攝像頭芯片原理與應(yīng)用

1、攝像頭芯片 分類與應(yīng)用,目錄,人眼與攝像頭；攝像頭對人眼的拓展：時(shí)間域；空間域；能量域；頻譜域；傳感器選擇；專題：CCD、CMOS比較；,人眼的功能,人眼相當(dāng)于一架攝像機(jī)，人通過視覺獲取絕大多數(shù)信息。人眼由角膜、晶狀體、前房后房、玻璃體等環(huán)節(jié)組成。人眼局限：時(shí)間：看不到50Hz以上的閃爍，也不能長時(shí)間凝視；空間：人眼的最小分辨率空間角為1角分；能量：適合的光強(qiáng)為0.1lux到3000lu

2、x；頻譜：只對380nm到780nm波長電磁波敏感；,攝像頭的目的,攝像頭的目的就是在如下方面拓展人眼視覺：時(shí)間、空間、能量、頻譜；普通幀頻--------低幀頻、高幀頻；普通分辨率--------高分辨率；普通照度---------低照度、高動(dòng)態(tài)范圍；可見光域---------紅外域、紫外域、X射線域、多光譜域；,目錄,人眼與攝像頭；攝像頭對人眼的拓展：時(shí)間域；空間域；能量域；頻譜域；

3、傳感器選擇；專題：CCD、CMOS比較；,時(shí)間域,普通幀頻在普通應(yīng)用中，攝像頭的幀頻在5到200幀/秒之間。,時(shí)間域,慢掃描 在一些科學(xué)儀器或者醫(yī)學(xué)微光成像應(yīng)用中，對圖像的幀頻要求不高，但是對信噪比、最低探測輻照度要求嚴(yán)格。這時(shí)會(huì)降低傳感器的讀出頻率，以獲取較低的讀出噪音。這時(shí)，攝像頭的幀周期可達(dá)到幾分鐘甚至數(shù)小時(shí)。,時(shí)間域,高速 高速攝像頭幀頻500到2000幀，代表性的應(yīng)用在：汽車碰撞試驗(yàn)、彈頭運(yùn)動(dòng)分析等。,時(shí)間

4、域,超高速 超高速攝像頭幀頻可達(dá)到1MHz，甚至更高。這種超高速可以采用CCD器件實(shí)現(xiàn)，但是只能存儲(chǔ)很短的序列圖像，如288幀。代表應(yīng)用：流體力學(xué)、火焰分析、爆轟實(shí)驗(yàn)。,空間域,普通分辨率 面陣：640×480、1280×1024、 2K×2K等； 線陣：1024、2048、4096等；,空間域,大分辨率 面陣：5K×7k，10K×10K等；

5、 線陣：10K，14K等； 典型應(yīng)用：航拍測繪、衛(wèi)星遙感；,能量域,普通照度 最低照度 信噪比為1時(shí)的輻照度；普通CCD攝像頭敏感可達(dá)0.2Lux；普通CMOS攝像頭在1Lux以上； 有些監(jiān)控用夜視攝像頭，標(biāo)稱達(dá)到0.001Lux，是加上圖像幀間處理后的效果；,能量域,低照度低于0.1Lux以下的成像，就可以稱為低照度應(yīng)用；低照度成像分為慢掃描和視頻成像兩種；低照度下視頻成像需要使用特殊CCD，如： E

6、MCCD、EBCCD、ICCD；普通的CCD傳感器通過慢掃描方式也可以實(shí) 現(xiàn)0.001Lux照度下成像。 延長爆光時(shí)間，提高光輻照量；降低信號讀出速率，減少讀出噪聲；采用致冷技術(shù)，降低暗電流噪聲；,能量域,超高動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍：飽和照度/最低照度。飽和照度受攝像頭傳感器勢阱容量限制，最低照度受攝像頭總體噪聲水平和傳感器量子效率限制；普通CCD攝像頭動(dòng)態(tài)范圍為48dB～60dB ；好的CCD電路設(shè)計(jì)，加上良

7、好的噪聲抑制電路可以達(dá)到72dB；專用CMOS傳感器采用非破壞電荷讀取技術(shù)和非線性光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以達(dá)到120dB動(dòng)態(tài)范圍。典型應(yīng)用：激光焊接實(shí)時(shí)監(jiān)控；,頻譜域,可見光具備和人眼接近的光譜響應(yīng)曲線，敏感區(qū)間在380nm到780nm 之間，峰值出現(xiàn)在550nm左右；,頻譜域,紅外近紅外：波長0.8－2.5um；中紅外：波長2.5－25um； 遠(yuǎn)紅外：波長25um－1000um；紅外傳感器通常針對1－2.5μm、3－5μm、

8、8－14μm三個(gè)紅外窗口，如InSb, HgCdTe, Vox等；典型應(yīng)用：武器導(dǎo)航、電站監(jiān)測、油庫監(jiān)測、輪機(jī)檢測、醫(yī)療診斷等；,頻譜域,紫外光由于地球大氣層中的臭氧對200－280納米波段紫外光的幾乎完全吸收，形成所謂的“日盲區(qū)”，工作在此波段的探測器的背景非常微弱而干凈?？梢允褂玫钠骷ǎ築CCD、EBCCD、熒光粉＋可見光CCD、紫外光電陰極像增強(qiáng)管等。典型應(yīng)用：高壓線路放電檢測、指紋提取、凝膠成像、化學(xué)發(fā)光成像等。,頻

9、譜域,X光 利用X射線生成待測樣品的影像，顯示其在厚度變化、內(nèi)部和外部缺陷以及裝配細(xì)節(jié)等，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和工業(yè)無損檢測；波長略大于0.5納米的被稱作軟X射線，波長短于0.1納米的叫做硬X射線。醫(yī)療主要使用軟X射線（管電壓小于25 kV）。能量小，對人體損傷小，具有大的吸收系數(shù)，因此成像更清晰，密度分辨率也更高。工業(yè)檢測典型應(yīng)用：焊縫檢測、鋼絲繩檢測、工業(yè)CT、輪胎檢測、復(fù)合材料的缺陷檢測 等。,頻譜域,多光譜通常攝像頭只是獲

10、得一定范圍內(nèi)光譜曲線積分的結(jié)果。多光譜、超光譜成像技術(shù)不同于傳統(tǒng)的單一寬波段成像技術(shù)，而是將成像技術(shù)和光譜測量技術(shù)相結(jié)合，獲取的信息不僅包括二維空間信息，還包含隨波長分布的光譜輻射信息，形成所謂的“數(shù)據(jù)立方”。多光譜的實(shí)現(xiàn)通常有兩種方式。一種是采用多鏡頭成像，每個(gè)鏡頭對應(yīng)一個(gè)光譜段，用帶通濾波器選出對應(yīng)譜段，各鏡頭同時(shí)對同一視場成像。另一種方式是采用單鏡頭成像，在焦面上采用分色系統(tǒng)，將不同譜段的像分開。,目錄,人眼與攝像頭；攝像頭

11、對人眼的拓展：時(shí)間域；空間域；能量域；頻譜域；傳感器選擇；專題：CCD、CMOS比較；,傳感器選擇,普通應(yīng)用面陣/線陣；分辨率；CCD/CMOS；工作幀頻；黑白/彩色，以及彩色掩膜；,傳感器選擇,普通應(yīng)用CCD轉(zhuǎn)移方式：全幀型、幀轉(zhuǎn)移型、行間轉(zhuǎn)移；勢阱深度，決定可探測信息的動(dòng)態(tài)范圍；量子效率及背景噪音，決定可以探測的最低照度；其他，像元尺寸、敏感波長、像元間距、逐/隔行、抗輻照加

12、固、工作溫度；,傳感器選擇,特殊應(yīng)用 主要依靠選擇專用的光電傳感器。如：紫外成像、紅外成像、多光譜成像、超高幀頻成像、低照度成像、Xray成像等；,目錄,人眼與攝像頭；攝像頭對人眼的拓展：時(shí)間域；空間域；能量域；頻譜域；傳感器選擇；專題：CCD、CMOS比較；,CCD、CMOS比較,1.信息讀取方式 CCD電荷耦合器存儲(chǔ)的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息

13、轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復(fù)雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單。2.速度 CCD電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號的同時(shí)就可以取出電信號，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。,3.電源及耗電量 CCD電荷耦合器至少需要三組電源供電，耗電

14、量較大；CMOS光電傳感器一般只需使用一個(gè)電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢。4.成像質(zhì)量 CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢。由于CMOS 光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴(yán)重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大。近年，隨著CMOS電路