第五章3CCD简介课件.ppt

1、CCDCharge Coupled Device相机的构造镜头镜头光圈光圈快门快门感光元件感光元件镜头n镜头通常由几个到十数个不等的凹凸透镜组合而成，且多为成双配对，再经过特殊的镀膜处理，使景物减少耀光、折光，提高影像画质。n一般而言，以镜头焦点距离的長短（焦距focal length)來分类，約为标准镜头、广角镜头、望远镜头及双焦镜头等四大类。n光学变焦与数码变焦光圈 快门n光圈n光圈值越小，进光量越多，那就表示使用的是大光圈。n快门n快门是控制光量进入的時间的长短，並且会影响画面的动感。实物图像?图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上一、成像原理一、成像原理如

2、何准确地描述一幅图像一、成像原理一、成像原理感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。一、成像原理一、成像原理 图片表示法以存Pixel的方式存图片99 119 107实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换CCD sensor后端电路一、成像原理一、成像原理实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源A/D转换CCD sensor相机后端电路 PC数字采集卡数字相机数字相机 + 数字采集卡数字采集卡一、成像原理一、成像原理由于光电转换设备和放大设备都是针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。我们常用的是 CCD 和 CMOS二、二、CC

3、D 和和 CMOS 的比较的比较CCD ( Charge Coupled Device )电荷藕合器件图像传感器CCD，它集成在高感光度的半导体单晶材料上，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。CCD sensor放大A/D光子电子电压数字信号CMOS 芯片可以在像素上同时完成这两个步骤CCD与CMOS的光电转换示意图：由上面两图可看出由上面两图可看出：CMOS和CCD最大的区别是 CMOS的 电荷到电压转换过

4、程是在每个像素上完成的二、二、CCD 和和 CMOS 的比较的比较1.由于上面所说的结构，CCD的电路更改更方便。而由于CMOS的过分集成，电路更改不方便，但可靠性高。2.CMOS功耗小。3.CMOS噪声大。 CCD信噪比的典型值一般为4555dB。 CMOS传感器有固定比CCD传感器高10倍的噪音。4.CMOS速度快。由结构决定。5.成本CMOS便宜一些。二、二、CCD 和和 CMOS 的比较的比较6. CMOS灵敏度差。 CMOS传感器对光线的灵敏度不好，感光度通常比CCD传感器低10倍。人眼能看到1Lux照度（满月的夜晚）以下的目标，CCD传感器通常能看到比人眼略好，大约能看到在0.13

5、Lux照度以下的目标，是CMOS传感器感光度的3到10倍。CMOS传感器的感光度一般在6到15Lux的范围内。二、二、CCD 和和 CMOS 的比较的比较二、二、CCD 和和 CMOS 的比较的比较从以上的对比可以看出：CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速相机则会采用CMOS芯片。CCDCMOS电路更改方便固定速度慢快噪声好差灵敏度好差功耗毫安级微安级成本高低三、三、CCD 的工作过程的工作过程典型的典型的CCD结构图结构图三、三、CCD 的工作过程的工作过程1. 有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转化为相应数量的电荷。三、三、CCD 的工作过程的工作过程2. 这些电荷可以

6、被储存起来。三、三、CCD 的工作过程的工作过程3. 电荷可以被有秩序地转移出感光区域。三、三、CCD 的工作过程的工作过程3. 电荷可以被有秩序地转移出感光区域。 CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器。假如给一个电极加上电压，那么该电极下的衬底表面附近将形成耗尽层,即能够吸引电子的势阱。 1. 光光-电转换电转换 当景物的光照射到CCD时，具有光敏特性的P型硅在光量子的激发下产生电子-空穴对，空穴移向衬底而消失，电子进入势阱并存储在那里。2. 电荷储存电荷储存这一过程存在着以下问题：当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出，溢出的电荷会跑到相邻的像素势阱里去。这样电

7、荷的电量就不能如实反映原物。要避免这种情况发生的方法：A 把桶做大些； B 减少测量时间；C 把装满水的桶倒出一些；D 做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其它桶里。 n由此可见，增大像素尺寸是最简单有效的做法。水桶水桶CCD芯片芯片缺点缺点把桶做大增大单位像素尺寸减少测量时间缩短曝光时间对于暗的部分曝光不足把满的水桶到出一些间歇开关时钟电压降低速度做个导流管溢出沟道和溢出门制作复杂，且还有缺陷对应的方法： 当一个CCD芯片感光完毕后。每个像素所转换的电荷包，就按照一行的方向转移出CCD感光区域。为下一次感光释放空间。3. 电荷转移电荷转移在同一个像素区域，应该有电荷储存空间和用来转移的

8、空间。这样才能顺利完成转移。采用采用3相时钟脉冲的器件基本结构相时钟脉冲的器件基本结构和工作原理示意图和工作原理示意图 CCD的原理n实际的CCD是由3位绝缘栅组成1组，在3组外加脉冲时钟作用下将电荷向一定方向转送。n3组电压脉冲中：V1是在半导体表面附近形成耗尽层的电压；V2形成更深的深耗尽层，成为能存储电荷的势阱；V3是能够转移电荷的更大的电压。n这些电荷可以是由于光照等原因产生的，它们存储在表面势能低的势阱中。CCD的原理n在V2电压的作用下，电极下的耗尽层瞬间扩展成深的势阱，这种状态不是稳定状态，几秒钟后由于热激发的少数载流子的产生而使深度减小。 n但是，在这期间，如果邻近的电极上加电

9、压V3，那么电荷将流向V3脉冲所形成的更深的势阱。接着，栅电压返回原来的状态，实际上就是电荷移动到相邻的电极下面的势阱中，完成了一次电荷转移。 n重复这种动作，就可以使电荷沿一定方向一次次移动，电荷信号从输入端由时钟脉冲驱动输出。相机最重要的两个性能n对光的敏感度 1.芯片材质 2.单位像素尺寸n帧速度 1.曝光时间 2.芯片的传输速度芯片的传输方式决定的 根据阵列排布方式的不同，根据阵列排布方式的不同，CCD成成像器件分为线阵和面阵两大类。像器件分为线阵和面阵两大类。 线阵线阵CCD的构造相对简单。只是单的构造相对简单。只是单行的感光和转移。行的感光和转移。 而面阵芯片复杂一些。下面是一些常

10、而面阵芯片复杂一些。下面是一些常见的面阵芯片的转移方式。见的面阵芯片的转移方式。四、四、CCD的三种类型的三种类型Interline Transfer（隔行转移）Full Frame （全帧转移）Frame Transfer（桢转移）CCD曝光后所产生的电荷都被转移到附近的移位寄存器，通过垂直传送向下转移到底部，按一定排序输出，它的优点在于曝光后即可将电荷储存在寄存器，继续拍照速度较快，感光和传输不在同一列，从而避免了两者之间的冲突。1. Interline transfer隔行传输的缺点是，寄存器占用了感光面的面积， 相应地牺牲了动态范围。芯片并不是所有面积都在感光，这样，对于定位测量要求比

11、较高的应用会有影响。这种CCD成本较低。 1. Interline transfer1. Interline transferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayInterline Transfer1. Interline transferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayInterline Transfer1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeAct

12、ive Array1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInt

13、erline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPre

14、amplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayInterline Transfer1. Interline transferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayInterline Transfer1. Interline transferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayInterline Transfer1

15、. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array2. Full frame 阵列的每一个像素都感光。传输时，每一列向单行串行寄存器上相对应的位置转移。同时，串行寄存器向阵列的出口转移。 是一种架构更简单的感光设计。鉴于Interline的缺点，Full Frame可以利用整个感光区域(没有寄存

16、区的设计)，有效的增大感光面积，同时也适应长时间曝光。感光和电荷输出过程是分开的。因此Full Frame的相机在传送电荷时必须使用机械快门(无法使用电子快门)，同时也限制了Full Frame CCD连续拍照的能力。 2. Full frame2. Full frameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull Frame2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array2. Full frameFull FrameSerial R

17、egisterOutput NodeActive Array2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayADC2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayADC2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreampl

18、ifierOutput NodeActive Array2. Full frameFull FrameADCSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array2. Full frameFull FrameADCSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreamplif

19、ierOutput NodeActive Array3. Frame transferS e r ia lC lo c k sD ire c tio n o fP a ra lle l S h iftP a ra lle lC lo c k sfo rS to ra g eA rra yP a ra lle lC lo c k sfo rIm a g eA rra yF r a m e -T r a n s fe r C C DS eria lRe gisterIma ge Arra yStora ge Array(masked)Frame transfer的架构介于Interline和Ful

20、l Frame之间，它分成上下两个部分，上半部是感光区，下半部是暂存区。整体来说Frame Transfer 非常类似Full Frame，它的特点在于直接规划一个大型寄存区。一旦CCD工作，它可以迅速将电荷转移到下方的寄存区中，本身可以继续曝光。这种设计让Full Transfer同Interline一样可使用电子快门，同时也增加了感光面积和速度，兼顾动、静态的拍摄能力。 3. Frame transferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFrame Transfer3. Frame transferFrame Transfe

21、rSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Fra

22、me transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutpu

23、t NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial R

24、egisterPreamplifierOutput NodeActive Array上面所述都是按照单行单列的模式进行电荷传输的。在实际应用中如果单行的像素太多，会影响传输速度。这时可以使用多通道传输。五、五、CCD的数据输出形式的数据输出形式1. 单输出单输出 (Single Tap)通常是在低分辨率或低速的Line-scan Camera上的设计，它的特性是感光后将光转成电荷信号通过单一输出将数据传递出去。2. 奇偶双输出奇偶双输出 (Dual Taps)通常是在高分辨率或为了提高传输速度的设计，它的特性是感光后分成奇数及偶数将光转成电荷信号分成两组将数据传递出去。转移次数少一半，它的总转

25、移效率大大提高。3. 前后双输出前后双输出 (Dual Taps)通常是在高分辨率或为了提高传输速度的设计，它的特性是在感光后分成前半段及后半段将光转成电荷信号分成两组将数据传递出去。4. 三输出三输出 (Triple Taps)通常是用在 RGB 彩色CCD上，棱镜会依据光谱的波长特性(红光波长最长，再来是绿光，再来是蓝光)分别将光线投射至红、绿、蓝三组CCD上，每个CCD 分别将光转成电荷信号输出，虽然三组CCD分别有独立的 Data Clock，但是因为必须要R, G, B 的数据组合在一起才会变成彩色影像，所以实际速度并没有因为每个CCD 有独立的 Data Clock而加快。5. 四

26、输出四输出 (Quad Taps)通常是在高分辨率或为了提高传输速度的设计，结合了双输出的奇偶输出加上前后段输出的特性分成四组，让取像速度加快变成四倍。6. 八输出八输出 (Octal Taps)目前这类设计出现在超高分辨率的机种上，除了分出前后段，而且各分出四组输出，因此取像速度可以提高成八倍而不会因为分辨率很高而使速度大大降低。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。