CCD相機的知識簡介

1、Part. 2CCD相機知識簡介相機知識簡介北京微視凌志技術(shù)支持部培訓北京微視凌志技術(shù)支持部培訓實物圖像?圖像采集和處理的過程，最根本的是要把實物盡量真實地反映到虛擬的圖像上一、成像原理一、成像原理如何準確地描繪一幅圖像一、成像原理一、成像原理感光芯片的設計思想：就是分割被描繪區(qū)域，用相應的灰度填充。一、成像原理一、成像原理實物圖像數(shù)字量光子模擬量電壓電荷光源顯示設備A/D轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換設備放大設備一、成像原理一、成像原理實物圖像數(shù)字量光子模擬量電壓電荷光源顯示設備A/D轉(zhuǎn)換CCD sensor后端電路一、成像原理一、成像原理實物圖像光子模擬量電壓電荷日光 監(jiān)視器CCD sensor相機后端電路

2、模擬相機模擬相機 + 監(jiān)視器監(jiān)視器一、成像原理一、成像原理實物圖像數(shù)字量光子模擬量電壓電荷光源 PC 模擬采集卡CCD sensor相機后端電路模擬相機模擬相機 + 模擬采集卡模擬采集卡一、成像原理一、成像原理實物圖像數(shù)字量光子模擬量電壓電荷光源A/D轉(zhuǎn)換CCD sensor相機后端電路 PC數(shù)字采集卡數(shù)字相機數(shù)字相機 + 數(shù)字采集卡數(shù)字采集卡一、成像原理一、成像原理由于光電轉(zhuǎn)換設備和放大設備都是針對微觀的電荷進展量化操作。就需要一個精細的器件來完成這兩個過程。我們常用的是 CCD 和 CMOS二、二、CCD 和和 CMOS 的比較的比較CCD ( Charge Coupled Device

3、)電荷藕合器件圖像傳感器電荷藕合器件圖像傳感器CCD，它集成在高感光度，它集成在高感光度的半導體單晶材料上，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過的半導體單晶材料上，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CCD由許多感光由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD外表受外表受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完好的畫面。成了一幅完好的畫面。CMOS ( Complementa

4、ry Metal-Oxide-Semiconductor )互補金屬氧化物半導體，它集成在被稱做金屬氧化物互補金屬氧化物半導體，它集成在被稱做金屬氧化物的半導體材料上。的半導體材料上。CCD sensor放大A/D光子電子電壓數(shù)字信號CMOS 芯片可以在像素上同時完成這兩個步驟CCD與CMOS的光電轉(zhuǎn)換示意圖：由上面兩圖可看出由上面兩圖可看出：CMOS和CCD最大的區(qū)別是 CMOS的 電荷到電壓轉(zhuǎn)換過程是在每個像素上完成的二、二、CCD 和和 CMOS 的比較的比較1.由于上面所說的構(gòu)造，CCD的電路更改更方便。而由于CMOS的過分集成，電路更改不方便，但可靠性高。2.CMOS功耗小。3.CM

5、OS噪聲大。4. CCD信噪比的典型值一般為4555dB。 CMOS傳感器有固定比CCD傳感器高10倍的噪音。5.CMOS速度快。由構(gòu)造決定。6.本錢CMOS廉價一些。二、二、CCD 和和 CMOS 的比較的比較6.CMOS靈敏度差。7. CMOS傳感器對光線的靈敏度不好，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的，CCD傳感器通常能看到比人眼略好，大約能看到在0.13Lux照度以下的目的，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、二、CCD 和和 CMOS 的比較的比較二、二、CCD 和和 CMOS 的比較的

6、比較 因為CMOS傳感器在10Lux以下根本沒用，因此大量工業(yè)及播送級攝像機都使用CCD傳感器，CMOS傳感器一般用于低端產(chǎn)品。在一樣像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩復原、曝光可以保證根本準確。而CMOS的產(chǎn)品往往通透性一般，對實物的色彩復原才能偏弱，曝光也不太好。 由于自身物理特性的原因，CMOS的成像質(zhì)量和CCD還是有一定間隔 的。 CCD在圖像的質(zhì)量上更有優(yōu)勢。而常見的高速攝像頭那么會采用CMOS芯片。三、三、CCD 的工作過程的工作過程典型的典型的CCD構(gòu)造圖構(gòu)造圖三、三、CCD 的工作過程的工作過程1. 有一個光電轉(zhuǎn)換裝置把入射到每一個感光像素上的光子轉(zhuǎn)化為相應數(shù)量的電荷

7、。三、三、CCD 的工作過程的工作過程2. 這些電荷可以被儲存起來。三、三、CCD 的工作過程的工作過程3. 電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域。三、三、CCD 的工作過程的工作過程3. 電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域。CCD單元部分，就是一個由金屬-氧化物-半導體組成的電容器。這一裝置可以完成光電轉(zhuǎn)換。在P型單晶硅的襯底上做一層絕緣氧化膜，通過活化置換技術(shù)再在氧化膜外表做出許多排列整齊的可透光的電極，當光線通過時，氧化膜與P型單晶硅之間產(chǎn)生電荷，其電荷的數(shù)量與光照強度及照射時間成正比。1. 光光-電轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換假設在電極上施加一個適當?shù)恼妷海瑫纬呻姾珊谋M區(qū)，即可以吸引電子的勢阱。電極上所加

8、的電壓越高，勢阱越深，電荷留在阱內(nèi)量越多。只要電壓存在，電子就能儲存在勢阱里。當景物的光照射到CCD時，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，空穴移向襯底而消失，電子進入勢阱并存儲在那里。由于絕緣氧化物層使得電子不能穿過而到達電極，因此存貯在勢阱里的電子形成了電荷包，其電荷量的多少與光照強度成正比，于是所有電極下的電荷包就組成了與景物相對應的電荷像。 2. 電荷儲存電荷儲存這一過程存在著以下問題：當一個像素聚集過多的電荷后，就會出現(xiàn)電荷溢出，溢出的電荷會跑到相鄰的像素勢阱里去。這樣電荷的電量就不能如實反映原物。要防止這種情況發(fā)生的方法：A 把桶做大些； B 減少測量時間；C 把

9、裝滿水的桶倒出一些；D 做個導流管，讓溢出的水流到地上去，不要流到其它桶里。 對應的方法：A 增大單位像素尺寸；B 縮短曝光時間；缺點：對于暗的部分曝光缺乏C 間歇開關時鐘電壓；缺點：會降低速度D 溢出溝道和溢出門；缺點：制作復雜，且還有缺陷 所以，增大像素尺寸是最完善的做法。當一個CCD芯片感光完畢后。每個像素所轉(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)移電荷轉(zhuǎn)移在同一個像素區(qū)域，應該有電荷儲存空間和用來轉(zhuǎn)移的空間。這樣才能順利完成轉(zhuǎn)移。勢阱的深淺由電極上所加電壓的大小決定。電荷在勢阱內(nèi)可以流動，它總是從相鄰淺阱里流進深阱中，這種電荷流動稱為電荷轉(zhuǎn)

10、移。假設有規(guī)律改變電極電壓，那么勢阱的深度就會隨之變化，勢阱內(nèi)電荷就可以按人為確定的方向轉(zhuǎn)移，直到最終由輸出端輸出。 Phase 1Phase 2Phase 3GateSiO2 Layert0t1t2t3t4電荷轉(zhuǎn)移分單相驅(qū)動、雙相驅(qū)動、三相驅(qū)動及四相驅(qū)動等多種方式，除了電極構(gòu)造及所加電壓波形不同以外，其轉(zhuǎn)移原理是一樣的。四相驅(qū)動方式的驅(qū)動電路比較復雜，但相鄰勢阱的深度差較大，電荷的存貯量也大，容易實現(xiàn)隔行掃描，在專業(yè)級攝像機中應用較為廣泛。四相驅(qū)動方式即將絕緣層上的電極按列的方式每四個分為一組，形成一個象素單元，每組電極分別加上不同的偏置電壓，那么在電極下絕緣膜與P型硅之間就產(chǎn)生不同深度的勢

11、阱，假如有規(guī)律地改變電極上的電壓值，使勢阱產(chǎn)生變化，就可以使電子定向挪動，這也就是CCD的掃描讀出原理。CCD根據(jù)轉(zhuǎn)移電極構(gòu)造及轉(zhuǎn)移方式的不同又可以分成：幀轉(zhuǎn)移(FT)方式行間轉(zhuǎn)移(IT)方式幀行間轉(zhuǎn)移 (FIT)方式 四、四、CCD的四種類型的四種類型Interline TransferFull FrameFrame Transfer Line 線陣CCD曝光后所產(chǎn)生的電荷都被轉(zhuǎn)移到附近的移位存放器，通過垂直傳送向下轉(zhuǎn)移到底部，按一定排序輸出，它的優(yōu)點在于曝光后即可將電荷儲存在存放器，繼續(xù)拍照速度較快，感光和傳輸不在同一列，從而防止了兩者之間的沖突。1. Interline transfer

12、隔行傳輸?shù)娜秉c是，存放器占用了感光面的面積， 相應地犧牲了動態(tài)范圍。芯片并不是所有面積都在感光，這樣，對于定位測量要求比較高的應用會有影響。這種CCD本錢較低。 1. Interline transfer1. Interline transferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayInterline Transfer1. Interline transferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayInterline Transfer1. Interline transfe

13、rInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInterline TransferSerial Registe

14、rPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Ar

15、ray1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayInterline Transfer1. Interline transferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayInterline Transfer1. Interline transferSerial Re

16、gisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayInterline Transfer1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. Interline transferInterline TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array2. Full frame 陣列的每一個像素都感光。傳輸時，每一列向單行串行存放器上相對應的位置轉(zhuǎn)移。同時，串行存放器向陣列的

17、出口轉(zhuǎn)移。 是一種架構(gòu)更簡單的感光設計。鑒于Interline的缺點，F(xiàn)ull Frame可以利用整個感光區(qū)域(沒有存放區(qū)的設計)，有效的增大感光面積，同時也適應長時間曝光。感光和電荷輸出過程是分開的。因此Full Frame的相機在傳送電荷時必須使用機械快門(無法使用電子快門)，同時也限制了Full Frame CCD連續(xù)拍照的才能。 2. Full frame2. Full frameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull Frame2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreamp

18、lifierOutput NodeActive Array2. Full frameFull FrameSerial RegisterOutput NodeActive Array2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayADC2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput Node

19、Active ArrayADC2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array2. Full frameFull FrameADCSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array2. Full frameFull FrameADCSerial RegisterPreamplifierOutput Nod

20、eActive Array2. Full frameFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferS e r ia lC lo c k sD ire c tio n o fP a ra lle l S h iftP a ra lle lC lo c k sfo rS to ra g eA rra yP a ra lle lC lo c k sfo rIm a g eA rra yF r a m e -T r a n s fe r C C DS e ria lRe gis te rIm a

21、 ge Arra yStora ge Arra y(m a s ke d)Full transfer的架構(gòu)介于Interline和Full Frame之間，它分成上下兩個部分，上半部是感光區(qū)，下半部是暫存區(qū)。整體來說Frame Transfer 非常類似Full Frame，它的特點在于直接規(guī)劃一個大型存放區(qū)。一旦CCD工作，它可以迅速將電荷轉(zhuǎn)移到下方的存放區(qū)中，本身可以繼續(xù)曝光。這種設計讓Full Transfer同Interline一樣可使用電子快門，同時也增加了感光面積和速度，兼顧動、靜態(tài)的拍攝才能。 3. Frame transferSerial RegisterPreamplifie

22、rOutput NodeActive ArrayFrame Transfer3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFr

23、ame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive

24、Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamp

25、lifierOutput NodeActive Array3. Frame transferFrame TransferSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameInterline TransferFrame TransferHigh Spatial ResolutionLarge Number of PixelsGreater Selection ofCCD Formats100% Fill Factor for Entire ArrayIntegrate while ClockingHigh-Speed Oper

26、ation (Video)Lens-on-Chip TechnologyIntegrate while ClockingHigh-Speed OperationWell Suited for Complex Readout Schemes100% Fill Factor in Active Array4. Line 線陣線陣Line 線陣CCD是以一維感光點構(gòu)成，利用目的物與相機之間的相對運動來掃描圖像。由于照片是一行行組成，所以速度比使用 2維CCD面陣的相機慢。上面所述都是按照單行單列的形式進展電荷傳輸?shù)?。在實際應用中假如單行的像素太多，會影響傳輸速度。這時可以使用多通道傳輸。五、五、CC

27、D的的數(shù)據(jù)輸出形式數(shù)據(jù)輸出形式1. 單輸出單輸出 (Single Tap)通常是在低分辨率或低速的Line-scan Camera上的設計，它的特性是感光后將光轉(zhuǎn)成電荷信號通過單一輸出將數(shù)據(jù)傳遞出去。2. 奇偶雙輸出奇偶雙輸出 (Dual Taps)通常是在高分辨率或為了進步傳輸速度的設計，它的特性是感光后分成奇數(shù)及偶數(shù)將光轉(zhuǎn)成電荷信號分成兩組將數(shù)據(jù)傳遞出去。要是不小心設定成單輸出，影像就會如同上圖所示，影像會有垂直的空隙，影像在放大時便會發(fā)現(xiàn) pixel 跟 pixel 中間的黑色影像，其實數(shù)據(jù)都是空的。3. 前后雙輸出前后雙輸出 (Dual Taps)通常是在高分辨率或為了進步傳輸速度的設

28、計，它的特性是在感光后分成前半段及后半段將光轉(zhuǎn)成電荷信號分成兩組將數(shù)據(jù)傳遞出去。要是不小心設定成單輸出，影像就會如上圖所示，影像只有一半，另一半變成黑色影像，其實數(shù)據(jù)都是空的。4. 三輸出三輸出 (Triple Taps)通常是用在 RGB 彩色CCD上，棱鏡會根據(jù)光譜的波長特性(紅光波長最長，再來是綠光，再來是藍光)分別將光線投射至紅、綠、藍三組CCD上，每個CCD 分別將光轉(zhuǎn)成電荷信號輸出，雖然三組CCD分別有獨立的 Data Clock，但是因為必需要R, G, B 的數(shù)據(jù)組合在一起才會變成彩色影像，所以實際速度并沒有因為每個CCD 有獨立的 Data Clock而加快。5. 四輸出四輸

29、出 (Quad Taps)通常是在高分辨率或為了進步傳輸速度的設計，結(jié)合了雙輸出的奇偶輸出加上前后段輸出的特性分成四組，讓取像速度加快變成四倍。6. 八輸出八輸出 (Octal Taps)目前這類設計出如今超高分辨率的機種上，除了分出前后段，而且各分出四組輸出，因此取像速度可以進步成八倍而不會因為分辨率很高而使速度大大降低。7. TDI( Timing Delay Integration )它的CCD 構(gòu)造比較特殊，并非是單排感光而是96排一起感光，即同樣的一次曝光時間下它會累積 96排的感光量轉(zhuǎn)換成電荷信號之后再傳輸出去，由于累積的亮度較一般的CCD高，故較合適應用在光線較暗無法提供充足亮度

30、的系統(tǒng)上。但是這種型式非常注重取像頻率及運動速度的一致性，要是運動速度不穩(wěn)定取像出來會有模糊的情形。六、六、CCD的同步及曝光形式的同步及曝光形式目前CCD 有內(nèi)同步及外同步兩種形式1. Free Run Mode通常又稱內(nèi)同步(Synchronization Mode)形式，像機廠商在出廠時都會設定為此形式因此又稱之為Factory Mode。這種同步形式是按照相機本身內(nèi)部產(chǎn)生的時序曝光，采集卡無法操控相機取像的時間點，因此采集卡處于被動接收數(shù)據(jù)的角色。而內(nèi)同步形式又可分為 Edge-controlled Mode 及 Programmable Mode。1. Free Run ModeFr

31、ee Run, Edge-controlled Mode曝光時間與線周期時間相等, 由一組內(nèi)部控制信號產(chǎn)生一個上升沿作為開場曝光的信號，直到下一個周期的上升沿信號進來時便將數(shù)據(jù)送出。1. Free Run ModeFree Run, Programmable Mode在內(nèi)部控制信號產(chǎn)生一個方波，下降沿時開場曝光，以此縮短曝光時間，但是曝光周期還是維持不變。2. ExSync. Mode即是所謂的外同步(External Synchronization Mode)形式，相機本身并不會主動產(chǎn)生時序去曝光，而是通過采集卡或者其它外部設備傳送Reset信號去通知相機曝光，外同步形式又可分為Edge-c

32、ontrolled Mode，Level-controlled Mode及Programmable Mode。ExSync. Edge-controlled Mode由外部送來的信號作為同步觸發(fā)信號，主要是取上升沿作為開場曝光的信號，由外同步信號的周期決定曝光時間及幀速度。2. ExSync. Mode2. ExSync. ModeExSync. Level-controlled Mode由外部送來的信號作為同步觸發(fā)信號，主要是取下降沿作為開場曝光的信號，由外同步信號的周期決定幀速度。2. ExSync. ModeExSync. Programmable Mode由外部信號作為同步觸發(fā)信號，但

33、此上升沿僅作為開場曝光的決定信號，曝光時間長短可由使用者設定，同時此設定的曝光時間也決定幀速度。七、七、CCD的其它相關知識的其它相關知識1. Binning更高的動態(tài)范圍更高的信噪比更快的數(shù)據(jù)讀出速度圖像的分辨率隨像素尺寸的大小而變化Binning 的作用在于把相臨幾個像素所積累的電荷累加起來作為一個電荷進展轉(zhuǎn)換。這樣做的效果相當于把幾個像素拼成了一個大像素使用。速度快但分辨率降低。1. BinningSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayBinning1. BinningBinningSerial RegisterPreampl

34、ifierOutput NodeActive Array1. BinningBinningSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. BinningBinningSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. BinningBinningSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. BinningBinningADCSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1

35、. BinningBinningSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. BinningBinningSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array1. BinningBinningSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayADC1. BinningHigh-light, full-resolution image1. BinningLow-light, full-resolution image1. Binning2x

36、8 binned image of low-light image2. 噪聲噪聲Dark Current Noise(暗電流暗電流)Photon Shot Noise(光子噪聲光子噪聲)Read Noise(讀出噪聲讀出噪聲)2. 噪聲噪聲光子噪聲光子噪聲(Photon Noise)由器件和工藝造成的；噪聲大小=電子數(shù)目的平方根；很難消除，不易處理；假如光子噪聲超過讀出噪聲，數(shù)據(jù)的準確率主要由光子噪聲來決定。2. 噪聲噪聲讀出噪聲讀出噪聲(Read Noise)依靠精細的電路設計來盡量減小讀出噪聲；在光信號較低的條件下，一般讀出噪聲都大于光子噪聲，此時數(shù)據(jù)的準確率是由讀出噪聲來決定的；讀出噪聲

37、的大小與光信號的強弱無關。2. 噪聲噪聲2. 噪聲噪聲暗電流噪聲暗電流噪聲(Dark Noise)與器件的環(huán)境溫度有關；減小暗電流噪聲的方法：冷卻或者MPP數(shù)據(jù)并行處理技術(shù)。2. 噪聲噪聲復位噪聲復位噪聲又稱為 KTC 噪聲；與信號處理電路的設計有關；采用相關采樣技術(shù)來降低。2. 噪聲噪聲計算公式計算公式Total Noise = Photon Noise )2 + (Read Noise)2 + (Dark Noise)2系統(tǒng)噪聲系統(tǒng)噪聲 = 所有類型的噪聲的積分和所有類型的噪聲的積分和利用棱鏡，將光線折射成三部分，在R，G，B三束光線的方向上分別帖上三片感光片各自感光。3. 彩色的形成彩色的形成利用空間疊放的三片CCD，分