光電成像原理與技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、2013-2014第（2）學(xué)期理學(xué)院實(shí)踐教學(xué)成 績(jī) 評(píng) 定 表實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目光電成像原理與技術(shù)課程設(shè)計(jì)專(zhuān) 業(yè)信息顯示與光電技術(shù)學(xué)生姓名吳瑋奇班級(jí)學(xué)號(hào)1109040108評(píng)語(yǔ)組長(zhǎng)簽字: 成績(jī)?nèi)掌?2013-2014第（2）學(xué)期理學(xué)院實(shí)踐教學(xué)任 務(wù) 書(shū)學(xué) 院理學(xué)院專(zhuān) 業(yè)信息顯示與光電技術(shù)學(xué)生姓名吳瑋奇班級(jí)學(xué)號(hào)1109040108實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目光電成像原理與技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐題目高速高清CCD系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù):1 能對(duì)選題做理論分析，討論理論可行性。2能設(shè)計(jì)一套切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案，能夠驗(yàn)證預(yù)期達(dá)到的效果。3如果數(shù)據(jù)處理結(jié)果不夠理想，能夠找到問(wèn)題所在，并提出改進(jìn)意見(jiàn)。4能按要求格式撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

2、。報(bào)告要求格式、正確思路清晰、結(jié)構(gòu)完整、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)、分析結(jié)論正確。對(duì)課程設(shè)計(jì)總體方案要進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明5獨(dú)立按時(shí)完成規(guī)定的工作任務(wù)，不得弄虛作假，不準(zhǔn)抄襲他人內(nèi)容。6在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要嚴(yán)格要求自己，樹(shù)立嚴(yán)肅、嚴(yán)密、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，必須按時(shí)、按質(zhì)、按量完成課程設(shè)計(jì)。工作計(jì)劃與進(jìn)度安排:17周周一17周周四：選題、收集資料17周周五18周周五：撰寫(xiě)開(kāi)題、報(bào)告設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析19周周一19周周四：撰寫(xiě)報(bào)告、19周周四提交報(bào)告。 指導(dǎo)教師：年 月 日專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人：年 月 日學(xué)院院長(zhǎng)：年 月 日摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及CCD器件的廣泛應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、安防以及日常生活中高速高清CCD的需求越來(lái)越廣

3、泛。傳統(tǒng)CCD相機(jī)像素低、幀頻慢，在速度和清晰度方面有很大的缺陷，無(wú)法滿(mǎn)足越來(lái)越高的使用需求，而高速高清CCD在圖像清晰度和幀頻速度都有突出的優(yōu)勢(shì)，為CCD相機(jī)注入了新的發(fā)展活力。最近世界各國(guó)在高速CCD相機(jī)研發(fā)領(lǐng)域投入大量的精力并取得了大量的成果，開(kāi)展高幀頻大面陣CCD相機(jī)的研制工作具有重要意義。本文首先對(duì)柯達(dá)公司生產(chǎn)的逐行轉(zhuǎn)移面陣CCD傳感器KAI-01050做了簡(jiǎn)單的介紹，基于逐行轉(zhuǎn)移CCD的工作原理、電荷轉(zhuǎn)移方式的研究，設(shè)計(jì)了高速高清CCD系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)。本文通過(guò)對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)的研究，完成了高速高清CCD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。關(guān)鍵詞：高速攝像，高清CCD目錄第一章 緒論1第二章 高速高清CC

4、D系統(tǒng)介紹22.1 CCD成像原理22.2 KAI_01050探測(cè)器介紹3第三章 高速高清CCD系統(tǒng)的組成53.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)53.2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)6第四章 結(jié)果分析7參考文獻(xiàn)8第一章 緒論電荷耦合器件(CCD)屬于半導(dǎo)體器件，是一種圖像傳感器，能夠把視場(chǎng)內(nèi)的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為電荷并存儲(chǔ)在相應(yīng)的像素中，然后通過(guò)讀出電路將存儲(chǔ)的像元電荷讀出，并用外圍電路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。一個(gè)完整的CCD陣列是由一系列的微小光敏物質(zhì)(像素)組成。CCD圖像傳感器上擁有的像素?cái)?shù)量越多，能夠提供的畫(huà)面清晰度也就越高。CCD器件自1969年在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生以來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，CCD技術(shù)也隨之得到迅速

5、發(fā)展，從當(dāng)時(shí)簡(jiǎn)單的8像元移位寄存器，到現(xiàn)在已具有數(shù)百萬(wàn)、上千萬(wàn)乃至上億像元。CCD的像元尺寸已經(jīng)減小到2um以下，在縮小像元尺寸的同時(shí)，通過(guò)背面光照技術(shù)等，使飽和電壓和靈敏度也得到提高，在暗電流、讀出噪聲抑制、抗光暈轉(zhuǎn)移效率等方面也得到了極大的改善?，F(xiàn)在的CCD探測(cè)器可以探測(cè)到短波紅外光譜以及一部分紫外光譜，可應(yīng)用的范圍廣泛。CCD和CMOS都是基于MOS結(jié)構(gòu)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換達(dá)到圖像采集目的，但是它們對(duì)光電轉(zhuǎn)換后的電荷采用不同的處理方式。由于工作方式、結(jié)構(gòu)和制造工藝的差別，與CMOS相比，CCD器件一直有靈敏度高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。CCD器件擁有光譜響應(yīng)寬、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、圖像畸變小、靈敏度和幾何

6、精度高、壽命長(zhǎng)、抗沖擊、耐震動(dòng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、堅(jiān)固耐用、可以長(zhǎng)時(shí)間在惡劣環(huán)境工作、進(jìn)行數(shù)字化處理和與計(jì)算機(jī)連接方便等優(yōu)點(diǎn)，在圖像采集、工業(yè)測(cè)控、非接觸測(cè)量、天文遙感、航空航天、機(jī)器視覺(jué)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、軍事電子對(duì)抗等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是光電子學(xué)和測(cè)試技術(shù)中最活躍和最富有成果的研究領(lǐng)域之一。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和圖像采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)于圖像釆集系統(tǒng)的主要指標(biāo)：采樣速率、分辨率、精度和抗干擾能力等方面，提出了越來(lái)越高的要求。CCD探測(cè)器作為光電轉(zhuǎn)換式的圖像傳感器，是現(xiàn)代電子學(xué)和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)中最活躍的傳感器，有廣泛的應(yīng)用需求。而大面陣，高幀頻的應(yīng)用需求也在逐步提高。高分辨率、高幀頻的高速高清CC

7、D技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越受到人們的重視。第二章 高速高清CCD系統(tǒng)介紹高速高清CCD系統(tǒng)以柯達(dá)公司生產(chǎn)的面陣行間轉(zhuǎn)移CCD “KAI-01050"為探測(cè)器，該探測(cè)器的面陣大小為1024*1024，面陣大，采集到的視頻圖像清晰。高速高清CCD系統(tǒng)為KAI-01050探測(cè)器提供驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)時(shí)序，使KAI-01050能夠正常的工作，將探測(cè)器采集的模擬視頻信號(hào)讀出。探測(cè)器采用四路輸出的方式，搭配外圍高速驅(qū)動(dòng)芯片，使KAI-01050能夠同時(shí)輸出四路模擬視頻信號(hào)，數(shù)據(jù)輸出速率可以達(dá)到100幀/秒，達(dá)到高速高清的應(yīng)用需求。本文除了介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大體框圖之外，還對(duì)CCD信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移原理進(jìn)行了介紹。 2

8、.1 CCD成像原理CCD原理并不復(fù)雜。我們可以把它想象成一個(gè)頂部被打開(kāi)的記憶芯片。因此光束可以射到記憶單元中。根據(jù)“光電效應(yīng)”，這些光束在記憶單元中產(chǎn)生負(fù)電荷（圖1中右上部分）。圖1 CCD成像示意圖要實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷順利的轉(zhuǎn)移，一般選用的辦法是將頻率、波形相同、彼此相位保持固定的多個(gè)時(shí)鐘脈沖依次加在CCD的柵極電極上，這些柵極電極上的電壓便能夠按照固定的規(guī)律變化，在半導(dǎo)體表面形成一系深淺分布的勢(shì)阱，這樣便能夠使電荷包沿著勢(shì)阱的移動(dòng)方向作定向連續(xù)的移動(dòng)，這就是多相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)法。多相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)法包括兩相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、三相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和四相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)等。圖2所示，是一個(gè)三相CCD中電荷從一個(gè)柵極下面轉(zhuǎn)移至相鄰柵極

9、下面的過(guò)程。圖2 三相CCD信號(hào)電荷在勢(shì)阱中的轉(zhuǎn)移過(guò)程此時(shí)電極下面的勢(shì)阱最深，這時(shí)候逐漸將電極的電壓由2v增加到10v，如圖2(b)所示這時(shí)、兩個(gè)電極下面的勢(shì)阱具有同樣的深度，合并在一起，原先存儲(chǔ)在電極下面的電荷，就會(huì)在、這兩個(gè)電極下面均勻分布，如圖2(c)所示，然后，再逐漸將電極的電壓從10v降到2v，電極下的勢(shì)阱深度逐漸降低，如圖2.1(e)所示，這時(shí)電荷全部轉(zhuǎn)移到電極下面的勢(shì)阱中，此過(guò)程就完成了信號(hào)電荷從電極到電極的轉(zhuǎn)移。2.2 KAI_01050探測(cè)器介紹KAI-01050是柯達(dá)公司生產(chǎn)的黑白面陣CCD，如圖3所示。KAI-01050為行間轉(zhuǎn)移CCD，有效像元數(shù)達(dá)到1024*1024個(gè)

10、，像元大小為5.5um*5.5um；動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到64dB；有4個(gè)模擬視頻輸出口，通過(guò)修改驅(qū)動(dòng)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)程序，可選擇采用1通道、2通道或者4通道輸出模式。在選用4通道輸出模式下，KAI-01050輸出的最高幀頻可達(dá)到120幀，本設(shè)計(jì)采用的是4通道，實(shí)現(xiàn)全像素100幀輸出。圖3 KAI O1050傳感器KAI01050具體參數(shù)為：1、傳感器：KODAK KAI-010502、輸出分辨率：1024*10243、像素尺寸：5.5um*5.5um4、靈敏度：0.01lx (F1.4,for monochrome, Gain at 18dB)5、逐行輸出：2Tap輸出6、輸出頻率：60fps（精度60H

11、z±0.05%）7、像素時(shí)鐘：40MHz（2Tap輸出）8、數(shù)據(jù)輸出電器規(guī)范：Camera Link（Base Mode）9、數(shù)據(jù)輸出格式：8bit/tap(提供詳細(xì)輸出格式)10、自動(dòng)增益：018dB（通過(guò)串行通訊口開(kāi)啟或關(guān)閉）11、自動(dòng)快門(mén)：1/60s1/100000s（通過(guò)串行通訊口開(kāi)啟或關(guān)閉） 固定快門(mén)（在自動(dòng)快門(mén)關(guān)閉情況，通過(guò)串行通訊口設(shè)置某一固定值）12、自動(dòng)手動(dòng)白平衡：自動(dòng)（通過(guò)串行通訊口選擇自動(dòng)白平衡開(kāi)啟或關(guān)閉） （在自動(dòng)白平衡關(guān)閉情況，通過(guò)串行通訊口分別設(shè)定R、G、B增益調(diào)節(jié)白平衡）13、自動(dòng)增益/快門(mén)圖像亮度設(shè)定值：通過(guò)串行通訊口設(shè)定14、工作電壓：12VDC&#

12、177;10%（功耗小于8W）15、工作溫度：-40+70°C16、儲(chǔ)存溫度：-55+70°C根據(jù)其分辨率1024*1024，輸出頻率100幀/秒的性能，可以基本實(shí)現(xiàn)高速高清照相。第三章 高速高清CCD系統(tǒng)的組成高速高清CCD系統(tǒng)由可見(jiàn)光光學(xué)系統(tǒng)、CCD探測(cè)器、電氣系統(tǒng)以及顯示設(shè)備組成，如圖3所示，CCD探測(cè)器是成像系統(tǒng)的探測(cè)器件，作用是為成像系統(tǒng)提供原始模擬視頻信號(hào)；電氣系統(tǒng)是CCD成像系統(tǒng)的核心部分，為CCD探測(cè)器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)、電源、偏置電壓、數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)、處理電路、圖像處理算法等，針對(duì)CCD圖像的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)時(shí)圖像信號(hào)處理和優(yōu)化，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的視頻傳輸格式，最后通過(guò)

13、顯示設(shè)備顯示。圖3 高速高清CCD成像系統(tǒng)一個(gè)完整的CCD成像過(guò)程為：圖像采集的目標(biāo)物體反射或者福射出的可見(jiàn)光傳輸?shù)紺CD成像系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，光學(xué)鏡頭的作用是把目標(biāo)發(fā)射或者福射出的可見(jiàn)光會(huì)聚到CCD探測(cè)器的焦平面陣列上，CCD的焦平面陣列對(duì)可見(jiàn)光產(chǎn)生響應(yīng)電荷并存儲(chǔ)在像元中，然后通過(guò)讀出電路把響應(yīng)電荷讀出并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)字處理板上，數(shù)字處理板對(duì)圖像視頻進(jìn)行一系列的信號(hào)處理，最終將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)視頻傳輸格式，輸出到顯示器上顯示。3.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為保證最后所得圖像的清晰度，相機(jī)所選用的鏡頭應(yīng)為長(zhǎng)焦鏡頭。其中的攝遠(yuǎn)物鏡由一個(gè)正的前組和一個(gè)負(fù)的后組構(gòu)成，如圖4所示。這種物鏡的特點(diǎn)是透鏡

14、組的長(zhǎng)度L可縮短到焦距f的2/3左右，視場(chǎng)2w=20°，相對(duì)孔徑為1:8。圖4 攝遠(yuǎn)物鏡組3.2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)本論文中高速高清CCD成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，硬件系統(tǒng)如圖4所示，包括：驅(qū)動(dòng)板、數(shù)字處理板、電源板和接口板；軟件程序包括：驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)字圖形處理程序、顯示程序、數(shù)字圖像傳輸程序、422接口程序以及串行FLASH讀寫(xiě)控制程序等。圖5 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章 結(jié)果分析本文基于KAI-01050逐行轉(zhuǎn)移面陣CCD開(kāi)發(fā)的高速高清CCD系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。最終結(jié)果圖如圖6所示圖6 相機(jī)成像系統(tǒng)示意圖1-光學(xué)補(bǔ)償組；2-中性濾光片；3-快門(mén)和光欄4-光學(xué)變焦組；5-微距和對(duì)焦組；6-低通濾波組7-CCD蓋玻片；8-CCD感光面由于本系統(tǒng)選擇了長(zhǎng)焦鏡頭，所以具有視角小、景深短、透視效果差等缺點(diǎn)。 但在拍攝遠(yuǎn)距離物體如拍攝流星、運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)員等遠(yuǎn)距離快速移動(dòng)物體時(shí)，長(zhǎng)焦鏡頭有其他鏡頭不具備的優(yōu)點(diǎn)：由于視角小，所以，拍攝的景物空間范圍也小，在相同的拍攝距離處，所拍攝的影像大于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，適用于拍攝遠(yuǎn)處景物的細(xì)部和拍攝不易接近的被攝體。景深短，所以，能使處于雜亂環(huán)境中的被攝主體得到突出。綜上所述，