摄像头工作原理及结构介绍（一）

摄像头是机器视觉系统获取图像的关键部件，摄像头和数码照相机、扫描仪等又被统称为图像传感器，它将被处理目标物体的光形象转换成被称为视频的电信号，将这个信号A/D转换并送到处理器后就可以处理、分析、识别该目标物体了。

近二十年前，工业控制用的摄像头大多为光导摄像真空管（Vidicon），但随着CCD（Charge Coupled Devices,电荷耦合器件）的革命性发展，体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、价格低的CCD摄像头不断出现。同时随着CCD的发展，又大大促进了机器视觉的发展，针对机器视觉所要处理的目标图像大多为运动物体，电子快门、外触发的扫描再启动、逐行扫描以及通过串行总线对摄像头进行远距离控制和调节等功能的出现，更大地促进了机器视觉系统的开发。所有这些主要针对机器视觉系统而开发出来的CCD摄像头的功能是过去的光导摄像真空管所无法比拟的。

目前CCD摄像头分为面阵和线阵两个类型，这两个类型使用于不同的领域，但它们的工作原理和使用方法是基本相同的，现在我们重点介绍面阵摄像头，将在以后介绍线阵摄像头的使用。

6-1 CCD的工作原理和结构

6-1-1 CCD的工作原理

CCD是由在硅片上整齐排列的光敏二极管单元组成的，它们整齐地排成一矩形方阵（图6-1），其中每一个光敏单元称为像元，当光照射到硅片上的方阵时，每一个像元中的原子在具有一定能量的光子作用下，电子从原子中逃逸，形成了一对自由电子和失去电子的原子空穴。投射到光敏单元上的光线越强，产生的电子—空穴越多。

在硅片上这些电子可以和空穴分离，并可以收集起来，电子—空穴对的分离和收集用半导体中的势阱就可以完成，就象用水桶收集雨水一样。图6-2中排列的水桶相当于排列的光敏单元（像元），它们象收集雨水似的收集由光子作用产生的电子。电子数主要取决于光照强度和收集（积分）时间的长短，收集完成后，最右边的桶将桶中的电荷倒入一设在输出端的电子测量单元，电荷/电压转换单元将电子转换成相应的电压，形成了一个像元的视频信号。最右边桶中的电子倒空后，又可以接收从旁边桶中倒入的电子，这样相邻桶之间不断向输出端倒换（移位）桶中的电荷，直至倒换（移位）到输出端的电子测量单元，转换成像元电压。

CCD的突出特点是以电荷作为信号的载体，不同于大多数以电流、电压为信号载体的器件。所以如何将成千上万个像元中的光感应所获得的电荷取出来是CCD图像传感器的关键。构成CCD的基本单元是MOS（金属—氧化物—半导体）结构，在半导体和金属栅电极之间加上足够的电压时，例如加上电压（10V）后，形成了一个能存储电荷的势阱，图6-3 （a），当光线射在这个二极管上时，能在势阱中产生与光能量成正比的电荷；同时，这个势阱还有累积功能，当光线在一时间段内照射时，它能将这一时间段内，由光线强弱产生的电荷累积起来。当多个栅极紧紧排列在一起（间隙宽度小于3μm），并在它们上面加上按一定规律变化的电压时，存储在势阱中的电荷就可以移动起来。

当电极②从2V变为10V时，电极①势阱中的电荷流向第②个电极，并和第一个电极平均分配，图6-3（b）和（c），也称电荷耦合，第①个电极由10V降为2V时，电极①中的电荷全部倒入电极②下的势阱，这样电极①中代表像元光照强度的电荷移位到电极②下的势阱了。这种电荷从一个电极（电荷寄存器）到另一个电极的移位就是CCD的基本动作，使用这种移位将阵列中的每一个像元电荷逐行、逐列地转移至输出端的电荷/电压转换单元，形成了以电压表示像元光照强度的视频信号。这也是为什么将CCD称为电荷耦合器件的原因。

6-1-2 CCD的结构

CCD的结构主要由下列功能块构成：

a.光敏区（成像区）由MOS光积分电容或PN结构光电二极管阵列构成，将投影进来的光图像转换成电荷图像阵列，而且阵列中的每一个像元势阱，能像水桶似的在固定时间间隔内累加电荷。

b.电荷移位寄存器阵列：存储和移位像元电荷的寄存器阵列，光敏区光转换并累集完电荷后，将整个阵列的像元电荷转移到电荷移位寄存器的对应阵列中，然后按照电视扫描的规律，逐行、逐列地将电荷移位输出。

c.转移栅：光敏区和电荷移位寄存器由转移栅相连。通过转移栅上的控制电压的高低将光敏阵列与电荷移位寄存器阵列连接起来。当光敏区光注入，并不断积累电荷时（又称光积分），转移栅上加低电压将它们隔离起来，反之当光敏区光积累完成后，转移栅加高电压，光敏区所积累的信号电荷通过转移栅转移到电荷移位寄存器阵列，这种转移是极快的，只需一个极短的正脉冲就可完成转移动作。所以光敏区和电荷移位寄存区的连通时间很短，绝大部分时间是隔离的，在隔离期间它们分别作光电转换和移位输出的动作。

d.电荷/电压转换器和电压放大器：将移位寄存器输出的电荷转换成电压，并将其放大输出形成视频信号。

从上述CCD的结构可以看出，只要控制光敏区上的转移栅上的电压，就可以控制电荷累加的时间长短，这就是电子快门的基础。当电荷累集结束，并在转移栅上加一极短脉冲后，电荷就转移至电荷移位寄存器了，也就是CCD已获取了光图像。下面只是将电荷传送出去的扫描过程了。

6-1-3 CCD的类型

CCD的结构有几种类型，它们的主要区别是像元电荷转移的方式和路程的区别。现在的CCD主要有两种类型：

a.隔行转移型（Inter-Line Transfer,ILT）：最通用的类型之一，图6-4，它在两列有效光敏像元之间，插入一列光屏蔽的电荷移位寄存器和一列相对应的转移栅，当光敏像元光注入和电荷累积结束后，由每一列转移栅将像元电荷转移至相邻的列电荷移位寄存器中。然后，一列列电荷移位寄存器同时向下移位至一行移位寄存器，再由行移位寄存器移位输出。这种结构类型的主要优点是快门速度快，可任意地启动和停止光敏像元的曝光。所带来的缺点是由于电荷移位寄存器和光敏单元相邻，使光敏单元的有效光敏区减少，从而使像元的填充因子降低，动态范围降低，图像质量降低。

b.帧转移型（Frame Transfer,FT）：图6-5，有效像元的光敏区和电荷移位寄存器分别放置在两个区域，光敏区在光注入并且电荷累积后，用一个极短的脉冲由转移栅将光敏区像元的电荷转移到电荷移位寄存器阵列，转移栅完成转移后，又将这两个区隔离开来，光敏区作下幅图像的光注入，电荷移位寄存器逐行、逐列将像元电荷转移至电荷/电压转换器形成视频信号。由于不像隔行转移型结构那样，将光敏区和电荷移位寄存器交叉放在一起，有效光敏像元的尺寸就可以做得比较大，就会有较高的像元填充因子，较大的动态范围。帧转移的缺点是快门速度低，制造时的晶片印模尺寸大，从而增加了制造成本。

6-2 彩色CCD摄像头

在机器视觉系统中，图像的彩色信息还是很有用的，例如食品、医学、PCB检测、包装自动化等领域。

CCD硅芯片虽然对光谱中很宽的部分敏感，但它不能区分不同光谱的颜色。

为了将光谱中的三基色光分开来，只能在CCD芯片前加彩色滤波器。例如使用一三棱镜组，将图像分为RGB三个基色图像，分别投影到三片CCD芯片上，获得RGB三幅图像的视频信号。这种结构的摄像头被称作三晶片彩色摄像头，图6-6。

它能获取较高质量的图像，但结构复杂，价格昂贵，图6-6显示了三棱镜将入射光分解为RGB三色的示意图。

将入射的光图像分色滤波的另一种方法是在一片CCD晶片上进行，利用牺牲分辨率的方法，在相邻的像元传感器上覆盖三基色滤波器，称作彩色滤波阵列（Color Filter Arrays,CFAS）。这样就能使彩色CCD的结构大大简化，从而降低了它的价格。

在不同的应用领域，三基色的CFAS排列方法有很多，但用得最广泛的是Bayer模式。

Bayer滤波器是一个将RGB三种彩色安排在单片CCD像元阵列上的彩色滤波

器排列方式，见图6-7，Bayer滤波器又常被称作彩色滤波马赛克。每一个像元都用一微小的红、绿、蓝滤色片覆盖，其中绿色像元的数量是红和蓝像元的数量的二倍。这是因为人眼对绿色图像细节的分辨能力比红和蓝的高。从图6-7（b）可以看出，每四个像元组成的方块内，都含有两个绿色像元，而红和蓝色像元各一个。

具有Bayer滤波器CCD的原始输出被称为Bayer模式图像。因为每一个像元仅仅记录了三基色中的一个颜色,三分之二的彩色数据丢失了。使用反马赛克算法来对每一像元进行插值,恢复每一像元的RGB成分。目前这种算法很多，各公司的产品都不完全相同。

将Bayer模式图像插值成为RGB图像会带来各种误差，例如彩色的失真，特别是在图像变化尖锐的边缘，不但会引起较大的彩色失真，而且会使边缘变粗糙，甚至出现假的边缘线。所以精心开发反马赛克算法是至关重要的。

6-3 CCD的长宽比和尺寸

沿袭了CCTV对图像尺寸的要求，现在的CCD的长宽比仍为4：3，见图6-8。

CCD的尺寸分为1/3，1/2，2/3和1吋等规格，这些规格也是沿袭了视频真空管（Vidicon）的习惯，并非其实际尺寸，其真正的尺寸见图6-9。

6-4 CCD的空间分辨率

CCD摄像头的分辨率主要取决于CCD光敏像元阵列的大小、CCD摄像头的模拟通道频带宽度、镜头的分辨率等等。

如今CCD的像元密度从768×576、1024×768至2048×2048，甚至更高密度的摄像头都已开发出来。

在4-3节，我们已讨论过，实际的分辨率M和像元密度Z之间的关系为

M=0.75×Z

对视觉系统有不同分辨率要求时，系数可以在0.5和1之间选择，以便于确定选用多大像元密度的摄像头。

摄像头工作原理及结构介绍（一）相关推荐

摄像头工作原理及结构介绍（二）
6-5 CCD的灵敏度.动态范围和信噪比 6-5-1 CCD的灵敏度 CCD将光能转换成电荷的效率(又称光注入电荷能力)取决于多个因素.光注入电荷 Qin=k·A·Noe·ttotal (1) 式中 ...
android camera(二)：摄像头工作原理、s5PV310 摄像头接口（CAMIF）
关键词: android camera CMM 模组 camera参数 CAMIF 平台信息: 内核: linux 系统: android 平台:S5PV310(samsung exynos 42 ...
ARKit从入门到精通（2）-ARKit工作原理及流程介绍
转载请注明出处:ARKit从入门到精通(2)-ARKit工作原理及流程介绍 1.1-写在前面的话 1.2-ARKit与SceneKit的关系 1.3-ARKit工作原理 1.3.1-ARSCNView ...
Nginx工作原理及相关介绍
Nginx工作原理及相关介绍一.Nginx工作原理与模块介绍 1.Nginx基本工作原理 NGINX以高性能的负载均衡器,缓存,和web服务器闻名.Nginx由内核和模块组成,其中,内核的设计非常微 ...
内存的工作原理和时序介绍
内存的工作原理及时序介绍内存是PC配件中结构最简单的,但在BIOS中却是最难调的,很多玩家超频都卡在内存上.并且,内存的原理.结构与时序多年不会改变,无论将来内存技术如何进步,相信这篇文章的存在价值 ...
一文看懂咪头的工作原理及结构（驻极体话筒）
转载咪头,是将声音信号转换为电信号的能量转换器件,是和喇叭正好相反的一个器件(电→声).是声音设备的两个终端,咪头是输入,喇叭是输出.又名咪芯,麦克风,话筒,传声器.本文主要介绍的是咪头的工作原理. ...
网络摄像头工作原理_好，更好，最好以预算创建最终的远程工作者网络摄像头设置
网络摄像头工作原理 I've been a remote worker and an occasional YouTuber for well over a decade. I'm always lo ...
【51单片机】定时器/计数器的工作原理和结构（一）
[51单片机]定时器/计数器的工作原理和结构回看下单片机中断系统内部结构: 分析内部中断触发: 先看图 TCON:和外部中断相比少了IT位设置触发方式 :1跳沿触发 0电平触发:此处我的理解是:就好 ...
【Camera基础（一）】Camera摄像头工作原理及整机架构
Camera摄像头工作原理及整机架构一.摄像头的基本工作原理二.编码三.编码的目的四.传输五.Android系统的camera架构一.摄像头的基本工作原理如图所示,一个景象的反射光被镜头 ...

摄像头工作原理及结构介绍（一）

摄像头工作原理及结构介绍（一）相关推荐

最新文章

热门文章