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1、光谱特性是图像传感器的最重要特性之一。图 2 2给出了两种不同结构的 ccD 图像传感器的光谱特性。由图可见， ccD 图像传感器的感光光谱范围 覆盖了可见光区域和红外光区域。因此，它除了能够对可见光成像 外，还可以对红外光成像。这就 是说，即使在夜间无可见光照明 的情况下，用辅助红外光源照明， 也可使 ccD 图像传感器清晰地成 像。特别是，对于高灵敏度的黑 白 CCD 监控摄像头来说，由于人体自 身会向外辐射微弱的红外光 （因 为人体是有温度的 ），因而不需要 魁嗽靛罂波长”图 2-2 CCD 图像传感器的光谱特性 辅助红外光源照明， CC） 图像传感器也可以对人体发出的红外光感光，这也是

2、某些所谓 “人体透视” 监控摄像头的成像原理， 即用滤光片将可见光部分滤除， 而仅使人体发出的红 外光透过镜头并成像。2分辨率分辨率也是 CCD 图像传感器的最重要特性之一，一般用器件的调制转移函数 （MTF ）表示，而 MTF 与成像在 CCD 图像传感器上的光像的空间频率 （线对 mm） 有 关。这里，线对是指两个相邻的光强度最大值之间的间隔，它与后面将要介绍的 CCD 摄 像机的分辨率定义是不一样的。 3暗电流图像传感器的暗电流起因于半导体器件因热激发产生的电子 -空穴对。光信号电荷的积累时间越长，其影响越大。 CcD 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

3、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 （由于 CCD 靶面上没有光像，理论上是不应该有图形的 ）。暗电流的大小与温 度的关系极为密切，温度每降低 10C,暗电流约减小一半。4灵敏度ccD 的灵敏度一般用最低照度来表示，灵敏度高，则意味着使 CCD 感光成像所需的 照度就低，也说是说“有点儿光就能成像” 。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的流明（1m）数，也叫做勒克斯（1x）1lx：1 1mm。上式中，Im是光通量的单位，其定义是纯铂在熔化温度 （约1770C）时，其I/60cm。的表面面积于 l 球面度的

4、立体角内所辐射的光量。为对照度的量值有一个感性的认识，下面举一个例子进行计算。一只 100W 的白炽灯泡，发出的总光通量约为 1200 Im ，若假定该光通量均匀地分布在一个半球面上，则距 该光源 Im 处和 5m 处的光照度值可分别按下列步骤求得半径为 1m 的半球面积为2,rrX 1。=6. 28 m。距光源 1m 处的光照度值为1200 InI628m。 =191 Ix同理，半径为 5m 的半球面积为2盯X 5。： 157 m。距光源 5m 处的光照度值为1200 Irn157m。 764 Ix 可见，从点光源发出的光照度是遵守二次方反比律的。由此不难推论：对于白天室 外或大多数室内监视

5、的场合，由于整个监视视场的光照度比较均匀，对监视效果不会有 任何影响；而一旦夜间以灯光照明，那么光源与被监视场景的距离就显得十分重要了， 距离稍远一些，被监视场景的光照度就会以二次方反比规律明显下降，以至于不能使 （CI） 图像传感器正常感光而影响监视效果。需要说明的是，装饰射灯内部有反射面，聚 光灯内部有会聚性更强的抛物反射面，因而它们在主照射方向上的光强度远比同功率的 泛光灯强，但在非照射方向的光强度则很弱。5动态范围ccD 图像传感器的动态范围是指传感器把最小光量到最大光量产生的信号电荷成比 例地收集到势阱内的能力，这里所说的势阱可近似理解为前述 MOS 电容器的下极板，它具有存储并转移

6、电荷的能力。因此，若 CCD 图像传感器的动态范围宽，即是要求该传感 器既可以在低照度时有效地收集信号电荷，又可以保证在高照度时收集的大量信号电荷 不溢出。因此， CCD 图像传感器的动态范围取决于势阱能收集的最大电荷量与由噪声确 定的最小电荷量之差，并通常用其对数来衡量。例如，日本松下公司在其 CCD 监控摄像头中应用的第二代超动态技术 （superDynamic： II） 可使该监控摄像头的动态范围扩展 80 倍（相当于38dB），而日本欧姆龙公司生产的一款 CMOS监控摄像头的动态范围则高达 160dB。6噪声（： CD 图像传感器的噪声源主要包括：电荷注人器件时产生的噪声、电荷转移时因

7、电 荷量波动产生的噪声、电荷读出时的噪声等，另外还有光子噪声、胖零 （fat zero）噪声、陷阱噪声、输出噪声和暗电流噪声等。其中，因为光子过程是随机过程，所以势阱里收 集的光信号电荷也是随机过程，因而是一种噪声源。它与 CCD 图像传感器无关，而是由光子性质决定的，因此这是摄像器件工作原理上的限制。这种噪声在低照度摄像时更成问题。输出噪声则是起因于输出电路转移过程中的一种热噪声。而暗电流噪声则与光子 发射一样，是一种因随机过程而引起的噪声。在每个 CCD 单元中，若暗电流不同，会产 生某种特定图形式噪声。另外，当器件的单元尺寸不同、间隔不同，也能产生噪声。该 噪声可通过改进光刻技术予以减少

8、。需要说明的是，在当今的数字电视监控系统中，无论是基于网络的数字视频传输还 是数字硬盘录像，大都采用了 MJPEG、MJPEG2000、H263、H_264、 MPEG 1、MPEG2 或。 MPEG 一 4 等数字视频压缩处理技术，它们都是基于图像信号的相关 （ 冗余 ） 性质进行压缩的。因此，如果 CCD 图像传感器的噪声太大，输出图像中与内容无关的噪声高频 成分就比较多，这使得图像的空间相关性变小，因而压缩后的数字视频码率就比较高， 就需要较宽的传输带宽或较高的存储容量，因此在数字电视监控系统中应尽量使用低噪 声（ 信噪比高 ）的 CCD 监控摄像头。2 1-3 低照度 CCD 图像传感

9、器通常的摄像器件都要求在光量 Q很宽的范围内具有摄像能力，表 21列出了各种光源的参考亮度。在实用中， CCD 也能用作低照度时的图像传感器，在室温下，用满月的 亮度摄像最方便；在低温下，用星光的亮度也能摄像。图 23示出了 CCD 图像加强器的结构，采用这种结构，在不冷却 CCD 的情况下就能实现低照度图像传感器。其原理是先 把入射光成像在光阴极上，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CCD的背面聚焦。通过这种方法，灵敏度能提高几千倍。如用 10kV的加速电压，光图像 图 2-3 CCD 图像加强器 背面照射 CCD10I 能获I I I得2300倍 的 增 稀 。I

10、 -|uW 一 H 日 一 u1 1 11Ir表 2 一l 各种光源的蒉 I 5 度光源1 II 照度 （1m m。 ）I 辐射照度 （w m。I 1直 射 太 阳光I I I II 105I 5 X 1031I 11阴天I 103I 50傍晚 丨 10I 5 X 10 一III 5X 10 一 3I 5X 10 一 5图像传感器I CMOS（Complementary Metal Oxide-Semiconduetor ，互补型金属氧化物半导体 ） 集成 I I I II 电路的输出结构由一个 N型MOSFEF（ : MOS场效应晶体管）和 个P型MOSFE 串联而 I I II 成。因为N

11、型MOSFE3 和P型M0钳EI、是相互补偿的，所以这种半导体被称为 互补型 I I I IM0S CM0SI I暖嗣 I II 与 CCD 图像传感器相比， CM0S 图像传感器在分辨率、 光照灵敏度和信噪比等方面。I I一】I II 均处于劣势， 但近些年来有了显着的改善， 而其在成本、 集成度和功耗等方面的优势 则 I I I II丨=-I II 比ccD图像传感器更胜一筹，因为它可以方便地将 A/ D转换和DsP（数字信号处理）等多个功能模块集成于传感器自身的单个芯片中。1-CMoS 图 像 传 感 器 整 体 结 构I I鞫 I I图 24 为 cMOs 图像传感器的简略结构，其各个

12、像素的读取分别受水平及垂直移位I I磁 III 寄存器控制，另外，在图 24 所示的 CMOS 图像传感器基板上还增加了相关双取样 （cor I l I II ，人1. , |nk1A 1： 一 H r、T、C、-生字 +h： I-n-人芒 /黼 j 出慷 ，人一.1.I Digits_I converter ， ADC） 模 块 ， 使 得 整 个 传 感 器 的 功 能 更 加I 垂 I I I 骝：；I j I I I I直 I I I I I I I I完全 ， 且结 构更 加 紧凑 ， 这 一 点是 CCD 传 感 器所 无法 比 拟1移 II I I1 位 I|寄 I1 1 丨 1

13、 1I 存 I I 亡）_ 】_-亡_ 匕I I I I图 24 中 的 CDS 模 块 丰 要 用 干 消 除 因 像 素 自 身 原 丙 产 毕器 I I I I I I的曝占 Anr 馗七扛的侄田呵“皂输 m 后 R 吐 L 幺傍壶内交酌黼宝 JJ_AI 羔i iu 一不瓜，川u伏，人 H 了 1 r,lJ 一1 1 I IJ 肛佣 q L 工 J 从呱 1=r 卧水 r】1=r 口 J姒丁I诩cDs信号，它既可有效防止模拟 杂 波 信 号 的 干 扰 ， 又 便 于 在 其 后I时I 乡I序I 刮 AD（r接数字信号处理器 （DsP） 芯 片 。I控I制I 乡r r在实际电路中， AD

14、C既可以是单一结 构 的 ， 也 可 以 是I = 割 水平移位寄存器 9 厶口牡士hAh ，扁I由n- r旨工佰 百II朋5鼻j埘An 厶口An，八、鬲I夕组绢俐 H J L / U义U，刖世丁撙一岁U 琢糸确p月U z且Au乙J o 1岜常单一 ADC 结构受其频宽 （转换速率 ）的限制，不适合高 图 2_4 CMOS 图傺传感器分辨率图像传感器，而多组 ADC 结构则会因各个 ADC 产生 的简略结构的杂波电平不同而在图像画面上形成固定的竖条状干扰噪声 （Iixed Pattern Noise） 。然，这种干扰也可以由第二个类似 CDS 的电路以模拟或数字方式加以拟制。11于 0 1lx

15、 。因而 CMOS 图像传感器取代 CCD 图像传感器已成为必然之势。MICRON 公司已于 2003 年底开发出了具有 200 万像素的 MT9D001 和 300 万像素的 MT9T001两款CMOS图像传感器均为12. 7mm（1 /2 in）靶面，其最低感光照度达到 10 lx ，可以输出每秒 30帧、分辨率符合超级扩展视频图形阵列 （UXGA） 、扩展视频图 形阵列 （XGA） 和视频图形阵列 （VGA） 格式的活动图像。安捷伦公司于2003年5月推出的CMOS图像传感器模块则将基于硬件的 JPEG压缩内核以 ASIC 的形式紧密地集成于一体，因而一个芯片即可以实现图像传感及视频压缩

16、， 再配上接口芯片即可很容易地构成通用串行总线 （USB） 接口监控摄像头或网络监控摄像头。日本松下公司则于 2004年 2月推出了像素间距仅 2. 25trm 的 CMOS 图像传感器，比 目前行间转移CCD图像传感器最小像素间距 （2. 35lm）还要小，这就意味着，采用该 项技术可以在 14in 的传感器靶面上集成约 200 万像素，而此前应用于同样靶面尺寸的 CMOS监控摄像头中的图像传感器仅为 30万像素左右（对应像素间距约为 5. 8pLm）。虽然像素间距减小使像素尺寸进步减小，但通过修改每个像素中使用的晶体管的配置而增大 了像素的孔径比 （即光敏二极管所占的像素表面积大小 ），因

17、而新型 CMOS 图像传感器的低照度和信噪比特性并没有劣化。由于可以采用更小尺寸的图像传感器生产 CMOS 摄像机，因而可以使与监控摄像头配套的光学镜头尺寸进一步减小， 或者在同样尺寸时， 镜头的变焦倍率进一步提高。2005年 1 月，日本尼康公司推出了一款采用索尼 CMOS 图像传感器的 Nikon D2X 高 端单反数码相机，其像素数高达 1284万（有效像素 1240万），由于采用了 4个通道 （两 个绿通道、一个红通道和一个蓝通道 ）并行输出，其成像速度极快，并有很高的信噪比。据日经电子报道，该技术同样适合于各种用途的 CMOS 监控摄像头。随后，世界上第款采用 3 片 1 6in C

18、MOS 图像传感器的 DCRPCl000E 高档民用数码监控摄像头由索尼公 司于2005年 2月推出。该机配有 10倍光学变焦镜头，并具有 120倍数码变焦能力，由于采用 了索尼公司最新的“增强型影像处理器” ，可实现更高质量的影像拍摄，并可捕捉高达 280万像素的高清晰静态图像。 2005 年8月，在北京国际广播电影电视设备展览会上， 索尼公司又推出了基于 CMOS 图像传感器的 HDV 格式的 HVR A1C 高清晰度广播级数字 摄录一体机 （暂定版 ），可以记录并重放 108050i 格式的高清晰度数字电视信号或 DvCAM和DV（sP）格式的标准清晰度数字电视信号。2 2 监控摄像头的

19、构成CCD 监控摄像头分为黑白和彩色两大类， 其中黑白 CCD 监控摄像头具有更高的灵敏度 以及彩 色监控摄像头所不具备的红外感光特性， 但是随着彩色转黑白技术的不断成熟， 纯黑白 CCD 监控摄像头的应用已越来越多地被具有彩色转黑白功能的日夜两用型监控摄像头所代替。 221黑白 CCD 监控摄像头的组成监控摄像头要将所摄取的图像在电视机或监视器上正常地显示出来， 必须按不同国家的 电视标准所要求的信号格式输出符合电视标准的视频信号 （闭路电视监控系统中采用的视频信号格式与广播电视采用的视频信号格式是完全一样的 ） 。因此，除了图像传感器12外，监控摄像头的工作电路还应有同步信号产生、视频信号

20、处理及电源等外围电路。图 2-5 示出了黑白 CCI） 监控摄像头的原理框图。视频信号输出 图 2 5 黑白 CCD 监控摄像头原理框图 在图 2 5 中，定时脉冲、同步信号发生器是 CCD 监控摄像头中的一个主要部分，它为CCD 图像传感器的扫描以及最终视频信号的形成提供了所需的各种同步及消隐脉冲。 放大及信号处理是 CCD 监控摄像头中的另一个主要部分，因为由 CCD 图像传感器输 出的 微弱电信号经预放器后，还须经过一系列的处理才能形成符合电视标准的视频信号。这 一系列处理过程主要包括图像信号的钳位、黑白切割、压缩、补偿与校正、混消隐信号 以及信号的放大处理等。其中钳位过程是为了恢复视频

21、信号因 RC 交流耦合放大而失去 的直流分量，还可以消除信号中的低频干扰；黑切割过程通过在信号中混人大幅度的负 极性消隐脉冲再进行切割而将杂波与消隐脉冲一起切掉，以去除消隐期间的杂波，并建 立正确的黑电平；白切割过程通过切除某些白色信号而达到限制信号幅度的目的，以防 止后级放大器工作于饱和状态； y 校正电路用于补偿监视器在显示图像时，屏幕显示亮 度与实际景物亮度呈现的非线性关系， 使从监控摄像头端的 “光一电” 转换直到监视器端的 “电一光”转换这一整个信号传输链路呈完美的线性关系；混消隐过程是根据电视标准在 图像信号中混人标准消隐脉冲，以建立 2一 5的黑电平，把消隐电平与黑电平分开；最后

22、的视频放大与输出电路则要求监控摄像头能够输出一定的功率、输出阻抗低且增益稳 定， 并要求输出信号的线性好、频带宽，在深度电压负反馈的前提下，视频放大与输出电路 可达到8MHz的带宽，输出标准信号幅度为 0. 7u,。（U ,。指峰一峰电压），非线性失真应小于 5。222彩色 CCD 监控摄像头的组成为了能输出彩色电视信号，监控摄像头电路中要处理红、绿、蓝 （简记R、G、B）三种基色信号。因此，仿照早期的 3个摄像管式的监控摄像头工作原理，最初的彩色 CCD 监控 摄像头CCD 式的。值得都是由三片 CCD 图像传感器配合彩色分光棱镜及彩色编码器等部分组成。然而随着技术 的不断进步，通过在 CC

23、D 靶面前覆盖特定的彩色滤光材料，用两片甚至单片 CCD 图像传 感器也可以输出红、 绿、 蓝三种基色信号， 从而构成两片式或单片式彩色 CCD 监控摄像头。 目前的三片式彩色 CCI）监控摄像头属于高档设备，几乎全部用于广播电视系统及高档民用 系 统，而应用于闭路电视监控系统中的彩色监控摄像头则绝大多数都是单片提的是， 2003年夏，日本索尼公司在全世界率先提出了 4色 CCD 的概念，即在传统的13红、绿、蓝三种基色之外增加了名为“艳绿色”的近似蓝绿色的色彩，并开发出相应的4 色 ccD 图像传感器。与此同时，还配套开发出了相应的信号处理 LsI（ 大规模集成电路）。这种4色CCI）图像传感器可以使彩色成像更接近于人眼的彩色视觉特性，因而成 像色彩更加自然、逼真。2221三片式彩色 CCD 监控摄像头三片式 ccD 监控摄像头具有三个 CC） 图像传感器， 分别接受从分光棱镜分出的红、 绿、 蓝三基色光信号，经光电转换后送入各自的信号处理电路，最后经彩色编码后输出。图2