相机原理介绍.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,LUSTER LightVision,蔡锐,一、,CCD,基本原理,二、,CCD,成像器件,三、,CCD,成像器件的特性参数,四、成像系统中的常用技术,一、,CCD,的基本原理,二、,CCD,成像器件,三、,CCD,成像器件的特性参数,四、成像系统中的新技术,CCD,基本原理与成像系统中的新技术,一、,CCD,基本原理,CCD,的突出特点是以电荷作为信号，而其他大多数器件是以电流或者电压为信号。,CCD,的基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测,1,、,CCD,的单元结构,CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS结构。,CCD,单元与线阵列结构的示意图,a)CCD,单元,b)CCD,线阵列,2,、,光电荷的产生,式中：,为材料的量子效率；,q,为电子电荷量；,n,eo,为入射光的光子流速率：,A,为光敏单元的受光面积；,T,C,为光注人时间。,3,、,电荷包的储存,因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。但是，当有电荷包注入时，势阱深度将随之变浅，因为它始终要保持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。每个极板下的势阱中所能储存的最大信息电荷量Q为,QC,ox,U,G,4,、,电荷包的转移,CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的,。,4,、,电荷包的转移,4,、,电荷包的转移,当完成对光敏元阵列的扫描后，,CCD,将光电荷从光敏区域转移至屏蔽存储区域。而后，光电荷被按顺序转移至读出寄存器。,二、,CCD,成像器件,通常实用,CCD,成像器件都是在一块硅片上同时制作出光电二极管阵列和,CCD移位寄存器两部分。光电二极管阵列专门用来完成光电变换和光积分，CCD移位寄存器专门用来完成光生电荷转移。,根据光敏像素的排列方式，,CCD,成像器件分为线阵列和面阵列两大类。,1,、线阵列,CCD,成像器件,单沟道线型,CCD,双沟道线阵,CCD,转移次数多、效率低、调制传递函数,MTF,较差，只适用于像敏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，故一般高于,256,位的线阵,CCD,都为双沟道的。,1,、线阵列,CCD,成像器件,TDI CCD,TDI,（,Time Delay and Integration,）,是一种扫描方式，是基于对同一物体的多次曝光累加的概念发展而来的。,TDI CCD,比常规扫描方式具有更高的灵敏度和信噪比。,2,、面阵,CCD,按一定的方式将一维线型,CCD,的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵,CCD,。,根据转移方式不同，面阵,CCD,通,常有帧转移、全帧转移、行间转移等转移方式。,帧转移面阵,CCD,帧转移面阵,CCD,的特点是结构简单，光敏单元的尺寸较小，模传递函数,MTF,较高，但光敏面积占总面积的比例小。转移速度较快。,帧转移面阵,CCD,全帧转移,CCD,利用,CCD,进行光电转换，同时将光电荷转移至水平移位寄存器内的,CCD,光敏面积占总面积的比例很大。但需要外接,shutter,，,以克服,smear,现象。,全帧转移,CCD,行间转移型,CCD,它的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转移控制栅。每一像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器单元。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。,行间转移型,CCD,三、,CCD,成像器件的特性参数,1,、,转移效率与损耗率,2,、暗电流,3,、光谱响应,4,、动态范围,5,、,灵敏度,1.,转移效率,与损耗率,电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，不是立即的和全部的，而是有一个过程。为了描述电荷包转移的不完全性，引入转移效率的概念。在一定的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为,Q,0,，,转移到下一个势阱时电荷包的电量为,Q,1,，,则转移效率,定义为,=Q,1,/Q,0,表示残留于原势阱中的电量与原电量之比，故,=1-,2.,暗电流,暗电流是大多数成像器件所共有的特性，是判断一个摄像器件好坏的重要标准。,产生暗电流的主要原因是：,1.,耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁,2.,少数载流子在中性体内的扩散,3.,Si-SiO,2,界面引起的暗电流,3.,光谱响应,CCD,的光谱响应是指,CCD,对于不同波长光线的响应能力。现在固件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为,0.4,1.15m,左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，峰值波长为,0.65,0.9m,左右。,4.,动态范围,CCD,图像传感器的动态范围由满阱容量和噪声之比决定，它反映了器件的工作范围。,满阱容量（,Full-well capacity,）,CCD,的满阱容量是指单个,CCD,势阱中可容纳的最大信号电荷量。它取决于,CCD,的电极面积、器件结构、时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素,在,CCD,中有以下几种噪声源：,1,）,由于电荷注入器件时由电荷量的起伏引起的噪声；,2,）,电荷转移过程中，电荷量的变化引起的噪声；,3,）检测电荷时，对检测二极管进行复位时所产生的检测噪声等。,动态范围的数值可以用输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比表示，单位为,dB,。,5.,灵敏度,1,、表示光电器件的光电转换能力。对于给定芯片尺寸的,CCD,来说，其灵敏度可用单位光功率所产生的信号电流表示，单位可以为纳安,/,勒克斯,nA/Lux,、伏,/,瓦（,V/W,）、伏,/,勒克斯,(V/Lux),、伏,/,流明,(V/lm),。,2,、器件所能传感的最低辐射功率（或照度），与探测率的意义相同。单位可用瓦（,W,）或勒克斯（,Lux,）,表示。,四、成像系统中的常用技术,1,、,非均匀性校正技术,2,、数字变焦技术,3,、白平衡技术,4,、,B,inning,技术,5,、抗光晕技术,6,、多模式输出,1.,非均匀性校正技术,在,CMOS,成像器件中，各像敏单元的偏置电压是不均匀的，可以在芯片中设置非均匀性校正电路进行校正。,2.,数字变焦技术,3.,白平衡技术,物体颜色会因投射光线颜色产生改变，在不同光线的场合下拍摄出的照片会有不同的色温。一般来说，ccd没有办法像人眼一样会自动修正光线的改变。所以通过白平衡的修正，它会按目前画像中图像特质，立即调整整个图像红绿蓝三色的强度，以修正外部光线所造成的误差,。,4,.,Binning,技术,Binning,技术是一种将几个相邻像素合并成一个像素的技术。,2*2 binning,4,.,Binning,技术,它的优点是：,将相机的信噪比提高；,将摄像的帧频提高至原来的,MN,倍；,缺点：,相机的分辨率降低了；,多像素合并的信号增大很多，便要求移位寄存器具有更高的暂存能力。,5,.,抗光晕（,Anti-Blooming,）,技术,5,.,抗光晕（,Anti-Blooming,）,技术,缩短曝光时间,时钟抗晕,溢出沟道,溢出门,5,.,抗光晕（,Anti-Blooming,）,技术,6,.,多模式输出特性,现代,CCD,相机，特别是,CMOS,相机，具有多种输出模式，以适应不同的使用要求。,线性模式,双斜率模式,对数模式,校正模式,式中,v,是输出信号电压，,E,是输入光强，,K,是常数，而,是校正因子。,谢谢!,