第五章3CCD簡(jiǎn)介課件

CCDChargeCoupledDeviceCCDChargeCoupledDevice相機(jī)的構(gòu)造鏡頭光圈快門(mén)感光元件相機(jī)的構(gòu)造鏡頭光圈快門(mén)感光元件鏡頭鏡頭通常由幾個(gè)到十?dāng)?shù)個(gè)不等的凹凸透鏡組合而成，且多為成雙配對(duì)，再經(jīng)過(guò)特殊的鍍膜處理，使景物減少耀光、折光，提高影像畫(huà)質(zhì)。一般而言，以鏡頭焦點(diǎn)距離的長(zhǎng)短（焦距focallength)來(lái)分類，約為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、廣角鏡頭、望遠(yuǎn)鏡頭及雙焦鏡頭等四大類。光學(xué)變焦與數(shù)碼變焦鏡頭鏡頭通常由幾個(gè)到十?dāng)?shù)個(gè)不等的凹凸透鏡組合而成，且多為成雙光圈快門(mén)光圈光圈值越小，進(jìn)光量越多，那就表示使用的是大光圈?？扉T(mén)快門(mén)是控制光量進(jìn)入的時(shí)間的長(zhǎng)短，並且會(huì)影響畫(huà)面的動(dòng)感。光圈快門(mén)光圈實(shí)物圖像?圖像采集和處理的過(guò)程，最基本的是要把實(shí)物盡量真實(shí)地反映到虛擬的圖像上一、成像原理實(shí)物圖像?圖像采集和處理的過(guò)程，最基本的是要把實(shí)物盡一、成像如何準(zhǔn)確地描述一幅圖像一、成像原理如何準(zhǔn)確地描述一幅圖像一、成像原理感光芯片的設(shè)計(jì)思想：就是分割被描述區(qū)域，用相應(yīng)的灰度填充。一、成像原理感光芯片的設(shè)計(jì)思想：就是分割被描述區(qū)域，用相應(yīng)的灰度填充。一

圖片表示法

以存Pixel的方式存圖片99119107圖片表示法

以存Pixe實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源顯示設(shè)備A/D轉(zhuǎn)換CCDsensor后端電路一、成像原理實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源顯示設(shè)備A/D轉(zhuǎn)換C實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源A/D轉(zhuǎn)換CCDsensor相機(jī)后端電路PC數(shù)字采集卡數(shù)字相機(jī)+數(shù)字采集卡一、成像原理實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源A/D轉(zhuǎn)換CCD由于光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和放大設(shè)備都是針對(duì)微觀的電荷進(jìn)行量化操作。就需要一個(gè)精密的器件來(lái)完成這兩個(gè)過(guò)程。我們常用的是

CCD

和CMOS二、CCD和CMOS的比較由于光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和放大設(shè)備都是針對(duì)微觀的電荷進(jìn)行量化操作。就CCD(ChargeCoupledDevice)

電荷藕合器件圖像傳感器CCD，它集成在高感光度的半導(dǎo)體單晶材料上，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫(huà)面。CCD(ChargeCoupledDevice)CCDsensor放大A/D光子電子電壓數(shù)字信號(hào)CMOS芯片可以在像素上同時(shí)完成這兩個(gè)步驟CCD與CMOS的光電轉(zhuǎn)換示意圖：由上面兩圖可看出：CMOS和CCD最大的區(qū)別是CMOS的電荷到電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程是在每個(gè)像素上完成的二、CCD和CMOS的比較CCDsensor放大A/D光子電子電壓數(shù)字信號(hào)CMOS由于上面所說(shuō)的結(jié)構(gòu)，CCD的電路更改更方便。而由于CMOS的過(guò)分集成，電路更改不方便，但可靠性高。CMOS功耗小。CMOS噪聲大。CCD信噪比的典型值一般為45－55dB。CMOS傳感器有固定比CCD傳感器高10倍的噪音。CMOS速度快。由結(jié)構(gòu)決定。成本CMOS便宜一些。二、CCD和CMOS的比較由于上面所說(shuō)的結(jié)構(gòu)，CCD的電路更改更方便。而由于CMOS的CMOS靈敏度差。CMOS傳感器對(duì)光線的靈敏度不好，感光度通常比CCD傳感器低10倍。人眼能看到1Lux照度（滿月的夜晚）以下的目標(biāo)，CCD傳感器通常能看到比人眼略好，大約能看到在0.1~3Lux照度以下的目標(biāo)，是CMOS傳感器感光度的3到10倍。CMOS傳感器的感光度一般在6到15Lux的范圍內(nèi)。二、CCD和CMOS的比較CMOS靈敏度差。二、CCD和CMOS的比較二、CCD和CMOS的比較從以上的對(duì)比可以看出：CCD在圖像的質(zhì)量上更有優(yōu)勢(shì)。而常見(jiàn)的高速相機(jī)則會(huì)采用CMOS芯片。CCDCMOS電路更改方便固定速度慢快噪聲好差靈敏度好差功耗毫安級(jí)微安級(jí)成本高低二、CCD和CMOS的比較從以上的對(duì)比可以看出：CCD三、CCD的工作過(guò)程典型的CCD結(jié)構(gòu)圖三、CCD的工作過(guò)程典型的CCD結(jié)構(gòu)圖三、CCD的工作過(guò)程1.有一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置把入射到每一個(gè)感光像素上的光子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)量的電荷。三、CCD的工作過(guò)程1.有一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置把入射到每一個(gè)三、CCD的工作過(guò)程2.這些電荷可以被儲(chǔ)存起來(lái)。三、CCD的工作過(guò)程2.這些電荷可以被儲(chǔ)存起來(lái)。三、CCD的工作過(guò)程3.電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域。三、CCD的工作過(guò)程3.電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域三、CCD的工作過(guò)程3.電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域。三、CCD的工作過(guò)程3.電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域CCD單元部分，就是一個(gè)由金屬-氧化物-半導(dǎo)體組成的電容器。假如給一個(gè)電極加上電壓，那么該電極下的襯底表面附近將形成耗盡層,即能夠吸引電子的勢(shì)阱。1.光-電轉(zhuǎn)換CCD單元部分，就是一個(gè)由金屬-氧化物-半導(dǎo)體當(dāng)景物的光照射到CCD時(shí)，具有光敏特性的P型硅在光量子的激發(fā)下產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，空穴移向襯底而消失，電子進(jìn)入勢(shì)阱并存儲(chǔ)在那里。2.電荷儲(chǔ)存當(dāng)景物的光照射到CCD時(shí)，具有光敏特性的P型硅這一過(guò)程存在著以下問(wèn)題：當(dāng)一個(gè)像素聚集過(guò)多的電荷后，就會(huì)出現(xiàn)電荷溢出，溢出的電荷會(huì)跑到相鄰的像素勢(shì)阱里去。這樣電荷的電量就不能如實(shí)反映原物。要避免這種情況發(fā)生的方法：A把桶做大些；B減少測(cè)量時(shí)間；C把裝滿水的桶倒出一些；D做個(gè)導(dǎo)流管，讓溢出的水流到地上去，不要流到其它桶里。這一過(guò)程存在著以下問(wèn)題：由此可見(jiàn)，增大像素尺寸是最簡(jiǎn)單有效的做法。水桶CCD芯片缺點(diǎn)把桶做大增大單位像素尺寸減少測(cè)量時(shí)間縮短曝光時(shí)間對(duì)于暗的部分曝光不足把滿的水桶到出一些間歇開(kāi)關(guān)時(shí)鐘電壓降低速度做個(gè)導(dǎo)流管溢出溝道和溢出門(mén)制作復(fù)雜，且還有缺陷對(duì)應(yīng)的方法：由此可見(jiàn)，增大像素尺寸是最簡(jiǎn)單有效的做法。水桶CCD芯片缺點(diǎn)當(dāng)一個(gè)CCD芯片感光完畢后。每個(gè)像素所轉(zhuǎn)換的電荷包，就按照一行的方向轉(zhuǎn)移出CCD感光區(qū)域。為下一次感光釋放空間。3.電荷轉(zhuǎn)移當(dāng)一個(gè)CCD芯片感光完畢后。每個(gè)像素所轉(zhuǎn)換的在同一個(gè)像素區(qū)域，應(yīng)該有電荷儲(chǔ)存空間和用來(lái)轉(zhuǎn)移的空間。這樣才能順利完成轉(zhuǎn)移。在同一個(gè)像素區(qū)域，應(yīng)該有電荷儲(chǔ)存空間和用來(lái)轉(zhuǎn)移的空間。這樣才采用3相時(shí)鐘脈沖的器件基本結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖采用3相時(shí)鐘脈沖的器件基本結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖CCD的原理實(shí)際的CCD是由3位絕緣柵組成1組，在3組外加脈沖時(shí)鐘作用下將電荷向一定方向轉(zhuǎn)送。3組電壓脈沖中：V1是在半導(dǎo)體表面附近形成耗盡層的電壓；V2形成更深的深耗盡層，成為能存儲(chǔ)電荷的勢(shì)阱；V3是能夠轉(zhuǎn)移電荷的更大的電壓。這些電荷可以是由于光照等原因產(chǎn)生的，它們存儲(chǔ)在表面勢(shì)能低的勢(shì)阱中。CCD的原理實(shí)際的CCD是由3位絕緣柵組成1組，在3組外加脈CCD的原理在V2電壓的作用下，電極下的耗盡層瞬間擴(kuò)展成深的勢(shì)阱，這種狀態(tài)不是穩(wěn)定狀態(tài)，幾秒鐘后由于熱激發(fā)的少數(shù)載流子的產(chǎn)生而使深度減小。但是，在這期間，如果鄰近的電極上加電壓V3，那么電荷將流向V3脈沖所形成的更深的勢(shì)阱。接著，柵電壓返回原來(lái)的狀態(tài)，實(shí)際上就是電荷移動(dòng)到相鄰的電極下面的勢(shì)阱中，完成了一次電荷轉(zhuǎn)移。重復(fù)這種動(dòng)作，就可以使電荷沿一定方向一次次移動(dòng)，電荷信號(hào)從輸入端由時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)輸出。CCD的原理在V2電壓的作用下，電極下的耗盡層瞬間擴(kuò)展成深的相機(jī)最重要的兩個(gè)性能對(duì)光的敏感度

1.芯片材質(zhì)2.單位像素尺寸幀速度

1.曝光時(shí)間

2.芯片的傳輸速度——芯片的傳輸方式?jīng)Q定的相機(jī)最重要的兩個(gè)性能對(duì)光的敏感度

根據(jù)陣列排布方式的不同，CCD成像器件分為線陣和面陣兩大類。

線陣CCD的構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。只是單行的感光和轉(zhuǎn)移。

而面陣芯片復(fù)雜一些。下面是一些常見(jiàn)的面陣芯片的轉(zhuǎn)移方式。根據(jù)陣列排布方式的不同，CCD成像器件分為線陣和面陣兩大四、CCD的三種類型InterlineTransfer（隔行轉(zhuǎn)移）FullFrame（全幀轉(zhuǎn)移）FrameTransfer（楨轉(zhuǎn)移）四、CCD的三種類型CCD曝光后所產(chǎn)生的電荷都被轉(zhuǎn)移到附近的移位寄存器，通過(guò)垂直傳送向下轉(zhuǎn)移到底部，按一定排序輸出，它的優(yōu)點(diǎn)在于曝光后即可將電荷儲(chǔ)存在寄存器，繼續(xù)拍照速度較快，感光和傳輸不在同一列，從而避免了兩者之間的沖突。1.InterlinetransferCCD曝光后所產(chǎn)生的電荷都被轉(zhuǎn)移到附近的移位寄存器，通過(guò)垂直隔行傳輸?shù)娜秉c(diǎn)是，寄存器占用了感光面的面積，相應(yīng)地犧牲了動(dòng)態(tài)范圍。芯片并不是所有面積都在感光，這樣，對(duì)于定位測(cè)量要求比較高的應(yīng)用會(huì)有影響。這種CCD成本較低。

1.Interlinetransfer隔行傳輸?shù)娜秉c(diǎn)是，寄存器占用了感光面的面積，相應(yīng)地犧牲了動(dòng)1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferSerialRe1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferSerialRe1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterline1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterline1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterline1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterline1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterline1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterline1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterline1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterline1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferSerialRe1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferSerialRe1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferSerialRe1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterline1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterline2.Fullframe陣列的每一個(gè)像素都感光。傳輸時(shí)，每一列向單行串行寄存器上相對(duì)應(yīng)的位置轉(zhuǎn)移。同時(shí)，串行寄存器向陣列的出口轉(zhuǎn)移。是一種架構(gòu)更簡(jiǎn)單的感光設(shè)計(jì)。鑒于Interline的缺點(diǎn)，F(xiàn)ullFrame可以利用整個(gè)感光區(qū)域(沒(méi)有寄存區(qū)的設(shè)計(jì))，有效的增大感光面積，同時(shí)也適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間曝光。2.Fullframe陣列的每一個(gè)像素都感光和電荷輸出過(guò)程是分開(kāi)的。因此FullFrame的相機(jī)在傳送電荷時(shí)必須使用機(jī)械快門(mén)(無(wú)法使用電子快門(mén))，同時(shí)也限制了FullFrame

CCD連續(xù)拍照的能力。2.Fullframe感光和電荷輸出過(guò)程是分開(kāi)的。因此FullFrame的相機(jī)在2.FullframeSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayFullFrame2.FullframeSerialRegisterPr2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerial2.FullframeFullFrameSerialRegisterOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerial2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayADC2.FullframeFullFrameSerial2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerial2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayADC2.FullframeFullFrameSerial2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerial2.FullframeFullFrameADCSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameADCSeri2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerial2.FullframeFullFrameADCSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameADCSeri2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerial3.FrametransferSerialClocksDirection

ofParallel

ShiftParallelClocksforStorageArrayParallelClocksforImageArrayFrame-Transfer

CCDSerialRegisterImage

ArrayStorage

Array(masked)Frametransfer的架構(gòu)介于Interline和FullFrame之間，它分成上下兩個(gè)部分，上半部是感光區(qū)，下半部是暫存區(qū)。整體來(lái)說(shuō)FrameTransfer非常類似FullFrame，它的特點(diǎn)在于直接規(guī)劃一個(gè)大型寄存區(qū)。一旦CCD工作，它可以迅速將電荷轉(zhuǎn)移到下方的寄存區(qū)中，本身可以繼續(xù)曝光。這種設(shè)計(jì)讓FullTransfer同Interline一樣可使用電子快門(mén)，同時(shí)也增加了感光面積和速度，兼顧動(dòng)、靜態(tài)的拍攝能力。3.FrametransferSerialClocksD3.FrametransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayFrameTransfer3.FrametransferSerialRegist3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransfe3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransfe3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransfe3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransfe3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransfe3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransfe3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransfe3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransfe3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransfe3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransfe3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransfe3.FrametransferFrameTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray3.FrametransferFrameTransfe上面所述都是按照單行單列的模式進(jìn)行電荷傳輸?shù)摹Ｔ趯?shí)際應(yīng)用中如果單行的像素太多，會(huì)影響傳輸速度。這時(shí)可以使用多通道傳輸。五、CCD