【文章內容簡介】 件，圖像傳感器，射頻發(fā)射模塊，天線以及芯片外圍電路和機械結構集成在其內部，因此要嚴格的限制各個功能模塊的尺寸。尺寸的限制使得系統(tǒng)的設計必須以盡量簡單的光路，電路和機械結構完成必要的功能。所說的簡單不是一味的追求簡單，而是在能夠實現所期望的系統(tǒng)功能的前提下，在系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)尺寸，功耗等指標指間達成一個最佳的方案。簡單的光路可以減少光能損耗從而降低對照明系統(tǒng)的光強要求；簡單的電路可以降低功耗，簡單的機械結構則意味一定程度的降低制造工藝要求。遵循簡單這樣一個原則，對膠囊內窺鏡的設計具有很大的意義。 第三章 圖像采集模塊設計如前所述，圖像采集模塊部分是本課題設計的核心，因此，對于各方面的考慮都不能馬虎。下面，對圖像采集部分進行分析。 圖像傳感器選型 目前，圖像傳感器只要分為兩種類型：CCD型和CMOS型。這兩種傳感器在結構方面有很大不同，原理基本相同。為了選出合適的圖像傳感器，有必要從它們的原理，分類等展開介紹，最后比較選出最佳的傳感器。下面，逐一分析這兩種傳感器的特點。 CCD圖像傳感器＊CCD傳感器原理結構CCD是電荷耦合組件（Charge Coupled Device）的簡稱，它內部的半導體材料能把光線轉變成電荷，轉換成數字信號壓縮以后保存起來就變成我們存儲卡中的照片了，中間的過程非常復雜，在這里不再詳解，下面是原理簡圖。 CCD 光信息 電脈沖 脈沖只反映一個光敏元的受光情況 脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強弱 脈沖輸出的順序可以反映一個光敏元的位置 完成圖像傳感 電荷耦合組件工作原理簡單點來說，CCD基本工作原理分為四個階段：（1）信號電荷的產生；（2）信號電荷 第三章 圖像采集模塊設計的存儲；（3）信號電荷的傳輸；（4）信號電荷的檢測。CCD基本結構分為以下兩部分： （1）MOS（金屬—氧化物—半導體）光敏元陣列：電荷耦合器件是在半導體硅片上制作成百上千（萬）個光敏元，一個光敏元又稱一個像素，在半導體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。（2）讀出移位寄存器。CCD 是由規(guī)則排列的金屬—氧化物—半導體（Metal Oxide Semiconductor,MOS）電容陣列組成。 CCD就像傳統(tǒng)相機的底片一樣的感光系統(tǒng)，是感應光線的電路裝置，可以將它想象成一顆顆微小的感應粒子，鋪滿在光學鏡頭后方，當光線與圖像從鏡頭透過、投射到CCD表面產生電流，將感應到的內容轉換成數碼資料儲存起來。CCD像素數目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會越清晰。＊CCD傳感器的分類CCD器件分為線陣CCD和面陣CCD，結構上有多種不同形式，如單溝道CCD、雙溝道CCD、幀轉移結構CCD、行間轉移結構CCD 線陣CCD傳感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行構成。光敏元和移位寄存器之間有一個轉移控制柵，1024位線陣，由1024個光敏元1024個讀出移位寄存器組成。讀出移位寄存器的輸出端Ga一位位輸出信息，這一過程是一個串行輸出過程。 b．面型CCD圖像傳感器 面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉移部分組成。目前存在三種典型結構形式。一種結構由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內的信息轉移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉換為視頻圖像信號。這種結構易于引起圖像模糊。另一種結構增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲區(qū)。在正常垂直回掃周期內，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲區(qū)。在垂直回掃結束后，感光區(qū)回復到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內，存儲區(qū)的整個電荷圖像向下移動，每次總是將存儲區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動以視頻信號輸出。當整幀視頻信號自存儲移出后，就開始下一幀信號的形成。 第三章 圖像采集模塊設計該CCD結構具有單元密度高、電極簡單等優(yōu)點，但增加了存儲器。再有一種是用得最多的一種結構形式。它將感光元件與存儲元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結束時，轉移控制柵打 第三章 圖像采集模塊設計開，電荷信號進入存儲區(qū)。隨后，在每個水平回掃周期內，存儲區(qū)中整個電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。這種結構的器件操作簡單，但單元設計復雜，感光單元面積減小，圖像清晰。 CMOS圖像傳感器＊CMOS傳感器結構原理CMOS全稱是互補金屬氧化物半導體。CMOS圖像傳感器是利用CMOS工藝制造的圖像傳感器，主要利用了半導體的光電效應。和CCD的原理基本相同，這里不再贅述。CMOS在結構上主要由像素矩陣，模擬信號處理單元，數字信號處理單元，內嵌微控制器，寄存器控制接口，數據輸出端口等組成。下面是CMOS圖像傳感器的組成框架圖。輸出存儲器模數轉 換器可編程增益放大器影像感 光元件控制寄存器 控制電路時序控制 CMOS傳感器組成框圖＊ CMOS傳感器分類依照像素不同類型來分，就可分為兩大類：一類是無源像素傳感（CMOSPPS），另一類是有源像素傳感器（CMOSAPS）。在無源像素傳感器的像素單元中包括一個光二極管(PhotoDiode)和一個MOS管，MOS管作為行選(RowSeleet)，除一個光二極管外，還包括一個重置(Reset)MOS管、一個源極跟隨器(Source Follower) MOS管和一個行選MOS管。 CCD和CMOS傳感器比較 （1）在制造上，CCD是集成在半導體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱做金屬氧化 第三章 圖像采集模塊設計物的半導體材料上，工作原理沒有本質的區(qū)別。CCD制造工藝較復雜，采用CCD的攝像頭價格都會相對比較貴。CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少。 （2）成像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準確。而CMOS的產品往往通透性一般，對實物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像質量和CCD還是有一定距離的。但由于低廉的價格以及高度的整合性，因此在攝像頭領域還是得到了廣泛的應用。 （3）速度差異：CCD傳感器需在同步時鐘的控制下以行為單位一位一位的輸出信息，速度較慢；而CMOS傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖象信息，速度比CCD快很多。 （4）耗電量方面：CCD傳感器電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS傳感器只需使用一個電源，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，對于電量本來就不足的手機來說更具優(yōu)勢。 （5）成像質量：CCD傳感器制作技術起步較早，技術相對成熟，采用PN結合二氧化硅隔離層隔離噪聲，成像質量相對CMOS傳感器有一定優(yōu)勢。由于CMOS傳感器集成度高，光電傳感元件與電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較為嚴重，噪聲對圖象質量影響很大。 （6）成本方面：CCD傳感器由于制造工藝復雜，只有少數的廠商能夠掌握，所以導致制造成本居高不下。而CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多生產廠商采用的都是CMOS鏡頭。 通過以上比較分析，能看出CCD與CMOS各有優(yōu)勢。CCD在影像品質等方面優(yōu)于CMOS,但CMOS具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。CMOS的成熟工藝和大批量產，極大地降低了成本，提高了產品穩(wěn)定性，也正是由于技術和工藝的不斷改良更新，使得CCD與CMOS間的差異逐漸縮小。新一代的CCD將多CCD和低功耗作為改進目標；CMOS系列則開始朝大尺寸與高速影像處理晶片相結合、借由后續(xù)的影像處理修正噪點、提升畫質的方向發(fā)展。下面是不同場合應該選用的圖像傳感器。（1）圖像質量要求高的場合選用CCD攝像機。CCD結構中由于每行僅有一個ADC,信號放大比例一致，所以圖像還原真實自然、噪點低，在對畫質要求苛刻的場合宜選用CCD攝像機。像素越高、尺寸越大的CCD擁有更好的圖像品質。 （2）高幀攝像時選用CMOS攝像機更佳。CCD在工作時，上百萬個像素感光后會生成上百萬個電荷，每個專用通道中的電荷全部經過一個放大器進行電壓轉變。因此，這個放大器就成為了制約圖像處理速度的瓶頸。所有電荷由單一通道輸出，當數據量大時就容易發(fā)生信號擁堵。而像素越高，需要傳輸和處理的數據也就越多，使用單CCD無法滿足高速讀取大量高清數據的需要。而CMOS傳感器不需要復雜的處理過程，直接將圖像半導體產生的光電信號轉變成數字信號，因此處理非常快。這個優(yōu)點使得CMOS傳感器對于高幀攝像機非常有用，速度能達到400到2000幀/秒。所以對于高速攝像場所，選用CMOS攝像機效果更佳。 （3）隱蔽環(huán)境中使用CMOS攝像機。CMOS傳感器可以將所有邏輯和控制環(huán)都放在同一個硅芯片塊上，使攝像機變得簡單靈巧，因此CMOS攝像機可以做得非常小。而CCD攝像機限于外圍復雜電路影響，體積無法做到CMOS般微型化。 （4）低照度環(huán)境下宜使用CCD攝像機。由于CCD感光單元有效面積大，在光照強度較低的環(huán)境中，能相對清晰地呈現出被攝物體原貌。相反，CMOS傳感器靈敏度低，ISO感光度差，低照時成像清晰度大大降低。所以，在低照度環(huán)境下，如燈光較暗的停車場、樓梯間、封閉通道和暗室等，宜選用感光靈敏的CCD攝像機。本設計考慮到系統(tǒng)應用場合的特殊性，宜采用體積較小的傳感器。鑒于CMOS傳感器在這方面的優(yōu)勢，因此本設計優(yōu)先采用集成度比較高的CMOS傳感器。另外，如果本設計采用數字傳感器的話，則在成本，復雜性等各方面較采用模擬傳感器都處于劣勢。再者，采用模擬傳感器的話，更適用于無線傳輸的場合。綜合以上各個方面的考慮，如開篇題目所示采用基于模擬式CMOS傳感器的設計方案。 圖像傳感器具體型號選擇 目前，市面上的CMOS傳感器品種眾多，需要從多個方面考慮選出合適的傳感器。主要考慮的因素有以下幾個： （1）性能要求。考慮到本課題的目標是設計出能滿足基本攝像要求的內窺鏡樣品，因此對性能要求不是很嚴格。 （2）傳感器體積。膠囊式人體內窺鏡體積一定要盡量小，因此，傳感器的體積也應該盡量小，以滿足在人體內運動而不致堵塞，同時使病人的痛苦減到最少程度。 （3）選購成本?？紤]到課題組的經濟承受能力，成本應該盡量低。根據上面三個因素，查閱相關資訊初步將范圍選擇在比較常用的由美國Ominivision公司生產的OV5116，OV7910，OV7930這三種圖像傳感器。先分析這幾種傳感器的性能特點。下圖是OV5116的管腳原理示意圖。 OV5116芯片示意圖下圖是芯片實物圖。 OV5116芯片實物圖 OV5116型號的傳感器優(yōu)點之一是功耗比較低，但是對顏色變化的分辨敏感程度不高。 OV7910傳感器 OV7930的功能最為出色，傳感器感光面積較大，拍攝的圖像質量也較好，但是它的功耗在三者當中是最大的。而OV7930盡管在圖像質量方面較OV7910遜色，但差別不是很大，并且它