光电成像系统课件

1、1 本章内容 电荷耦合摄像器件(CCD器件) CCD器件的性能参数 CCD器件的应用 第5章 光电成像系统 电荷耦合摄像器件(CCD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构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器 电荷耦合器件（CCD）与其他器件相比，最突出的特点是以电荷为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和转移，CCD的工作过程就是电荷的产生、存储、传输和检测的过程。演示1. 电荷耦合器件的基本原理(1) 电荷产生 光辐射1. 电

2、荷耦合器件的基本原理 构成CCD的基本单元是MOS电容器，MOS电容器能够存储电荷。 表面势 耗尽层 开启电压 深度耗尽状态(2) 电荷存储 表面势 势阱1. 电荷耦合器件的基本原理(2) 电荷存储 势阱的功能：存储信号电荷 暗电流 电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。演示1. 电荷耦合器件的基本原理(2) 电荷存储 典型的三相CCD结构,三相CCD是由每三个栅为一组的间隔紧密的MOS结构组成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲；(3) 电荷转移 完成电荷转移的CCD主要有两类结构形式：三相CCD结构和两相CCD结构三相时钟脉冲的波形1. 电荷耦合

3、器件的基本原理 在t1时刻，1高电位， 2 、3低电位。此时1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）注入则电荷就被存储在1电极下的势阱中。(3) 电荷转移 在t2时刻 在t3时刻 在t4时刻三相CCD结构及电荷转移演示1. 电荷耦合器件的基本原理 图示为“阶梯氧化层”两相结构。每一相电极下的绝缘层为阶梯状，由此形成的势阱也为阶梯状。(3) 电荷转移 两相CCD结构及电荷转移两相时钟波形电荷包的转移过程 在t1时刻 在t2时刻 在t3时刻表面沟道器件，SCCD(Surface Channel CCD)体内沟道器件，BCCD(Bulk or Buried Channel CCD

4、)1. 电荷耦合器件的基本原理 电荷输出结构有多种形式，如“电流输出”结构、“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构应用最广泛。 “浮置扩散输出”原理结构: 输出结构包括输出栅OG、浮置扩散区FD、复位栅R、复位漏RD以及输出场效应管T等。 所谓“浮置扩散”是指在p型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的n区域，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”。(4) 电荷检测 1. 电荷耦合器件的基本原理t1时刻t2时刻t3时刻t4时刻t5时刻电荷包输出过程：FD区电位变化量：1. 电荷耦合器件的基本原理(4) 电荷检测 2. 电荷耦合摄像器件的工作原理 将C

5、CD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CCD摄像器件的出现。 电荷耦合器件有多种分类方法： 按结构分线阵CCD和面阵CCD； 按光谱分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD。 可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD(1) 线阵CCD 线阵CCD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。 单沟道传输用于低位数CCD传感器。它的光敏单元与CCD移位寄存器SR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

6、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CCD移位寄存器SR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)单沟道传输结构演示2. 电荷耦合摄像器件的工作原理 线阵CCD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。 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，改善图像传感器性能。(b

7、)双沟道传输结构(1) 线阵CCD2. 电荷耦合摄像器件的工作原理(1) 线阵CCD2. 电荷耦合摄像器件的工作原理 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) 面阵CCD 行间转移结构采用光敏区与转移区相间排列方式，相当于将若干个单沟道传输的线阵CCD图像传感器按垂直方向并排，再在垂直阵列的尽头设置一条水平CCD，水平CCD的每一位与垂直列CCD一一对应、相互衔接。在器件工作时，每当

8、水平CCD驱动一行信息读完，就进入行消隐，在行消隐期间，垂直CCD向上传输一次，即向水平CCD转移一行信号电荷，然后，水平CCD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，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自对应的垂直CCD中。然后，又开始新一场信号的逐行读出。 常见的面阵CCD摄像器件有两种：行间转移结构与帧转移结构。演示2. 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、存储区、水平读出区。这三部分都是CCD结构，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CCD的列数及位数均相同，而且每一列是相互衔接的。不同之处

9、是光敏区面积略大于存储区，当光积分时间到后时钟A与B均以同一速度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分；时钟A停止驱动，一相停在高电平，另一相停在低电平。同时，转移到存储区的光信号逐行向水平CCD转移，再由水平CCD快速读出。光信号由存储区到水平CCD的转移过程与行间转移面阵CCD相同。演示(2) 面阵CCD2. 电荷耦合摄像器件的工作原理(3) 彩色CCD 为了形成彩色信号，彩色CCD摄像机目前主要有三片式和单片式两种； 薄膜分色原理 只要选择合适的d、n1、n0等参量使得入射光I1和反射光I2在某些波长同相位，这些光被相加输出；另一些波长光相位相反，这些光

10、被抵消无输出。 2. 电荷耦合摄像器件的工作原理 为了形成彩色信号，彩色CCD摄像机目前主要有三片式和单片式两种； 三片式CCD是传统的摄像方式，该方式用分色棱镜将入射光分成红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色。然后由配置在后面的CCD器件转换为电信号。三片式CCD成像质量好，主要用于电视台等高质量的摄像机。 演示(3) 彩色CCD2. 电荷耦合摄像器件的工作原理三片式CCD 单片式CCD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。 单片式彩色CCD的关键是滤色器阵列。图示是两种常用的滤色器形式， 拜尔(Bayer)方式滤色器中，从色单元的数量看绿色信号占了一半

11、，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CCD器件和隔行读出的其他器件中，由于奇数场只能取出R、G信号，而偶数场只能取出G、B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。(3) 彩色CCD2. 电荷耦合摄像器件的工作原理 转移效率是指电荷包在进行每一次转移中的效率，即电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有部分的电荷转移过去，余下部分没有被转移，称转移损失率。根据电荷守恒原理：1. 转移效率和转移损失率 一个电荷量为Q0的电荷包，经过n

12、次转移后的输出电荷量为： 即总效率为： 由于CCD中的信号电荷包大都要经历成百上千次的转移，即使值几乎接近l但其总效率往往很低，如二相1024位器件，当=0.999时，总效率不到0.13，所以，一定的值，限定了器件的最长位数。 在达到同样高的总效率下，埋沟CCD可以研制的位数比表面沟道大得多。 CCD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t必须小于少数载流子的平均寿命i，对三相CCD，2. 驱动频率和积分时间 CCD器件的性能参数驱动频率指加在CCD移位寄存器转移栅上的驱动脉冲的频率；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T应大于电荷从一个电极转移到另一个电

13、极的固有时间g，即 CCD器件的性能参数g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。驱动频率上限P沟道CCD三相多晶硅N沟道CCD2. 驱动频率和积分时间 CCD器件的性能参数积分时间2. 驱动频率和积分时间非均匀性定义: 任何光电转换阵列，如CCD、IRFPA、CMOS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非均匀性（Nonuniformity，NU）。 3. 不均匀度(非均匀性) 造成这种不均匀的原因很多：

14、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。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定等。 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，也将造成输出的不均匀性。 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 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。式中，Von为第n个光敏元原始响应的等效电压， 为平均原始响应等效电压，

15、N为线列CCD的总位数。其中 由于转移损失的存在，CCD的输出信号Vn与它所对应的光敏元的原始响应Von并不相等。根据总损失公式，在测得Vn后，可求出Von CCD器件的性能参数3. 不均匀度(非均匀性) 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。 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。 CCD器件的性能参数3. 不均匀度(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。 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，再加上一个常数因子，得到

16、的数值就是校正后的数值。它的公式可以表示为：Y=k*y+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： (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平均值。 分别用y1和y2表示这两组信号大小。 (2) 计算k=（y2-y1）/（x2-x1），b=y1-k*x1。 (3) 计算校正系数； (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3. 不均匀度(非均匀性) CCD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

17、号，即暗电流。暗电流的根本起因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，CCD中暗电流密度的分布是不均匀的。所以，我们通常以平均暗电流密度来表征暗电流大小。 暗电流的危害有两个方面： (1) 限制器件的低频限 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CCD驱动频率的低频限。 (2）引起固定图像噪声 由于CCD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，在各光敏元中积分

18、，形成一个暗信号图像，叠加到光信号图像上，引起固定图像噪声，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“亮条”或“亮点”。 CCD器件的性能参数 4. 暗电流 CCD的光电转换特性 灵敏度 曝光量/(Lx,Sec) 输出信号/V 特性曲线的线性段可表示为： 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 5. 光电转换特性及灵敏度（响应度） CCD的光谱响应是指等能量相对光谱

19、响应，最大响应值归一化为100所对应的波长，称峰值波长max，通常将10（或更低）的响应点所对应的波长称截止波长。有长波端的截止波长与短波端的截止波长，两种截止波长之间所包括的波长范围称光谱响应范围。TCD1206SUP光谱响应特性曲线 CCD器件的性能参数 6. 光谱响应 CCD的噪声可归纳为三类：散粒噪声、转移噪声和热噪声。 (1) 散粒噪声 在CCD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。这种噪声常被称为散粒噪声，它与频率无关，是一种白噪声。 (2) 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

20、有积累性和相关性。积累性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；相关性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Q电荷转移到下一个势阱时，必然在原来势阱中留下一减量Q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转移噪声相关， (3) 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OK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。 以上3种噪声源独立无关，所以CCD的总噪声功率是它们的均方和。 CCD器件的性能参数 7. 噪声 分辨率是摄像器件最重

21、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。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，分辨率这一参数的正确与否尤其重要。 CCD器件的性能参数8. 分辨率 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。其原因是因为： 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，观测的结果也会有不同。如当被摄图像对比度低于30%时，观测

22、的分辨率值就会明显下降； 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调制传递函数（MTF）来表示分辨率。 CCD器件的性能参数8. 分辨率 调制传递函数 光栅上的一黑一白线条为一“线对”，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空间频率。 设调制信号最大值是Amax，最小值是Amin，则调制度定义为： 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。 MTF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输入光信号调制度的比值： 调制传递函数

23、是空间频率的函数。 MTF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MTF等于系统各部分MTF的乘积。即 MTF总=MTF1MTF2MTFn CCD器件的性能参数8. 分辨率 调制传递函数 CCD器件的性能参数8. 分辨率 调制传递函数 CCD器件的性能参数8. 分辨率 调制传递函数成像系统中影响调制传递函数的各个环节 (1) 光学系统的调制传递函数MTFo； (2) 探测器的MTFd; (3) 电子线路的MTFe； (4) 显示器的MTFm； (5) 大气扰动的MTFom； (6) 人眼MTFeye； 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

24、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： 等效噪声信号指CCD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。 通常CCD摄像器件光敏元的满阱容量约 106107电子，均方根总噪声约103电子数量级，故动态范围在103104数量级。 CCD器件的性能参数9. 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102414141

25、4144600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3

26、64820088160300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TCD2252D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

27、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器件的应用尺寸测量角度、位移、速度测量振动测量距离测量与激光三角法光谱分析光栅制作干涉测量密立根油滴实验自动报靶其

28、他应用1. 尺寸测量 衍射法测量微小尺寸 成像法、投影法 双CCD测量法 光电信号的二值化及其应用1. 尺寸测量 衍射法测量微小尺寸1. 尺寸测量 衍射法测量微小尺寸a显示CCD传感器单片机A/D驱动器激光器CCD测量杨氏弹性模量原理图1. 尺寸测量 投影法、成像法1. 尺寸测量双CCD测量法L=LT-L1-L21. 尺寸测量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 二值化在尺寸智能测量中的应用显示 从图像传感器(面阵或线阵)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。但在文字识

29、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,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 1. 尺寸测量光电信号的二值化及其应用 阈值 二值化处理 2. 角度、位移、速度测量相关知识1：泰伯效应相关知识2：莫尔条纹及在测量中的应用角度测量原理与实现位移测量原理与实现速度测量原理与实现2. 角度、位移、速度测量莫尔条纹及在测量中的应用莫尔条纹设光栅的节距为d，两光栅栅线夹角为，则条纹的间隔(宽度)为：光栅位移量

30、：q=d长度量化的单位莫尔条纹法优点：光栅付的放大倍数：(1) 位移量的放大作用(2) 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n的综合平均效果。 若每一刻线误差为0时，则光电器件输出的总误差：2. 角度、位移、速度测量莫尔条纹及在测量中的应用2. 角度、位移、速度测量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：被测位移量：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3. 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系统结构测量方法振动周期 振动振幅 振动频率 3. 振动测量图3 振动曲线4. 距离测量与激光三角法CCD器件 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测量等特点, 在几何量测量领域中得到广泛的应用。58激光三角法的应