CCD知识简介vision China

CCD相机知识简介,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,如何准确地描述一幅图像,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。,实物,图像,数字量,光子,实物,图像,数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,实物,图像,数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,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,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,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,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,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,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,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,CCD与CMOS比较,由于上面所说的结构，CCD的电路更改就更方便。而由于CMOS的过分集成，电路更改就不方便。但可靠性高。CMOS功耗小。CMOS躁声大。CMOS灵敏度差。CMOS速度快。由结构决定。成本CMOS便宜一些。,从以上的对比可以看出：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。,CCD芯片的示意图,CCD芯片的工作方式要经历如下过程：A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B这些电荷可以被储存起来C电荷可以被有秩序地转移出感光区域D电荷都要经过放大器转化为电压量,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。,A光电转换,当向CCD单元电极施加正电压时，会产生能储存电荷的势阱。由于极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和，随着电荷的不断注入，势阱会不断变浅，直至饱和,B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临的像素势阱里去。这样电荷的电量就不能如实反映原物。也就是常说的blooming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把装满水的桶到出一些D做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里,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。为下一次感光放空间,C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。,CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称引起的。电压高的地方，就会产生相对的势阱，电荷会聚集在势阱里。当高电压的位置按照一定方向转移时，势阱的位置也会随之转移，如此，电荷就会随着移动。,把CCD的电极分为几组，相同组的电极施加相同的电压来实现势阱的移动。按照分组情况，可分为：2相，3相和4相CCD。,2相CCD势阱与势阱间隔一个电极,3相CCD,而4相CCD，其势阱间相隔的电极更多。阻隔相临像素间电荷的溢出能力更强。因而更适用于高速时钟。,根据阵列排布方式的不同，CCD成像器件分为线阵列和面阵列两大类。线阵CCD的构造相对简单。只是单行的感光和转移。而面阵芯片复杂一些。下面是一些常见的面阵排列方式。,Scan&transfer,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,Scan&transfer,Frametransfer,register,阵列的一半像素感光，另一半被遮住。传输时，首先感光部分快速向不感光部分的对应位置转移。之后每一列向单行串行寄存器上相对应的位置转移。同时，感光部分的空间由于没有了电荷可以继续感光,对比一下Fullframe和Frametransfer两种传输模式。Frametransfer的优势在于，利用了像素间传输快的特点，从而忽略这一时间，使得，在上一帧电荷转移出芯片的同时可以采集下一帧图像。同时，这种模式，可以不加任何快门工作。但这样做，毕竟还是会在很短的一段时间里，使得传输的电荷还在接收新感光得到的电荷。从而使图像出现一些类似拖尾的光斑，这就是常说的SMEAR现象。要避免这种现象，最好是给SENSOR加上快门。Fullframe由于sensor始终曝光，所以在传输时，快门遮挡是必须的,Interlinetransfer,隔行传输的好处在于，感光和传输不在同一列，从而避免了两者之间的冲突。但缺点在于，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话，会有影响。,Onepixel,Interlacedscan,那么，对于这种芯片的缺点，既不能充分利用所有入射光，也有一些新的技术可以弥补，比如，微透镜技术,此外，在CCD的设计过程中，还有一些其他非常有用的技术。,Scan&transfer,efgh,Binning2*2,相临4个像素的电荷,相临2像素的电荷,Binning的作用，在于，把相临几个像素所积累的电荷累加起来。作为一个电荷进行转换。这样做的效果，相当于把几个像素拼成了一个大像素使用。优点，速度快。缺点，分辨率降低。,Scan&transfer,VerticalBinning,gh,这部分的电荷累积并不能节省时间，所以Verticalbinning和binning2*2具有相同的速度优势,多沟道传输上面所述，都是按照，单行，单列的模式进行电荷传输的。其实，如果单行的像素太多，会影响传输速度。这时可以使用多沟道传输。,单沟道线型CCD双沟道线阵CCD,转移次数多、效率低、调制只适用于像素单元较少的成像器件。,转移次数少一半，它的总转移效率大大提高。,彩色的形成,彩色形成，需要同一点的R/G/B三原色的数值。AARAGAB,1利用棱镜，将光线折射成三部分。在R，G，B三束光线的方向上分别帖上三片感光片，各自感光。,2利用BAYER滤光片，让相临四个像素分别只能接收R，G，G，B光。每个像素输出的信息只是相应色光的灰度值。之后，通过软件合成为彩色。这样，每个像素的彩色信息其实是不独立的，依赖于相临像素的信息。,颜色变化不大,颜色变化很大,3.SUPERCCD，一个蜂窝型的CCD感光片，每个像素被使用3次，相当于增大了有效像素数量。,隔行相机interlacedscan逐行相机ProgressivescaninterlinetransferareaarrayfullframeframetransferlinearrayTDItimedelayintegration,镜头接口,CCD芯片性能后端电路性能,外型尺寸,电源接口数据接口控制方式,有效像素可以感光的、最终产生的电荷量将输出为数据信息？无效像素预扫描像素。不感光，那么他们产生的电量将被参考为灰度“0”。即黑电平基准。这些像素的输出不会反映在图像上。,板面通常有1/32/31寸等相同数量的有效像素，板面大的感光会好,扫描速度,shutterspeed,Rollingshutter,GAIN通过调节电压放大环节调节图像亮度SNR对于同等光照条件SNR=A*T*C增大像素尺寸、binning、长时间积分可以提高SNRGAIN增大，SNR会变小,光谱曲线LSB=QE*CQE_数量LSB能量、C单体能量,A有效像素多，拍摄的图像精度更高B帧频高，速度快，拍摄的运动过程更细致CCCD的芯