半导体制冷型高帧频CMOS数字摄像机及其成像噪声分析

    1 引 言

    高帧频摄像机被广泛应用于工业自动化控制、科学研究和国防技术等领域,对高速瞬间变化场景的捕获、成像和记录发挥着重要作用。随着固体图像传感器的快速发展和广泛应用,高帧频的CCD和CMOS图像传感器逐渐引起人们的关注。CCD图像传感器由于其像素串行顺序转移结构并不适合高帧频成像,所以CCD的高速摄像机很少有1 k@1 k分辨率下达到200 frame/s以上的。CMOS图像传感器的像素转移结构更适合高帧频摄像机的成像,目前已经有1 600*1 200@1 000 frame/s的高速CMOS图像传感器问世,但CMOS图像传感器的成像质量较CCD图像传感器稍逊一筹,主要原因是CMOS图像传感器存在着严重的固定模式噪声和瞬态读出噪声。虽然人们已经设计出优化的APS像元结构的CMOS图像传感器,但噪声问题仍然是当前CMOS图像传感器的主要问题。CMOS图像传感器两种模式的噪声来源,主要是由于成像单元、像复位、存储转移、跟随放大等结构单元在成像、转移、放大、量化过程中存在着入射噪声、热噪声和1/f噪声。CMOS图像传感器暗电流和列向输出放大器非一致性是固定模式噪声存在的主要原因。而这些噪声源大多都受传感器工作温度影响,这已经在前人的大量研究分析中被证实[1-3]。目前科学级CCD相机大多采用制冷措施来降低相机的噪声,而制冷成像的CMOS相机研究却很少,因此本文采用了结构一体化的多级半导体制冷的方法对高帧频CMOS摄像机进行设计,进而对CMOS高帧频图像传感器进行了制冷成像试验,研究分析了CMOS图像传感器的工作温度对成像噪声的影响。

    2 高帧频摄像机系统

    2.1 高速摄像系统介绍

    高速图像的拍摄不仅仅需要成像捕获设备,还需要拍摄控制设备,图像记录设备和图像显示设备等。本文所设计完成的高帧频摄像机成像采集系统主要由高帧频数字摄像机,主控计算机,高速图像数据采集存储分配卡、高分辨率监视器、磁盘存储阵列五个主要部分组成,系统的原理如图1所示。

    系统工作过程如下,摄像机系统接收到主控计算机启动命令后,首先经由RS232串口进行摄像机的工作模式和参数初始化设置,并通过以太网接口控制存储记录系统做好存储的准备,由外同步信号控制高帧频摄像机开始拍摄,并同时启动多个存储磁盘阵列子系统进行高速图像数据的并行存储。高速景象拍摄过程前可以通过VGA监视器实时观看拍摄的目标。高速景象拍摄完成后可将记录的图像数据通过以太网接口下载到主控计算机中处理并保存,便于以后对高速图像进行判读和回放。