图像传感器应用技术
CMOS图像传感器的应用
CMOS图像传感器的应用1.4.1 数字电视和视频摄像电子图像传感器的起源就来自电视摄像的应用，CMOS图像传感器现在已经成为先进的数字电视摄像设备的主流图像传感器。
电视和视频摄像的特点就是摄取连续图像，在这个领域中除了广播电视以外，CMOS图像传感器广泛应用于监控摄像机（Surveillance）、网络和多媒体摄像（Webcam）以及个人和专业的数字视频摄像机（Camcorder）。
虽然CCD图像传感器在这一广阔领域仍然占有一席之地，但在高清晰度电视HD1080及以上的最新型号数字图像摄像机中，采用CMOS图像传感器已经成为主流。
在数字电视和视频技术领域中，广泛应用先进的高速数据传输、存储和信号处理技术，并与微型计算机、网络和数字通信技术接口，直接输出图像数据的CMOS图像传感器芯片，比其前一代CCD图像传感器具备更明显的优势。
1.4 CMOS图像传感器的应用1.4.1 数字电视和视频摄像电子图像传感器的起源就来自电视摄像的应用，CMOS图像传感器现在已经成为先进的数字电视摄像设备的主流图像传感器。
电视和视频摄像的特点就是摄取连续图像，在这个领域中除了广播电视以外，CMOS图像传感器广泛应用于监控摄像机（Surveillance）、网络和多媒体摄像（Webcam）以及个人和专业的数字视频摄像机（Camcorder）。
虽然CCD图像传感器在这一广阔领域仍然占有一席之地，但在高清晰度电视HD1080及以上的最新型号数字图像摄像机中，采用CMOS图像传感器已经成为主流。
在数字电视和视频技术领域中，广泛应用先进的高速数据传输、存储和信号处理技术，并与微型计算机、网络和数字通信技术接口，直接输出图像数据的CMOS图像传感器芯片，比其前一代CCD图像传感器具备更明显的优势。
1.4.2 静止图像数码照相机当今的静止图像数码照相机已经几乎完全取代了有近二百年历史的胶片照相术。
当1975年伊斯曼-科达公司发明数码照相机时，正是得到了CCD图像传感器技术的帮助和推动。
CCD图像传感器原理及应用.
• [5] 王庆友 , 于桂珍 . 利用线阵 CCD 非接触测量材料变形量的方法 . 光电工 程,2002
谢
谢！
二、CCD传感器应用领域
1．小型化黑白、彩色TV摄像机 2．传真通讯系统 3．光学字符识别 4．工业检测与自动控制 5．医学标本分析与检测（如血细胞分析仪）， 6． 天文观测 7． 军事上应用
三、图像传感器应用技术
----尺寸测量
信号的二值化处理
CCD传感器光敏单元的输出可以看成“0”、“1” 信号,通过对输出为“0”的信号进行计数,即可测出物 体的宽度。这就是信号的二值化处理。实际应用时, 物像边缘交界处光强是连续变化的,而不是理想的阶 跃跳变,要解决这一问题可用两种方法:比较整形法; 或者 微分法。
L S
L L d L 2 S S S S
小尺寸的检测
信号处理
计 数 显 示
L
n· p
控制器
•
a L==( +1)· np ' f
例子：钢珠直径，小轴承内外径，小轴径、孔径，小玻 璃管直径，微小位移测量，机械振动测量。
大尺寸检测（或高精度工件检测）
CCD1 CCD2
PMT
PMT从五十年代发展到现在，技术已经非常 成熟。它的形状就像一个圆柱体的小灯泡，直 径约一寸，长度约二寸；内置多个电极，将进 入的光信号转化为电信号，最高动态范围可达 4.2，而且它非常耐用，可以运作十万小时以 上。但是由于它的造价相当高，目前只是应用 于专业的印刷、出版业的扫描仪及工程分析。
CCD
CCD是美国贝尔实验室于1969年发明的，与 电脑晶片CMOS技术相似，也可作电脑记忆体及 逻辑运作晶片。CCD是一种特殊的半导体材料， 它是由大量独立的感光单元按照矩阵形式排列 组成的。CCD的感光能力比PMT低，但近年来 CCD技术有了长足的进步。由于CCD的体积小、 造价低，所以广泛应用于扫描仪、数码相机及 数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的图 像传感器都是CCD。
CMOS图像传感器原理及应用
• 无源像素传感器
在无源像素传感器的像素单元中包括一个光二 极管(PhotoDiode)和一个MOS管，MOS管作为 行选(RowSeleet)开关.
• 有源像素传感器
这种有源像素传感器的像素单元通常称为3-T(3-Trnasistor) 结构，在像素单元中，除一个光二极管外，还包括一个重 置(Reset)MOS管、一个源极跟随器(Source Follower) MOS管和一个行选MOS管。
噪声特性
• 由于数码相机本身采用大量的 电子器材，所拍摄的影像质量 很容易受到电子原件的电磁溢 波干扰，CMOS图像传感器上 残存的能量以及运作环境温度 升高（机体运作时间过久）所 产生的自然噪声。这些噪声会 被纪录在你所拍摄的影像画面 中，你可以透过单一色调的拍 摄（黑色）做为观察Noise的指 标。
CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较
• 感光组件的区别： • 放大器位置和数量:比较CCD图 像传感器和CMOS图像传感器 的结构，放大器的位置和数量 是最大的不同之处 。
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性能差异： 由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现的不同点。 CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透 过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持数据的完整性。 CMOS图像传感器的制程比较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再 整合各个像素的数据。 整体来说，CCD图像传感器与CMOS图像传感器两种设计的应用，反应在成像效 果上，形成包括ISO感光度、制造成本、分辨率、噪声与耗电量等，不同类型的差 异： 1、ISO感光度差异： 2、成本差异 3、分辨率差异 4、噪声差异 5、耗电量差异 6、随机读取
图像传感器及其应用
图像传感器及其应用一、图像传感器介绍（一）图像传感器简介图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。
根据元件的不同，可分为CCD （Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。
（二）CCD图像传感器CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，这也是市场很多采用USB 接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。
尽管在技术上有较大的不同，但CCD 和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，但该问题已经基本得到解决。
CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。
图像传感器又叫感光元件。
（三）CMOS图像传感器在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。
1963年Morrison发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS图像传感器发展的开端。
1995年低噪声的CMOS有源像素传感器单片数字相机获得成功。
CMOS图像传感器具有以下几个优点：1）、随机窗口读取能力。
随机窗口读取操作是CMOS图像传感器在功能上优于CCD的一个方面，也称之为感兴趣区域选取。
此外，CMOS图像传感器的高集成特性使其很容易实现同时开多个跟踪窗口的功能。
2）、抗辐射能力。
总的来说，CMOS图像传感器潜在的抗辐射性能相对于CCD性能有重要增强。
3）、系统复杂程度和可靠性。
采用CMOS图像传感器可以大大地简化系统硬件结构。
图像传感器的工作原理及应用视频
图像传感器的工作原理及应用视频一、介绍图像传感器是一种用于电子设备中捕捉光学图像的装置。
它是数字相机、摄像机、手机等设备的重要组成部分。
本文将介绍图像传感器的工作原理以及在各个领域中的应用。
二、工作原理图像传感器利用光电效应将光信号转换为电信号。
常见的图像传感器有两种类型：CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）。
以下分别介绍它们的工作原理：2.1 CCDCCD是一种带有电荷耦合器件的传感器。
它由大量光敏元件组成，每个光敏元件都可以将光信号转换为电荷。
工作原理如下： 1. 光束通过透镜进入CCD芯片，照射到光敏元件上。
2. 光敏元件将光信号转换为对应光电荷，并储存在垂直传输信道中。
3. 依据一定的时序，将储存的光电荷逐行转移到输出节点。
4. 将输出节点的电荷转换为电压信号，再经过模数转换器（ADC）转换为数字信号。
2.2 CMOSCMOS是一种利用CMOS工艺制造的图像传感器。
它由大量光敏元件、电荷放大器和信号处理电路组成。
工作原理如下： 1. 光束通过透镜进入CMOS芯片，照射到光敏元件上。
2. 光敏元件将光信号转换为电荷，并储存在每个像素单元中。
3. 通过电荷放大器将每个像素单元的电荷放大。
4. 将放大后的电荷转换为电压信号，并经过信号处理电路进行噪声滤除、增益调整等操作。
5. 最后，将数字信号传输给后续的图像处理器进行处理和存储。
三、应用领域图像传感器在许多领域中得到广泛应用，下面列举了几个典型的应用领域：3.1 摄影和摄像图像传感器是数字相机、摄像机的核心部件。
它能够捕捉光线，将其转换为数字信号，再经过图像处理算法生成照片或视频。
现代的图像传感器具备较高的分辨率和色彩还原能力，能够满足摄影和摄像的需求。
3.2 安防监控图像传感器在安防监控领域扮演着重要角色。
通过将图像传感器与摄像头相结合，可以实时监控并记录行人、车辆等活动。
图像传感器具有较高的灵敏度和动态范围，能够在低光环境和高对比度环境中提供清晰的图像。
简述cmos图像传感器的工作原理及应用
简述cmos图像传感器的工作原理及应用CMOS图像传感器是一种用于转换光信号为电子信号的器件，可以将光学图像转换成数字图像，其工作原理是基于光电效应和集成电路技术。
CMOS图像传感器由图像传感单元阵列和信号处理单元组成。
图像传感单元阵列由大量的光敏单元组成，每个光敏单元具有一个光感受器和一个电荷积累器，用于将光信号转换为电荷，并对图像进行采样。
每个光敏单元相邻之间通过衬底电位的设置实现光电转换效应。
信号处理单元负责将电荷转换为电压、放大、采样和数字化。
CMOS图像传感器的工作原理如下：当光照射到光敏单元上时，光敏单元中的光感受器将光信号转化为电荷。
电荷通过电场的作用从光感受器向电荷积累器偏移，并在电荷积累器中积累。
一旦接收到光信号并完成电荷积累后，将在传感器的特定位置产生电压信号。
然后，信号处理单元会将电荷转换为电压，并对图像进行放大、采样和数字化处理。
最后，图像传感器将数字图像通过数据接口发送给外部设备。
CMOS图像传感器具有以下几个优点：1. 集成度高：CMOS图像传感器可以集成在单个芯片上，因此可以实现小尺寸和轻量化，适合于集成在各种移动设备中。
2. 低功耗：CMOS图像传感器的功耗相对较低，可以延长设备的电池寿命。
3. 成本低：相比于传统的CCD图像传感器，CMOS图像传感器的制造工艺更简单，成本更低。
4. 高速读取：CMOS图像传感器可以实现高速连续拍摄，适用于高速摄影和视频录制等应用。
5. 可编程性强：CMOS图像传感器的信号处理单元可以通过软件配置进行调整和优化，实现更灵活的图像处理。
CMOS图像传感器在各个领域都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：1. 摄像头和视频监控：CMOS图像传感器可以应用于手机摄像头、数码相机、安防摄像头等领域，实现图像和视频的捕捉和处理。
2. 机器视觉和工业自动化：CMOS图像传感器可以应用于机器视觉系统中，用于图像的识别、测量和检测，广泛应用于工业自动化、智能制造等领域。
新型图像传感器iccd的原理及应用
新型图像传感器ICCD的原理及应用1. 概述新型图像传感器ICCD（Intensified Charge-Coupled Device）是一种基于CCD技术的增强型图像传感器。
它通过引入增强器件，能够实现对弱光下图像的增强和捕捉。
本文将介绍ICCD的原理以及其在不同领域的应用。
2. ICCD原理ICCD传感器的原理主要包括增强、捕捉和传输三个过程。
2.1 增强过程增强过程是ICCD的关键部分，它通过引入增强器件，将弱光信号增强到足够的水平，以便后续的捕捉和传输。
增强器件通常是一种微通道板（Micro-Channel Plate，MCP），它由成百上千个微小的通道组成，可以将入射光子增强到多个电子。
这种增强效应使得ICCD能够在非常暗的环境下获得清晰的图像。
2.2 捕捉过程捕捉过程是指将增强后的信号捕捉并转换为电荷。
在ICCD中，增强后的光子经过MCP后，进入到感光元件——CCD芯片中。
在CCD芯片中，光子会通过光电效应产生电子，这些电子被存储在电荷传输区域。
捕捉过程的关键是确保高效率的光电转换和电子传输。
2.3 传输过程传输过程是指将捕捉到的电荷传输到输出端，形成图像信号。
传输过程主要依赖于CCD芯片中的排列和驱动电路。
通过适当的电荷传输和时序驱动，可以将电荷按照一定顺序传输到输出端，形成图像。
3. ICCD应用ICCD传感器具有强大的低光级别成像能力，因此在许多领域都有着广泛的应用。
3.1 夜视与安防ICCD传感器在夜视和安防领域中起到关键作用。
由于其能够在低光环境下进行增强和捕捉，可以实现对夜晚场景的清晰观察和监控。
它被广泛应用于军事、警察、交通监控等领域。
3.2 科学研究ICCD传感器也被广泛用于科学研究中，特别是在天文学和物理学领域。
由于天文观测和粒子探测常常需要在较弱的光条件下进行，ICCD传感器的增强能力可以使得这些实验和观测更加精确和可行。
3.3 医学成像在医学成像领域，ICCD传感器也有着广泛的应用，特别是在微生物学和细胞生物学研究中。
简述cmos图像传感器的工作原理及应用
简述CMOS图像传感器的工作原理及应用1. 工作原理CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor）作为一种常见的图像采集装置，在各种电子设备中被广泛应用。
它的工作原理主要包括以下几个步骤：1.1 光电转换当光线照射到CMOS图像传感器上时，光子会与图像传感器中的感光单元发生相互作用。
每个感光单元由一个光电二极管和一个储存电荷的电容器组成。
光电二极管的特殊结构使得它能够将光子转化为电荷。
1.2 电荷收集当感光单元吸收到光子后，光电二极管中的电子将被释放出来并存储在电容器中。
这个过程称为电荷收集。
光线越强，释放的电子就越多，储存在电容器中的电荷也就越多。
1.3 信号放大和采集为了确保图像的准确性和清晰度，接下来对储存的电荷进行放大和采集。
在CMOS图像传感器中，每个感光单元都有相应的输出线路，将电荷转化为电压信号，并经过放大电路进行信号放大。
1.4 数字转换放大后的模拟信号需要经过模数转换器（ADC）进行转换，将模拟信号转化为数字信号。
数字信号可以直接处理、存储和传输。
1.5 数据处理经过数字转换后，图像数据可以进行相关处理，如去噪、增强、压缩等。
处理后的图像可以输出到显示屏、存储设备或其他外部设备进行应用。
2. 应用2.1 摄像头CMOS图像传感器在摄像头中得到了广泛应用。
由于其低功耗、高集成度和成本效益等特点，CMOS图像传感器取代了传统的CCD图像传感器，成为主流的图像采集技术。
摄像头的应用领域包括智能手机、监控摄像机、数码相机等。
2.2 自动驾驶CMOS图像传感器在自动驾驶系统中发挥着重要的作用。
它可以捕捉到路面上的图像信息，识别道路标志、车辆、行人等障碍物，并将这些数据传输给自动驾驶系统进行处理和决策，从而实现自动驾驶功能。
2.3 医学影像在医学影像领域，CMOS图像传感器可以用于X光成像、透视成像和内窥镜等诊断设备中。
它可以高效地捕捉和记录患者的影像信息，帮助医生进行疾病的诊断和治疗。
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完成直角坐标的图像解析需要下面条件：
① 行周期与场周期满足
T y =nT x ② 行、场扫描的时间分配
(1-1)
光机扫描方式的水平分辨率正比于光学图像水平方向的
尺寸与光敏面在水平方向的尺寸之比。像元点数越多，水平
分辨率自然也越高。
垂直分辨率也正比于景物图像与光敏面在垂直方向的尺
寸之比。
减小光电传感器的面积是提高光机扫描方式分辨率的有
1939年RCA公司又推出采用双靶面（光电成像与电子束扫描
靶面）的低速电子扫描摄像管—正析像管。
1946年RCA公司研制出超正析像管，它在正析像管基础上又
增加移像、反束和增强等措施，使灵敏度提高1000倍，图像质
量已经达到相当高的程度。
真空摄像管发展到空前阶段
1963年荷兰菲利普公司推出氧化铅靶面光电导型摄像管（氧
绪论
1.图像传感器发展史 雷达采用极坐标方式扫
描出飞机飞行的方向
1938年英国在法国海岸线上布设能够观测敌方飞机的雷达 链，成为图像传感器用于战争防御最早实例。
自1887年外光电效应被发现后，于1897年人们利用外光电 效应研制出机械扫描电视系统，为早期的真空电子束摄像管
奠定了基础。
开始用直角坐标方式扫描出图像
换成电压号U。
于是，单元光电传感器输出的电压将被定义为Uxy，如图1.1 所示，x,y分别为点元的坐标。
当单元光电传感器以一定的速率做相对于景物图像运动时， 则输出信号电压Uxy成为景物图像的解析信息（或信号），即 信号电压Uxy解析了光学图像。
必备条件： ① 单元光电传感器的面积与被扫描图像的面积相比必须 很小，才可以将图像分解为一个像元点； ② 单元光电传感器必须对图像发出各种波长的光敏感； ③ 单元光电传感器必须相对被分解图像做有规则的周期 运动（扫描），且扫描速率应该较图像的变化速率要快； ④水平往返运动的速率远高于垂直运动的速率； ⑤水平运动为行扫描，由左向右为正程，返回定义为逆程； 垂直运动为场扫描，由上而下为正程，返回为逆程。
这三个参数是相互制约 的，不可能同时提高， 在实际应用中要根据情 况适当选择。
2、与光电成像器件有关的参数
（1）扫描速率
行扫描速率（行正程）νxz取决于光学图像在水平方向的
尺寸A和行正程时间Txz
νxz=A/Txz
（1-2）
垂直方向的场扫描速率（场正程）νyz取决于光学图像在
效方法；
光敏面的减小，扫描点数的增多，使行正程的时间增长，
或必须提高行扫描速度。
光机扫描方式的水平分辨率受到扫描速度的限制。提高光 机扫描方式分辨率与扫描速度的方法是采用多元光电自扫描传 感器（例如线阵CCD）构成多元光机扫描方式。
（2）多元光机扫描方式 如图1-2所示多元光机中只需要y 方向的一维扫描便可以将 整幅图像转换成视频信号输出，弥补了机图1械-2多扫元描光速机扫度描慢方的式原缺理点图， 同时减少了双向行扫描的繁杂机械扫描机构。 一些生产线上的质量检测也属于多元光机扫描方式成像的 案例，例如玻璃表面瑕疵的检测，大米色选，纺织物品的质量 检测等。
第1章 图像解析与显示 如何将场景图像分解（变换）成一维时序信号？如何将一 维时序信号还原成图像画面是本章要解决的问题。 1.1 图像解析原理 1.1.1 图像的解析方法 1.光机扫描图像解析方法 （1）单元光电传感器光机扫描方式 思考点：如何用单元光电传感器完成对景物图像扫描成像？
机械扫描装置带动传感器对景物图图像1进-1光行机直扫角描坐方式标原扫理描图； 带有光学成像系统的单元光电传感器可将景物中的点元照度转
化铅视像管）。它在暗电流、惰性、灵敏度、分辨率等方面都
表现优秀，也使电视摄像机走向快速发展阶段。
1970年美国贝尔电话实验室的W.S.Boyle与G.E.Smith提出了
CCD概念，后来人们又研制出CMOS半导体集成图像传感器使图
像传感器发展到今天的程度。 开始登场亮相
半导体集成图像传感器的产生与发展使图像传感器走入了
更为广泛的应用领域。 2.图像传感器应用技术的主要内容
重点在图像解析
《图像传感器应用技术》的前身是《CCD应用技术》，
2003年更名为《图像传感器应用技术》。 通过典型器件易于理解
第3版共有10章；第1章为图像解析与显示；第2、3、4、5
章CCD图像传感器的原理、特性与典型器件；第6章CMOS图像
传感器；第7章视频输出信号处理与计算机数据采集技术；第8
上述3种方式中电子束扫描方式图像传感器曾经历了高速发
展阶段，但是，由于其扫描的非线性与真空封装等系列问题限
制了推广应用。
自扫描固体图像传感器能够克服电子束图像传感器的缺陷
而获得广泛应用，成为图像传感器的主导器件。
1.1.2 图像传感器基本技术参数
1. 与光学成像物镜有关的参数 （1）成像物镜的焦距ƒ （2）相对孔径D/ƒ （3）视场角2ω
1922年美国的菲罗.法恩兹沃斯设计出第一幅电视传真原 理图，1928年美国的兹沃尔金发明了光电显像管，为通过电 视远距离传输图像打下基础。
1931年美国的法恩兹沃斯研制成功了第一只光电发射型摄 像管—析像管。
1937年美国无线电公司（RCA）研制成功灵敏度更高的超光
电摄像管，并开始在电视系统中应用。
章为光学成像系统；第9章为特种图像传感器；第10章为典型应
用。 注重其结构特性 对CCD图像传 3. 学习方法建议 感器非常重要
关键在于能 够应用
关键部分
1）了解各章节内容以及各章之间的内在关系是学习好本课
程的关键。
2）重视实践教学环节 开设实验课，实验课内容既要包含图像传感器的驱动特性、 输出特性与时间特性等内容，还要开设一些应用内容的实验。 如尺寸测量、振动测量、图像扫描与光谱探测等典型应用 型实验。 3）充分发挥主观能动性 利用大学生创新项目，根据所学内容，让学生自行设计适 当的课题进行设计是充分发挥主观能动性的最好方法。
2．电子束扫描图像传感器 电子束扫到靶面某点（x,y），由于点（x,y）记录了图像 光强分布的信息，而电子束带负电使之在负载电阻RL上产生 压降URL经放大器输出成为视频信号。
将景物成 像于靶面
实现X、Y 扫描
3．固体自扫描图像传感器
面阵CCD器件，CMOS等是通过电荷的转移或阵列开关方
式完成“自扫描”的图像传感器。