CCD抗晕技术分析

1、CCD图像传感器的抗晕技术分析电荷耦合器件CCD是一种在硅集成电路工艺线上制作的固体图像传感器， 它工作方式是将光信号在光敏区转换为电荷信号， 再以电荷耦合的方式将电荷传 送并输出。它的高灵敏度、像元尺寸小、低噪声、低暗电流的特点，使其在图像 信息获取领域应用逐渐扩大， 成为目前成像系统采用的主流图像传感器。 近年来， CCD图像传感器已被广泛应用于军事、天文物理、工业检测和监控及医学诊断等 领域。CCD摄像器件摄取的目标图像，光强从月光到日光，且变化的动态范围大， 这就要求CCDS有高灵敏度响应，又要在日照强光下摄取的图像清晰。但是,CCD 摄像器件在强光照射时会出现光晕 ( bloomin

2、g )和拖影( smear) 现象, 而对于固体摄像器件,这些现象会严重影响到CCD勺成像质量和清晰度,这就要求CCD 在强光照时具有抗晕能力。 光晕就是图像中存在亮点 , 在显示屏上出现一个白色 区域向周围扩展 , 从而出现柱状或线状白道的现象。另外就是关于夜间汽车会车时车灯晕光问题 , 夜间行车两机动车正面交会 时, 对方车前灯会对人眼产生直接眩光 , 另对方驾驶员感到眩晕 , 可能导致严 重的交通事故。 各国学者均在寻求最佳解决方案 . 目前比较成熟的夜视红外成像 技术, 可以有效地消除车灯晕光问题 , 但其缺点是成本高、图像清晰度低。 CCD 传感器是目前应用最广泛的图像传感器 , 但

3、当景物中明暗部分亮度相差较大时 , 由于受其动态范围的限制，CCD图像传感器将无法获得满意的图像。因若将CCD传感器积分时间缩短 , 则图像中景物亮度较暗部分的图像将会丢失 ; 若是延长 CCD传感器积分时间，则图像中景物较亮部分将发生晕光现象。一、抑制光晕的两种基本方法 抑制光晕的基本方法是当过量载流子从像元处溢出时 , 便将他们吸收掉 , 以阻止扩散到邻近像元。根据CCDS像传感器的结构和制造工艺，有两种抗晕的 方法 : 横向抗晕、纵向抗晕。1. CCD 横向抗晕结构 横向抗晕结构是在每个光敏元旁边设置一个溢出漏 (anti-blooming drain) 即(AB drain),并且每个

4、光敏元和溢出漏之间用一个抗晕栅连接。在横向抗晕结构中 , 当强光照射时 , 光敏元的光生过量载流子横向溢出到旁边的溢出漏中 , 从而抑制了光晕现象。但这种结构的缺点是溢出漏占用了光敏元的面积 , 使得CCD的灵敏度和动态范围降低。2. CCD纵向抗晕结构CCD纵向抗晕结构方法介绍CCD纵向抗晕结构是在每个光敏元的光电二级管下设置一个溢出漏，当强光照时，光敏元的过量光生载流子就纵向导入溢出漏，最后导入衬底，这样光晕得到抑制。如图1所示,CCD摄像器件的光晕纵向控制原理,当V- CCD的驱动脉冲为高电平Vh时，p- n结光电二极管的光生信号电荷被转移到 V - CCD中。这时,光电二极管的电位与T

5、G区的沟道电位TGH相同,在电势曲线被标为“空”。接着，随着光电二极管中光生信号电荷的产生，二极管电势也随着相应减小。当光照强时，二极管电势将到图中的“满”状态。这时，垂直溢出漏起作 用，由于光强而产生的所有过量电荷，就沿着1 PW而被导入n衬底（n衬底象一个漏），而不是溢出到邻近的V- CCD,这样光晕受到抑制。纵深方向水平方向图1纵向抗晕的控制过程从上述光晕控制说明中可知,光敏二极管所能存贮的最大电荷量QpDma为QpDmax=CPD（ TGH- PD ）式中Cp是光敏二极管电容。无光晕的条件为pd TGM纵向抗晕CCD莫型的建立由于一个CCD器件是由多个结构单元组成，而且每个单元的结构完

6、全相同 为此，选取了纵向抗晕CCD器件的一个结构单元进行了仿真。图2 纵向抗晕CCD勺模拟计算简化模型选取结构单元的简化计算模型如图 2所示。用MEDIC软件对上述模型进行仿真。其结果如下：1 PW层硼掺杂浓度直接影响到CCD纵向抗晕能力。选取Nch沟道掺杂浓度为3X 1016cm-3,节深为0.5 m,在G3下注如入电子电荷量 Q =1.598 X 10-14coul/ m,即为9.973 X 104/m电子,对衬底施加相同的反向偏置电压Vsub=15V, 1PW层节深为3 m条件下，取1PW硼掺杂浓度分别在6X1014 cm-3、8X 1014 cm-3、1 X 1015 cm-3 时进行

7、瞬态模拟-10-8-6-4-20246810图3 1PW =6X 1014 cm-3纵向抗晕电势曲线图4所示为1PW =1X1O15 cm-3抗晕电势曲线,与图3相比：导入衬底的电荷量较大 几乎是把沟道注入的载流子全部导入衬底，对沟道清空，实现复位。-108 -6 -4 -2 0246810153图4 1PW =1X 10 cm 纵向抗晕电势曲线上述建立了模拟纵向抗晕 CCD器件的数值运算模型，利用半导体器件二维 数值仿真软件MEDICI,对CCD纵向抗晕的各个影响参数进行了二维数值模拟研 究。通过模拟和分析可以得出:1PW层杂质浓度越低，电势越高，则电子势垒越 低，则导入衬底的过量载流子越多

8、，对应的抗晕能力越强。二、双CCDffl像传感器的汽车抗晕方法在汽车抗晕光中，可以利用积分时间一长一短两部CCD摄像机，同步获取同一探测目标两路图像信号，克服单片CCD图像传感器动态范围小的缺点。采 用位图像素亮度置换算法，将积分时间长通道中晕光像素点的亮度值用积分时 间短通道中对应像素点的亮度值替代，达到了消除晕光现象的目的。双同步CCD 图像传感器适用于晕光图像的采集处理，该方法可使CCD图像传感器动态范围 扩展近2倍。1. 抗晕光原理面阵CCD用光学成像系统将景物图像成像在 CCD像敏面上。光敏单元势阱中光注入电荷量的计算公式为Q= qAtce,h式中，为材料的量子效率；q为电子电荷量；

9、A为光敏单元的受光面积；h 为光波长的光子能量；tc为暴光积分时间；e,为入射光光谱辐射通量。从式中可以看出,当CCD器件确定后，、q、A及h均为常数,光注入到势阱中的信 号电荷量Q与入射光的光谱辐射通量e,及注入时间tc成线性关系。由于CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量 Q 一定，当光谱辐射通量 e,增大时，适当缩小 暴光积分时间tc,就可以清晰地采集到景物中亮度较强部分的图像，而不会发生晕光现象；反之，当光谱辐射通量e,减小时，适当增大暴光积分时间光tc,就可以清晰地采集到图像景物中亮度较暗部分的图像。汲取两种情况下各自的优 点，合成后的图像自然就消除了晕光现象。2. 抗晕光系统结构双CC

10、D图像传感器工作如图5所示。两部CCD摄像机同步工作，左CCD摄 像机光积分时间长（光积分时间按能够清晰获取景物中亮度较暗部分景物的图像 调整），右CCD摄像机积分时间短（光积分时间按能清晰地获取景物中亮度较亮 部分景物的图像调整）。图5双CCD同步摄像机探测同一目标左右两部摄像机同时采集同一景物，输出模拟视频信号经过数字视频解码 器解码，转换成数字信号，在同一个地址发生器作用下，将各自奇偶场中每个像 素点的亮度、色度数值依次存储在存储器 1和存储器2中。DSP从存储器1中 依次读取每一个存储单元的数值并进行判断，如果该像素点未发生晕光，则该 存储单元的亮度、色度数值直接送到视频编码电路输出；

11、如果该像素点发生晕光 丢弃该存储单元数据，而从存储器2相同地址单元中取出数据，再送视频编码 电路输出。经过像素亮度置换后合成的位图图像，再经过视频编码，将数字信号转换成模拟视频信号送LCD显示屏输出。图像处理流程如图 6所示图6抗晕光图像处理流程图3. 方法总结采用双CCD传感器技术，可以有效地消除汽车晕光现象。 在此基础上，若 能采取其它图像处理技术对图像的边缘进行处理，将会得到十分满意的图像效果。该方法推广应用到其它机器视觉产品中，不同的应用目标，需要根据实际情 况准确设定两台摄像机各自的光积分时间和阈值大小 ，从而扩大CCD传感器的 动态范围。三、增加像敏单元寻址电路和积分时间脉冲产生电

12、路的方法1. 工作原理为了解决面阵CCD图像传感器由于动态范围有限而在强光照射下发生晕光 的问题,基于DL32面阵CCD图像传感器原有结构,通过增加像敏单元寻址电 路和积分时间脉冲产生电路，使得所有像敏单元积分时间均可独立设定。利用 DSPsTMS320C671对面阵CCD图像传感器每个像敏单元输出的亮度值进行实时 监测，通过地址及数据总线控制改进型面阵CCD图像传感器，缩小该像敏单元的光积分时间。经过MATLAB算法仿真，像敏单元晕光现象已彻底消除。2. 系统结构框图及工作原理系统由改进型DL32型面阵CCD图像传感器、CCD驱动电路、视频解码器、 FIFO存储器、DSPs五部分组成,系统结

13、构框图如图7所示。DL32型面阵CCD是 一种适用于我国电视摄像系统的典型面阵 CCD芯片。面阵CCD图像传感器由其 驱动电路驱动工作，图像景物由面阵CCD图像传感器采集并转换成模拟视频信 号输出，直接供液晶显示器显示。模拟视频信 号同时被送 入视频 解码器SAA7111A的输入端，视频解码器SAA7111A将模拟视频信号转换成数字视频信 号,视频数字信号通过FIFO存储器输入到DSPsQSPs对每个像敏单元的亮度 数值逐一进行监测。当某一个像素亮度数值大于规定阈值时，就认为该像素点发 生了晕光,DSPs通过数据总线和地址总线控制改进型面阵 CCD图像传感器，将 目标像敏单元的积分时间缩短一级

14、。 DSPs实时监测和调整发生晕光像敏单元的 积分时间，直到面阵CCD的每一个像敏单元均不发生晕光。图7抗晕光系统结构框图3. 方法总结及后续处理在不同快门下，用同一部数码相机拍摄夜间汽车静止时的照片。 观察照片可 以得知，利用这种方法，在一定条件下，可以有效的消除车灯晕光现象。但是， 随着快门时间（相当于CCC传感器的积分时间）的缩短，整个图像也会变的越来 越暗，等晕光现象被消除时，除了车灯以外的物体，已经根本无法辨认。我们用 MATLAB6.5寸不同快门时间的几幅图像进行像素亮度置换算法仿真。算法为：将 几幅图像中像素点的亮度值进行数值取代， 最后可以得到集中了几幅图像所有优 点，克服了图像晕光问题的照片。这实质是对面阵CCD图像传感器像敏单元设置了几种积分时间，并经过光强分布自动调整后所得到的图像效果。 就人眼观察 而言,仿真处理后的图像中已经没有强烈的晕光区域 ，并且周围路况也完全可以 清楚地看见，这样就保证了人眼不会因为高光而受损害，同时也保证了行车安 全。参考文献1 武利翻.CCD图像传感器抗晕技术研究传感器世界，2