图像传感器的原理以及应用

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1、图像传感器的原理以及应用1概述μPD3575D是NEC公司生产的一种高灵敏度、低暗电流、1024像元的内置采样保持电路和放大电路的线阵CCD图像传感器。该传感器可用于传真、图像扫描和OCR。它内部包含一列1024像元的光敏二极管和两列525位CCD电荷转移寄存器。该器件可工作在5V驱动（脉冲）和12V电源条件下。μPD3575D的主要特性如下：*像敏单元数目：1024像元；*像敏单元大小：14μm×14μm×14μm(相邻像元中心距为14μm)；*光敏区域：采用高灵敏度和低暗电流PN结作为光敏单元；*时钟：二相（5V）；*内部电路

2、：采样保持电路，输出放大电路；*封装形式：20脚DIP封装。2内部原理和引脚功能μPD3575D的封装形式为20脚DIP封装，其引脚排列如图1所示，引脚功能如表1所列。图2为μPD3575D的内部结构原理图，中间一排是由多个光敏二极管构成的光敏阵列，有效单元为1024位，它们的作用是接收照射到CCD硅片的光，并将之转化成电荷信号.freels，光源为2856K的钨丝灯。表2光/电子特性参数特性符号最小值典型值最大值单位注释饱和输出电压VOUT1.52.3-V饱和曝光量SE-0.45-Ix·s白色荧光灯光响应非均匀性PRNU-510

3、%VOUT=500mV白色荧光灯平均暗信号ADS-0.510mV遮光光响应不均匀性DSNU-0.510mV遮光功耗PN-100-mOS电容存储势阱（存储栅）沟通。于是CMS电容中的信号电荷包全部转移到φIO电极下的势阱中。当φTG变低时，φTG低电平形式的浅势阱将存储栅下势阱与φIO电极下的势阱离开，存储栅势阱进入光积分状态，而转移栅则在转移栅时钟φIO脉冲作用下使转移到φIO电极下势阱中的信号电荷逐位转称，并经过输出电路输出。采样保持时钟φSHO的作用是去掉输出信号中的调幅脉冲成分，使输出脉冲的幅度直接反映像敏单元的照度。从以上

4、描述和对波形的分析可以看出，复位脉冲φRO每触发一次，φIO脉冲翻转一次，并转移一个像元的信号电荷，因此φIO脉冲的周期为φRO的2倍。采样保持时间φSHO的周期和φRO的周期相同，但相位有一定的时间延迟。传输门时钟φTG脉冲控制线阵CCD整行的转移时间间隔，可作为行同步脉冲，其低电平持续的时间为φIO的整数倍，倍数由CCD的像元数决定。图4给出了μPD3575D的脉冲时序关系图，该图中为负极性逻辑，与前边图3的正极性逻辑正好相反，在编程过程中，我们可以先实现正极性逻辑，然后通过反向器将极性反过来。图4从波形图可以看出，当转移时钟

5、φIO变化（人“1”变到“0”或从“0”变到“1”）后，经过t1时间（最小值200ns，典型值300ns），采样保持时钟φSHO从高电平变低电平，低电平维持时间为t2(最小值100ns，典型值300ns)，当φRO翻转，使之由高电平变为低电平，触发的间隔时间为t3(最小值3ns,典型值100ns)。复位脉冲φRO翻转后维持的时间为t4(最小值30ns，典型值100ns)，当它由低电平变回高电平时，触发转移时钟φIO翻转，其触发间隔为t5（最小值0ns,.freelHz,即周期为125ns，那么，根据给出的最小值就可算出四路波形的周

6、期和占空经，具体列于表3。表3四路驱动波形的周期的占空比φIOφTGφROφSHO周期（ns）17501313000875875占空比1/21/7516/75/7根据各路波形的周期、占空经和它们之间存在的关系所给出的典型驱动电路如图5所示。5CCD数据采集CCD可用于位置、尺寸和图像的检测，根据CDD传感器视频信号应用的差异，CCD视频信号的处理有两种方法：一是对CCD视频信号进行二值化处理后，再进行数据采集；二是对CCD视频信号采样、量化编码后再采集到计算机系统。在检测钢轨不平顺的设计中要检测运动光源的瞬时位置，只需要测定光源在

7、CCD上的成像位置，即光源成像在第几个像元上。图6为CCD数据采集原理图，采用二值化方法。由于线阵CCD既具有高灵敏度的光电转换功能，又具有光电信号的存储和快速读出功能，所以通过一组时序脉冲的驱动控制（驱动器），可以实现对目标光源的实时光电转换与信号读出。当入射在CCD像元上成像时，入射光子被CCD像元吸收并产生相应数量的光生电荷。在光积分期间，光生电荷被积累并存储在彼此隔离的相应像元的势阱中，在每个像元势阱中所积累的信号电荷数与照射在该像元面上的平均照度和光积分时间的乘积成正比。在电荷转移期间，光生电荷依次转移称至输出区，通过复

8、位脉冲的控制，在输出极形成视频信号，每次积分的输出波形代表目标光图像在CCD采样方向的瞬态强度的空间分布，输出视频信号经过低噪声宽带放大器放大处理后，每个光斑的输出波形如图7（a）所示。然后，对CCD的视频信号进行二值化处理，原理如图7（b）所示，