光電技術(shù) 第5版 課件 第8章8.2節(jié) 光電成像原理與電視制式

6.線型CCD攝像器件的兩種基本形式

(1)單溝道線陣CCD線型器件是將所接收到的一維光信息轉(zhuǎn)換成時序電信號輸出，獲得一維圖像信號的器件。也稱線陣CCD。用線陣CCD獲取二維圖像信號需要使線陣CCD對二維圖像作相對的掃描運動。圖8-19所示為三相單溝道線陣CCD的結(jié)構(gòu)圖。主要由光積分區(qū)、轉(zhuǎn)移區(qū)及移位寄存器組成。圖8-19

三相單溝道線陣CCD的結(jié)構(gòu)(2)雙溝道線陣CCD

圖8-20為雙溝道線陣CCD攝像器件。它具有兩列CCD模擬移位寄存器A與B，分列在像敏陣列的兩邊。圖8-20

雙溝道線陣CCD的結(jié)構(gòu)8.4.2面陣CCD圖像傳感器(1)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD圖8-21為三相面陣幀轉(zhuǎn)移攝像器的原理結(jié)構(gòu)圖。它由成像區(qū)(像敏區(qū))、暫存區(qū)和水平讀出寄存器等三部分構(gòu)成。圖8-21

幀轉(zhuǎn)移三相面陣CCD的原理結(jié)構(gòu)圖(2)隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD的結(jié)構(gòu)如圖8-22(a)所示。圖8-22（b）是隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD的二相注入勢壘器件的像敏單元和寄存器單元的結(jié)構(gòu)圖。圖8-22

隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD(3)線轉(zhuǎn)移型面陣CCD如圖8-23所示，它與前面兩種轉(zhuǎn)移方式相比，取消了存儲區(qū)，多了一個線尋址電路?？梢酝瓿芍鹦休敵觥⒏粜休敵雠c單行輸出。圖8-23

線轉(zhuǎn)移面陣CCD結(jié)構(gòu)示意圖8.5CMOS圖像傳感器CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）圖像傳感器出現(xiàn)于1969年，是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、數(shù)字信號處理器和計算機接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件，結(jié)構(gòu)簡單、處理功能多、成品率高和價格低廉，有著廣泛的應(yīng)用前景。CMOS圖像傳感器雖然比CCD出現(xiàn)還早一年，但在相當長的時間內(nèi)，由于它存在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率（有效像元與總面積之比）低（10%~20%），響應(yīng)速度慢等缺點，因此只能用于圖像質(zhì)量要求較低、尺寸較小的數(shù)碼相機中，如機器人視覺應(yīng)用的場合。8.5.1CMOS成像器件的結(jié)構(gòu)原理1.CMOS成像器件的組成CMOS成像器件的組成原理框圖如圖8-24所示，它由集成在同一硅片上的像敏單元陣列和MOS場效應(yīng)管。像敏單元陣列實際上是光電二極管陣列，它也有線陣和面陣之分。圖8-24

CMOS成像器件的組成原理方框圖圖8-24

CMOS成像器件的組成原理方框圖圖像信號的輸出過程可由如圖8-25所示，圖像傳感器陣列原理圖說明。圖8-25

CMOS傳感器信號輸出原理圖2.CMOS成像器件的像敏單元結(jié)構(gòu)

器件的像敏單元結(jié)構(gòu)有兩種類型，即被動像敏單元結(jié)構(gòu)和主動像敏單元結(jié)構(gòu)。前者只包含光電二極管和地址選通開關(guān)兩部分，如圖8-26所示。其中像敏單元的圖像信號的讀出時序如圖8-27所示。主動式像元結(jié)構(gòu)如圖8-28所示。場效應(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管的負載，柵極接在復位信號線上，復位時，V1導通，光電二極管被瞬時復位；復位結(jié)束，V1截止，光電二極管開始進行光積分。圖8-29所示為上述過程的時序圖，復位脈沖首先來到，V1導通，光電二極管復位；復位結(jié)束，光電二極管進行積分；積分結(jié)束后，V3管導通，信號輸出。圖8-28

主動式像敏單元結(jié)構(gòu)的基本電路圖8-29

主動式像敏單元時序圖8.4.2典型CMOS圖像傳感器（1）成像器件的原理結(jié)構(gòu)SXGA型CMOS成像器件是CMOS圖像傳感器的主要部分，其原理結(jié)構(gòu)如圖8-30所示。圖8-30

SXGA型圖像傳感器原理結(jié)構(gòu)圖SXGA型CMOS成像器件像敏區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖8-31所示。

該器件的像敏單元總數(shù)是1286×1030個，其中在每行和每列的起始端及末尾端各有3個像元為虛設(shè)單元。圖8-31

SXGA型圖像傳感器的像敏區(qū)結(jié)構(gòu)圖SXGA型CMOS成像器件的光譜特性如圖8-32所示。圖8-32

SXGA型圖像傳感器的光譜響應(yīng)特性曲線（2）輸出放大器SXGA型CMOS成像器件的輸出特性如圖8-33所示。曲線的線性段的動態(tài)范圍僅為66dB。若采用對數(shù)放大器，動態(tài)范圍可達到100dB。

圖8-34所示為SXGA型CMOS成像器件輸出放大器電路原理框圖，它主要由三部分組成?？砂慈鐖D8-35所示指數(shù)規(guī)律控制增益可調(diào)放大器。增益按4位編碼進行控制，即可選擇的增益有8種，增益在5.33~17.53之間可調(diào)。圖8-34

輸出放大器電路原理圖需要慢速讀出圖像信號時，需要采用慢速調(diào)節(jié)偏壓的方法。為防止偏壓漂移，每行都要進行偏壓調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過程如圖8-36所示，它與圖8-35的主要區(qū)別在于調(diào)節(jié)過程的時間較長。圖8-35

增益的調(diào)節(jié)規(guī)律圖8-36

增益對帶寬的影響輸出放大器的輸出/輸入特性曲線如圖8-39所示。圖8-39

輸出=輸入特性曲線（3）A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的輸出/輸入間的關(guān)系曲線如圖8-40所示