每一个像素的原始彩色。

5.2.3
CMOS图像传感器的应用

CMOS图像传感器与CCD图像传感器 一样，可用于自动控制、自动测量、摄 影摄像、图像识别等各个领域。
CMOS针对CCD最主要的优势就是非 常省电。 CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3 左右。



CMOS主要问题是在处理快速变化的影 像时，由于电流变化过于频繁而过热。暗 电流如果抑制得不好就十分容易出现噪点。 因此，CMOS传感器对光源的要求高一 些，分辨率也没有CCD传感器高。。
数码相机 数码相机拍摄的是静止图像。数码相 机的基本结构如图5-11所示。 数码相机的工作过程为 1. 打开数码相机电源开关，主控CPU开始 检查相机的各部件是否处于可工作状态。 如有故障，则在显示屏上显示故障信息。
5.3.3
镜头 景 物
CCD 彩色 图像 传感 器
放 大 器 取景 器电 路
5.2.1

CMOS型光电转换器件
以E型NMOS场效应管V1作为共源放大 管， 以E型PMOS场效应管V2、V3构成的镜 像电流源作为有源负载。 构成了CMOS型放大器。


图5-6
CMOS型放大器

由图5-6可见，CMOS型放大器是由 NMOS场效应管和PMOS场效应管组合而 成的互补放大电路， CMOS就叫互补型金属氧化物半导体。


CMOS面型图像传感器则是由光敏二 极管和CMOS型放大器组成的二维像素矩 阵， 分别设有X－Y水平与垂直选址扫描电 路。


水平与垂直选址扫描电路发出的扫描 脉冲电压。

由左到右，由上到下进行扫描，分别 使各个像素的CMOS型放大器处于放大状 态。
二维像素矩阵面上各个像素的光敏二 极管光生和积蓄的电荷依次放大输出。

5.

高端数码相机采用2／3英寸CCD芯片 830万像素（有效像素为3,264×2,448）， 可输出300dpi（每英寸点数）的10.88英寸 ×8.16英寸幅面的相片，对一般照相而言， 清晰度已足够。 现在已有1200万以上像素的数码相机， 使用CCD摄像头或背照式CMOS摄像头， 相片清晰度很高，但存储数据量太大。


CMOS型光电变换器件原理如图5-7所 示。 与CMOS型放大器源极相连的P型半导 体衬底充当光电变换器的感光部分。 当CMOS型放大器的栅源电压uGS=0时， CMOS型放大器处于关闭状态，即iD=0。


图5-7 CMOS型光电变换器件

CMOS型放大器的P型衬底受光信号照 射产生并积蓄光生电荷， 可见CMOS型光电变换器件同样有存储 电荷的功能。 当积蓄过程结束，栅源之间加上开启电 压时，源极通过漏极负载电阻对外接电容充 电形成电流。
放 大 器
A/D 转换 器
压 缩 编 码
存储卡
扫描电路
磁带
电动机
图5-10 数字摄像机基本结构

对变化的外界景物连续拍摄图片，只要拍 摄速度超过24幅／秒，则按同样的速度播放 这些图片，可以重现变化的外界景物，

这是利用了人的眼睛的视觉暂留原理。
CCD彩色图像传感器在扫描电路的控制 下，可将变化的外界景物以25幅／秒图像的 速度转换为串行模拟脉冲信号输出。
A/D 转换
液晶显 示器
器
ASIC 集成电 存储卡 CPU
路 图 5-11 数码相机基本结构
图5-11 数码相机基本结构
2. 若一切正常，则打开取景器电路，让外 界景物通过镜头照射到CCD彩色图像传感 器上，转换为串行模拟脉冲信号输出，经 放大和A／D转换后，送液晶显示器显示。 当感觉满意的图像出现时，半按快门 ，主控CPU开始计算对焦距离，快门速度 和光圈大小，由ASIC集成电路发出信号给 取景器电路进行自动聚焦和快门、光圈调 整。
第5章 图像传感器
5.1 5.2 5.3 5.4 CCD 图像传感器 CMOS 图像传感器 CCD和CMOS图像传感器应用实例 实训
5.1 CCD图像传感器
CCD（Charge Coupled Device）图 像传感器由CCD电荷耦合器件制成，是固 态图像传感器的一种，是贝尔实验室的 W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的 新型半导体传感器。 它是在MOS集成电路基础上发展起来 的，能进行图像信息光电转换、存储、延 时和按顺序传送。 它的集成度高、功耗小、结构简单、 耐冲击、寿命长、性能稳定，因而被广泛 应用。


每一个MOS电容器实际上就是一个光 敏元件。

当光照射到MOS电容器的P型硅衬底 上时，会产生电子空穴对（光生电荷）， 电子被栅极吸引存储在陷阱中。
入射光强，则光生电荷多，入射光弱， 则光生电荷少。 无光照的MOS电容器则无光生电荷。



若停止光照，由于陷阱的作用，电荷在 一定时间内也不会消失，可实现对光照的 记忆。

月票自动发售机
用CCD图像传感器可以做成月票自动发 售机，其结构如图5-9所示。 顾客按照固定的格式填写好申请单，送入 月票自动发售机。 在传送的过程中，CCD线型图像传感器 将申请单以图像的方式转换为电信号，放大 后送自动誊写机，打印出月票。


顾客 申请单
镜 头
CCD 线型 图像 传感 器
纸


固态图像传感器输出信号特点： 出时间系列信号；
(1)与光像位置对应的时间先后性，即能输
(2)串行的各个脉冲可以表示不同信号，即
能输出模拟信号；
(3)能够精确反映焦点面信息，即能输出焦
点面信号。

将不同的光源或光学透镜、光导纤维、 滤光片及反射镜等光学元件灵活地与这三 个特点组合，
5.1.2

现在更多地在CCD图像传感器上使用 的是： 光敏元件与移位寄存器分离式的结构，
如图5-3所示。


(a)单读示
（b）双读示
图5-3 光敏元件与移位寄存器分离式结构

采用光敏二极管阵列作为感光元件，在 受到光照时，产生相应于入射光量的电荷。 经过电注入法将这些电荷引入CCD电 容器阵列的陷阱中，成为用光敏二极管感 光的CCD图像传感器。
放 大 器
自动 誊写机
光源
打 印 机
月 票
图5-9 月票自动发售机结构组成
5.3.2
数字摄像机
现在市场上数字摄像机的品种已经很多了， 它大多是用CCD彩色图像传感器做成的， 可以是线型图像传感器，也可以是面型图 像传感器。 其基本结构如图5-10所示。


R 景 物 镜 头 CCD 分 G 彩色 色 图像 镜 B 传感器
可以获得固态图象传感器的各个用途。

如图5-5所示。
时间系 列信号
色
1
浓淡
2
模拟 信号
位置
3 4 形状 距离 可测对象
焦点面 信号
固态图象传感器的输出特 点
中介物
图5-5 固态图象传感器的用途
1—滤光片；2—光导纤维；3—平行光；4—透镜

(1)组成测试仪器可测量物位、尺寸、 工件损伤等； (2)作为光学信息处理装置的输入环节。
即为光信号转换为电信号的输出。



CMOS图像传感器 利用CMOS型光电变换器件可以做成 CMOS图像传感器。 由CMOS衬底直接受光信号照射产生 并积蓄光生电荷的方式不大采用。 现在更多地在CMOS图像传感器上使 用的是： 光敏元件与CMOS型放大器分离式的 结构。
5.2.2
图5-8 CMOS线型图像传感器构成

由图5－8可见，CMOS线型图像传感器 由光敏二极管和CMOS型放大器阵列以及扫 描电路集成在一块芯片上制成。
一个光敏二极管和一个CMOS型放大器组 成一个像素。 光敏二极管阵列在受到光照时，便产生相 应于入射光量的电荷。



扫描电路以时钟脉冲的时间间隔轮流给 CMOS型放大器阵列的各个栅极加上电压， CMOS型放大器轮流进入放大状态，将 光敏二极管阵列产生的光生电荷放大输出。



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现在已出现1200万以上的面阵。

在CCD芯片上同时集成有扫描电路， 它们能在外加时钟脉冲的控制下，产生 三相时序脉冲信号， 由左到右，由上到下，将存储在整个面 阵的光敏元件下面的电荷逐位、逐行快速 地以串行模拟脉冲信号输出。

CCD图像传感器 MOS电容器实质上是一种光敏元件与 移位寄存器合而为一的结构，称为光积蓄 式结构，这种结构最简单。 但是因光生电荷的积蓄时间比转移时间 长得多，所以再生图像往往产生“拖尾”， 图像容易模糊不清。 另外，直接采用MOS电容器感光虽然 有不少优点，但它对蓝光的透过率差，灵 敏度低。
视 频 信 号 放 大 器
视 信频 号输 出
模拟信号传输移位寄存器 GND
图5-4 分离式2048位线阵CCD内部框图

图5-4中移位寄存器被分别配置在光敏 元件线阵的两侧，奇、偶数号位的光敏元 件分别与两侧的移位寄存器的相应小单元 对应。 这种结构为双读式结构，它与长度相 同的分离式相比较，可以获得高出两倍的 分辨率。


MOS电容器可以被设计成线阵或面阵。
一维的线阵接收一条光线的照射。


二维的面阵接收一个平面的光线的照射。
CCD摄像机、照相机光电转换如图5-2 所示。
显示
CCD 面阵 存储 透镜 放大器 滤光片
景物
图5-2 面阵MOS电容器的光电转换

CCD电荷耦合器件的集成度很高，在一 块硅片上制造了紧密排列的许多MOS电容 器光敏元件。 线阵的光敏元件数目从256个到4096个 或更多。 面阵的光敏元件的数目可以是 500×500个（25万个），甚至2048×2048 个（约400万个）以上，

5.1.1
CCD电荷耦合器件
CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的 MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组 成的阵列，其构造如图5-1所示。
图5-1 CCD电荷耦合器件
在P型或N型硅衬底上生长一层很薄 （约1200A）的二氧化硅，再在二氧化硅 薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电 极，称为栅极。 该栅极和P型或N型硅衬底形成了规则 的MOS电容器阵列。 加上两端的输入及输出二极管构成了 CCD电荷耦合器件芯片。

3.
全按下快门，ASIC集成电路发出信号 给取景器电路进行信号锁定. CCD彩色图像传感器将景物图像转换 为串行模拟脉冲信号输出，经放大和A／ D转换为数字信号，再经ASIC集成电路压 缩后，存储在PCMCIA卡上。

4.
存储卡上的图像数据可送微型计算机显 示和保存。 压缩的数字图像信号也可由串行口直 接送微型计算机显示和保存。 按下查看键，将存储卡上的图像数据经 ASIC集成电路解压缩，送液晶显示器显 示，供回放查看。


新型背照式CMOS是将传统CMOS表面 的电子电路布线层移到感光面的背部。 使感光面前移接近微型透镜，能获得约 两倍于传统正照式CMOS的光通量。 从而使CMOS传感器可在低光照环境下、 夜视环境下使用，低光照对焦能力也大大提 高。


5.3 CCD和CMOS图像传感器应 用实例
5.3.1


因为CCD移位寄存器的级数仅为光敏单 元数的一半，可以使CCD特有的电荷转移 损失大为减少，较好地解决了因转移损失造 成的分辨率降低的问题。
面阵固态图像传感器由双读式结构线阵 构成，它有多种类型。 常见的有行转移（LT）、帧转移（FT） 和行间转移（ILT）方式。


5.1.3

CCD图像传感器的应用