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1、凌云公司凌云公司凌云公司凌云公司LUSTERLightVision一、一、CCD的基本原理的基本原理二、二、CCD成像器件成像器件三、三、CCD成像器件的特性参数成像器件的特性参数四、成像系统中的新技术四、成像系统中的新技术CCD基本原理与成像系统中的新技术基本原理与成像系统中的新技术LUSTERLightVision一、一、CCD基本原理基本原理CCD的突出特点是以电荷作为信号，而的突出特点是以电荷作为信号，而其他大多数器件是以电流或者电压为信其他大多数器件是以电流或者电压为信号。号。CCD的基本功能是信号电荷的产生、存的基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测储、传输和检测LUSTERL
2、ightVision1、CCD的单元结构的单元结构CCD单元部分，就是一个由金属单元部分，就是一个由金属-氧化物氧化物-半导半导体组成的电容器，简称体组成的电容器，简称MOS结构。结构。CCD单元与线阵列结构的示意图单元与线阵列结构的示意图a)CCD单元b)CCD线阵列LUSTERLightVision2、光电荷的产生光电荷的产生式中：式中：为材料的量子效率；为材料的量子效率；q q为电子电荷量；为电子电荷量；nneoeo为入射光的光子流速为入射光的光子流速率：率：A A为光敏单元的受光面积；为光敏单元的受光面积；T T C C为光注人时间。为光注人时间。LUSTERLightVision3、
3、电荷包的储存电荷包的储存因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。但是，当有电荷包注入时，势阱深度将随之变浅，因为它始终要保持极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和。每个极板下的势阱中所能储存的最大信息电荷量Q为QCoxUGLUSTERLightVision4、电荷包的转移电荷包的转移CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。LUSTERLightVision4、电荷包的转移电荷包的转移LUSTERLightVision4、电荷包的转移电荷包的转移当完成对光敏元阵列的扫描后，CCD将光电荷从光敏区域转移至屏蔽存储区域。而后，光电荷被按顺序转移至读
4、出寄存器。LUSTERLightVision二、二、CCD成像器件成像器件通常实用通常实用CCD成像器件都是在一块硅片成像器件都是在一块硅片上同时制作出光电二极管阵列和上同时制作出光电二极管阵列和CCD移位寄移位寄存器两部分。光电二极管阵列专门用来完成存器两部分。光电二极管阵列专门用来完成光电变换和光积分，光电变换和光积分，CCD移位寄存器专门移位寄存器专门用来完成光生电荷转移。用来完成光生电荷转移。根据光敏像素的排列方式，根据光敏像素的排列方式，CCD成像器成像器件分为线阵列和面阵列两大类。件分为线阵列和面阵列两大类。LUSTERLightVision1、线阵列、线阵列CCD成像器件成像器件
5、单沟道线型单沟道线型CCD双沟道线阵双沟道线阵CCD转移次数多、效率低、调制传递函数转移次数多、效率低、调制传递函数MTFMTF较差，只适用于像敏单元较少的较差，只适用于像敏单元较少的成像器件。成像器件。转移次数少一半，它的总转移效率大大提转移次数少一半，它的总转移效率大大提高，故一般高于高，故一般高于256256位的线阵位的线阵CCDCCD都为双都为双沟道的。沟道的。LUSTERLightVision1、线阵列、线阵列CCD成像器件成像器件TDICCDTDITDI（TimeDelayandIntegration）是一种扫描方式，是基于对同一）是一种扫描方式，是基于对同一物体的多次曝光累加的概
6、念发展而来的。物体的多次曝光累加的概念发展而来的。TDICCD比常规扫描方式比常规扫描方式具有更高的灵敏度和信噪比。具有更高的灵敏度和信噪比。LUSTERLightVision2、面阵、面阵CCD按一定的方式将一维线型按一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及移的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵位寄存器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵CCD。根据转移方式不同，面阵根据转移方式不同，面阵CCD通通常有帧转移、常有帧转移、全帧转移、行间转移等转移方式。全帧转移、行间转移等转移方式。LUSTERLightVision帧转移面阵帧转移面阵CCD帧转移面阵帧转移面阵CCDCCD的特
7、点是结构简单，光敏单元的尺寸较小，模传递函数的特点是结构简单，光敏单元的尺寸较小，模传递函数MTFMTF较高，但光敏面积占总面积的比例小。转移速度较快。较高，但光敏面积占总面积的比例小。转移速度较快。LUSTERLightVision帧转移面阵帧转移面阵CCDLUSTERLightVision全帧转移全帧转移CCD利用CCD进行光电转换，同时将光电荷转移至水平移位寄存器内的CCD光敏面积占总面积的比例很大。但需要外接shutter，以克服smear现象。LUSTERLightVision全帧转移全帧转移CCDLUSTERLightVision行间转移型行间转移型CCD它的像敏单元呈二维排列，每
8、列像敏单元被遮光的读出寄存它的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转移控制栅。器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转移控制栅。每一像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器单元。读出寄存每一像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器单元。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。LUSTERLightVision行间转移型行间转移型CCDLUSTERLightVision三、三、CCD成像器件的特性参数成像器件的特性参数1 1、转移效率与损耗率转移效率与损耗率2 2、暗电流、暗电流3 3、光谱响应、光谱响应4 4、动态范
9、围、动态范围5 5、灵敏度灵敏度LUSTERLightVision1.转移效率转移效率与损耗率与损耗率电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，不是立即的和全部的，而是有一个过程。为了描述电荷包转移的不完全性，引入转移效率的概念。在一定的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为Q0，转移到下一个势阱时电荷包的电量为Q1，则转移效率定义为=Q1/Q0表示残留于原势阱中的电量与原电量之比，故=1-LUSTERLightVision2.暗电流暗电流暗电流是大多数成像器件所共有的特性，是判断一个摄像器件好坏的重要标准。产生暗电流的主要原因是：1.耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁2.少数载流子在中性体内的扩
10、散3.Si-SiO2界面引起的暗电流LUSTERLightVision3.光谱响应光谱响应 CCDCCD的光谱响应是指的光谱响应是指CCDCCD对于不同波长光线的响应能力。现在固对于不同波长光线的响应能力。现在固件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为0.40.41.15m1.15m左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，峰值波长为峰值波长为0.650.650.9m0.9m左右。左右。LUSTERLightVision4.动态范围动态范围CCD图像传感
11、器的动态范围由满阱容量和噪声之比决定，它反映了图像传感器的动态范围由满阱容量和噪声之比决定，它反映了器件的工作范围。器件的工作范围。满阱容量（满阱容量（Full-well capacityFull-well capacity）CCD的满阱容量是指单个的满阱容量是指单个CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量。它势阱中可容纳的最大信号电荷量。它取决于取决于CCD的电极面积、器件结构、时钟驱动方式及驱动脉冲电压的电极面积、器件结构、时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素的幅度等因素在在CCDCCD中有以下几种噪声源：中有以下几种噪声源：1 1）由于电荷注入器件时由电荷量的起伏引起的噪声；由于电荷注入器件
12、时由电荷量的起伏引起的噪声；2 2）电荷转移过程中，电荷量的变化引起的噪声；电荷转移过程中，电荷量的变化引起的噪声；3 3）检测电荷时，对检测二极管进行复位时所产生的检测噪声等。检测电荷时，对检测二极管进行复位时所产生的检测噪声等。动动态态范范围围的的数数值值可可以以用用输输出出端端的的信信号号峰峰值值电电压压与与均均方方根根噪噪声声电电压压之之比表示，单位为比表示，单位为dBdB。LUSTERLightVision5.灵敏度灵敏度1、表表示示光光电电器器件件的的光光电电转转换换能能力力。对对于于给给定定芯芯片片尺尺寸寸的的CCD来来说说，其其灵灵敏敏度度可可用用单单位位光光功功率率所所产产生
13、生的的信信号号电电流流表表示示，单单位位可可以以为为纳纳安安/勒勒克克斯斯nA/Lux、伏伏/瓦瓦（V/W）、伏伏/勒勒克克斯斯(V/Lux)、伏伏/流明流明(V/lm)。2、器器件件所所能能传传感感的的最最低低辐辐射射功功率率（或或照照度度），与与探探测测率率的的意意义义相相同同。单单位位可可用用瓦瓦（W）或或勒勒克克斯（斯（Lux）表示。表示。LUSTERLightVision四、成像系统中的新技术四、成像系统中的新技术1 1、非均匀性校正技术非均匀性校正技术9、抗光晕技术、抗光晕技术2、数字变焦技术、数字变焦技术10、电子曝光技术、电子曝光技术3、白平衡技术、白平衡技术11、多模式输出、
14、多模式输出4、增强型、增强型CCD技术技术12、相关双采样技术、相关双采样技术5、Binning技术技术13、抗拖影技术、抗拖影技术6、低温工作技术、低温工作技术14、高速、高速CCD相机相机7、背照技术、背照技术8、微透镜技术、微透镜技术LUSTERLightVision1.非均匀性校正技术非均匀性校正技术 在CMOS成像器件中，各像敏单元的偏置电压是不均匀的，可以在芯片中设置非均匀性校正电路进行校正。LUSTERLightVision2.2.2.2.数字变焦技术数字变焦技术数字变焦技术数字变焦技术 LUSTERLightVision3.3.白平衡技术白平衡技术物体颜色会因投射光线颜色产生改
15、变，在不同光物体颜色会因投射光线颜色产生改变，在不同光线的场合下拍摄出的照片会有不同的色温。一般线的场合下拍摄出的照片会有不同的色温。一般来说，来说，ccd没有办法像人眼一样会自动修正光线没有办法像人眼一样会自动修正光线的改变。所以通过白平衡的修正，它会按目前画的改变。所以通过白平衡的修正，它会按目前画像中图像特质，立即调整整个图像红绿蓝三色的像中图像特质，立即调整整个图像红绿蓝三色的强度，以修正外部光线所造成的误差强度，以修正外部光线所造成的误差。LUSTERLightVision4.4.增强型增强型CCD技术技术 真空变像管型像增强器真空变像管型像增强器普通变像象管普通变像象管 带带光纤面
16、板的变像管光纤面板的变像管 优点：光放大倍数很大，可高达优点：光放大倍数很大，可高达106，能做到单光子成像；，能做到单光子成像；缺点：结构大些，量子效率较低。缺点：结构大些，量子效率较低。LUSTERLightVision4.4.增强型增强型CCD技术技术微通道板型像微通道板型像增强器增强器优点：量子效率高、畸变小、尺寸小，结构牢固、性能优优点：量子效率高、畸变小、尺寸小，结构牢固、性能优良；良；缺点：电子束发散、像质稍差和光斑闪烁较多缺点：电子束发散、像质稍差和光斑闪烁较多LUSTERLightVision4.4.增强型增强型CCD技术技术混合型像混合型像增强器增强器图像清晰、闪烁小、结构
17、紧凑，是一种性能非常优良的图像清晰、闪烁小、结构紧凑，是一种性能非常优良的像增强器。像增强器。LUSTERLightVision5 5 5 5.BinningBinning技术技术技术技术 BinningBinning技技技技术术术术是是是是一一一一种种种种将将将将几几几几个个个个相相相相邻邻邻邻像像像像素素素素合合合合并并并并成成成成一个像素的一个像素的一个像素的一个像素的技术。技术。技术。技术。2*2 binning 2*2 binning 2*2 binning 2*2 binningLUSTERLightVision5 5.Binning技术技术它的优点是：它的优点是：将相机的信噪比提
18、高；将相机的信噪比提高；将摄像的帧频提高至原来的将摄像的帧频提高至原来的MN倍；倍；缺点：缺点：相机的分辨率降低了；相机的分辨率降低了；多像素合并的信号增大很多，便要求移位寄存多像素合并的信号增大很多，便要求移位寄存器具有更高的暂存能力。器具有更高的暂存能力。LUSTERLightVision6 6.微透镜技术微透镜技术 LUSTERLightVision6 6.微透镜技术微透镜技术微型透镜技术的主要优点为：微型透镜技术的主要优点为：微微透透镜镜阵阵列列覆覆盖盖CCD的的全全部部表表面面，它它能能将将入入射射的的全全部部光光线线会会聚在光电二极管上，这样，入射光将得到接近聚在光电二极管上，这样
19、，入射光将得到接近100的利用；的利用；使使用用微微透透镜镜技技术术可可缩缩小小光光电电二二极极管管的的尺尺寸寸，从从而而提提高高图图像像传传感器的灵敏度；感器的灵敏度；光电二极管的尺寸缩小了，噪声也随着降低了；光电二极管的尺寸缩小了，噪声也随着降低了；光光电电二二极极管管尺尺寸寸的的缩缩小小，结结电电容容会会减减小小，促促使使响响应应速速度度的的提提高；高；光光电电二二极极管管的的尺尺寸寸缩缩小小，可可以以有有更更大大空空间间用用于于布布置置电电子子元元器器件和传输沟道等，促使件和传输沟道等，促使CCD整体性能的提高。整体性能的提高。LUSTERLightVision7 7.抗光晕（抗光晕（
20、Anti-Blooming）技术技术 LUSTERLightVision7 7.抗光晕（抗光晕（Anti-Blooming）技术技术缩短曝光时间缩短曝光时间 时钟抗晕时钟抗晕溢出沟道溢出沟道溢出门溢出门LUSTERLightVision7 7.抗光晕（抗光晕（Anti-Blooming）技术技术LUSTERLightVision8 8.电子曝光电子曝光 CCDCCD摄像机中，采用电子曝光之后，可以防止摄像机中，采用电子曝光之后，可以防止曝光饱和、减小光晕、减小图像模糊和摄取运曝光饱和、减小光晕、减小图像模糊和摄取运动目标图像。动目标图像。LUSTERLightVision9 9 9 9.多模式
21、输出特性多模式输出特性多模式输出特性多模式输出特性 现代现代现代现代CCDCCD相机，特别是相机，特别是相机，特别是相机，特别是CMOSCMOS相机，具有多种输相机，具有多种输相机，具有多种输相机，具有多种输出模式，以适应不同的使出模式，以适应不同的使出模式，以适应不同的使出模式，以适应不同的使用要求。用要求。用要求。用要求。线性模式线性模式线性模式线性模式双斜率模式双斜率模式双斜率模式双斜率模式对数模式对数模式对数模式对数模式校正模式校正模式校正模式校正模式式中式中式中式中v v是输出信号电压，是输出信号电压，是输出信号电压，是输出信号电压，E E是是是是输入光强，输入光强，输入光强，输入光
22、强，KK是常数，而是常数，而是常数，而是常数，而 是是是是校正因子。校正因子。校正因子。校正因子。LUSTERLightVision多模式输出特性多模式输出特性多模式输出特性多模式输出特性现代现代CCDCCD相机，特别是相机，特别是CMOSCMOS相机，具有多种输出模式，以适应不同的使用要求。这些输出模式相机，具有多种输出模式，以适应不同的使用要求。这些输出模式有：线性模式、双斜率模式、对数模式和有：线性模式、双斜率模式、对数模式和 校正模式等。它们的动态范围相差很大，特殊性也有较校正模式等。它们的动态范围相差很大，特殊性也有较大的区别，图大的区别，图1 1示出了上述四种输出模式曲线。示出了上
23、述四种输出模式曲线。线性输出模式的输出与光强成正比，它适应于要求进行连续测量的场合。这种模式的动态范围最线性输出模式的输出与光强成正比，它适应于要求进行连续测量的场合。这种模式的动态范围最小；同时，在线性范围的最高端信噪比最大，而在小信号时，因噪声的影响增大，信噪比很低。小；同时，在线性范围的最高端信噪比最大，而在小信号时，因噪声的影响增大，信噪比很低。线性动态范围的增大会明显提高图像的清晰度，图线性动态范围的增大会明显提高图像的清晰度，图2 2示出了四种不同的动态范围的马铃薯切片的照示出了四种不同的动态范围的马铃薯切片的照片，其中各照片的动态范围依次为：（片，其中各照片的动态范围依次为：（a
24、 a）-6bit;(b)-5bit;(c)-4bit;(d)-3bit.-6bit;(b)-5bit;(c)-4bit;(d)-3bit.可见随着动态范围的减可见随着动态范围的减小，图像愈来愈不清晰。小，图像愈来愈不清晰。双斜率输出模式是一种扩大动态范围的方法。它采用两种曝光时间，当光强很弱时采用长时间曝双斜率输出模式是一种扩大动态范围的方法。它采用两种曝光时间，当光强很弱时采用长时间曝光，输出信号曲线的斜率很大；而当光强很强后，改用短时间曝光，曲线斜率便会降低，从而可光，输出信号曲线的斜率很大；而当光强很强后，改用短时间曝光，曲线斜率便会降低，从而可以扩大动态范围，为了改善输出的平滑性，还可
25、以采用多种曝光时间，这样，输出曲线便是多段以扩大动态范围，为了改善输出的平滑性，还可以采用多种曝光时间，这样，输出曲线便是多段直线拟合的，必然会平滑的多。直线拟合的，必然会平滑的多。对输出模式的动态范围非常大，可达几个数量级，使得无需对相机的曝光时间进行控制，也无需对输出模式的动态范围非常大，可达几个数量级，使得无需对相机的曝光时间进行控制，也无需对相机的光圈进行调节。此外，在对相机的光圈进行调节。此外，在CMOSCMOS成像器件中，可以方便地制出具有对数响应地电路，实成像器件中，可以方便地制出具有对数响应地电路，实现起来很容易；还应当说明的是，人眼对光的响应也接近对数规律，因此这种输出模式具
26、有良好现起来很容易；还应当说明的是，人眼对光的响应也接近对数规律，因此这种输出模式具有良好使用性能。使用性能。校正模式的输出规律如下：校正模式的输出规律如下：v vkeke EE(3.1)(3.1)式中式中v v是输出信号电压，是输出信号电压，E E是输入光强，是输入光强，KK是常数，而是常数，而 便是校正因子。便是校正因子。是小于是小于1 1的系数，可见这的系数，可见这种模式也使输出信号的增长速度逐渐减缓。种模式也使输出信号的增长速度逐渐减缓。LUSTERLightVision9 9 9 9.多模式输出特性多模式输出特性多模式输出特性多模式输出特性LinLogLinLogLinLogLinLog 模式模式模式模式LUSTERLightVisionLinearlongexposuretimeLinearshortexposuretimeDoubleslopeintegrationLUSTERLightVisionLinearlongexposuretimeLinearshortexposuretimeLogarithmicresponseLUSTERLightVision谢谢谢谢!