第八章 图像信息的光电变换2-2节
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1、 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）图像传感器出现于1969年,它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，这种器件的结构简单、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。 1989年以后，出现了“
2、主动像元”（有源）结构。它不仅有光敏元件和像元寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围，使它的一些性能参数与CCD图像传感器相接近，而在功能、功耗（1/3CCD）、尺寸和价格等方面要优于CCD图像传感器，所以应用越来越广泛。 CMOS成像器件的组成 CMOS成像器件的组成原理框图如图8-31所示，它的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列实际上是光电二极管阵列，它没有线阵和面阵之分。 图像信号的输出过程可由（如图8-32所示）图像传感器阵列原理图更清楚地说明。 这种器件的像敏单元结构有两种类
3、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8-33所示。其中像敏单元的图像信号的读出时序如图8-34所示。 主动式像敏单元结构的基本电路如图8-35所示。从图可以看出，场效应管V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。 图8-36所示为上述过程的时序图，其中，复位脉冲首先来到，V1导通，光电二极管复位；复位脉冲消失后，光电二极管进行积分；积分结束后，V3管导通，信号输出。CMOS与CCD器件的比较:CCD摄像器件有光照灵敏度高、噪声低
4、、像素面积小等优点。但CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，后续信号处理比较复杂；CCD阵列驱动脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成 （VLSI）技术兼容，制造成本比较高。CMOS摄像器件集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低等优点。目前CMOS单元像素的面积已与CCD相当，CMOS已可以达到较高的分辨率。如果能进一步提高CMOS器件的信噪比和灵敏度，那么CMOS器件有可能在中低档摄像机、数码相机等产品中取代CCD器件。http:/www.digital.idv.tw/DIGITAL/Classroom/MROH-CL
5、ASS/index-classroom-MROH.htm 光谱灵敏度D700 / CMOSD70s / CCD3、CCD传感器的应用 CCD传感器利用光敏元件的光电转换功能将透射到光敏元件上的光学图像转换为电信号“图像”，即光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布，然后经读出移位寄存器的移位功能将电信号“图像”传送，并输出放大器输出。主要用途大致可归纳为以下三个方面 ： 1）组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。 2）用作光学信息处理装置的输入环节，例如用于传真技术、光学文字识别技术(OCR)与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等方面。
6、3）作为自动化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。14 （1）、如图所示为用线阵CCD传感器测量物体尺寸的基本原理。 放大 np 4 3 1 2 b a L 驱动电路 计数、运算、显示 1红外滤光片 2滤光片 3线阵 CCD 传感器 4透镜 图 3 尺寸测量基本原理 IR Cut Filters16 fba111LnpabMnpfanpML) 1(1当所用光源含红外光时，可在透镜与传感器之间加红外滤光片。若所用光源过强时，可再加一滤光片。 利用几何光学知识，可以很容易地推导出被测对象长度L与系统诸参数之间的关系：式中：f为所用透镜的焦距；a为物
7、距；b为像距；M为倍率；n为线型CCD传感器的像素数（感光元件的数量）；p为像素间距。 测量精度取决于CCD传感器像素与透镜焦距的比值。要提高测量精度, 应当选择像素多的传感器。（2）、CCD在动态测量直径中的应用CCD动态测量细丝直径的原理如图4所示。设所用的CCD有N0个光敏元，每个光敏元的大小为13m，计数器计数为N，则细丝直径D为： 图4 、CCD测量细丝直径D13（N0-N）在上述测量中，由于是用脉冲计数测量，故光源的波动对测量精度影响不大，故可达到较高的测量精度。如需要测量达到更高的分辨率，可用光学放大。图5 、光学放大示意图（3）、夫琅和费细丝衍射 如图所示，由氦氖激光器发出的激
