CCD相机知识简介

Part.2—CCD相机知识简介北京微视凌志技术支持部培训2008.4实物图像?图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上一、成像原理如何准确地描述一幅图像一、成像原理感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。一、成像原理实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换光电转换设备放大设备一、成像原理实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换CCDsensor后端电路一、成像原理实物图像光子模拟量（电压）电荷日光监视器CCDsensor相机后端电路模拟相机+监视器一、成像原理实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源PC模拟采集卡CCDsensor相机后端电路模拟相机+模拟采集卡一、成像原理实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源A/D转换CCDsensor相机后端电路PC数字采集卡数字相机+数字采集卡一、成像原理由于光电转换设备和放大设备都是针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。我们常用的是CCD和CMOS二、CCD和CMOS的比较CCD(ChargeCoupledDevice)电荷藕合器件图像传感器CCD，它集成在高感光度的半导体单晶材料上，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)互补金属氧化物半导体，它集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。CCDsensor放大A/D光子电子电压数字信号CMOS芯片可以在像素上同时完成这两个步骤CCD与CMOS的光电转换示意图：由上面两图可看出：CMOS和CCD最大的区别是CMOS的电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的二、CCD和CMOS的比较1.由于上面所说的结构，CCD的电路更改更方便。而由于CMOS的过分集成，电路更改不方便，但可靠性高。2.CMOS功耗小。3.CMOS噪声大。CCD信噪比的典型值一般为45－55dB。CMOS传感器有固定比CCD传感器高10倍的噪音。4.CMOS速度快。由结构决定。5.成本CMOS便宜一些。二、CCD和CMOS的比较6.CMOS灵敏度差。CMOS传感器对光线的灵敏度不好，感光度通常比CCD传感器低10倍。人眼能看到1Lux照度（满月的夜晚）以下的目标，CCD传感器通常能看到比人眼略好，大约能看到在0.1~3Lux照度以下的目标，是CMOS传感器感光度的3到10倍。CMOS传感器的感光度一般在6到15Lux的范围内。二、CCD和CMOS的比较二、CCD和CMOS的比较因为CMOS传感器在10Lux以下基本没用，因此大量工业及广播级摄像机都使用CCD传感器，CMOS传感器一般用于低端产品。在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也不太好。由于自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速摄像头则会采用CMOS芯片。三、CCD的工作过程典型的CCD结构图三、CCD的工作过程1.有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转化为相应数量的电荷。三、CCD的工作过程2.这些电荷可以被储存起来。三、CCD的工作过程3.电荷可以被有秩序地转移出感光区域。三、CCD的工作过程3.电荷可以被有秩序地转移出感光区域。CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器。这一装置能够完成光电转换。在P型单晶硅的衬底上做一层绝缘氧化膜，通过活化置换技术再在氧化膜表面做出许多排列整齐的可透光的电极，当光线通过时，氧化膜与P型单晶硅之间产生电荷，其电荷的数量与光照强度及照射时间成正比。1.光-电转换若在电极上施加一个适当的正电压，会形成电荷耗尽区，即能够吸引电子的势阱。电极上所加的电压越高，势阱越深，电荷留在阱内量越多。只要电压存在，电子就能储存在势阱里。当景物的光照射到CCD时，具有光敏特性的P型硅在光量子的激发下产生电子-空穴对，空穴移向衬底而消失，电子进入势阱并存储在那里。由于绝缘氧化物层使得电子不能穿过而到达电极，因此存贮在势阱里的电子形成了电荷包，其电荷量的多少与光照强度成正比，于是所有电极下的电荷包就组成了与景物相对应的电荷像。2.电荷储存这一过程存在着以下问题：当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出，溢出的电荷会跑到相邻的像素势阱里去。这样电荷的电量就不能如实反映原物。要避免这种情况发生的方法：A把桶做大些；B减少测量时间；C把装满水的桶倒出一些；D做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其它桶里。对应的方法：A增大单位像素尺寸；B缩短曝光时间；缺点：对于暗的部分曝光不足C间歇开关时钟电压；缺点：会降低速度D溢出沟道和溢出门；缺点：制作复杂，且还有缺陷所以，增大像素尺寸是最完善的做法。当一个CCD芯片感光完毕后。每个像素所转换的电荷包，就按照一行的方向转移出CCD感光区域。为下一次感光释放空间。3.电荷转移在同一个像素区域，应该有电荷储存空间和用来转移的空间。这样才能顺利完成转移。势阱的深浅由电极上所加电压的大小决定。电荷在势阱内可以流动，它总是从相邻浅阱里流进深阱中，这种电荷流动称为电荷转移。若有规律改变电极电压，则势阱的深度就会随之变化，势阱内电荷就可以按人为确定的方向转移，直到最终由输出端输出。Phase1Phase2Phase3GateSiO2LayerDirectionofTransfert0t1t2t3t4电荷转移分单相驱动、双相驱动、三相驱动及四相驱动等多种方式，除了电极构造及所加电压波形不同以外，其转移原理是一样的。四相驱动方式的驱动电路比较复杂，但相邻势阱的深度差较大，电荷的存贮量也大，容易实现隔行扫描，在专业级摄像机中应用较为广泛。四相驱动方式即将绝缘层上的电极按列的方式每四个分为一组，形成一个象素单元，每组电极分别加上不同的偏置电压，则在电极下绝缘膜与P型硅之间就产生不同深度的势阱，如果有规律地改变电极上的电压值，使势阱产生变化，就可以使电子定向移动，这也就是CCD的扫描读出原理。CCD根据转移电极结构及转移方式的不同又可以分成：帧转移(FT)方式行间转移(IT)方式帧行间转移(FIT)方式四、CCD的四种类型InterlineTransferFullFrameFrameTransferLine线阵CCD曝光后所产生的电荷都被转移到附近的移位寄存器，通过垂直传送向下转移到底部，按一定排序输出，它的优点在于曝光后即可将电荷储存在寄存器，继续拍照速度较快，感光和传输不在同一列，从而避免了两者之间的冲突。1.Interlinetransfer隔行传输的缺点是，寄存器占用了感光面的面积，相应地牺牲了动态范围。芯片并不是所有面积都在感光，这样，对于定位测量要求比较高的应用会有影响。这种CCD成本较低。1.Interlinetransfer1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayInterlineTransfer1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray1.InterlinetransferInterlineTransferSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.Fullframe阵列的每一个像素都感光。传输时，每一列向单行串行寄存器上相对应的位置转移。同时，串行寄存器向阵列的出口转移。是一种架构更简单的感光设计。鉴于Interline的缺点，FullFrame可以利用整个感光区域(没有寄存区的设计)，有效的增大感光面积，同时也适应长时间曝光。感光和电荷输出过程是分开的。因此FullFrame的相机在传送电荷时必须使用机械快门(无法使用电子快门)，同时也限制了FullFrameCCD连续拍照的能力。2.Fullframe2.FullframeSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayFullFrame2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerialRegisterOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayADC2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArrayADC2.FullframeFullFrameSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.FullframeFullFrameADCSerialRegisterPreamplifierOutputNodeActiveArray2.Full