CCD成像原理及应用.pptx

1、组员：段秀林 仰成鹏 李廖源 朱子煜,CCD,目录,PART1：CCD的介绍 PART2：CCD的组成 PART3：CCD的发展 PART4：CCD的成像原理 PART5：CCD与CMOS的比较 PART6：扫描仪分类 PART7：CIS扫描仪 PART8：CCD扫描仪,目录,PART1：CCD的介绍 PART2：CCD的组成 PART3：CCD的发展 PART4：CCD的成像原理 PART5：CCD与CMOS的比较 PART6：扫描仪分类 PART7：CIS扫描仪 PART8：CCD扫描仪,什么是CCD,电荷耦合器 将光学影像转换为数字信号 由大量按矩阵排列的光敏元件组成 CCD的分辨率即像

2、素,图1.CCD及光敏元件放大示意图,CCD的功能特性,将光学信号转换为数字信号，便于图像的处理、存储及传输 体积小，重量轻，功耗小，性能稳定，寿命长 灵敏度高，噪声小，像素集成度高 应用超大规模集成电路工艺,目录,PART1：CCD的介绍 PART2：CCD的组成 PART3：CCD的发展 PART4：CCD的成像原理 PART5：CCD与CMOS的比较 PART6：扫描仪分类 PART7：CIS扫描仪 PART8：CCD扫描仪,CCD的组成,微型镜片 分色滤色片 感光层,图2.CCD组成结构图,微型镜片,扩展单个像素的受光面积 相当于在感光层前面加一幅眼镜 感光面积由微型镜片的表面积决定,

3、图3.CCD微型镜片层示意图,分色滤色片,RGB原色分色法 CMYG补色分色法,图4.分色滤色片工作原理图,RGB原色分色法,画质锐利 色彩真实 噪声大,图5.RGB原色分色法工作原理图,CMYG补色分色法,可以容忍较高的ISO值 对色彩的分辨更加细致,图6.CMYG补色分色法工作原理图,感光层,将穿过分色滤色片的光源转换成电子信号 将信号收集放大并完成模数转换后传送到影像处理芯片,图7.CCD感光层示意图,目录,PART1：CCD的介绍 PART2：CCD的组成 PART3：CCD的发展 PART4：CCD的成像原理 PART5：CCD与CMOS的比较 PART6：扫描仪分类 PART7：C

4、IS扫描仪 PART8：CCD扫描仪,Super CCD,由富士公司推出 采用八边形的二极管，有效感光面积更大 像素以蜂窝状排列，更紧凑，对光线的利用率更高 改变像素间的排列关系，使RGB像素相当，三个一组合成一个像素，生成的像素更多,图8.SuperCCD与普通CCD比较图,多层感色CCD技术,由Foveon公司发布 依光线的吸收波长逐层感色 一个像素可以感应三种颜色 提高了影像的品质与色彩表现,图9.多层感色CCD技术工作原理图,四色CCD技术,由SONY公司分布 加入了浅绿色 人眼对绿色更为敏感 能更真实地还原绿色，加强了对自然风景的解色能力,图10.三色CCD技术与四色CCD技术比较图

5、,目录,PART1：CCD的介绍 PART2：CCD的组成 PART3：CCD的发展 PART4：CCD的成像原理 PART5：CCD与CMOS的比较 PART6：扫描仪分类 PART7：CIS扫描仪 PART8：CCD扫描仪,CCD成像原理,存储,后期处理,放大 A/D转换,产生电荷,收集电荷,光线射入,图11.CCD成像原理图,目录,PART1：CCD的介绍 PART2：CCD的组成 PART3：CCD的发展 PART4：CCD的成像原理 PART5：CCD与CMOS的比较 PART6：扫描仪分类 PART7：CIS扫描仪 PART8：CCD扫描仪,数据传送方式不同,CCD先整合再放大 C

6、MOS先放大再整合 CMOS每个像素都会邻接一个放大器和一个A/D转换电路,图12.CCD与CMOS结构比较图,造成差异的原因,CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会产生失真，像素可先汇聚到边缘再进行放大处理 CMOS工艺使得数据在传送距离较长时会产生噪声，必须先放大再整合各个像素产生的数据,CCD和CMOS的差异,灵敏度差异 成本差异 分辨率差异 噪声差异 功耗差异,灵敏度差异,CMOS中每个像素都包含放大器和A/D转换电路 CMOS中每个像素感光区域的面积远小于像素的表面积 在像素尺寸相同时，CMOS灵敏度更低,成本差异,CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中一个像素不能工作，整排的数

7、据都不能传送，成品率低 CMOS采用CMOS工艺，可轻易将外围电路集成到传感器芯片中，可节省外围芯片的成本 CMOS成本更低,分辨率差异,CMOS像素更复杂，尺寸更大 相同尺寸的CCD和CMOS传感器，CCD分辨率更高,噪声差异,CMOS中每个感光二极管都需配备一个放大器，放大器属模拟电路，很难保证每个放大器得到的结果一致 CCD只在芯片边缘有一个放大器 CMOS噪声多，图像品质差,功耗差异,CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管产生的电荷直接放大输出 CCD传感器的图像采集方式为被动式，需外加12-18V电压让每个像素产生的电荷定向移动 CCD功耗更高,目录,PART1：CCD的介

8、绍 PART2：CCD的组成 PART3：CCD的发展 PART4：CCD的成像原理 PART5：CCD与CMOS的比较 PART6：扫描仪分类 PART7：CIS扫描仪 PART8：CCD扫描仪,Page 29,分类,按照图象传感器分： （1）CIS扫描仪 CIS扫描仪主要使用LIDE(二极管间接曝光)技术。 特点：没有复杂的反射镜组结构，使扫描原稿的反射光直接穿过透 镜到达线性传感器。LIDE技术最重要的设计理念就是化繁 为简，避免多次折射、反射带 来的各种像差和色差。 应用：传真机、扫描仪。 （2）CCD扫描仪 CCD（电荷耦合器件）技术 特点：结构复杂，扫描原稿后反射，经过一组反射镜后

9、进入 光学 透镜聚焦，再经过红绿蓝三色滤色镜到达CCD上，CCD将光图象 转变为模拟电子信号，此信号又被A/D变换器转变为数字电子信 号。 应用：数码相机、扫描仪、摄像机中广泛。,目录,PART1：CCD的介绍 PART2：CCD的组成 PART3：CCD的发展 PART4：CCD的成像原理 PART5：CCD与CMOS的比较 PART6：扫描仪分类 PART7：CIS扫描仪 PART8：CCD扫描仪,Page 31,CIS扫描仪,CIS扫描仪结构如下：,目录,PART1：CCD的介绍 PART2：CCD的组成 PART3：CCD的发展 PART4：CCD的成像原理 PART5：CCD与CMO

10、S的比较 PART6：扫描仪分类 PART7：CIS扫描仪 PART8：CCD扫描仪,Page 33,CCD扫描仪,CCD扫描仪结构如下：,工作流程如下图,扫描仪通电和接收来自主机的信号后，原位传感器处于原位原位判断状态。在扫描单元向前和扫描文件这二个过程中，马达（M1）正转，扫描灯亮，并在扫描文件过程中，将数据传输回电脑。当完成扫描后，M1反转，扫描单元退回原位，再次处于等待状态。,Page 34,工作时序如下表：,白平衡的获取：首先，原位传感器确定扫描仪原始位置，扫描单元读取黑色部分。LED灯亮。当扫描单元读到黑/白色交界处时停止读取，驱动马达会计算出原位到黑/白交界处的步数。此时扫描仪等

11、待计算机信号的到来。 如下图：,工作原理： 照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙，形成沿x方向的光带，又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜；进入分光镜，经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带分别照到各自的CCD上；CCD将RGB光带转变为模拟电子信号，此信号又被A/D变换器转变为数字电子信号；反映原稿图像的光信号转变为计算机能够接受的二进制数字电子信号，最后通过串行或者并行等接口送至计算机。,以实际的扫描过程为例：扫描仪扫描图像的步骤是:首先将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上，原稿可以是文字稿件或者图纸照片；然后启动扫描仪驱动程序后，安装在扫描仪内部的可移动光源开始扫描原稿。为了均匀照亮稿件，扫描仪光源为长条形，并沿y方向扫过整个原稿；照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙，形成沿x方向的光带，又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜，经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带分别照到各自的CCD上，CCD将RGB光带转变为模拟电子信号，此信号又被A/D变换器转变为数字电子信号。至此，反映原稿图像的光信号转变为计算机能够接受的二进制数字电子信号，最后通过串行或者并行等接口送至计算机。扫描仪