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1、凌云公司,一、CCD基本原理与成像系统中的新技术 二、CCD和CMOS相机产品介绍 三、采集卡基本原理和产品介绍 四、应用系统演示,一、CCD的基本原理 二、CCD成像器件 三、CCD成像器件的特性参数 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,一、CCD基本原理,CCD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号。 CCD的基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测,1、 CCD的单元结构,CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS结构。,CCD单元与线阵列结构的示意图 a) CCD单元 b) CCD线阵列,2、光电荷的产生
2、,式中：为材料的量子效率；q为电子电荷量；neo为入射光的光子流速率：A为光敏单元的受光面积；T C为光注人时间。,3、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 QCoxUG,4、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。,4、电荷包的转移,4、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出寄存器。,二、
3、CCD成像器件,通常实用CCD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CCD移位寄存器两部分。光电二极管阵列专门用来完成光电变换和光积分， CCD移位寄存器专门用来完成光生电荷转移。 根据光敏像素的排列方式，CCD成像器件分为线阵列和面阵列两大类。,1、线阵列CCD成像器件,单沟道线型CCD 双沟道线阵CCD,转移次数多、效率低、调制传递函数MTF较差，只适用于像敏单元较少的成像器件。,转移次数少一半，它的总转移效率大大提高，故一般高于256位的线阵CCD都为双沟道的。,1、线阵列CCD成像器件,TDI CCD TDI（Time Delay and Integration）是一种扫描
4、方式，是基于对同一物体的多次曝光累加的概念发展而来的。TDI CCD比常规扫描方式具有更高的灵敏度和信噪比。,2、面阵CCD,按一定的方式将一维线型CCD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CCD。 根据转移方式不同，面阵CCD通常有帧转移、全帧转移、行间转移等转移方式。,帧转移面阵CCD,帧转移面阵CCD的特点是结构简单，光敏单元的尺寸较小，模传递函数MTF较高，但光敏面积占总面积的比例小。转移速度较快。,帧转移面阵CCD,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sme
5、ar现象。,全帧转移CCD,行间转移型CCD,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。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。,行间转移型CCD,三、CCD成像器件的特性参数,1、转移效率与损耗率 2、暗电流 3、光谱响应 4、动态范围 5、灵敏度,1.转移效率与损耗率,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
6、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-,2.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散 3.Si-SiO2界面引起的暗电流,3.光谱响应,CCD的光谱响应是指CCD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0.41.15m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0.650.9m左右。,4.动态范围,CCD图像传感器的动态范围由满阱容量和噪声之比决定，它
7、反映了器件的工作范围。 满阱容量（“Full-well“ capacity） CCD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幅度等因素 在CCD中有以下几种噪声源： 1） 由于电荷注入器件时由电荷量的起伏引起的噪声； 2） 电荷转移过程中，电荷量的变化引起的噪声； 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。 动态范围的数值可以用输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比表示，单位为dB。,5.灵敏度,1、表示光电器件的光电转换能力。对于给定芯片尺寸的CCD来说，其灵敏度可用单位光功率所产生的信号电流表
8、示，单位可以为纳安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯(V/Lux)、伏/流明(V/lm)。 2、器件所能传感的最低辐射功率（或照度），与探测率的意义相同。单位可用瓦（W）或勒克斯（Lux）表示。,四、成像系统中的新技术,1、非均匀性校正技术 9、抗光晕技术 2、数字变焦技术 10、电子曝光技术 3、白平衡技术 11、多模式输出 4、增强型CCD技术 12、相关双采样技术 5、 Binning技术 13、抗拖影技术 6、低温工作技术 14、高速CCD相机 7、背照技术 8、微透镜技术,1.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
9、匀性校正电路进行校正。,2.数字变焦技术,3.白平衡技术,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。一般来说，ccd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。,4.增强型CCD技术,真空变像管型像增强器 普通变像象管 带光纤面板的变像管 优点：光放大倍数很大，可高达106，能做到单光子成像； 缺点：结构大些，量子效率较低。,4.增强型CCD技术,微通道板型像增强器 优点：量子效率高、畸变小、尺寸小，结构牢固、性能优良； 缺点：电子束发散、像质稍差和光
10、斑闪烁较多,4.增强型CCD技术,混合型像增强器 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。,5.Binning技术,Binning技术是一种将几个相邻像素合并成一个像素的技术。 2*2 binning,5.Binning技术,它的优点是： 将相机的信噪比提高； 将摄像的帧频提高至原来的MN倍； 缺点： 相机的分辨率降低了； 多像素合并的信号增大很多，便要求移位寄存器具有更高的暂存能力。,6.微透镜技术,6.微透镜技术,微型透镜技术的主要优点为： 微透镜阵列覆盖CCD的全部表面，它能将入射的全部光线会聚在光电二极管上，这样，入射光将得到接近100的利用； 使用微透镜技术可缩小光
11、电二极管的尺寸，从而提高图像传感器的灵敏度； 光电二极管的尺寸缩小了，噪声也随着降低了； 光电二极管尺寸的缩小，结电容会减小，促使响应速度的提高； 光电二极管的尺寸缩小，可以有更大空间用于布置电子元器件和传输沟道等，促使CCD整体性能的提高。,7.抗光晕（Anti-Blooming）技术,7.抗光晕（Anti-Blooming）技术,缩短曝光时间 时钟抗晕 溢出沟道 溢出门,7.抗光晕（Anti-Blooming）技术,8.电子曝光,CCD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动目标图像。,9.多模式输出特性,现代CCD相机，特别是CMOS相机，具有多种输
12、出模式，以适应不同的使用要求。 线性模式 双斜率模式 对数模式 校正模式 式中v是输出信号电压，E是输入光强，K 是常数，而是校正因子。,多模式输出特性,现代CCD相机，特别是CMOS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1示出了上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2示出了四种不同的
13、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：（a）-6bit; (b)-5bit; (c)-4bit; (d)-3bit. 可见随着动态范围的减小，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。 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CMOS成像器件中，可以
14、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有良好使用性能。 校正模式的输出规律如下： vke E (3.1) 式中v是输出信号电压，E是输入光强，K 是常数，而便是校正因子。是小于1的系数，可见这种模式也使输出信号的增长速度逐渐减缓。,9.多模式输出特性,LinLog 模式,Linear long exposure time,Linear short exposure time,Double slope integration,Linear long exposure time,Linear short exposure time,Logarithmic response,谢谢!,
