光电技术第8章3

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1、光敏元件放大器A/D转换器存储器数字信号处理器计算机接口电路CMOS图像传感器三、三、 CMOS图像传感器图像传感器 结构简单处理功能多成品率高价格低廉特点1969年（ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS）SEMImagingSystemPipeline图像传感器从事件光通量到输出电压的信号路径。这种变换接近线性的，并且由三个主要的参数控制，即外量子效率、积分时间（t）和转化增益。一个典型的0.18-um的CMOS图像传感器的光谱响应曲线CMOS光电二极管MOS场效应管MOS放大器MOS开关器件单元器件单元3.1 MOS场效应管场效应管MOS场效应

2、管的基本结构场效应管的基本结构MOS场效应管是一种具有表面场效应作用的单极性半导体器件。MOS衬底源极S漏极D栅极G MOS开关特性开关特性MOS开关电路MOS负载电阻MOS开关特性CMOS成像器件用MOS开关管作为寻址控制寻址控制和读出控制读出控制V2的栅极G与漏极D短接，工作在饱和状态，等效于一个阻值确定的电阻3.2 CMOS成像器件的像敏单元结构成像器件的像敏单元结构 像敏单元结构指每个成像单元的电路结构，是像敏单元结构指每个成像单元的电路结构，是CMOS图像传感器的核心组件。图像传感器的核心组件。像敏单元结构有两种类型，即像敏单元结构有两种类型，即被动像敏单元结构被动像敏单元结构和和主

3、动像敏单元结构主动像敏单元结构。PPS的像素包括一个光敏二极管和一个行选择MOS管。PPS(PassivePixelSensor)读取器以错列“旋转快门”的方式每次执行一行。在积分结束时，电荷经由列阵的电荷/电压放大器读取。然后行阵中的放大器和光敏二极管在下行读出开始之前重置。PPS的主要的优势是它较小的像素尺寸。缺点：其列读取器读取速度很慢，并且容易受到噪声和干扰的影响。APS (Active Pixel Sensor)FD(FloatingDiffusion)漏极漏极跟随器跟随器T2复位管复位管T1选通选通管管T33-TAPS的像素场效应管T1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上

4、，当复位脉冲到来时，T1导通，光电二极管被瞬时复位；复位晶体管源极跟随器晶体管行选择晶体管而当复位脉冲消失后，T1截止，光电二极管开始积分光信号。T2为源极跟随器，它将光电二极管的高阻抗输出信号进行电流放大。T3用做选址模拟开关，当选通脉冲到来时，T3导通，使被放大的光电信号输送到列总线上。而4-TAPS结构使用了一个铰接二极管，它较3-TAPS的像素的基本结构增加了一个传输门和一个悬浮式的扩散（FD）节点。在积分结束时，光敏二极管上的积聚电荷被转移到FD节点。然后被转移的电荷与3-T结构一样以电压的方式读取。光栅型有源像素结构每个像素中设置了一个A/D转换器DPS结构的CMOS图像传感器Di

5、gitalPixel Sensor右图是DPS像素的简单的框图，它包括一个光电探测器，一个A/D转换器，以及在数字读出之前用来暂时存储数据的数字存储器优点：包括对CMOS工艺的更好的缩放比例以减小模拟电路功能要求，读相关列FPN的消除以及列读出噪声。更有意义的是，在每个像素中应用一个A/D转换器和存储器（使能大规模并行模数转换和高速数字读出），为高速“快照”数字成像提供了无限潜能。3.3 CMOS成像器件的原理结构成像器件的原理结构 CMOS成像器件的组成成像器件的组成 CMOS成像器件的组成原理框图如图成像器件的组成原理框图如图8-11所示，它的所示，它的主要主要组成部分是组成部分是像敏单元

6、阵列和像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列由光而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列由光电二极管阵列构成。电二极管阵列构成。 如图中所示的像敏单元阵列按如图中所示的像敏单元阵列按X和和Y方向排列成方阵，方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在方阵中的每一个像敏单元都有它在X，Y各方向上的地址，各方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；输出信号送并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；输出信号送A/D转换器进行模数转换变成数字信号输出。转换器进行模数转换变成数字信号输出。 图像信号的输出过程可由图像传感

7、器阵列原理图说图像信号的输出过程可由图像传感器阵列原理图说明。在明。在Y方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关（图中标志下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关（图中标志的的Si,j），），信号将通过行开关传送到列线上，再通过信号将通过行开关传送到列线上，再通过X方方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制，输送到向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制，输送到放大器。放大器。 如图所示图像信号经如图所示图像信号经Y方向地址译码器依次序接通每方向地址译码器依次序接通每行像敏单元上的模拟开关行像敏单元上的模拟开关S

8、i,j，信号将通过行开关传送到列信号将通过行开关传送到列线上，再通过线上，再通过X方向地址译码器的控制，输送到放大器。方向地址译码器的控制，输送到放大器。由于信号经行与列开关输由于信号经行与列开关输出，因此，可以实现逐行出，因此，可以实现逐行扫描或隔行扫描的输出方扫描或隔行扫描的输出方式。也可以只输出某一行式。也可以只输出某一行或某一列的信号。或某一列的信号。 还可以选中所希望观测的某些点的信号输出，如图还可以选中所希望观测的某些点的信号输出，如图8-12中所示的第中所示的第i行、第行、第j列的信号。列的信号。在在CMOS图像传感器的同一芯片中，还可以设置其他数字图像传感器的同一芯片中，还可以

9、设置其他数字处理电路。例如，可以进行自动曝光处理、非均匀性补偿、处理电路。例如，可以进行自动曝光处理、非均匀性补偿、白平衡处理、白平衡处理、校正、黑电平控制等处理。甚至于将具有校正、黑电平控制等处理。甚至于将具有运算和可编程功能的运算和可编程功能的DSP器件制作在一起形成多种功能的器件制作在一起形成多种功能的器件。器件。 3.4 CMOS图像传感器的工作流程图像传感器的工作流程 CMOS图像传感器的功能很多，组成也很复杂。由像敏单元，行列开关，地址译码器，A/D转换器等许多部分组成较为复杂的结构。应使诸多的组成部分按一定的程序工作，以便协调各组成部分的工作。为了实施工作流程，还要设置时序脉冲，

10、利用它的时序关系去控制各部分的运行次序；并用它的电平或前后沿去适应各组成部分的电气性能。 CMOS图像传感器的典型工作流程图如图所示。a 初始化 初始化时要确定器件的工作模式，如：输出偏压、放大器的增益、取景器是否开通，并设定积分时间。b帧读出（YR）移位寄存器初始化 利用同步脉冲SYNC-YR，可以使YR移位寄存器初始化。SYNC-YR为行启动脉冲序列，不过在它的第一行启动脉冲到来之前，有一消隐期间，在此期间内要发送一个帧启动脉冲。 c 启动行读出 SYNC-YR指令可以启动行读出，从第一行（Y0）开始，直至YYmax止；Ymax等于行的像敏单元减去积分时间所占去的像敏单元。g复位 帧复位是

11、用同步信号SYNC-YL控制的，从SYNC-YL开始至SYNC-YR出现的时间间隔便是曝光时间。为了不引起混乱，在读出信号之前应当确定曝光时间。d 启动X移位寄存器 利用同步信号SYNC-X，启动X移位寄存器开始读数，从X0起，至XXmax止；X移位寄存器存一幅图像信号。e 信号采集 A/D转换器对一幅图像信号进行A/D数据采集。f 启动下行读数 读完一行后，发出指令，接着进行下一行读数。（9）信号采样/保持为适应A/D转换器的工作，设置采样/保持脉冲，该脉冲由脉冲信号SHY控制。（8）输出放大器复位 用于消除前一个像敏单元信号的影响，由脉冲信号SIN控制对输出放大器的复位。3个同步脉冲SYN

12、C-YL，SYNC-YR和SYNC-X分别对器件中的3个移位寄存器进行初始化。其中SYNC-YL、SYNC-YR为分时操作的，由L/R信号的高、低电平控制。这些同步信号都是低电平有效。时钟信号CLCK-Y用于启动下一行，该信号为下降沿有效。 时钟信号SIN用于使输出放大器复位，它是高电平有效的，在读数结束时起作用，将输出放大器复位。 复位以后，信号存储在输出放大器中，而后，SIN又重新回到低电平。利用第一个复位脉冲使像敏单元复位。SYNC-X启动，读出信号与时钟信号分别控制每个像敏单元信号的读出；读出结束后，SHY重新回到高电平。时钟信号SHY控制信号的采样与保持，此信号为低电平时对信号进行采

13、集。 若要进行曝光控制，则需要在行信号读出期间对像敏单元进行复位，采用第二个复位脉冲，帧初始至第二个复位脉冲的时间间隔便是曝光时间（光积分时间）。 3.5 CMOS成像器件的辅助电路成像器件的辅助电路 CMOS成像器件的重要优点是，在同一芯片可以集成很多电路，使得这种器件的功能多，但结构却很简单。 （1）偏置非均匀性校正电路 在CMOS成像器件中，各像敏单元的偏置电压是不均匀的，可以在芯片中设置非均匀性校正电路进行校正，这对于弱信号场合特别有意义。例如，具有对数输出特性的器件，输出的每一数量级的电压仅为50mV左右，这与像敏单元的偏置非均匀在同一范围内，所以必须对其进行校正；而对于线性度要求高

14、的场合，也要求校正非均匀性。 图8-22所示为采用硬件方法校正非均匀性的电路。 设置了EPROM，在其中存了CMOS图像传感器的偏压非均匀性数据，它经过D/A转换后输送到差分放大器中。图像传感器的输出信号减去EPROM中存储的信号，便消除了像敏单元偏置信号非均匀的影响。 （2）随机选址电路 在光学检测、机器人等许多应用中，都可能只需要采集部分图像数据，以节省时间和减少数据处理量，因而要求能够对图像进行随机采样。例如，成像器件的像素为10241024，而有用图像仅仅是其中随机分布的200200小区，若能随机采样出该小区图像，则有效数据量就只有总数据量的1/25，而帧频却可提高至25倍。可见此方法

15、意义重大。 随机采样方法的原理如图8-23所示。其中的微处理器用于控制随机采样，它内部包含有存储器，用于储存成像器件的地址和输出的图像数据；设有3个加法器，其中两个用于混合选址信号，一个用于启动A/D，用地址总线或微处理器来控制选址和读出数据。（3）相关双采样电路KTC噪声是一种频率较低的噪声，它在一个像敏单元信号的读出过程中变化很小。消除KTC噪声的常用方法是相关双采样（CDS）。它的工作原理如图8-24所示，由于光电二极管的输出信号中既包含光电信号，也包含有复位脉冲电压信号，若在光电信号的积分开始t1时刻和积分结束t2时刻，分别对输出信号进行采样，并只提取二者的信号差且在t1t2期间复位电

16、压不变，式 中不再包含复位电压，即消除了复位引起的噪声。 下面给出这种电路的频率特性，以便清晰地表明CDS有抑制低频信号的作用。U（t）被采样和保持后，其差值信号为式中， 、T为采样信号的周期。对U（t）进行傅里叶（Fourier）变换，即得的频谱为 式中，fn是奈奎斯特频率。上式说明，几项频谱叠加的结果会造成频谱混淆现象，需要用一个矩形滤波器将n=1以上的频谱滤掉。这样CDS的传递函数T（f）便为 T（f）的曲线如图8-25所示，可见CDS对低频适用。在期间内，复位信号基本上不变，可作为直流信号。因此，将被CDS消除掉。另外，对于其他低频噪声，如1/f噪声，也有抑制作用。 （4）对数特性的电

17、路 当信号光强变化很大时，可以采用具有对数特性的电路，以便满足动态范围的要求。但是这种结构对器件参数的变化很敏感，会因各像敏单元的偏置电流不同而增减固定图案噪声（EPN）。为了清除这种EPN，需要采用校正电路。 如图8-26所示为一种具有对数运算功能的输出电路，它除具有一般主动像敏单元结构外，还增加有校正电流电路与选通开关电路。 3.6 CMOS图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数 CMOS图像传感器的特性参数与CCD的特性参数基本趋于一致；近年来，CMOS成像器件取得重大进展，已接近于CCD。 a光谱性能与量子效率CMOS成像器件的光谱性能和量子效率取决于它的像敏单元（光电二极管）。图8

18、-30所示为CMOS图像传感器的光谱响应特性曲线。光谱范围为3501100nm，峰值响应波长在700nm附近，峰值波长响应度已达到0.4A/W。 b填充因子填充因子填充因子是光敏面积对全部像敏面积之比，它对器件的灵敏度、噪声、时间响应、模传递函数MTF等的影响很大。 因为CMOS图像传感器包含有驱动、放大和处理电路，它将占据一定的表面面积，因而降低了器件的填充因子。被动像元结构的器件具有的附加电路少，填充因子会大些；大面积的图像传感器结构，光敏面积所占比例大一些。提高填充因子使光敏面积占据更大的表面面积是充分利用半导体制造大光敏面图像传感器的关键。一般来说，提高填充因子的方法有以下两种。 （1

19、）采用微透镜法 如图8-31所示，CMOS成像器件的上方安装一层矩形的面阵微透镜，它将入射到像敏单元的光线会聚到各个面积很小的光敏单元，使填充因子能提高到90%。 （2）采用特殊的像元结构 图8-32所示为一种填充因子较高的CMOS像敏单元结构，它的表面为光电二极管和其他电路，二者是隔离的。在光电二极管的N+区下面增加了N区，用于接收扩散的光电子；而在N+的下面设置P+静电阻挡层，用于阻挡光电子进入其他电路。 图8-33所示为像元两个截面的电位分布图。两个截面电位分布的差别主要在A截面的P+区和B截面对应的N区，前者的电位很低，将阻挡光电子进入，而后者的电位很高，对光电子有吸引作用。 在种结构

20、的像元上，表层光电二极管、电路及其阻挡层均很薄，且透明，入射光透过后到达外延的光敏层，所产生的光电子几乎可以全部扩散到光电二极管中。尽管光电二极管表面积不大，但收集光的面积却为整个像元的表面积，因此，等效填充因子接近100%。 c 输出特性与动态范围输出特性与动态范围CMOS器件有4种输出模式：线性模式、双斜率模式、对数特性模式和校正模式。它们的动态范围相差很大，特性也有较大的区别。图8-34所示为4种输出模式的曲线。 （1）线性输出模式 线性输出模式的输出与光强成正比，适用于要求进行连续测量的场合。它的动态范围最小，而且在线性范围的最高端信噪比最大。在小信号时，因噪声的影响增大，信噪比很低。

21、 （2）双斜率输出模式 双斜率输出模式是一种扩大动态范围的方法。它采用两种曝光时间，当信号很弱时采用长时间曝光，输出信号曲线的斜率很大；而当信号很强后，用短时间曝光，曲线斜率便会降低，从而扩大动态范围。为了改善输出的平滑性，采用多种曝光时间模式，使输出曲线是由多段直线拟合而成，会平滑得多。（3）对数输出模式 对数输出模式的动态范围更大，可达几个数量级，无需对相机的曝光时间进行控制，也无需对镜头的光圈进行调节。此外，在CMOS器件中，很容易设计出具有对数响应的电路。另外，因为人眼对光的响应也接近对数关系，故，该模式具有良好的使用性能。 （4）校正模式校正模式的输出规律如下：式中，U为信号输出电压

22、，E是输入光强，k为常数，而为校正因子。为小于1的系数，显然，它也使输出信号的增长速度逐渐减缓。d噪声噪声CMOS图像传感器的噪声来源于光电二极管、放大器用的场效应管以及行、列选择等开关场效应管。这些噪声既有相似之处也有很大差别。 e. 空间传递函数空间传递函数利用像素尺寸b和像素间隔S等参数，很容易推导出CMOS成像器件的理论空间传递函数，即式中，f是空间频率。T（f）=0的空间频率称为奈奎斯特（Nyquis）频率fN。从上式中可求得 上式的曲线如图8-35所示。由于CMOS成像器件中存在空间噪声和窜音，它实际的空间传递函数要降低些。 这两种器件都采用硅（Si）材料制造，它们的光谱响应特性和

23、量子效率等基本相同；二者的像敏单元尺寸和电荷的存储容量也相近。但是，由于二者的结构和工艺方法不同，二者的其他性能也有所差别。这两种图像传感器的性能差别如下表所示。 CMOS图像传感器与图像传感器与CCD图像传感器的比较图像传感器的比较参数CMOS成像器件CCD1填充率接近100%2暗电流（PA/M2）10100103噪声电子数20504FPN（%）可在逻辑电路中校正15DRNU（%）101106工艺难度小大7光探测技术可优化8像元放大器有无9信号输出行、列开关控制，可随机采样CCD为逐个像元输出，只能按规定的程序输出10ADC在同一芯片中可设置ADC只能在器件外部设置ADC11逻辑电路芯片内可

24、设置若干逻辑电路只能在器件外设置12接口电路芯片内可以设有接口电路只能在器件外设置13驱动电路同一芯片内设有驱动电路只能在器件外设置，很复杂表表 CMOS与与CCD图像传感器的性能比较图像传感器的性能比较 上表说明，CMOS成像器件的功能多，工艺方法简单，成像质量也与CCD接近。因此，CMOS将获得愈来愈广泛的应用。 3.7 典型CMOS图像传感器 3.6.1 IBIS4 SXGA型型CMOS成像器件成像器件 如图8-36所示为SXGA型彩色面阵CMOS器件的原理结构图，也可以用做黑白成像。它具有像素尺寸小，填充因子大、光谱响应范围宽、量子效率高、噪声小，无模糊（Smear）现象、有抗晕能力和

25、可作取景控制等特点。a. 成像器件的原理结构成像器件的原理结构 从结构形式上看，它与图8-11所示的CMOS图像传感器的结构基本相同，只是在移位寄存器与像敏单元阵列之间，添加了Y复位移位寄存器、复位和读出的行地址指示器（地址指针）。 SXGA型CMOS成像器件像敏区的结构如图8-37所示，该器件的像敏单元总数是12861030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。它的像敏单元结构属于主动像敏单元结构，每个像敏单元都带有3个场效应管放大器。 在光敏阵列的上部贴附R、G、B色滤光片便成为彩色CMOS图像传感器件。若无需彩色成像，也可以不要这种滤光片。 SXGA型CMOS成像器

26、件的光谱特性如图8-38所示。图的最上部的曲线为黑白器件的光谱响应曲线，而左下角的3条曲线则是彩色图像传感器R，G，B的光谱响应曲线。可见加入彩色滤光片后，光谱响应普遍降低。此外，3条单色光谱响应曲线有一些差异，可以通过白平衡校正电路进行校正。使其按着与线阵使其按着与线阵CCD相类似的方式工作。相类似的方式工作。 还可以选中所希望观测的某些点的信号输出，如图还可以选中所希望观测的某些点的信号输出，如图8-12中所示中所示的第的第i行、第行、第j列的信号。列的信号。 在在CMOS图像传感器的同一芯片中，还可以设置其他数字处理图像传感器的同一芯片中，还可以设置其他数字处理电路。例如，可以进行自动曝

27、光处理、非均匀性补偿、白平衡处理、电路。例如，可以进行自动曝光处理、非均匀性补偿、白平衡处理、校正、黑电平控制等处理。甚至于将具有运算和可编程功能的校正、黑电平控制等处理。甚至于将具有运算和可编程功能的DSP器件制作在一起形成多种功能的器件。器件制作在一起形成多种功能的器件。 3.6.2 CMOS成像器件的像敏单元结构成像器件的像敏单元结构 像敏单元结构指每个成像单元的电路结构，是像敏单元结构指每个成像单元的电路结构，是CMOS图像传感图像传感器的核心组件。像敏单元结构有两种类型，即器的核心组件。像敏单元结构有两种类型，即被动像敏单元结构被动像敏单元结构和和主动像敏单元结构主动像敏单元结构。前

28、者只包含光电二极管和地址选通开关两部分，。前者只包含光电二极管和地址选通开关两部分，如图如图8-13所示。其中像敏单元的图像信号的读出时序如图所示。其中像敏单元的图像信号的读出时序如图8-14所示。所示。 SXGA型CMOS成像器件的输出特性如图8-39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。曲线的横坐标为CMOS光敏面上的照度，曲线的纵坐标为CMOS图像传感器输出的信号电压。 3.A/D转换器SXGA型CMOS成像器件的A/D转换器除具有一般的线性模数变换外，还具有非线性的模数转换的功能。它在做线性模数变换时，其特性参数为：输入范围：24V；量化

29、精度：10b；数据速率：1020MHz；转换时间：50ns。A/D转换器的输出/输入间的关系曲线如图8-46所示。该A/D转换器按非线性模数转换方式工作时，由外部输入控制信号选定。非线性的输出y与线性输出x之间存在有 关系，或 式（8-30）为校正关系式。也就是说，当应用非线性模数变换时，可实现校正。此时，暗区的对比度得到提高，而亮区的对比度则会下降。 FUGA1000图像传感器图像传感器 这种图像传感器的主要特点是，具有随机采样和对数响应的能力。FUGA1000图像传感器可以用做彩色或黑白的图像传感器，它的光谱响应特性如图8-47所示，在近红外波段有很高的灵敏度，能够满足工业应用的需要。 当

30、x较小时，式（8-29）可近似为可见非线性输出比线性输出几乎大一倍，即A/D转换器的量化值由10b提高到11b。 CMOS图像传感器的典型工作流程图如图8-20所示。（1）初始化初始化时要确定器件的工作模式，如：输出偏压、放大器的增益、取景器是否开通，并设定积分时间。（2）帧读出（YR）移位寄存器初始化利用同步脉冲SYNC-YR，可以使YR移位寄存器初始化。SYNC-YR为行启动脉冲序列，不过在它的第一行启动脉冲到来之前，有一消隐期间，在此期间内要发送一个帧启动脉冲。 FUGA1000图像传感器通过随机寻址读取像敏单元信号。图8-50所示为随机寻址电路的主要部分。有两个随机寻址电路可以分别对行

31、（X）和列（Y）进行寻址。输入信号LOAD-S用于控制X或Y的起始地址，而输入信号LOAD-I则用于控制X或Y的地址增量；同步信号SYNC用于启动选定地址的工作；INCR信号用于将地址增量赋予锁存器；INPUT用于输入地址，它可以是起始地址，也可以是增量地址；地址输出则是上述输入信号的联合控制结果。3.6.3 高速高速CMOS图像传感器图像传感器 LUPA1300为帧频高达450帧/秒的高速CMOS图像传感器，它有16路并行输出端，每路的数据率均为40MHz，因此，它是一高速率的图像传感器。 （1）LUPA1300成像器件的结构成像器件的结构LUPA1300成像器件的结构如图8-51所示，它除

32、包含有像元阵列、Y和X移位寄存器，以及列放大器外，还有16路并行输出的放大器、Y和X的起始点定位器、像元信号驱动电路和逻辑电路等。 LUPA1300成像器件的像元结构如图8-52所示，它为主动式像元结构。它的主要特点在于增加了预存储器，用它储存像元信号，以便曝光结束时能立即将像元信号存下来。这样，就可以将像元迅速复位，开始下一周期的积分工作。为了消除在存储器中储存的上一帧像元信号，需要对此存储器进行复位，即预充电的工作。 像元输出信号要经过列放大器放大，列放大器同时还起着像元与输出放大器之间的接口作用。为了提高工作速度，该放大器必须尽量简化，减少放大级数。 从列放大器输出的信号要经过输出放大器

33、放大，才能向外输出。图8-53所示为放大电路的原理框图，总共有16个这种放大器，以便得到16路并行输出；负载电容（20pF）很小，能使器件高速运行。为消除电源波动的影响，采用稳压电源，而且引入稳定的参考电压。 输出放大器的输出特性如图8-54所示，其中暗信号对应于高电平，而饱和信号则对应于0电压。这一特性曲线基本上是线性的。 为消除温度变化的影响，在成像器件中还设有校正温度影响的电路。 上述各部件在时序脉冲控制下工作，它包括两部分：像元阵列的工作时序和行像元信号的输出时序。 图8-55所示为像元阵列的工作时序，它确定了积分时间、像元信号采样、预充电和复位等时序。当Umem达到低电平时，开始对存

34、储器进行充电，使存储器的电压等于参考电压；采样脉冲下降沿来到后，像元信号便存储在存储器中；预充电和像元信号的采样是在Umem维持低电平的时间内完成的，这段时间便是帧消隐时间。当Umem重新回到高电平时，开始读出像元信号；与此同时，对像元复位，从复位信号的下降沿起，新一帧积分光信号便开始了。复位脉冲的下降沿至采样脉冲的宽度为可变积分时间。复位脉冲RS用于实现输出/输入曲线呈现双斜率状态（图8-34）。即当不采用RS且复位脉冲R宽度最窄时，积分时间最长，输出/输入曲线的斜率最大；而当采用RS脉冲后，R脉冲的下降沿至RS脉冲的下降沿间的时间间隔为积分时间；它可以缩短积分时间，从而降低了输出/输入曲线

35、的斜率。由此，输出/输入曲线便出现了双斜率。 行选择过程的时序脉冲波形如图8-56所示，它是由同步脉冲SYNC-Y和时钟脉冲CLCK-Y共同控制完成的。SYNC-Y脉冲从地址移位寄存器下载行地址，并馈送给Y移位寄存器。CLCK-Y脉冲序列依次触发各选行脉冲信号，使其依次选出各行信号。SYNC-Y与CLCK-Y脉冲都是上升沿触发的，而且为了使CLCK-Y能正常工作，SYNC-Y的高电平应覆盖CLCK-Y的上升沿。 同步信号SYNC-X的作用是，从地址移位寄存器中读出地址馈送给X移位寄存器，再将16个列组与16个输出端相连。然后，时钟脉冲CLCK-X便驱动X移位寄存器，使得16个放大器同时输出16

36、个并行的图像信号。 如图8-57所示，当行选出后，要对该行的像元进行读出。首先应让信号稳定，它所需时间为消隐时间，剩下的时间才是行读出时间。 对Y移位寄存器输入起始行和终点行的地址，对X移位寄存器输入起始列和终点列的地址，便可以取出所需要的局部图像。这种部分取景的方法可获得很高的帧输出频率，获取高速运动物体的图像。是CMOS图像传感器独具的特点。但，不是所有CMOS图像传感器都具有此特性。3.7 CMOS摄像机摄像机 随着CMOS成像器件性能的提高，摄像机的性能也有很大程度的提高，有些技术指标已经基本上达到与CCD摄像机相当的水平。而，由于它的尺寸小、价格低，具有多种输出方式等特点，更方便地获

37、得任意局部取景范围的图像，并能将图像快速度读出，实现了CCD图像传感器无法办到的图像采集与处理工作。使得CMOS图像传感器获得了更加广泛的应用。 l8.5.1 IM28-SA型型CMOS摄像机摄像机 IM28-SA型CMOS摄像机为加拿大DALSA公司的产品，具有速度快、能够实现整体曝光、快速拍照和局部取景等功能。光谱响应范围也与CCD图像传感器的光谱响应相差不多，具有高达120dB的动态范围。但是，它光谱响应特性曲线的平滑度较差，限制了它的应用。 表8-5列举了三种CMOS摄像机的基本特性参数，从表中可以看出，只有IM28-SA型CMOS摄像机才具有小范围取景的功能。 表表8-5 CMOS摄

38、像机的性能参数摄像机的性能参数 参数IM28SAIM75SAMC1300像素数102410241024102412801024像素尺寸（m）10.610.610.610.61212填充率（%）353540光谱响应范围（nm）380110038011004001000量子效率（%）2525响应度(Vm2/W)0.711.21000(Lsb/lxs)数据率（MHz）内同步28.4；外同步2028.4内同步40；外同步1020数据位数（bit）8和101016帧频(f/s)277547动态范围（dB）线性48非线性12859噪声（RMS）1LSB2行128列电源电压（V）55内部电源835摄像机包括

39、硬件和软件两部分。硬件部分由CMOS成像器件、处理电路和接口电路组成；软件由读出帧速控制、曝光时间控制、放大器增益控制和取景范围控制等部分组成。IM28-SA型CMOS摄像机的光谱特性如图8-58所示。它的光谱响应特性表明在可见光波段有很均匀的响应，比CCD图像传感器更有特色。但是，它在400500nm间的响应不如CCD图像传感器。 它的输出特性曲线如图8-59所示。 MC1300高速高速CMOS摄像机摄像机 MC1300型型 CMOS摄像机摄像机为德国MIKROTRON公司的产品。它的数据率高达130MB/s，适用于摄取运动目标的图像。此外，摄像机的光谱响应在近红外（835nm）处的响应度仍

40、较高，具有自动电子快门，确保图像的照度适中和图像清晰度。 这种摄像机的硬件采用高性能CMOS成像器件、数据存储器、移位寄存器和串行接口等电路，可以实现多种控制功能和运行模式。 在存储器中有6个简表其中之一，存储了摄像机运行的部分模式，如图像亮度、对比度和灰度等，这些数据都可根据需要改变，而且可由外部控制更改；另一个简表也存储了摄像机运行的部分模式，这些模式由厂家设定，用户不能改变；其他4个简表则为用户简表，内部可存储用户设定的摄像机运行的各种模式，并可以和第一个简表进行交换，也可从厂家简表中取得模式。 上述存储器中取得运行模式后，输入到移位寄存器，便实施模式控制。在该摄像机中共有15个移位寄存

41、器，能实施的运行模式有：行长度的控制用于取景控制，可将图像的每行长度控制为1/8，1/4，1/2行长和全行长等4种长度。选择行长度时，要考虑像敏单元合并对图像的影响。 曝光形式的控制 曝光形式包含快门的有无与同步控制的有无。采用快门，可以控制曝光时间，采用同步控制可以定时摄取图像。 帧频控制 依据取景大小改变帧的周期。按表8-7所示的时间参数设定帧周期。显然，模式0的分辨率最低，速度最快；模式3的分辨率最高，但速度最慢。应用时，要根据具体情况适当选择帧频控制模式。 表表8-7 时间参数时间参数 摄像机模式0123取景尺寸（像元数）1201002602606404801 2801 02钟频（MH

42、z）663313.26.6行周期（s）2.474.1210.320.6帧周期（s）1/4 8521/9331/2021/47像元合并模式像元合并可以增强信号，适用于光线很弱的场合；此外，由于像敏单元的减少，帧频可以提高。增益控制数字信号也可以放大，增益分4级：1，2，4和8级。摄像计数摄像机内有一个16b的图像计数器，可以对所摄图像打印出图号标记等。图像闪烁曝光 这一模式的作用是，缩小图像取景范围，并且自动检查所需取景范围内图像的灰度；当上述灰度超过给定阈值时，就可以进行闪烁曝光。因为闪烁曝光时间很短，适用于摄取快速运动目标的图像。DC基本上都是由镜头、图像传感器（使用CCD/CMOS）、模拟

43、/数字信号转换器（A/D）、微处理器（MPU）、内置存储器、液晶显示器（LCD）、电子取景器（EVF）、可移动存储器（基本上是各种存储卡）和接口（和PC相连的USB以及和电视相连的AV等）等部分组成。DC的成像原理的成像原理1.用DC拍摄景物时，景物反射的光线通过DC的镜头透射到CCD上。2.当CCD曝光后，光电二极管产生信号电荷3.CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器。4.经过放大和滤波后的电信号被送到A/D，由A/D将电信号（此时为模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度即电压的高低成正比。这些数值其实就是图像的数据了.5. 图像数据还不能直接生成图像，还要输出到数字信号处理器（DSP）。在DSP中，这些图像数据被进行色彩校正、白平衡处理等后期处理，编码为DC所支持的图像格式、分辨率等数据格式，然后才会被存储为图像文件。 作业：作业：P251 8.2 8.5 8.7 8.8 8.9 8.12 8.14