光電技術 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的結構圖。主要由光積分區(qū)、轉移區(qū)及移位寄存器組成。圖8-19

三相單溝道線陣CCD的結構(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的結構8.4.2面陣CCD圖像傳感器(1)幀轉移面陣CCD圖8-21為三相面陣幀轉移攝像器的原理結構圖。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成。圖8-21

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

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

線轉移面陣CCD結構示意圖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，結構簡單、處理功能多、成品率高和價格低廉，有著廣泛的應用前景。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，如機器人視覺應用的場合。8.5.1CMOS成像器件的結構原理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構

器件的像敏單元結構有兩種類型，即被動像敏單元結構和主動像敏單元結構。前者只包含光電二極管和地址選通開關兩部分，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。主動式像元結構如圖8-28所示。場效應管V1構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；復位結束，光電二極管進行積分；積分結束后，V3管導通，信號輸出。圖8-28

主動式像敏單元結構的基本電路圖8-29

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

SXGA型圖像傳感器原理結構圖SXGA型CMOS成像器件像敏區(qū)的結構如圖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個像元為虛設單元。圖8-31

SXGA型圖像傳感器的像敏區(qū)結構圖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轉換器A/D轉換器的輸出/輸入間的關系曲線如圖8-40所示