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1、Part. 2CCD相机知识简介,北京微视凌志技术支持部培训2008.4,实物,图像,?,图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上,一、成像原理,如何准确地描述一幅图像,一、成像原理,感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。,一、成像原理,实物,图像,数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,光源,显示设备,A/D转换,光电转换设备,放大设备,一、成像原理,实物,图像,数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,光源,显示设备,A/D转换,CCD sensor,后端电路,一、成像原理,实物,图像,光子,模拟量（电压）,电荷,日光,监视器,CCD sensor,相
2、机后端电路,模拟相机 + 监视器,一、成像原理,实物,图像,数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,光源,PC,模拟采集卡,CCD sensor,相机后端电路,模拟相机 + 模拟采集卡,一、成像原理,实物,图像,数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,光源,A/D转换,CCD sensor,相机后端电路,PC,数字采集卡,数字相机 + 数字采集卡,一、成像原理,由于光电转换设备和放大设备都是针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。我们常用的是 CCD 和 CMOS,二、CCD 和 CMOS 的比较,CCD ( Charge Coupled Device )电荷藕合器件图像传感
3、器CCD，它集成在高感光度的半导体单晶材料上，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor )互补金属氧化物半导体，它集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。,CCD sensor,放大,A/D,光子,电子,电压,数字信号,CMOS 芯片可以在像素上同时完成这两个步骤,CCD与CMOS的光电转换示意图：,由上面两图可看出：CMO
4、S和CCD最大的区别是 CMOS的 电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的,二、CCD 和 CMOS 的比较,由于上面所说的结构，CCD的电路更改更方便。而由于CMOS的过分集成，电路更改不方便，但可靠性高。CMOS功耗小。CMOS噪声大。 CCD信噪比的典型值一般为4555dB。 CMOS传感器有固定比CCD传感器高10倍的噪音。CMOS速度快。由结构决定。成本CMOS便宜一些。,二、CCD 和 CMOS 的比较,CMOS灵敏度差。 CMOS传感器对光线的灵敏度不好，感光度通常比CCD传感器低10倍。人眼能看到1Lux照度（满月的夜晚）以下的目标，CCD传感器通常能看到比人眼略好，大约能看到
5、在0.13Lux照度以下的目标，是CMOS传感器感光度的3到10倍。CMOS传感器的感光度一般在6到15Lux的范围内。,二、CCD 和 CMOS 的比较,二、CCD 和 CMOS 的比较,因为CMOS传感器在10Lux以下基本没用，因此大量工业及广播级摄像机都使用CCD传感器，CMOS传感器一般用于低端产品。在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也不太好。 由于自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。 CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速摄像头则会采用CMOS芯
6、片。,三、CCD 的工作过程,典型的CCD结构图,三、CCD 的工作过程,1. 有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转化为相应数量的电荷。,三、CCD 的工作过程,2. 这些电荷可以被储存起来。,三、CCD 的工作过程,3. 电荷可以被有秩序地转移出感光区域。,三、CCD 的工作过程,3. 电荷可以被有秩序地转移出感光区域。,CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器。这一装置能够完成光电转换。在P型单晶硅的衬底上做一层绝缘氧化膜，通过活化置换技术再在氧化膜表面做出许多排列整齐的可透光的电极，当光线通过时，氧化膜与P型单晶硅之间产生电荷，其电荷的数量与光照强度及照射
7、时间成正比。,1. 光-电转换,若在电极上施加一个适当的正电压，会形成电荷耗尽区，即能够吸引电子的势阱。电极上所加的电压越高，势阱越深，电荷留在阱内量越多。只要电压存在，电子就能储存在势阱里。当景物的光照射到CCD时，具有光敏特性的P型硅在光量子的激发下产生电子-空穴对，空穴移向衬底而消失，电子进入势阱并存储在那里。由于绝缘氧化物层使得电子不能穿过而到达电极，因此存贮在势阱里的电子形成了电荷包，其电荷量的多少与光照强度成正比，于是所有电极下的电荷包就组成了与景物相对应的电荷像。,2. 电荷储存,这一过程存在着以下问题：当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出，溢出的电荷会跑到相邻的像素势阱
8、里去。这样电荷的电量就不能如实反映原物。要避免这种情况发生的方法：A 把桶做大些； B 减少测量时间；C 把装满水的桶倒出一些；D 做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其它桶里。,对应的方法：A 增大单位像素尺寸；B 缩短曝光时间；缺点：对于暗的部分曝光不足C 间歇开关时钟电压；缺点：会降低速度D 溢出沟道和溢出门；缺点：制作复杂，且还有缺陷 所以，增大像素尺寸是最完善的做法。,当一个CCD芯片感光完毕后。每个像素所转换的电荷包，就按照一行的方向转移出CCD感光区域。为下一次感光释放空间。,3. 电荷转移,在同一个像素区域，应该有电荷储存空间和用来转移的空间。这样才能顺利完成转移。,势阱
9、的深浅由电极上所加电压的大小决定。电荷在势阱内可以流动，它总是从相邻浅阱里流进深阱中，这种电荷流动称为电荷转移。若有规律改变电极电压，则势阱的深度就会随之变化，势阱内电荷就可以按人为确定的方向转移，直到最终由输出端输出。,电荷转移分单相驱动、双相驱动、三相驱动及四相驱动等多种方式，除了电极构造及所加电压波形不同以外，其转移原理是一样的。四相驱动方式的驱动电路比较复杂，但相邻势阱的深度差较大，电荷的存贮量也大，容易实现隔行扫描，在专业级摄像机中应用较为广泛。四相驱动方式即将绝缘层上的电极按列的方式每四个分为一组，形成一个象素单元，每组电极分别加上不同的偏置电压，则在电极下绝缘膜与P型硅之间就产生
10、不同深度的势阱，如果有规律地改变电极上的电压值，使势阱产生变化，就可以使电子定向移动，这也就是CCD的扫描读出原理。,CCD根据转移电极结构及转移方式的不同又可以分成：帧转移(FT)方式行间转移(IT)方式帧行间转移 (FIT)方式,四、CCD的四种类型,Interline TransferFull FrameFrame Transfer Line 线阵,CCD曝光后所产生的电荷都被转移到附近的移位寄存器，通过垂直传送向下转移到底部，按一定排序输出，它的优点在于曝光后即可将电荷储存在寄存器，继续拍照速度较快，感光和传输不在同一列，从而避免了两者之间的冲突。,1. Interline trans
11、fer,隔行传输的缺点是，寄存器占用了感光面的面积， 相应地牺牲了动态范围。芯片并不是所有面积都在感光，这样，对于定位测量要求比较高的应用会有影响。这种CCD成本较低。,1. Interline transfer,1. Interline transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Interline Transfer,1. Interline transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Interline Transfer,1.
12、Interline transfer,Interline Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Interline transfer,Interline Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Interline transfer,Interline Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Interline trans
13、fer,Interline Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Interline transfer,Interline Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Interline transfer,Interline Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Interline transfer,Interline T
14、ransfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Interline transfer,Interline Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Interline transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Interline Transfer,1. Interline transfer,Serial Register,Preamplifi
15、er,Output Node,Active Array,Interline Transfer,1. Interline transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Interline Transfer,1. Interline transfer,Interline Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Interline transfer,Interline Transfer,Serial Register,Preamp
16、lifier,Output Node,Active Array,2. Full frame,阵列的每一个像素都感光。传输时，每一列向单行串行寄存器上相对应的位置转移。同时，串行寄存器向阵列的出口转移。 是一种架构更简单的感光设计。鉴于Interline的缺点，Full Frame可以利用整个感光区域(没有寄存区的设计)，有效的增大感光面积，同时也适应长时间曝光。,感光和电荷输出过程是分开的。因此Full Frame的相机在传送电荷时必须使用机械快门(无法使用电子快门)，同时也限制了Full Frame CCD连续拍照的能力。,2. Full frame,2. Full frame,Serial
17、 Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Full Frame,2. Full frame,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,2. Full frame,Full Frame,Serial Register,Output Node,Active Array,2. Full frame,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,ADC,2. Full frame
18、,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,2. Full frame,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,ADC,2. Full frame,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,2. Full frame,Full Frame,ADC,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Ac
19、tive Array,2. Full frame,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,2. Full frame,Full Frame,ADC,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,2. Full frame,Full Frame,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,3. Frame transfer,Full transfer的架构介于Interline和Fu
20、ll Frame之间，它分成上下两个部分，上半部是感光区，下半部是暂存区。整体来说Frame Transfer 非常类似Full Frame，它的特点在于直接规划一个大型寄存区。一旦CCD工作，它可以迅速将电荷转移到下方的寄存区中，本身可以继续曝光。这种设计让Full Transfer同Interline一样可使用电子快门，同时也增加了感光面积和速度，兼顾动、静态的拍摄能力。,3. Frame transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Frame Transfer,3. Frame transfer,Frame
21、 Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,3. Frame transfer,Frame Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,3. Frame transfer,Frame Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,3. Frame transfer,Frame Transfer,Serial Register,Preamplifier,
22、Output Node,Active Array,3. Frame transfer,Frame Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,3. Frame transfer,Frame Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,3. Frame transfer,Frame Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,3. Frame trans
23、fer,Frame Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,3. Frame transfer,Frame Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,3. Frame transfer,Frame Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,3. Frame transfer,Frame Transfer,Serial Register,Prea
24、mplifier,Output Node,Active Array,3. Frame transfer,Frame Transfer,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Full Frame,Interline Transfer,Frame Transfer,High Spatial ResolutionLarge Number of PixelsGreater Selection ofCCD Formats100% Fill Factor for Entire Array,Integrate while Clocking
25、High-Speed Operation (Video)Lens-on-Chip Technology,Integrate while ClockingHigh-Speed OperationWell Suited for Complex Readout Schemes100% Fill Factor in Active Array,4. Line 线阵,Line 线阵CCD是以一维感光点构成，利用目标物与相机之间的相对运动来扫描图像。由于照片是一行行组成，所以速度比使用 2维CCD（面阵）的相机慢。,上面所述都是按照单行单列的模式进行电荷传输的。在实际应用中如果单行的像素太多，会影响传输速度
26、。这时可以使用多通道传输。,五、CCD的数据输出形式,1. 单输出 (Single Tap),通常是在低分辨率或低速的Line-scan Camera上的设计，它的特性是感光后将光转成电荷信号通过单一输出将数据传递出去。,2. 奇偶双输出 (Dual Taps),通常是在高分辨率或为了提高传输速度的设计，它的特性是感光后分成奇数及偶数将光转成电荷信号分成两组将数据传递出去。要是不小心设定成单输出，影像就会如同上图所示，影像会有垂直的空隙，影像在放大时便会发现 pixel 跟 pixel 中间的黑色影像，其实数据都是空的。,3. 前后双输出 (Dual Taps),通常是在高分辨率或为了提高传输
27、速度的设计，它的特性是在感光后分成前半段及后半段将光转成电荷信号分成两组将数据传递出去。要是不小心设定成单输出，影像就会如上图所示，影像只有一半，另一半变成黑色影像，其实数据都是空的。,4. 三输出 (Triple Taps),通常是用在 RGB 彩色CCD上，棱镜会依据光谱的波长特性(红光波长最长，再来是绿光，再来是蓝光)分别将光线投射至红、绿、蓝三组CCD上，每个CCD 分别将光转成电荷信号输出，虽然三组CCD分别有独立的 Data Clock，但是因为必须要R, G, B 的数据组合在一起才会变成彩色影像，所以实际速度并没有因为每个CCD 有独立的 Data Clock而加快。,5. 四
28、输出 (Quad Taps),通常是在高分辨率或为了提高传输速度的设计，结合了双输出的奇偶输出加上前后段输出的特性分成四组，让取像速度加快变成四倍。,6. 八输出 (Octal Taps),目前这类设计出现在超高分辨率的机种上，除了分出前后段，而且各分出四组输出，因此取像速度可以提高成八倍而不会因为分辨率很高而使速度大大降低。,7. TDI( Timing Delay Integration ),它的CCD 结构比较特殊，并非是单排感光而是96排一起感光，即同样的一次曝光时间下它会累积 96排的感光量转换成电荷信号之后再传输出去，由于累积的亮度较一般的CCD高，故较适合应用在光线较暗无法提供充
29、足亮度的系统上。但是这种型式十分注重取像频率及运动速度的一致性，要是运动速度不稳定取像出来会有模糊的情形。,六、CCD的同步及曝光模式,目前CCD 有内同步及外同步两种模式,1. Free Run Mode,通常又称内同步(Synchronization Mode)模式，像机厂商在出厂时都会设定为此模式因此又称之为Factory Mode。这种同步模式是依照相机本身内部产生的时序曝光，采集卡无法操控相机取像的时间点，因此采集卡处于被动接收数据的角色。而内同步模式又可分为 Edge-controlled Mode 及 Programmable Mode。,1. Free Run Mode,Fre
30、e Run, Edge-controlled Mode曝光时间与线周期时间相等, 由一组内部控制信号产生一个上升沿作为开始曝光的信号，直到下一个周期的上升沿信号进来时便将数据送出。,1. Free Run Mode,Free Run, Programmable Mode在内部控制信号产生一个方波，下降沿时开始曝光，以此缩短曝光时间，但是曝光周期还是维持不变。,2. ExSync. Mode,即是所谓的外同步(External Synchronization Mode)模式，相机本身并不会主动产生时序去曝光，而是通过采集卡或者其它外部设备传送Reset信号去通知相机曝光，外同步模式又可分为Edg
31、e-controlled Mode，Level-controlled Mode及Programmable Mode。,ExSync. Edge-controlled Mode由外部送来的信号作为同步触发信号，主要是取上升沿作为开始曝光的信号，由外同步信号的周期决定曝光时间及帧速度。,2. ExSync. Mode,2. ExSync. Mode,ExSync. Level-controlled Mode由外部送来的信号作为同步触发信号，主要是取下降沿作为开始曝光的信号，由外同步信号的周期决定帧速度。,2. ExSync. Mode,ExSync. Programmable Mode由外部信号作
32、为同步触发信号，但此上升沿仅作为开始曝光的决定信号，曝光时间长短可由使用者设定，同时此设定的曝光时间也决定帧速度。,七、CCD的其它相关知识,1. Binning,更高的动态范围更高的信噪比更快的数据读出速度图像的分辨率随像素尺寸的大小而变化,Binning 的作用在于把相临几个像素所积累的电荷累加起来作为一个电荷进行转换。这样做的效果相当于把几个像素拼成了一个大像素使用。速度快但分辨率降低。,1. Binning,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Binning,1. Binning,Binning,Serial Re
33、gister,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Binning,Binning,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Binning,Binning,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Binning,Binning,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Binning,Binning,ADC,Serial Regist
34、er,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Binning,Binning,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Binning,Binning,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,1. Binning,Binning,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,ADC,1. Binning,High-light, full-resoluti
35、on image,1. Binning,Low-light, full-resolution image,1. Binning,2x8 binned image of low-light image,2. 噪声,Dark Current Noise(暗电流),Photon Shot Noise(光子噪声),Read Noise(读出噪声),HEAT,CCD DeviceElectronics,LightPhysics,2. 噪声光子噪声(Photon Noise),由器件和工艺造成的；噪声大小=电子数目的平方根；很难消除，不易处理；如果光子噪声超过读出噪声，数据的准确率主要由光子噪声来决定。,
36、2. 噪声读出噪声(Read Noise),依靠精细的电路设计来尽量减小读出噪声；在光信号较低的条件下，一般读出噪声都大于光子噪声，此时数据的准确率是由读出噪声来决定的；读出噪声的大小与光信号的强弱无关。,2. 噪声,2. 噪声暗电流噪声(Dark Noise),与器件的环境温度有关；减小暗电流噪声的方法：冷却或者MPP（数据并行处理）技术。,2. 噪声复位噪声,又称为 KTC 噪声；与信号处理电路的设计有关；采用相关采样技术来降低。,2. 噪声计算公式,Total Noise = Photon Noise )2 + (Read Noise)2 + (Dark Noise)2,系统噪声 = 所
37、有类型的噪声的积分和,利用棱镜，将光线折射成三部分，在R，G，B三束光线的方向上分别帖上三片感光片各自感光。,3. 彩色的形成,利用空间叠放的三片CCD，分别对R，G，B感光。,3. 彩色的形成,经过三次曝光后得到彩色图像。特点： 成像速度慢 可以进行准确测量,3. 彩色的形成,3. 彩色的形成,利用BAYER滤光片，让相临四个像素分别只能接收一色光。每个像素输出的信息只是相应色光的灰度值，之后通过软件合成为彩色。每个像素的彩色信息是不独立的，依赖于相临像素的信息。,3. 彩色的形成,CCD芯片经镀膜后每个像素识别不同的颜色，形成“嵌合”式的彩色图像。特点： 成像速度快 测量结果不精确,3.
38、彩色的形成,3. 彩色的形成,镜头接口,CCD芯片性能后端电路性能,外型尺寸,电源接口数据接口控制方式,4. CCD相机的参数,像素：感光器件上的基本感光单元，也是一幅图像的基本单元。分辨率：感光器件/图像的水平和垂直方向的像素数。1. 分辨率（Resolution）：摄像机每次采集图像的像素点数（Pixels）有效像素的个数，对于数字摄像机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟摄像机则是取决于视频制式，PAL制为768*576，NTSC制为640*480。模拟制式相机的分辨率取决于传感器上像素的数目以及后期处理电路的质量，数字相机的分辨率则直接取决于传感器上像素的数目。有效像素:可以
39、感光的、最终产生的电荷量将输出为数据信息的像素。无效像素：预扫描像素，不感光，产生的电量将被参考为灰度“0”，即黑电平基准。这些像素不会反映在图像上。板面：Sensor的对角线长度，通常有 1/3, 1/2, 2/3, 1英寸等。相同数量的有效像素，板面大的感光好。清晰度：实际能够看到的清晰程度，用标准长度内能看到多少线/点来衡量。信噪比：输出信号中有用信号和噪声的比（dB）。,4. CCD相机的参数,像素时钟：每秒输出的有效像素个数(ERROR)。帧/场： 相机输出的完整的一幅图像为一帧，隔行信号一帧分为两场。增益：通过放大器对信号/噪声的放大。动态范围：能分辨的图像灰度级别。Binning
40、：将几个像素联合起来作为一个像素使用，提高灵敏度和输出速度，降低分辨率。快门：每帧图像的曝光时间。光谱响应：感光器件在不同波段的感光程度。量子效率：光子转化成电子的效率 （以%表示）对于不同波长的光此参数不一样。一般为3001100nm可见光范围。,4. CCD相机的参数,按输出颜色分：黑白、复合彩色、RGB按输出信号分：数字信号、模拟信号按输出制式分：标准制式、非标准输出按制冷方式分：制冷相机、非制冷相机按呈像器件分：CCD、CMOS、电子管按镜头接口分：C、CS、 F按CCD阵列分：线阵、面阵,八、CCD相机的分类,隔行扫描隔行传输相机,隔行扫描一定是隔行传输，所谓隔行扫描是指先扫描奇行（假设），然后传输出去；再扫描偶行，然后再传输偶行。,Thank you very much for your attention!技术支持部尤松玲,
