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1、CCD图像传感器的抗晕技术分析 电荷耦合器件CCD是一种在硅集成电路工艺线上制作的固体图像传感器，它工作方式是将光信号在光敏区转换为电荷信号，再以电荷耦合的方式将电荷传送并输出。它的高灵敏度、像元尺寸小、低噪声、低暗电流的特点，使其在图像信息获取领域应用逐渐扩大，成为目前成像系统采用的主流图像传感器。近年来，CCD 图像传感器已被广泛应用于军事、天文物理、工业检测和监控及医学诊断等领域。CCD摄像器件摄取的目标图像，光强从月光到日光，且变化的动态范围大，这就要求CCD既有高灵敏度响应，又要在日照强光下摄取的图像清晰。但是, CCD 摄像器件在强光照射时会出现光晕( blooming ) 和拖影
2、( smear)现象, 而对于固体摄像器件, 这些现象会严重影响到CCD的成像质量和清晰度, 这就要求CCD在强光照时具有抗晕能力。光晕就是图像中存在亮点, 在显示屏上出现一个白色区域向周围扩展, 从而出现柱状或线状白道的现象。另外就是关于夜间汽车会车时车灯晕光问题, 夜间行车两机动车正面交会时, 对方车前灯会对人眼产生直接眩光, 另对方驾驶员感到眩晕, 可能导致严重的交通事故。各国学者均在寻求最佳解决方案. 目前比较成熟的夜视红外成像技术, 可以有效地消除车灯晕光问题, 但其缺点是成本高、图像清晰度低。CCD 传感器是目前应用最广泛的图像传感器, 但当景物中明暗部分亮度相差较大时, 由于受其
3、动态范围的限制, CCD 图像传感器将无法获得满意的图像。因若将CCD 传感器积分时间缩短, 则图像中景物亮度较暗部分的图像将会丢失; 若是延长CCD 传感器积分时间, 则图像中景物较亮部分将发生晕光现象。一、抑制光晕的两种基本方法抑制光晕的基本方法是当过量载流子从像元处溢出时, 便将他们吸收掉, 以阻止扩散到邻近像元。根据CCD图像传感器的结构和制造工艺, 有两种抗晕的方法: 横向抗晕、纵向抗晕。1. CCD横向抗晕结构横向抗晕结构是在每个光敏元旁边设置一个溢出漏(anti-blooming drain)即(AB drain), 并且每个光敏元和溢出漏之间用一个抗晕栅连接。在横向抗晕结构中,
4、 当强光照射时, 光敏元的光生过量载流子横向溢出到旁边的溢出漏中, 从而抑制了光晕现象。但这种结构的缺点是溢出漏占用了光敏元的面积, 使得CCD 的灵敏度和动态范围降低。2CCD纵向抗晕结构 CCD纵向抗晕结构方法介绍 CCD纵向抗晕结构是在每个光敏元的光电二级管下设置一个溢出漏, 当强光照时, 光敏元的过量光生载流子就纵向导入溢出漏, 最后导入衬底, 这样光晕得到抑制。如图1所示, CCD 摄像器件的光晕纵向控制原理, 当V- CCD 的驱动脉冲为高电平Vh 时, p- n结光电二极管的光生信号电荷被转移到V - CCD 中。这时, 光电二极管的电位与TG区的沟道电位TGH相同, 在电势曲线
5、被标为“空”。接着, 随着光电二极管中光生信号电荷的产生, 二极管电势也随着相应减小。当光照强时, 二极管电势将到图中的“满”状态。这时,垂直溢出漏起作用, 由于光强而产生的所有过量电荷,就沿着1 PW 而被导入n衬底( n衬底象一个漏), 而不是溢出到邻近的V- CCD, 这样光晕受到抑制。图1 纵向抗晕的控制过程从上述光晕控制说明中可知, 光敏二极管所能存贮的最大电荷量QPDmax为QPDmax =CPD ( TGH - PD )式中CPD是光敏二极管电容。无光晕的条件为PD TGM 纵向抗晕CCD模型的建立由于一个CCD 器件是由多个结构单元组成, 而且每个单元的结构完全相同, 为此,
6、选取了纵向抗晕CCD 器件的一个结构单元进行了仿真。图2 纵向抗晕CCD的模拟计算简化模型选取结构单元的简化计算模型如图2所示。用MEDIC I软件对上述模型进行仿真。其结果如下: 1 PW 层硼掺杂浓度直接影响到CCD纵向抗晕能力。选取Nch 沟道掺杂浓度为310cm, 节深为0.5m, 在G下注如入电子电荷量Q = 1.59810coul/m,即为9.97310/m电子, 对衬底施加相同的反向偏置电压V=15V, 1PW层节深为3m条件下, 取1PW 硼掺杂浓度分别在610 cm、810 cm、110 cm时进行瞬态模拟。图3 1PW =610 cm
7、纵向抗晕电势曲线图4所示为1PW =110 cm抗晕电势曲线,与图3相比: 导入衬底的电荷量较大, 几乎是把沟道注入的载流子全部导入衬底, 对沟道清空, 实现复位。图4 1PW =110 cm纵向抗晕电势曲线上述建立了模拟纵向抗晕CCD 器件的数值运算模型,利用半导体器件二维数值仿真软件MEDICI, 对CCD纵向抗晕的各个影响参数进行了二维数值模拟研究。通过模拟和分析可以得出:1PW层杂质浓度越低, 电势越高, 则电子势垒越低, 则导入衬底的过量载流子越多, 对应的抗晕能力越强。二、双CCD图像传感器的汽车抗晕方法在汽车抗晕光中，可以利用积分时间一长一短两部CCD 摄像机
8、, 同步获取同一探测目标两路图像信号, 克服单片CCD 图像传感器动态范围小的缺点。采用位图像素亮度置换算法, 将积分时间长通道中晕光像素点的亮度值用积分时间短通道中对应像素点的亮度值替代, 达到了消除晕光现象的目的。双同步CCD图像传感器适用于晕光图像的采集处理, 该方法可使CCD图像传感器动态范围扩展近2倍。1 抗晕光原理面阵CCD 用光学成像系统将景物图像成像在CCD 像敏面上。光敏单元势阱中光注入电荷量的计算公式为Q=式中,为材料的量子效率；q为电子电荷量； A为光敏单元的受光面积；为光波长的光子能量；为暴光积分时间；为入射光光谱辐射通量。从式中可以看出, 当CCD 器件确定后，、q、
9、A及均为常数, 光注入到势阱中的信号电荷量Q与入射光的光谱辐射通量及注入时间成线性关系。由于CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量Q一定, 当光谱辐射通量增大时, 适当缩小暴光积分时间, 就可以清晰地采集到景物中亮度较强部分的图像, 而不会发生晕光现象；反之, 当光谱辐射通量减小时, 适当增大暴光积分时间光, 就可以清晰地采集到图像景物中亮度较暗部分的图像。汲取两种情况下各自的优点, 合成后的图像自然就消除了晕光现象。2. 抗晕光系统结构双CCD 图像传感器工作如图5所示。两部CCD 摄像机同步工作，左CCD 摄像机光积分时间长(光积分时间按能够清晰获取景物中亮度较暗部分景物的图像调整) , 右C
10、CD 摄像机积分时间短(光积分时间按能清晰地获取景物中亮度较亮部分景物的图像调整)。图5 双CCD 同步摄像机探测同一目标左右两部摄像机同时采集同一景物, 输出模拟视频信号经过数字视频解码器解码, 转换成数字信号,在同一个地址发生器作用下, 将各自奇偶场中每个像素点的亮度、色度数值依次存储在存储器1 和存储器2 中。DSP 从存储器1 中依次读取每一个存储单元的数值并进行判断, 如果该像素点未发生晕光, 则该存储单元的亮度、色度数值直接送到视频编码电路输出；如果该像素点发生晕光, 丢弃该存储单元数据, 而从存储器2 相同地址单元中取出数据, 再送视频编码电路输出。经过像素亮度置换后合成的位图图
11、像, 再经过视频编码, 将数字信号转换成模拟视频信号送LCD 显示屏输出。图像处理流程如图6所示。图6 抗晕光图像处理流程图3.方法总结 采用双CCD 传感器技术, 可以有效地消除汽车晕光现象。在此基础上, 若能采取其它图像处理技术对图像的边缘进行处理, 将会得到十分满意的图像效果。该方法推广应用到其它机器视觉产品中, 不同的应用目标, 需要根据实际情况准确设定两台摄像机各自的光积分时间和阈值大小, 从而扩大CCD 传感器的动态范围。三、增加像敏单元寻址电路和积分时间脉冲产生电路的方法1工作原理为了解决面阵CCD图像传感器由于动态范围有限而在强光照射下发生晕光的问题, 基于DL32 面阵CCD
12、 图像传感器原有结构, 通过增加像敏单元寻址电路和积分时间脉冲产生电路, 使得所有像敏单元积分时间均可独立设定。利用DSPsTMS320C6713 对面阵CCD 图像传感器每个像敏单元输出的亮度值进行实时监测, 通过地址及数据总线控制改进型面阵CCD 图像传感器, 缩小该像敏单元的光积分时间。经过MATLAB 算法仿真, 像敏单元晕光现象已彻底消除。2. 系统结构框图及工作原理系统由改进型DL32 型面阵CCD 图像传感器、CCD 驱动电路、视频解码器、FIFO 存储器、DSPs 五部分组成, 系统结构框图如图7所示。DL32 型面阵CCD 是一种适用于我国电视摄像系统的典型面阵CCD 芯片。
13、面阵CCD 图像传感器由其驱动电路驱动工作, 图像景物由面阵CCD 图像传感器采集并转换成模拟视频信号输出, 直接供液晶显示器显示。模拟视频信号同时被送入视频解码器SAA7111A 的输入端, 视频解码器SAA 7111A 将模拟视频信号转换成数字视频信号, 视频数字信号通过FIFO 存储器输入到DSPs,DSPs 对每个像敏单元的亮度数值逐一进行监测。当某一个像素亮度数值大于规定阈值时, 就认为该像素点发生了晕光, DSPs 通过数据总线和地址总线控制改进型面阵CCD 图像传感器, 将目标像敏单元的积分时间缩短一级。DSPs 实时监测和调整发生晕光像敏单元的积分时间, 直到面阵CCD 的每一
14、个像敏单元均不发生晕光。图7 抗晕光系统结构框图3.方法总结及后续处理在不同快门下，用同一部数码相机拍摄夜间汽车静止时的照片。观察照片可以得知，利用这种方法，在一定条件下，可以有效的消除车灯晕光现象。但是，随着快门时间（相当于CCD传感器的积分时间）的缩短，整个图像也会变的越来越暗，等晕光现象被消除时，除了车灯以外的物体，已经根本无法辨认。我们用MATLAB6.5对不同快门时间的几幅图像进行像素亮度置换算法仿真。算法为：将几幅图像中像素点的亮度值进行数值取代，最后可以得到集中了几幅图像所有优点，克服了图像晕光问题的照片。这实质是对面阵CCD 图像传感器像敏单元设置了几种积分时间, 并经过光强分
15、布自动调整后所得到的图像效果。就人眼观察而言,仿真处理后的图像中已经没有强烈的晕光区域, 并且周围路况也完全可以清楚地看见, 这样就保证了人眼不会因为高光而受损害, 同时也保证了行车安全。参考文献1 武利翻.CCD图像传感器抗晕技术研究.传感器世界，2010年08月.2 王健，曾辉.抗晕光面阵CCD图像传感器及抗晕光方法的实现.西安工业大学学报，第27卷 第6期 2007年12月.3 武利翻.CCD图像传感器抗晕结构研究与仿真.科学技术与工程，第10卷 第27期 2010年9月.4 王健，高勇，雷志勇，郭全民，孙景燕.基于双CCD图像传感器的汽车抗晕光方法研究.传感器技术学报，第20卷 第5期 2007年5月.5 武利翻.电子快门与CCD图像传感器抗晕的研究.电子科技，第23卷 第8期 2010.
