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1、CCTV-2-CCTV-2-传感器资料传感器资料闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学信息工程学院电视工程系第第2 2章图像传感器原理章图像传感器原理摄像机是闭路电视监控系统最基本的前端摄像机是闭路电视监控系统最基本的前端设备，而设备，而图像传感器图像传感器图像传感器图像传感器则是摄像机的核心部件。则是摄像机的核心部件。 信信号号处处理理视频信号输出视频信号输出镜头镜头摄像机摄像机2 2闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系
2、中国传媒大学信息工程学院电视工程系CCD的结构：由一行行紧密排列在硅衬底上的的结构：由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器构成。电容器构成。三相二位三相二位N沟道沟道CCD简图、驱动脉冲简图、驱动脉冲 3 3闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学信息工程学院电视工程系当当t=t1时，时， 1高，高， 2、 3低，低，ID和和OD正偏压，在正偏压，在IG、OG下下面的表面产生深的耗尽层，面的表面产生深的耗尽层，6个个MOS电容器也产生深的耗尽层。电容器也产生深的耗尽层。 1下面的表面电势比下面的表面电势
3、比 2、 3下下面的表面电势大，而这种表面面的表面电势大，而这种表面电势的差别使得在电势的差别使得在P型硅衬底的型硅衬底的不同区域上形成了高低分布不不同区域上形成了高低分布不均的电势，其中相对于高电势均的电势，其中相对于高电势而言，低电势区域被称为势阱。而言，低电势区域被称为势阱。此时，由热激发产生的电子此时，由热激发产生的电子空穴对中，空穴将流向衬底，空穴对中，空穴将流向衬底，电子则聚集到势阱里，从而在电子则聚集到势阱里，从而在那里产生不是信号电荷的电荷那里产生不是信号电荷的电荷包。当包。当CCD工作时，使用脉冲工作时，使用脉冲电压，趁热激发产生的电子来电压，趁热激发产生的电子来不及聚焦（即
4、尚未达到热平衡不及聚焦（即尚未达到热平衡状态）的时候进行转移。这样，状态）的时候进行转移。这样，在势阱里注入的就仅是信号电在势阱里注入的就仅是信号电荷的电荷包。荷的电荷包。 4 4闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学信息工程学院电视工程系摄像机器件的结构摄像机器件的结构 a) X-Y选址选址 b) LT方式方式 c) FT方式方式 d) ILT方式方式5 5闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学信息工程学院电视
5、工程系图像传感器特性图像传感器特性1.光谱特性光谱特性6 6闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学信息工程学院电视工程系2.分辨率分辨率7 7闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学信息工程学院电视工程系3.暗电流暗电流暗电流起因于热激发产生的电子空穴对。光信暗电流起因于热激发产生的电子空穴对。光信号电荷的积累时间越长，其影响越大。号电荷的积累时间越长，其影响越大。CCD器件本器件本身的缺陷是暗电流产生的主要原因，
6、而且这种器件本身的缺陷是暗电流产生的主要原因，而且这种器件本身的缺陷还使得暗电流的产生也不均匀，表现为在身的缺陷还使得暗电流的产生也不均匀，表现为在CCD处于非光照环境下也会产生固定的图形。暗电处于非光照环境下也会产生固定的图形。暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围。另外，在流限制了器件的灵敏度和动态范围。另外，在CCD阵列中，局部产生大暗电流的地方，多数会出现暗电阵列中，局部产生大暗电流的地方，多数会出现暗电流尖峰。流尖峰。 8 8闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学信息工程学院电视工程系4.灵敏度和
7、动态范围灵敏度和动态范围CCD图像传感器要求灵敏度高、动态范围宽。图像传感器要求灵敏度高、动态范围宽。CCD的灵敏度一般用最低照度来表示，所谓灵敏度高的灵敏度一般用最低照度来表示，所谓灵敏度高即是要求其在很低的照度下也能输出较为清晰的图像。即是要求其在很低的照度下也能输出较为清晰的图像。照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通量。照度的单位是每平方米照射到单位面积上的光通量。照度的单位是每平方米的流明（的流明（lm）数，也叫做勒克斯（）数，也叫做勒克斯（lx）：）：1 lx = 1 lm/m2上式中，上式中，lm是光通量的单位，
8、其定义是纯铂在熔化温是光通量的单位，其定义是纯铂在熔化温度（约度（约1770oC）时，其）时，其1/60cm2的表面面积于的表面面积于1球面球面度的立体角内所辐射的光量。度的立体角内所辐射的光量。9 9闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学信息工程学院电视工程系举例：举例：举例：举例：一只一只100W的白炽灯，其发出的总光通量约为的白炽灯，其发出的总光通量约为1200 lm，若假定该光通量均匀地分布在一半球面上，若假定该光通量均匀地分布在一半球面上，则距该光源则距该光源1m处和处和5m处的光照度值可分别
9、按下列步处的光照度值可分别按下列步骤求得：骤求得：半径为半径为1m的半球面积为的半球面积为212 = 6.28 m2距光源距光源1m处的光照度值为处的光照度值为1200 lm/6.28m2 = 191 lx同理，半径为同理，半径为5m的半球面积为的半球面积为252 = 157 m2距光源距光源5m处的光照度值为处的光照度值为1200 lm/157m2 = 7.64 lx可见，从点光源发出的光照度是遵守平方反比律的可见，从点光源发出的光照度是遵守平方反比律的 1010闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学
10、信息工程学院电视工程系5.弥散（弥散（Blooming）现象的控制）现象的控制 由于由于CCD势阱对光信号电荷的收容能力有一定势阱对光信号电荷的收容能力有一定的限度，所以，当高照度光局部地照射的限度，所以，当高照度光局部地照射CCD单元时，单元时，电荷量将从势阱溢出。此时从势阱溢出的电荷流入电荷量将从势阱溢出。此时从势阱溢出的电荷流入邻近势阱，光产生的图像就会失真。这种现象称为邻近势阱，光产生的图像就会失真。这种现象称为弥散现象。为防止弥散现象的出现，从这个势阱溢弥散现象。为防止弥散现象的出现，从这个势阱溢出的电荷在到达邻近势阱之前必须在其近处立即吸出的电荷在到达邻近势阱之前必须在其近处立即吸
11、收。收。 1111闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学信息工程学院电视工程系6.低照度传感器低照度传感器 各种光源的亮度各种光源的亮度光 源照度（lm / m2）发射照度（W / m2）直射太阳光阴天傍晚月亮光星光1051031010-110-3510350510-1510-3510-51212闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学信息工程学院电视工程系把入射光成像在光阴极上，再从光阴极上发射光把入射光成像在光
12、阴极上，再从光阴极上发射光电子，并用几千伏的电压加速光电子，使之在电子，并用几千伏的电压加速光电子，使之在CCD的的背面聚焦。通过这种方法，灵敏度能提高几千倍。如背面聚焦。通过这种方法，灵敏度能提高几千倍。如用用10kV的加速电压，能获得的加速电压，能获得2300倍的增益。倍的增益。 1313闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学信息工程学院电视工程系1CCD图像传感器通常需要图像传感器通常需要3组以上的高压组以上的高压电源，而电源，而CMOS传感器只要用与传感器只要用与CMOS逻辑逻辑相同的单一低压电
13、源（相同的单一低压电源（5V或或3.3V）即可。因）即可。因此，其制造成本、消耗功率以及尺寸大小等此，其制造成本、消耗功率以及尺寸大小等都比都比CCD有优势，特别是功率及尺寸大小对有优势，特别是功率及尺寸大小对便携型终端产品（例如便携型终端产品（例如PDA、数字相机、移、数字相机、移动手机、笔记本电脑）来说是十分重要的。动手机、笔记本电脑）来说是十分重要的。CMOS图像传感器图像传感器1414闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学信息工程学院电视工程系2CMOS图像传感器的生产工艺可以在现有图像传感器的
14、生产工艺可以在现有CMOS逻辑器件或是逻辑器件或是DRAM存储器件的生产存储器件的生产线基础上稍加改进，因而生产工艺简单，系线基础上稍加改进，因而生产工艺简单，系统成本更低，还可以方便地将时序控制与图统成本更低，还可以方便地将时序控制与图像处理等功能模块集成于一体，因而很容易像处理等功能模块集成于一体，因而很容易制成单片摄像机（传感器和周边电路都集成制成单片摄像机（传感器和周边电路都集成在同一个芯片上）。在同一个芯片上）。1515闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒大学信息工程学院电视工程系3CCD图像传
15、感器的电荷传送路径一致，且图像传感器的电荷传送路径一致，且使用同一个信号放大器，因而画面的整体均使用同一个信号放大器，因而画面的整体均匀度、信噪比和灵敏度等指标均较高。而匀度、信噪比和灵敏度等指标均较高。而CMOS图像传感器则通常会因构成像素的光图像传感器则通常会因构成像素的光电二极管（电二极管（photodiode）的漏电流及信号放）的漏电流及信号放大器等所产生的杂波过大而影响到输出信号大器等所产生的杂波过大而影响到输出信号的信噪比和灵敏度。的信噪比和灵敏度。1616闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统闭路电视监控系统C CC CTVTV中国传媒大学信息工程学院电视工程系中国传媒
16、大学信息工程学院电视工程系1717进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着“怎么这么热怎么这么热”，于是三五成群，聚在大树，于是三五成群，聚在大树下，或站着，或随即坐在石头
17、上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到“强子，别跑了，快来我给你扇扇强子，别跑了，快来我给你扇扇”。孩。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，“你看热的，跑什么？你看热的，跑什么？”此时这把蒲扇，此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在是那
18、么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧道，袅长的时间隧道，袅结束
