第6章 光电成像系统

1、1 本章内容本章内容 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件(CCD器件器件) CCD器件的性能参数器件的性能参数 CCD器件的应用器件的应用 第第5章章 光电成像系统光电成像系统 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件(CCD器件器件)光电成像系统的基本组成 物体(信号源)传输介质光学系统(信号分析器)光电摄像器件(信号变换器)显示器人眼光源光信号光信号光信号信号信号背景噪声背景噪声噪声噪声电荷耦合器件的基本结构电荷耦合器件的基本结构构成构成CCDCCD的基本单元是的基本单元是MOS(MOS(金属金属- -氧化物氧化物- -半导半导体体) )电容器电容器 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）与其他

2、器件相比，最突出的特点是以电荷为信号。）与其他器件相比，最突出的特点是以电荷为信号。CCDCCD的基本功能是电荷的存储和转移，的基本功能是电荷的存储和转移，CCDCCD的工作过程就是的工作过程就是电荷的产生、存储、电荷的产生、存储、传输和检测传输和检测的过程。的过程。演示演示1. 1. 电荷耦合器件的基本原理电荷耦合器件的基本原理(1) (1) 电荷产生电荷产生 光辐射光辐射1. 1. 电荷耦合器件的基本原理电荷耦合器件的基本原理 构成构成CCDCCD的基本单元是的基本单元是MOSMOS电容器，电容器，MOSMOS电容器能够存储电荷。电容器能够存储电荷。 表面势表面势 耗尽层耗尽层 开启电压开

3、启电压 深度耗尽状态深度耗尽状态(2) (2) 电荷存储电荷存储 表面势表面势 势阱势阱1. 1. 电荷耦合器件的基本原理电荷耦合器件的基本原理(2) (2) 电荷存储电荷存储 势阱势阱的功能：存储信号电荷的功能：存储信号电荷 暗电流暗电流 电荷耦合器件必须工作在电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。，才能存储电荷。演示演示1. 1. 电荷耦合器件的基本原理电荷耦合器件的基本原理(2) (2) 电荷存储电荷存储 典型的三相典型的三相CCDCCD结构结构, ,三相三相CCDCCD是由每三个栅为一组的间隔紧密的是由每三个栅为一组的间隔紧密的MOSMOS结构组结构

4、组成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲时钟脉冲；(3) (3) 电荷转移电荷转移 完成电荷转移的完成电荷转移的CCDCCD主要有两类结构形式：主要有两类结构形式：三相三相CCDCCD结构结构和和两相两相CCDCCD结构结构三相时钟脉冲的波形三相时钟脉冲的波形1. 1. 电荷耦合器件的基本原理电荷耦合器件的基本原理 在在t t1 1时刻，时刻， 1 1高电位，高电位， 2 2 、 3 3低电位。此时低电位。此时 1 1电极下的表面势最大，势电极下的表面势最大，势阱最深。假设此时己有信号电荷（电子）注入则电荷就被存

5、储在阱最深。假设此时己有信号电荷（电子）注入则电荷就被存储在 1 1电极下的电极下的势阱中。势阱中。(3) (3) 电荷转移电荷转移 在在t t2 2时刻时刻 在在t t3 3时刻时刻 在在t t4 4时刻时刻三相三相CCDCCD结构及电荷转移结构及电荷转移演示演示1. 1. 电荷耦合器件的基本原理电荷耦合器件的基本原理 图示为图示为“阶梯氧化层阶梯氧化层”两相结构。每一相电极下的绝缘层为阶梯状，由此两相结构。每一相电极下的绝缘层为阶梯状，由此形成的势阱也为阶梯状。形成的势阱也为阶梯状。(3) (3) 电荷转移电荷转移 两相两相CCDCCD结构及电荷转移结构及电荷转移两相时钟波形两相时钟波形电

6、荷包的转移过程电荷包的转移过程 在在t t1 1时刻时刻 在在t t2 2时刻时刻 在在t t3 3时刻时刻表面沟道器件，表面沟道器件，SCCD(Surface Channel CCD)SCCD(Surface Channel CCD)体内沟道器件，体内沟道器件，BCCD(Bulk or Buried Channel CCD)BCCD(Bulk or Buried Channel CCD)1. 1. 电荷耦合器件的基本原理电荷耦合器件的基本原理 电荷输出结构有多种形式，如电荷输出结构有多种形式，如“电流输出电流输出”结构结构、“浮置浮置扩散输出扩散输出”结构结构及及“浮置栅输出浮置栅输出”结构

7、。其中结构。其中“浮置扩散输出浮置扩散输出”结构应用最广泛。结构应用最广泛。 “浮置扩散输出浮置扩散输出”原理结构原理结构: : 输出结构包括输出栅输出结构包括输出栅OGOG、浮置扩散区、浮置扩散区FDFD、复、复位栅位栅R R、复位漏、复位漏RDRD以及输出场效应管以及输出场效应管T T等。等。 所谓所谓“浮置扩散浮置扩散”是指在是指在p p型硅衬底表面用型硅衬底表面用V V族杂质扩散形成小块的族杂质扩散形成小块的n n区域，区域，当扩散区不被偏置，即处于浮置状态工作时，称作当扩散区不被偏置，即处于浮置状态工作时，称作“浮置扩散区浮置扩散区”。(4) (4) 电荷检测电荷检测 1. 1. 电

8、荷耦合器件的基本原理电荷耦合器件的基本原理t t1 1时刻时刻t t2 2时刻时刻t t3 3时刻时刻t t4 4时刻时刻t t5 5时刻时刻电荷包输出过程：电荷包输出过程：CQVFDAFDFD区电位变化量：区电位变化量：1. 1. 电荷耦合器件的基本原理电荷耦合器件的基本原理(4) (4) 电荷检测电荷检测 2. 2. 电荷耦合摄像器件的工作原理电荷耦合摄像器件的工作原理 将将CCDCCD电荷存储、电荷转移的概念与半导体的光电性质相结合，导致了电荷存储、电荷转移的概念与半导体的光电性质相结合，导致了CCDCCD摄像器件的出现。摄像器件的出现。 电荷耦合器件有多种分类方法：电荷耦合器件有多种分

9、类方法： 按结构分线阵按结构分线阵CCDCCD和面阵和面阵CCDCCD； 按光谱分为可见光按光谱分为可见光CCDCCD、红外、红外CCDCCD、X X光光CCDCCD和紫外和紫外CCDCCD。 可见光可见光CCDCCD又可分为黑白又可分为黑白CCDCCD、彩色、彩色CCDCCD和微光和微光CCDCCD(1) (1) 线阵线阵CCDCCD 线阵线阵CCDCCD分为分为双沟道传输双沟道传输与与单沟道传输单沟道传输两种结构，两种结构的工作原理相仿，但两种结构，两种结构的工作原理相仿，但性能略有差别。性能略有差别。 单沟道传输单沟道传输用于低位数用于低位数CCDCCD传感器。它的光敏单元与传感器。它的

10、光敏单元与CCDCCD移位寄存器移位寄存器SRSR分开，用转分开，用转移栅控制光生信号电荷向移位寄存器转移，转移栅关闭时，光敏单元势阱收集光信号移栅控制光生信号电荷向移位寄存器转移，转移栅关闭时，光敏单元势阱收集光信号电荷，经过一定的积分时间，形成与空间分布的光强信号对应的信号电荷图形。积分电荷，经过一定的积分时间，形成与空间分布的光强信号对应的信号电荷图形。积分周期结束时，转移栅打开，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到周期结束时，转移栅打开，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCDCCD移位寄存器移位寄存器SRSR的响应单元内。转移栅关闭后，光敏单元开始对下一行图像信号进行积分。而已转的

11、响应单元内。转移栅关闭后，光敏单元开始对下一行图像信号进行积分。而已转移到移位寄存器的上一行信号电荷，通过移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。移到移位寄存器的上一行信号电荷，通过移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。(a)(a)单沟道传输结构单沟道传输结构演示演示2. 2. 电荷耦合摄像器件的工作原理电荷耦合摄像器件的工作原理 线阵线阵CCDCCD分为双沟道传输与单沟道传输两种结构，两种结构的工作原理相仿，但分为双沟道传输与单沟道传输两种结构，两种结构的工作原理相仿，但性能略有差别。性能略有差别。 双沟道传输结构光敏单元在中间，其奇偶单元的信号电荷分别传送到上、下两列双沟道传输结构光敏单元在

12、中间，其奇偶单元的信号电荷分别传送到上、下两列移位寄存器后串行输出，最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。这种方案的优点移位寄存器后串行输出，最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。这种方案的优点是光敏单元有较高的封装密度，转移次数减少一半，可提高转移效率，改善图像传感是光敏单元有较高的封装密度，转移次数减少一半，可提高转移效率，改善图像传感器性能。器性能。(b)(b)双沟道传输结构双沟道传输结构(1) (1) 线阵线阵CCDCCD2. 2. 电荷耦合摄像器件的工作原理电荷耦合摄像器件的工作原理(1) (1) 线阵线阵CCDCCD2. 2. 电荷耦合摄像器件的工作原理电荷耦合摄像器件的工作原理

13、D13.D62D63S1S2S3光电二极管.转移栅 2转移栅 1S2158S2159D64D73D74S2160.CCD移位寄存器 2CCD 移位寄存器 1D14D15信号输出缓冲级补偿输出缓冲级2122361921OSDOSODF1F 2SHSS(2) (2) 面阵面阵CCDCCD 行间转移结构采用光敏区与转移行间转移结构采用光敏区与转移区相间排列方式，相当于将若干个单区相间排列方式，相当于将若干个单沟道传输的线阵沟道传输的线阵CCDCCD图像传感器按垂图像传感器按垂直方向并排，再在垂直阵列的尽头设直方向并排，再在垂直阵列的尽头设置一条水平置一条水平CCDCCD，水平，水平CCDCCD的每一

14、位与的每一位与垂直列垂直列CCDCCD一一对应、相互衔接。在一一对应、相互衔接。在器件工作时，每当水平器件工作时，每当水平CCDCCD驱动一行驱动一行信息读完，就进入行消隐，在行消隐信息读完，就进入行消隐，在行消隐期间，垂直期间，垂直CCDCCD向上传输一次，即向向上传输一次，即向水平水平CCDCCD转移一行信号电荷，然后，转移一行信号电荷，然后，水平水平CCDCCD又开始新的一行信号读出，又开始新的一行信号读出，以此循环，直至将整个一场信号读完，以此循环，直至将整个一场信号读完，进入场消隐。在场消隐期间，又将新进入场消隐。在场消隐期间，又将新的一场光信号电荷从光敏区转移到各的一场光信号电荷从

15、光敏区转移到各自对应的垂直自对应的垂直CCDCCD中。然后，又开始中。然后，又开始新一场信号的逐行读出。新一场信号的逐行读出。 常见的面阵常见的面阵CCDCCD摄像器件有两种：摄像器件有两种：行间转移结构行间转移结构与与帧转移结构帧转移结构。演示演示2. 2. 电荷耦合摄像器件的工作原理电荷耦合摄像器件的工作原理 帧转移结构由三部对组成；光敏区、帧转移结构由三部对组成；光敏区、存储区、水平读出区。这三部分都是存储区、水平读出区。这三部分都是CCDCCD结结构，在存储区及水平区上面均由铝层涵盖，构，在存储区及水平区上面均由铝层涵盖，以实现光屏蔽；光敏区与存储区以实现光屏蔽；光敏区与存储区CCDC

16、CD的列数的列数及位数均相同，而且每一列是相互衔接的。及位数均相同，而且每一列是相互衔接的。不同之处是光敏区面积略大于存储区，当不同之处是光敏区面积略大于存储区，当光积分时间到后时钟光积分时间到后时钟A A与与B B均以同一速度均以同一速度快速驱动将光敏区的一场信息转移到存快速驱动将光敏区的一场信息转移到存储区。然后，光敏区重新开始另一场的积储区。然后，光敏区重新开始另一场的积分；时钟分；时钟A A停止驱动，一相停在高电平，另停止驱动，一相停在高电平，另一相停在低电平。同时，转移到存储区的一相停在低电平。同时，转移到存储区的光信号逐行向水平光信号逐行向水平CCDCCD转移，再由水平转移，再由水

17、平CCDCCD快速读出。光信号由存储区到水平快速读出。光信号由存储区到水平CCDCCD的转的转移过程与行间转移面阵移过程与行间转移面阵CCDCCD相同。相同。演示演示(2) (2) 面阵面阵CCDCCD2. 2. 电荷耦合摄像器件的工作原理电荷耦合摄像器件的工作原理(3) (3) 彩色彩色CCDCCD 为了形成彩色信号，彩色为了形成彩色信号，彩色CCDCCD摄像机目前主要有三片式和单片式两种；摄像机目前主要有三片式和单片式两种； 薄膜分色原理薄膜分色原理 只要选择合适的只要选择合适的d d、n n1 1、n n0 0等参等参量使得入射光量使得入射光I I1 1和反射光和反射光I I2 2在某在

18、某些波长同相位，这些光被相加输出；些波长同相位，这些光被相加输出；另一些波长光相位相反，这些光被另一些波长光相位相反，这些光被抵消无输出。抵消无输出。 2. 2. 电荷耦合摄像器件的工作原理电荷耦合摄像器件的工作原理 为了形成彩色信号，彩色为了形成彩色信号，彩色CCDCCD摄像机目前主要有三片式和单片式两种；摄像机目前主要有三片式和单片式两种； 三片式三片式CCDCCD是传统的摄像方式，是传统的摄像方式，该方式用分色棱镜将入射光分成红该方式用分色棱镜将入射光分成红（R R）、绿（）、绿（G G）、蓝（）、蓝（B B）三基色。）三基色。然后由配置在后面的然后由配置在后面的CCDCCD器件转换器件

19、转换为电信号。三片式为电信号。三片式CCDCCD成像质量好，成像质量好，主要用于电视台等高质量的摄像机。主要用于电视台等高质量的摄像机。 演示演示(3) (3) 彩色彩色CCDCCD2. 2. 电荷耦合摄像器件的工作原理电荷耦合摄像器件的工作原理三片式CCD 单片式单片式CCDCCD彩色摄像机结构简单、价格较低，是目前工业、家用摄像机中占统治地彩色摄像机结构简单、价格较低，是目前工业、家用摄像机中占统治地位的彩色摄像机。位的彩色摄像机。 单片式彩色单片式彩色CCDCCD的关键是滤色器阵列。图示是两种常用的滤色器形式，的关键是滤色器阵列。图示是两种常用的滤色器形式， 拜尔拜尔(Bayer)(Ba

20、yer)方式滤色器中，从色单元的数量看绿色信号占了一半，而红蓝色单元方式滤色器中，从色单元的数量看绿色信号占了一半，而红蓝色单元则占另一半，在这种方式中亮度信号从绿色单元中取出。这种排列方式在行间转移则占另一半，在这种方式中亮度信号从绿色单元中取出。这种排列方式在行间转移CCDCCD器件和隔行读出的其他器件中，由于奇数场只能取出器件和隔行读出的其他器件中，由于奇数场只能取出R R、G G信号，而偶数场只能取出信号，而偶数场只能取出G G、B B信号，因此重现的彩色图像会引起红、蓝闪烁。信号，因此重现的彩色图像会引起红、蓝闪烁。 行间排列的滤色器方式中，绿色单元的位置和数量均不变化，而使红、蓝色

21、在各行间排列的滤色器方式中，绿色单元的位置和数量均不变化，而使红、蓝色在各行都有，显然这种方式可以克服拜尔方式滤色器的缺陷。行都有，显然这种方式可以克服拜尔方式滤色器的缺陷。(3) (3) 彩色彩色CCDCCD2. 2. 电荷耦合摄像器件的工作原理电荷耦合摄像器件的工作原理 转移效率转移效率 是指电荷包在进行每一次转移中的效率，即电荷包从一个栅是指电荷包在进行每一次转移中的效率，即电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有转移到下一个栅时，有 部分的电荷转移过去，余下部分的电荷转移过去，余下 部分没有被转移，部分没有被转移， 称称转移损失率转移损失率。根据电荷守恒原理：。根据电荷守恒原理：1. 1.

22、转移效率和转移损失率转移效率和转移损失率1 一个电荷量为一个电荷量为Q Q0 0的电荷包，经过的电荷包，经过n n次转移后的输出电荷量为：次转移后的输出电荷量为：nnQQ0 即总效率为：即总效率为：nnQQ0/ 由于由于CCDCCD中的信号电荷包大都要经历成百上千次的转移，即使中的信号电荷包大都要经历成百上千次的转移，即使 值几乎接值几乎接近近l l但其总效率往往很低，如二相但其总效率往往很低，如二相10241024位器件，当位器件，当 = =0.9990.999时，总效率不到时，总效率不到0.130.13，所以，一定的，所以，一定的 值，限定了器件的最长位数。值，限定了器件的最长位数。 在达

23、到同样高的总效率下，在达到同样高的总效率下，埋沟埋沟CCDCCD可以研制的位数比可以研制的位数比表面沟道表面沟道大得多。大得多。 CCD器件的性能参数器件的性能参数信号电荷从一个电极到另一个电极的转移时间信号电荷从一个电极到另一个电极的转移时间t t必须小于少数载流子的平均必须小于少数载流子的平均寿命寿命 i i，对三相，对三相CCDCCD，2. 2. 驱动频率和积分时间驱动频率和积分时间i3f13Tt CCD器件的性能参数器件的性能参数驱动频率指加在驱动频率指加在CCDCCD移位寄存器转移栅上的驱动脉冲的频率；移位寄存器转移栅上的驱动脉冲的频率；i31f驱动频率下限、载流子平均寿命、工作温度

24、的关系。驱动频率下限、载流子平均寿命、工作温度的关系。驱动频率下限驱动频率下限T T应大于电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间应大于电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间 g g，即，即g313Ttf CCD器件的性能参数器件的性能参数g31f g g与与载流子迁移率、电极长度、衬底杂质的浓度和温度等因素有关。载流子迁移率、电极长度、衬底杂质的浓度和温度等因素有关。驱动频率上限驱动频率上限P P沟道沟道CCDCCD三相多晶硅三相多晶硅N N沟道沟道CCDCCD2. 2. 驱动频率和积分时间驱动频率和积分时间 CCD器件的性能参数器件的性能参数积分时间积分时间2. 2. 驱动频率和积分时间

25、驱动频率和积分时间非均匀性定义非均匀性定义: : 任何光电转换阵列，如任何光电转换阵列，如CCDCCD、IRFPAIRFPA、CMOSCMOS图像传感器，由于图像传感器，由于制作材料的缺陷、掺杂的非均匀性以及生产工艺过程控制的不稳定等，在集制作材料的缺陷、掺杂的非均匀性以及生产工艺过程控制的不稳定等，在集成电路工艺上都不可能是每个像元绝对一样成电路工艺上都不可能是每个像元绝对一样, ,造成了不同像元造成了不同像元在同一均匀入在同一均匀入射辐射下，其视频输出信号幅度不同，这就是所谓的阵列器件响应的射辐射下，其视频输出信号幅度不同，这就是所谓的阵列器件响应的非均匀非均匀性（性（Nonuniform

26、ityNonuniformity，NUNU）。）。 3. 3. 不均匀度不均匀度( (非均匀性非均匀性) ) 造成这种不均匀的原因很多：造成这种不均匀的原因很多： 光学系统的影响。光学系统的影响。如镜头的加工精度，镜头的孔径的影响等因素造成的如镜头的加工精度，镜头的孔径的影响等因素造成的球差、慧差、畸变等。如表现为中间亮四周暗或辐照分布不均匀等。球差、慧差、畸变等。如表现为中间亮四周暗或辐照分布不均匀等。 阵列中各像元的响应特性不一致。阵列中各像元的响应特性不一致。这种不一致是由制造过程中的随机性这种不一致是由制造过程中的随机性引起的，如制作材料的缺陷、掺杂的非均匀性以及生产工艺过程控制的不稳

27、引起的，如制作材料的缺陷、掺杂的非均匀性以及生产工艺过程控制的不稳定等。定等。 阵列外界输入的影响。阵列外界输入的影响。如探测器的偏置电压、偏置电流的不同，也将造如探测器的偏置电压、偏置电流的不同，也将造成输出的不均匀性。成输出的不均匀性。 阵列所处环境温度的变化。阵列所处环境温度的变化。环境温度的变化导致衬底温度的变化，从而环境温度的变化导致衬底温度的变化，从而使非均匀性进一步随环境温度而迅速变化。使非均匀性进一步随环境温度而迅速变化。 CCD器件的性能参数器件的性能参数 CCD CCD的不均匀度用光敏元响应的均方根偏差对平均响应的比值表示。的不均匀度用光敏元响应的均方根偏差对平均响应的比值

28、表示。式中，式中，V Vonon为第为第n n个光敏元原始响应的等效电压，个光敏元原始响应的等效电压， 为平均原始响应等效电为平均原始响应等效电压，压，N N为线列为线列CCDCCD的总位数。的总位数。其中其中 由于转移损失的存在，由于转移损失的存在，CCDCCD的输出信号的输出信号V Vn n与它所对应的光敏元的原始响与它所对应的光敏元的原始响应应V Vonon并不相等。根据总损失公式，在测得并不相等。根据总损失公式，在测得V Vn n后，可求出后，可求出V VononnnonVV CCD器件的性能参数器件的性能参数3. 3. 不均匀度不均匀度( (非均匀性非均匀性) )oVNnoonoVV

29、NV1211N1nonoVN1V 理想情况下，平行光源照射下采集的图形就应该是一条直线，但实际上理想情况下，平行光源照射下采集的图形就应该是一条直线，但实际上并非如此，有些地方有很大的起伏。并非如此，有些地方有很大的起伏。 进行系统校正的目标是把曲线的起伏减小到最小，使它在平行光照射下进行系统校正的目标是把曲线的起伏减小到最小，使它在平行光照射下更接近一条直线。更接近一条直线。 CCD器件的性能参数器件的性能参数3. 3. 不均匀度不均匀度( (非均匀性非均匀性) )objobj实时校正后目标探测效果图 校正方法：一点校正法，两点校正法，三点校正法。校正方法：一点校正法，两点校正法，三点校正法

30、。 两点校正法基本原理两点校正法基本原理：将采集到的每一个原始数据乘上一个比例因子，：将采集到的每一个原始数据乘上一个比例因子，再加上一个常数因子，得到的数值就是校正后的数值。它的公式可以表示为：再加上一个常数因子，得到的数值就是校正后的数值。它的公式可以表示为：Y=kY=k* *y+by+b。 两点校正法主要问题就是如何获得这两组因子，具体做法是：两点校正法主要问题就是如何获得这两组因子，具体做法是： (1) (1) 在两种光强下分别采集数据，得到两种光强下的各像元信号大小及在两种光强下分别采集数据，得到两种光强下的各像元信号大小及平均值。平均值。 分别用分别用y1y1和和y2y2表示这两组

31、信号大小。表示这两组信号大小。 (2) (2) 计算计算k=k=（y2-y1y2-y1）/ /（x2-x1x2-x1），），b=y1-kb=y1-k* *x1x1。 (3) (3) 计算校正系数；计算校正系数； (4) (4) 用校正系数来校正不同光强下采集的数据。只要光源和硬件没有变用校正系数来校正不同光强下采集的数据。只要光源和硬件没有变化，这些校正系数就是有效的。化，这些校正系数就是有效的。 B S A W 0 U B S A W 0 U B S A W 0 U CCD器件的性能参数器件的性能参数3. 3. 不均匀度不均匀度( (非均匀性非均匀性) ) CCD CCD成像器件在既无光注入

32、又无电注入情况下的输出信号称成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号暗信号，即，即暗暗电流电流。暗电流的。暗电流的根本起因根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发。在于耗尽区产生复合中心的热激发。 由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，CCDCCD中暗电流密度的分中暗电流密度的分布是不均匀的。所以，我们通常布是不均匀的。所以，我们通常以平均暗电流密度来表征以平均暗电流密度来表征暗电流大小。暗电流大小。 暗电流的危害有两个方面：暗电流的危害有两个方面： (1) (1) 限制器件的低频限限制器件的低频限 当信号电荷沿着势阱存储与转移时，

33、热激发产生的暗电流每时每刻地加当信号电荷沿着势阱存储与转移时，热激发产生的暗电流每时每刻地加入到信号电荷包中，不仅引起附加的散粒噪声，而且占据愈来愈多的势阱容入到信号电荷包中，不仅引起附加的散粒噪声，而且占据愈来愈多的势阱容量。为了减少暗电流的这种影响，应尽量缩短信号电荷的存储与转移时间。量。为了减少暗电流的这种影响，应尽量缩短信号电荷的存储与转移时间。所以，暗电流的存在，限制了所以，暗电流的存在，限制了CCDCCD驱动频率的低频限。驱动频率的低频限。 (2(2）引起固定图像噪声）引起固定图像噪声 由于由于CCDCCD光敏元处于积分工作状态，光敏区的暗电流也与光信号电荷一样，光敏元处于积分工作

34、状态，光敏区的暗电流也与光信号电荷一样，在各光敏元中积分，形成一个暗信号图像，叠加到光信号图像上，引起在各光敏元中积分，形成一个暗信号图像，叠加到光信号图像上，引起固定固定图像噪声图像噪声，尤其是由于工艺的原因或材料的不完整造成某些缺陷，引起高密，尤其是由于工艺的原因或材料的不完整造成某些缺陷，引起高密度的产生复合中心出现个别暗电流尖峰，将使一幅清晰完整的图像，产生度的产生复合中心出现个别暗电流尖峰，将使一幅清晰完整的图像，产生某些某些“亮条亮条”或或“亮点亮点”。 CCD器件的性能参数器件的性能参数 4. 4. 暗电流暗电流 CCD CCD的的光电转换特性光电转换特性 灵敏度灵敏度 曝光量/

35、(Lx,Sec) 输出信号 /V 特性曲线的线性段可表示为：特性曲线的线性段可表示为： baxy 器件工作时，应把工作点选在光电转换特性曲线的线性区内（可调整器件工作时，应把工作点选在光电转换特性曲线的线性区内（可调整光强或积分时间来控制）。一般，宜选择工作点接近饱和点，但最大光强光强或积分时间来控制）。一般，宜选择工作点接近饱和点，但最大光强又不进入饱和区，这样可提高光电转换精度。又不进入饱和区，这样可提高光电转换精度。 CCD器件的性能参数器件的性能参数 5. 5. 光电转换特性及灵敏度（响应度）光电转换特性及灵敏度（响应度） CCD CCD的光谱响应是指等能量相对光谱响应，最大响应值归一

36、化为的光谱响应是指等能量相对光谱响应，最大响应值归一化为100100所对应的波长，称所对应的波长，称峰值波长峰值波长 maxmax，通常将，通常将1010（或更低）的响应点所对应的（或更低）的响应点所对应的波长称波长称截止波长截止波长。有长波端的截止波长与短波端的截止波长，两种截止波。有长波端的截止波长与短波端的截止波长，两种截止波长之间所包括的波长范围称长之间所包括的波长范围称光谱响应范围光谱响应范围。TCD1206SUP光谱响应特性曲线光谱响应特性曲线 CCD器件的性能参数器件的性能参数 6. 6. 光谱响应光谱响应 CCD CCD的噪声可归纳为三类：散粒噪声、转移噪声和热噪声。的噪声可归

37、纳为三类：散粒噪声、转移噪声和热噪声。 (1) (1) 散粒噪声散粒噪声 在在CCDCCD中，无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数总中，无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数总有一定的不确定性，也就是围绕平均值上下变化，形成噪声。这种噪声常有一定的不确定性，也就是围绕平均值上下变化，形成噪声。这种噪声常被称为散粒噪声，它与频率无关，是一种白噪声。被称为散粒噪声，它与频率无关，是一种白噪声。 (2) (2) 转移噪声转移噪声 转移噪声主要是由转移损失及表面态俘获引起的噪声，这种噪声具有转移噪声主要是由转移损失及表面态俘获引起的噪声，这种噪声具有积累性和相关性。积累性和相

38、关性。积累性积累性是指转移噪声是在转移过程中逐次积累起来的，是指转移噪声是在转移过程中逐次积累起来的，与转移次数成正比；与转移次数成正比；相关性相关性是指相邻电荷包的转移噪声是相关的，因为电是指相邻电荷包的转移噪声是相关的，因为电荷包在转移过程中，每当有荷包在转移过程中，每当有 Q Q电荷转移到下一个势阱时，必然在原来势阱电荷转移到下一个势阱时，必然在原来势阱中留下一减量中留下一减量 Q Q电荷，这份减量电荷叠加到下一个电荷包中，所以电荷包电荷，这份减量电荷叠加到下一个电荷包中，所以电荷包每次转移要引进两份噪声。这两份噪声分别与前、后相邻同期的电荷包的每次转移要引进两份噪声。这两份噪声分别与前

39、、后相邻同期的电荷包的转移噪声相关，转移噪声相关， (3) (3) 热噪声热噪声 热噪声是由于固体中载流子的无规则热运动引起的，在热噪声是由于固体中载流子的无规则热运动引起的，在OKOK以上，无论以上，无论其中有无外加电流通过，都有热噪声，对信号电荷注入及输出影响最大。其中有无外加电流通过，都有热噪声，对信号电荷注入及输出影响最大。 以上以上3 3种噪声源独立无关，所以种噪声源独立无关，所以CCDCCD的总噪声功率是它们的均方和。的总噪声功率是它们的均方和。 CCD器件的性能参数器件的性能参数 7. 7. 噪声噪声 分辨率是摄像器件最重要的参数之一，它是指摄像器件对物像中明暗分辨率是摄像器件最

40、重要的参数之一，它是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力。测试时要用专门的测试卡。细节的分辨能力。测试时要用专门的测试卡。一般，图象传感器摄像机的一般，图象传感器摄像机的分辨率是指当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时，在监视器（比摄分辨率是指当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时，在监视器（比摄像机的分辨率要高）上能够看到的最多线数，当超过这一线数时，屏幕上像机的分辨率要高）上能够看到的最多线数，当超过这一线数时，屏幕上就只能看到灰蒙蒙的一片，而不再能分辨出黑白相间的线条。因此，分辨就只能看到灰蒙蒙的一片，而不再能分辨出黑白相间的线条。因此，分辨率这一参数的正确与否尤其重要。率这一参数的正确

41、与否尤其重要。 CCD器件的性能参数器件的性能参数8 8. . 分辨率分辨率 调制传递函数调制传递函数 分辨率的表示方法虽有专门的测试卡测量而使用方便，但不客观科学。分辨率的表示方法虽有专门的测试卡测量而使用方便，但不客观科学。其原因是因为：其原因是因为： 每个人的视觉不一样，观测值带有主观性；每个人的视觉不一样，观测值带有主观性； 测试卡的对比度与几何尺寸以及观测时的照度不一样，观测的结果测试卡的对比度与几何尺寸以及观测时的照度不一样，观测的结果也会有不同。如当被摄图像对比度低于也会有不同。如当被摄图像对比度低于30%30%时，观测的分辨率值就会明显下时，观测的分辨率值就会明显下降；降； 观

42、测的分辨率值是系统的总体特性，而不能分摊到各个部件上。观测的分辨率值是系统的总体特性，而不能分摊到各个部件上。 为此，目前国际上一般均采用为此，目前国际上一般均采用调制传递函数（调制传递函数（MTFMTF）来表示分辨率。来表示分辨率。 CCD器件的性能参数器件的性能参数8 8. . 分辨率分辨率 调制传递函数调制传递函数 光栅上的一黑一白线条为一光栅上的一黑一白线条为一“线对线对”，透过对应光的亮度为一暗一亮，透过对应光的亮度为一暗一亮，构成调制信号的一个周期，每毫米长度上所包含的线对数称为构成调制信号的一个周期，每毫米长度上所包含的线对数称为空间频率空间频率。 设调制信号最大值是设调制信号最

43、大值是A Amaxmax，最小值是，最小值是A Aminmin，则，则调制度调制度定义为：定义为：minmaxminmaxAAAAM 调幅波信号通过器件传递到输出端后，通常调制度要受到损失而减小。调幅波信号通过器件传递到输出端后，通常调制度要受到损失而减小。一般说随空间频率增加，调制度的减小越来越显著。一般说随空间频率增加，调制度的减小越来越显著。 MTFMTF的定义的定义为：在各个空间频率下，图象传感器的输出信号的调制度与为：在各个空间频率下，图象传感器的输出信号的调制度与输入光信号调制度的比值：输入光信号调制度的比值：)()()(inoutMMMTF 调制传递函数是空间频率的函数。调制传递

44、函数是空间频率的函数。 MTFMTF随空间频率的增高而减小。随空间频率的增高而减小。 在给定的空间频率下，整个系统的在给定的空间频率下，整个系统的MTFMTF等于系统各部分等于系统各部分MTFMTF的乘积。即的乘积。即 MTFMTF总总=MTF=MTF1 1MTFMTF2 2MTFMTFn n CCD器件的性能参数器件的性能参数8 8. . 分辨率分辨率 调制传递函数调制传递函数 CCD器件的性能参数器件的性能参数8 8. . 分辨率分辨率 调制传递函数调制传递函数 CCD器件的性能参数器件的性能参数8 8. . 分辨率分辨率 调制传递函数调制传递函数成像系统中影响调制传递函数的各个环节成像系

45、统中影响调制传递函数的各个环节 (1) (1) 光学系统的调制传递函数光学系统的调制传递函数MTFMTFo o； (2) (2) 探测器的探测器的MTFMTFd d; ; (3) (3) 电子线路的电子线路的MTFMTFe e； (4) (4) 显示器的显示器的MTFMTFm m； (5) (5) 大气扰动的大气扰动的MTFMTFomom； (6) (6) 人眼人眼MTFMTFeyeeye； 动态范围是与信噪比相关的一个特性参数，它反映了器件的工作范围。动态范围是与信噪比相关的一个特性参数，它反映了器件的工作范围。图像传感器的动态范围是指输出饱和信号与暗场噪声信号之比值。动态范围图像传感器的动

46、态范围是指输出饱和信号与暗场噪声信号之比值。动态范围定义为：定义为：等效噪声信号光敏元满阱信号暗信号值饱和信号值动态范围dosVVDR 等效噪声信号指等效噪声信号指CCDCCD正常工作条件下，无光信号时的总噪声，等效噪声信正常工作条件下，无光信号时的总噪声，等效噪声信号可用峰峰值，也可用均方根值表示。号可用峰峰值，也可用均方根值表示。 通常通常CCDCCD摄像器件光敏元的满阱容量约摄像器件光敏元的满阱容量约 10106 610107 7电子，均方根总噪声约电子，均方根总噪声约10103 3电子数量级，故动态范围在电子数量级，故动态范围在10103 310104 4数量级。数量级。 CCD器件的

47、性能参数器件的性能参数9. 9. 动态范围动态范围型 号黑白/彩色有效像 元数像元尺寸（m）典型灵敏度（V/lxs）动态范围输出方式最高驱动频率（MHz）外形尺寸长宽（mm）生产厂商主要应用范围TCD1001P黑白12832323285500单路613.07.0TOSHIBA高速尺寸、振动测量PD3575D黑白1024141414144600单路326.69.65NEC尺寸、振动测量TCD1200D黑白2160141414451700单路241.69.65TOSHIBA尺寸测量TCD1206SUP黑白2160141414451700单路241.69.65TOSHIBA尺寸测量TCD1208P黑

48、白2160141414110750单路241.69.65TOSHIBA高灵敏度尺寸测量TCD1209D黑白2048141414312000单路2041.69.65TOSHIBA高速尺寸测量、动态分析TCD1251UD黑白2700111111353800单路441.69.65TOSHIBA光谱分析、尺寸测量TCD1304AP黑白364820088160300单路141.69.65TOSHIBA高灵敏度PD3734A黑白2660111111702000单路5449.25NEC高速尺寸测量TCD1251D黑白2700111111353800单路341.69.65TOSHIBA光谱分析、尺寸测量TCD

49、2252D彩色27008889.11600RGB三路441.69.65TOSHIBA尺寸测量TCD132D黑白1024141414121500单路241.69.65TOSHIBA尺寸测量TCD1500C黑白53407774.83000单路853.69.65TOSHIBA高精度尺寸测量TCD1501D黑白5000777133000单路1253.69.65TOSHIBA高精度尺寸测量、光谱分析TCD1702C黑白750077792000奇偶双路1066.010.0TOSHIBA尺寸测量TCD1703C黑白7500777151660奇偶双路2066.010.0TOSHIBA尺寸测量TCD2901D彩

50、色105504442.47000RGB三路552.69.65TOSHIBA高精度尺寸、彩色图像扫描PD8861彩色54005.255.255.822777RGB三路6449.25NEC高精度尺寸、彩色图像扫描 CCD器件的应用器件的应用尺寸测量尺寸测量角度、位移、速度测量角度、位移、速度测量振动测量振动测量距离测量与激光三角法距离测量与激光三角法光谱分析光谱分析光栅制作光栅制作干涉测量干涉测量密立根油滴实验密立根油滴实验自动报靶自动报靶其他应用其他应用1. 尺寸测量尺寸测量 衍射法测量微小尺寸衍射法测量微小尺寸 成像法、投影法成像法、投影法 双双CCDCCD测量法测量法 光电信号的二值化及其应

51、用光电信号的二值化及其应用1. 尺寸测量尺寸测量 衍射法测量微小尺寸衍射法测量微小尺寸 驱动器 A/D DSP 显示 CCD传感器 被测目标 光强 衰减器 激光器 图 5 用 CCD 光电测量系统测量狭缝大小的原理图及单缝衍射条纹的分布 Fig.5 Principle diagram of measuring width of slot using CCD optoelectrical system and distribution of single slot diffraction 0 级衍射条纹 (中央明条纹) +1 级 +1 级 中央明条纹 x1 X 图 6 单缝衍射的光强分布曲线 F

52、ig.6 Distribution curve of light intensity of single slot diffraction 220sinII XLD1. 尺寸测量尺寸测量 衍射法测量微小尺寸衍射法测量微小尺寸a显示显示CCD传感器传感器单片机单片机A/D驱动器驱动器激光器CCD测量杨氏弹性模量原理图1. 尺寸测量尺寸测量 投影法、成像法投影法、成像法 驱动器 A/D DSP 显示 CCD传感器 成像 系统 被测目标 图 7 利用投影(上)或成像(下)进行测量的结构 Fig.7 System structure of measuring using projection or i

53、maging 驱动器 A/D DSP 显示 CCD 传感器 被测目标 平行光源 (a)投影方式 (b)成像方式 1. 尺寸测量尺寸测量双双CCD测量法测量法 驱动器 A/D DSP 显示 驱动器 A/D CCD传感器 成像 系统 成像 系统 CCD传感器 被测目标 L1 L2 LT 荧光灯 荧光灯 图 9 在线检测平板长度的系统结构 Fig.9 System structure of measureing plates on-line L=LT-L1-L21. 尺寸测量尺寸测量光电信号的二值化及其应用光电信号的二值化及其应用 光源待测工件成像系统CCD光强分布曲线二值化以后的分布曲线二值化图1

54、 二值化在尺寸智能测量中的应用显示 从图像传感器从图像传感器( (面阵或线阵面阵或线阵) )得到的视频信号是一个模拟信号，其中每一得到的视频信号是一个模拟信号，其中每一个像元对应的信号大小都反映了该像元上光强的大小，它可以是连续变化的。个像元对应的信号大小都反映了该像元上光强的大小，它可以是连续变化的。但在文字识别、图形识别、物体尺寸、位移、速度的测量等应用中，我们关但在文字识别、图形识别、物体尺寸、位移、速度的测量等应用中，我们关心的只是对象的轮廓或边沿信息，比如在测量矩形工件尺寸时，我们只需要心的只是对象的轮廓或边沿信息，比如在测量矩形工件尺寸时，我们只需要知道两个端面所在位置就行了，这是

55、为了便于计算机对数据进行存储、处理知道两个端面所在位置就行了，这是为了便于计算机对数据进行存储、处理和辨认，人们常常将信号二值化和辨认，人们常常将信号二值化, ,二值化后的数据量很小。二值化后的数据量很小。 阈值的选取方法：固定阈值和浮动阈值阈值的选取方法：固定阈值和浮动阈值 1. 尺寸测量尺寸测量光电信号的二值化及其应用光电信号的二值化及其应用 阈值阈值 二值化处理二值化处理 2. 角度、位移、速度测量角度、位移、速度测量相关知识相关知识1 1：泰伯效应泰伯效应相关知识相关知识2 2：莫尔条纹及在测量中的应用：莫尔条纹及在测量中的应用角度测量原理与实现角度测量原理与实现位移测量原理与实现位移

56、测量原理与实现速度测量原理与实现速度测量原理与实现2. 角度、位移、速度测量角度、位移、速度测量莫尔条纹及在测量中的应用莫尔条纹及在测量中的应用莫尔条纹莫尔条纹设光栅的节距为设光栅的节距为d d，两光栅栅线夹角为，两光栅栅线夹角为 ，则条纹的间隔，则条纹的间隔( (宽度宽度) )为：为：dm 光栅位移量：光栅位移量：qnL q=d长度量化的单位长度量化的单位莫尔条纹法优点：莫尔条纹法优点：1dm光栅付的放大倍数：光栅付的放大倍数：(1) (1) 位移量的放大作用位移量的放大作用(2) (2) 误差的平均效应误差的平均效应 光栅器件接收莫尔条纹光信号是光栅视场刻线光栅器件接收莫尔条纹光信号是光栅

57、视场刻线n n的综合平均效果。的综合平均效果。 若每一刻线误差为若每一刻线误差为 0 0时，则光电器件输出的总误差：时，则光电器件输出的总误差：0n12. 角度、位移、速度测量角度、位移、速度测量莫尔条纹及在测量中的应用莫尔条纹及在测量中的应用2. 角度、位移、速度测量角度、位移、速度测量激光干涉测位移的结构和原理激光干涉测位移的结构和原理 光电接收器上光强度的变化规律：光电接收器上光强度的变化规律：2cosKIII1ovovv被测位移量：被测位移量：2nL条纹方向的检取条纹方向的检取激光干涉测位移在傅里叶变换光谱仪中的应用激光干涉测位移在傅里叶变换光谱仪中的应用tj2tj1OVsseEeEE

58、3. 振动测量振动测量光源振动物体成像系统CCD数据采集计算机图1 实验光路的布置与系统的连接A/D转换驱动CCD1输出信号VO-信号强度像元位置nCCD1输出信号VO-信号强度像元位置n二值化阈值Vthn1n2图2 CCD输出信号及二值化结果n0中间位置阈值Vth系统结构系统结构测量方法测量方法2nnn210振动周期振动周期 振动振幅振动振幅 振动频率振动频率 122xxT221yyATf13. 振动测量振动测量图3 振动曲线4. 距离测量与激光三角法距离测量与激光三角法CCD器件器件 激光三角法激光三角法由于其具有非接触、不易损伤表面、材料适应性广、结构简由于其具有非接触、不易损伤表面、材料适应性广、结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小、测量准确度高、可用于实时在线快速单、测量距离大、抗干扰、测量点小、测量准确