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CCD基础教育资料 目录 一 成像系统的组成二 CCD的发展史三 CCD的概念及工作原理四 CCD的种类五 CCD的各种指标六 CCD的其他相关内容 成像系统组成 1934年研制出光电像管 应用于时内外的广播电视摄像 它的灵敏度相当低 要达到现在图像信噪比的要求 需要不低于10000lx的照度 这是它的应用范围受到很大限制 1947年超正析摄像管面世 使最低照度降至2000lx 1954年灵敏度较高的视像管投入市场 其成本低 体积小 灵敏度和分辨率都较高 但不是适用于高速场合和彩色应用 发展史 1965年 氧化铅管成功代替正析摄像管 广泛应用于彩色电视摄像机 它使彩色电视广播摄像机的发展产生了一个飞跃 1976年前后 又相继出现灵敏度更高 成本更低的硒像管和硅靶管 1970年 美国贝尔实验室发表电荷耦合器件 CCD 原理 从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶段 CCD固体摄像器件的发展阶段 CCD概念 CCDChargedCoupledDevice 电荷耦合器大量的独立的光敏元件排列在一起每个光敏元件称为像素像素图像的基本单位 最小的视觉显示单位 CCD结构及工作原理 CCD结构感光二极管 Photodiode 并行信号寄存器 ShiftRegister 用于暂时储存感光后产生的电荷串行信号寄存器 TransferRegister 用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大信号放大器 用于放大微弱电信号数摸转换器 将放大的电信号转换成数字信号 CCD结构及工作原理 CCD工作原理 隔行传输式 InterlineTransfer 感光元件产生电信号 电荷转移到并行寄存器 电荷从并行寄存器转移到串行寄存器 串行寄存器将电信号转到模拟寄存器 放大 数摸转换 数字信息快速 暴光和数据读出可同时进行可采用软件控制的电子快门工作动态范围小 CCD种类 传输方式 全帧 FullFrame 感光元件产生电信号 电荷转移到串行寄存器 放大 数摸转换 数字信息动态范围宽信噪比高分辨率高成像速度慢必须借助机械快门控制暴光量 CCD种类 传输方式 全转 FullFransfer 综合FullFrame和InterlineTransfer特点 在器件上划分感光区和寄存区 暴光和数据转移可以同时进行保证单位像素上的感光面积保证了拍摄速度 CCD种类 传输方式 CCD种类 采光方式 前照式 光从正面照射芯片形成电荷背照式 光从背面通过并直接进入二极管光子效率可达到80 CCD种类 控温方式 CoolCCD 消除热或暗电流产生的噪音 噪音底 图像质量高 灵敏度高 感光效果佳 几何失真度小 解析度稳定 补偿效果佳 耐震动 不易受点磁场干扰附 普通CCD曝光超过10秒 发热 20度摄像头可拍摄5分钟图像 40度摄像头拍摄时间可超过1小时 CCD量子效率 量子效率 QuantumEfficiency 阴极发射出的光电子数量与入射光光子的数量比 用以表诉CCD在不同波长下的响应值 在同一波长下QE值越高CCD品质越好CCD对于不同波长的光的响应时间的敏感度不同背照式CCD比前照式CCD有更好的量子效率多数衡量QE高低是在425nm波长 CCD像素指标 填充因子 填充因子 FillFactor CCD实际感光面积占像素面积的比值 理想值 100 实际值 30 隔行传输式CCD 通过微型镜头 Microlenses 改善 但微型镜头的应用会影响紫外光的检测 填充因子是影响灵敏度的一个因数 CCD像素指标 井深 井深 WellCapacity 像素可堆积电荷的多少 多数CCD可堆积85K个电荷高品质的CCD可堆积350K个电荷影响灵敏度的一个因数衡量动力学范围的一个因素 CCD数字化 数字化 Digitization 模拟信号转换成数字信号计算机运用2进制运算法则来将CCD采集的电信号转换成数字信号12bit 4096 14bit 16384 16bit 65536应用软件将运用一定的运算法则来决定最适合显示器灰度级别的数据 动力学范围 动力学范围 DynamicRange 描述从CCD像素值中可以得到多少数量的灰度级别的一个术语 用来表示饱和电压 最大输出级别 与摄像头随机噪音的比率 Itisexpressedastheratiooffullsaturationvoltage maximumoutputlevel tothetotalRMSnoiseofthecameraoutput 动力学范围并不总是和数模转换器输出的数据一致 动力学范围 CCD像素合并 像素合并 Binning 将相临的像素所堆积的电荷进行合并并当作一个单一的像素输出信号 提高灵敏度 2x2bin提高4倍灵敏度 降低分辨率 2x2bin降低一半的分辨率 CCD系统增益 系统增益 SystemGain 传感器中电荷输出量与输入量之比 相当与传统相机的感光度 ISO 提高增益将会找成数字噪音的增加 底增益可以最小话噪音得到最佳分辨率但是将损失井深从而损失灵敏度 系统中最优化的增益值根据平衡数字化计数 井深和数字化噪音最佳值来进行设置 CCD系统读出噪音 读出噪音 ReadoutNoise 产生噪音的因素 不能保证在电荷从CCD转移出来并数字话的时候有一个好的重复性 导致相同像素中相同电荷数量进行A D转换时得不到相同的结果 传感器及电路产生的随机电荷与像素中有效电荷一起被数字化 数模转换线圈将会分散一部分有意义的转换值降低系统噪音的方法 采用CoodCCD 减小系统增益 CCD暗电流 暗电流 DarkCurrent DarkCount CCD在一定温度下每个像素在一定时间内产生的电荷数 暗噪音大约为暗电流的平方根 CCD系统信噪比 信噪比 SignaltoNoiseRatio 衡量信号及噪音的关系 表征检测的限度 灵敏度 噪音常常表现在电子元件传输或接收信号的时候 CCD平场校正 平场校正 Flat FieldCorrection 用增益 gain 和补偿 offset 对个别的像素给予额外的休整两种表征CCD传感器输出误差方式 固定图案噪音 FPN FixedPatternNoise 图像不均一响应 PRNU PhotoResponseNonUniformity 超级CCD 超级CCD SupperCCD 几何形状的改变 增加光电二极管的面积 像素利用率提高33 更接近Microlens形状 提高有效面积增加光吸收率 排列结构更适合人眼对分辨率的要求 分辨率提高60 CMOS 互补金属氧化物半导体 CMOS ComplementaryMetalOxideSemiconductor 核心元件 感光二极管 Photodiode 同一像点当中包含放大器和数模转换电路 一个感光二极管和三颗晶体管 开口率底 开口率 有效感光区与整个感光元件面积比值 灵敏度底 噪声明显 数模转换无法保证严格一致 CCDvs CMOS CCD接口 接口 CameraInterface CameraLink 在ChannelLink基础上开发可进行高速数据传输 FireWire及IEEE1394 苹果电脑公司开发 最初用于电脑外部设备的连接 USB 高速 热插拔接口 最初用在电脑外部设备的连接 GigabitEthernet 高速网络协议允许数据在网络中传输 该接口技术目前正在发展当中 CCD接口 C MountF Mount GelDoc ChemiDoc ChemiDocXRS VersaDoc AdvantagesDisadvantagesAdvantagesDisadvantages Lowerf stopavailableFasterimagingLessexpensiveIncreaseperceivedsensitivity Asf stopdecreases sphericalaberrationsincrease F