光电技术 第5版 课件 第8章8.2节 光电成像原理与电视制式

6.线型CCD摄像器件的两种基本形式

(1)单沟道线阵CCD线型器件是将所接收到的一维光信息转换成时序电信号输出，获得一维图像信号的器件。也称线阵CCD。用线阵CCD获取二维图像信号需要使线阵CCD对二维图像作相对的扫描运动。图8-19所示为三相单沟道线阵CCD的结构图。主要由光积分区、转移区及移位寄存器组成。图8-19

三相单沟道线阵CCD的结构(2)双沟道线阵CCD

图8-20为双沟道线阵CCD摄像器件。它具有两列CCD模拟移位寄存器A与B，分列在像敏阵列的两边。图8-20

双沟道线阵CCD的结构8.4.2面阵CCD图像传感器(1)帧转移面阵CCD图8-21为三相面阵帧转移摄像器的原理结构图。它由成像区(像敏区)、暂存区和水平读出寄存器等三部分构成。图8-21

帧转移三相面阵CCD的原理结构图(2)隔列转移型面阵CCD隔列转移型面阵CCD的结构如图8-22(a)所示。图8-22（b）是隔列转移型面阵CCD的二相注入势垒器件的像敏单元和寄存器单元的结构图。图8-22

隔列转移型面阵CCD(3)线转移型面阵CCD如图8-23所示，它与前面两种转移方式相比，取消了存储区，多了一个线寻址电路。可以完成逐行输出、隔行输出与单行输出。图8-23

线转移面阵CCD结构示意图8.5CMOS图像传感器CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）图像传感器出现于1969年，是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。CMOS图像传感器虽然比CCD出现还早一年，但在相当长的时间内，由于它存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率（有效像元与总面积之比）低（10%~20%），响应速度慢等缺点，因此只能用于图像质量要求较低、尺寸较小的数码相机中，如机器人视觉应用的场合。8.5.1CMOS成像器件的结构原理1.CMOS成像器件的组成CMOS成像器件的组成原理框图如图8-24所示，它由集成在同一硅片上的像敏单元阵列和MOS场效应管。像敏单元阵列实际上是光电二极管阵列，它也有线阵和面阵之分。图8-24

CMOS成像器件的组成原理方框图图8-24

CMOS成像器件的组成原理方框图图像信号的输出过程可由如图8-25所示，图像传感器阵列原理图说明。图8-25

CMOS传感器信号输出原理图2.CMOS成像器件的像敏单元结构

器件的像敏单元结构有两种类型，即被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。前者只包含光电二极管和地址选通开关两部分，如图8-26所示。其中像敏单元的图像信号的读出时序如图8-27所示。主动式像元结构如图8-28所示。场效应管V1构成光电二极管的负载，栅极接在复位信号线上，复位时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；复位结束，V1截止，光电二极管开始进行光积分。图8-29所示为上述过程的时序图，复位脉冲首先来到，V1导通，光电二极管复位；复位结束，光电二极管进行积分；积分结束后，V3管导通，信号输出。图8-28

主动式像敏单元结构的基本电路图8-29

主动式像敏单元时序图8.4.2典型CMOS图像传感器（1）成像器件的原理结构SXGA型CMOS成像器件是CMOS图像传感器的主要部分，其原理结构如图8-30所示。图8-30

SXGA型图像传感器原理结构图SXGA型CMOS成像器件像敏区的结构如图8-31所示。

该器件的像敏单元总数是1286×1030个，其中在每行和每列的起始端及末尾端各有3个像元为虚设单元。图8-31

SXGA型图像传感器的像敏区结构图SXGA型CMOS成像器件的光谱特性如图8-32所示。图8-32

SXGA型图像传感器的光谱响应特性曲线（2）输出放大器SXGA型CMOS成像器件的输出特性如图8-33所示。曲线的线性段的动态范围仅为66dB。若采用对数放大器，动态范围可达到100dB。

图8-34所示为SXGA型CMOS成像器件输出放大器电路原理框图，它主要由三部分组成。可按如图8-35所示指数规律控制增益可调放大器。增益按4位编码进行控制，即可选择的增益有8种，增益在5.33~17.53之间可调。图8-34

输出放大器电路原理图需要慢速读出图像信号时，需要采用慢速调节偏压的方法。为防止偏压漂移，每行都要进行偏压调节。调节过程如图8-36所示，它与图8-35的主要区别在于调节过程的时间较长。图8-35

增益的调节规律图8-36

增益对带宽的影响输出放大器的输出/输入特性曲线如图8-39所示。图8-39

输出=输入特性曲线（3）A/D转换器A/D转换器的输出/输入间的关系曲线如图8-40所示