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1、图像传感器图像传感器CCDCCDl lCCD CCD （Charge-coupled DeviceCharge-coupled Device）：电荷耦合元件（）：电荷耦合元件（CCDCCD图像传感器）图像传感器）l l半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。l lCCDCCD上植入的微小光敏物质称作像素上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)(Pixel)。l l一块一块CCDCCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。l l类型类型l l线性（线阵）（以一维感光点构成，通过步进马达扫瞄图像
2、，图片一行行组成线性（线阵）（以一维感光点构成，通过步进马达扫瞄图像，图片一行行组成 ）l l用一排像素扫描过图片，做三次曝光用一排像素扫描过图片，做三次曝光分别对应于红、绿、蓝分别对应于红、绿、蓝 三色滤镜，线性传感器是捕捉三色滤镜，线性传感器是捕捉一维图像。一维图像。l l扫描仪、传真机扫描仪、传真机l l面阵面阵l l三线传感器三线传感器CCDCCD：在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖：在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖RGBRGB滤镜，当捕捉彩色图片时滤镜，当捕捉彩色图片时, ,完完整的彩色图片由多排的像素来组合成。整的彩色图片由多排的像素来组合成。l l交织传输交织传输CCD
3、CCD l l全幅面全幅面CCDCCD 历史历史l l19691969年由美国贝尔实验室（年由美国贝尔实验室（Bell LabsBell Labs）的维拉）的维拉 博伊尔博伊尔 (Willard S. Boyle)(Willard S. Boyle)和乔治和乔治 史密斯（史密斯（George E. SmithGeorge E. Smith）所）所 发明。发明。 l l20062006年元月，获电机电子工程师学会（年元月，获电机电子工程师学会（IEEEIEEE）Charles Charles Stark DraperStark Draper奖章。奖章。 l l20092009年诺贝尔物理学奖年诺
4、贝尔物理学奖l l中国香港科学家高锟中国香港科学家高锟 ：光纤：光纤l l博伊尔和乔治博伊尔和乔治-E-E-史密斯：电荷藕合器件图像传感器史密斯：电荷藕合器件图像传感器CCD” CCD” l l第一代产品第一代产品l l快捷半导体（快捷半导体（Fairchild SemiconductorFairchild Semiconductor）、美国无线电公司（）、美国无线电公司（ RCARCA）和德州仪器（）和德州仪器（Texas InstrumentsTexas Instruments）。）。l l19741974年发表年发表500500单元的线性装置和单元的线性装置和100x100100x100
5、像素的平面装置像素的平面装置 l lCCDCCD的加工工艺的加工工艺l lTTLTTL工艺工艺l l毫安级的耗电量毫安级的耗电量l lCMOSCMOS工艺工艺l l微安级的耗电量微安级的耗电量l l成像质量成像质量:TTL:TTL工艺优于工艺优于CMOSCMOS工艺工艺l l生产生产 公司：公司：SONYSONY、PhilpsPhilps、KodakKodak、 MatsushitaMatsushita、FujiFuji、SANYOSANYO和和Sharp Sharp 工作原理工作原理l l原理：原理：l l像胶片，通过电容感应光线，经由外像胶片，通过电容感应光线，经由外部电路的控制，每个小电
6、容能将其所部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容，将影像带的电荷转给它相邻的电容，将影像（图像像素）转变成数字信号。（图像像素）转变成数字信号。l lCCD CCD 的组成的组成l l聚光镜片聚光镜片l l网格网格( (类似马赛克类似马赛克) )l l电子线路矩阵电子线路矩阵上：增光镜片 （微型镜头 ）中：色块网格 （分色滤色片 ）下：感应线路 （感光层）特性特性l l调制传递函数调制传递函数MTFMTF特性特性l l固态图像传感器是由像素矩阵与相应转移部分组成的。固态的像素尽管己做得很小，并且其间固态图像传感器是由像素矩阵与相应转移部分组成的。固态的像素尽管己做得很小，并且
7、其间 隔也很微小，但是，这仍然是识别微小图像或再现图像细微部分的主要障碍。隔也很微小，但是，这仍然是识别微小图像或再现图像细微部分的主要障碍。l l输出饱和特性输出饱和特性l l当饱和曝光量以上的强光像照射到图像传感器上时，传感器的输出电压将出现饱和，这种现象当饱和曝光量以上的强光像照射到图像传感器上时，传感器的输出电压将出现饱和，这种现象 称为输出饱和特性。产生输出饱和现象的根本原因是光敏二极管或称为输出饱和特性。产生输出饱和现象的根本原因是光敏二极管或MOSMOS电容器仅能产生与积电容器仅能产生与积 蓄一定极限的光生信号电荷所致。蓄一定极限的光生信号电荷所致。 l l暗输出特性（无照输出）
8、暗输出特性（无照输出）l l指无光像信号照射时，传感器仍有微小输出的特性，输出来源于暗指无光像信号照射时，传感器仍有微小输出的特性，输出来源于暗无照无照) )电流。电流。l l灵敏度灵敏度l l单位辐射照度产生的输出光电流表示固态图象传感器的灵敏度单位辐射照度产生的输出光电流表示固态图象传感器的灵敏度l l与固态图像传感器的像元大小有关。与固态图像传感器的像元大小有关。 l l弥散弥散l l饱和曝光量以上的过亮光像会在象素内产生与积蓄起过饱和信号电荷，过饱和电荷便会从一个饱和曝光量以上的过亮光像会在象素内产生与积蓄起过饱和信号电荷，过饱和电荷便会从一个 像素的势阱经过衬底扩散到相邻像素的势阱。
9、再生图像上不应该呈现某种亮度的地方反而呈现像素的势阱经过衬底扩散到相邻像素的势阱。再生图像上不应该呈现某种亮度的地方反而呈现 出亮度，这种情况称为弥散现象。出亮度，这种情况称为弥散现象。 l l残像残像l l对某像素扫描并读出其信号电荷之后，下一次扫描后读出信号仍受上次遗留信号电荷影响的现对某像素扫描并读出其信号电荷之后，下一次扫描后读出信号仍受上次遗留信号电荷影响的现 象叫残像。象叫残像。 l l等效噪声曝光量等效噪声曝光量l l产生与暗输出产生与暗输出( (电压电压) )等值时的曝光量等值时的曝光量典型产品典型产品线性线性CCDCCD颜色传感器颜色传感器l l颜色传感器通常是在独立的光电二
10、极管上颜色传感器通常是在独立的光电二极管上 覆盖经过修正的红、绿、篮滤光片，然后覆盖经过修正的红、绿、篮滤光片，然后 对输出信号进行相应的处理，实现颜色（对输出信号进行相应的处理，实现颜色（ 信号）识别。信号）识别。l l典型芯片典型芯片 TCS230TCS230TCS230TCS230l l可编程彩色光到频率转换器可编程彩色光到频率转换器l l集成集成6464个光电二极管个光电二极管l lRGBRGB各各1616个个l l全透（无虑光）全透（无虑光）1616个个l l输出频率量输出频率量l l调整（标定、白平衡）调整（标定、白平衡）l l白光照射，依次选通，计数白光照射，依次选通，计数255255，计算消耗，计算消耗时间时间时间基准时间基准l l相同条件，定时计数，计算比例因子相同条件，定时计数，计算比例因子l l比例因子比例因子= =定时计数值定时计数值/ /时间基准时间基准l l实测实测l l定时计数，与比例因子计算定时计数，与比例因子计算l l得到得到RGBRGB值值l l颜色颜色= =实测定时计数值实测定时计数值* *比例因子比例因子参考文献：颜色传感器TCS230及颜色识别电路使用使用l l避免外界光线干扰避免外界光线干扰l l密闭、无反射密闭、无反射l l光源集中，注意角度光源集中，注意角度l l需要白平衡调整需要白平衡调整
