固态成像器件原理及应用第四讲CCD图像传感器原理详解.ppt

固态成像器件原理及应用第四讲－CCD图像传感器原理 长春理工大学 刘智 2008年10月31日 主要内容 一、上一讲内容回顾 二、本讲主要内容 三、小结 四、作业 上一讲内容回顾 图像传感器的基本结构 光机扫描图像传感器 电子束扫描图像传感器 固体自扫描图像传感器 图像的显示与电视制式 电视监视器的扫描 电视制式 图像传感器基本参数 光机扫描图像传感器 - -光敏单元对光学图像的解析，成为一维的视频信号输出 固态成像技术基础 图像传感器的基本技术参数 与光学系统相关的参数 成像物镜的焦距f：决定了被摄景物在光电成像器件上所成像的大小。物距相同的情况下焦距越长，所成的像越大； 相对孔径D/f：为物镜入瞳的直径与其焦距之比。相对孔径的大小决定了物镜的分辨率、像面照度和成像质量； 视场角2ω：决定了能在光电图像传感器上成像良好的空间范围； 镜头标准：C口和CS口， 本讲主要内容 什么是CCD？ CCD中电荷的生成 CCD中电荷的收集 CCD中电荷包的转移 CCD中电荷包的测量 小结 一 电荷的生成 电荷的生成 电荷的生成 电荷的生成 电荷的生成 电荷的生成 电荷的收集 电荷的收集 电荷的收集 电荷的收集 CCD曝光时，每个像元有一个电极处于高电位。硅片中这个电极下的电势将增大，成为光电子收集的地方，称为势阱。 其附近的电极处于低电位，形成了势垒，并确定了这个像元的边界。像元水平方向上的边界由沟阻确定。 有信号电荷的势阱 MOS电容结构 CCD的基本功能是存储与转移信息电荷 为实现信号电荷的转换： 必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。 控制相邻MOC电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处 在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。 转移的形象描述 转移的形象描述 转移的形象描述 转移的形象描述 CCD的转移过程类比说明 电荷的转移过程 电荷的转移过程 电荷的转移过程 电荷的转移过程 电荷的转移过程 电荷的转移过程 电荷的转移过程 电荷的转移过程 电荷的测量 电荷的测量 电荷的测量 电荷的测量 帧转移CCD CCD的发明 CCD的发明 CCD的现状 CCD的现状 CCD的现状 CCD的应用 CFH12K 三、成像系统中的新技术 1、非均匀性校正技术 9、抗光晕技术 2、数字变焦技术 10、电子曝光技术 3、白平衡技术 11、多模式输出 4、增强型CCD技术 12、相关双采样技术 5、 Binning技术 13、抗拖影技术 6、低温工作技术 14、高速CCD相机 7、背照技术 8、微透镜技术 1.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。 1.Binning技术 它的优点是： 将相机的灵敏度、信噪比提高，动态范围扩大； 将摄像的帧频提高至原来的N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。 2.微透镜技术 2.微透镜技术 微型透镜技术的主要优点为： 微透镜阵列覆盖CCD的全部表面，它能将入射的全部光线会聚在光电二极管上，这样，入射光将得到接近100％的利用； 使用微透镜技术可缩小光电二极管的尺寸，从而提高图像传感器的灵敏度； 光电二极管的尺寸缩小了，噪声也随着降低了； 光电二极管尺寸的缩小，结电容会减小，促使响应速度的提高； 光电二极管的尺寸缩小，可以有更大空间用于布置电子元器件和传输沟道等，促使CCD整体性能的提高。 3.抗光晕（Anti-Blooming）技术 缩短曝光时间 时钟抗晕 溢出沟道 溢出门 4.电子曝光 CCD摄像机中，采用电子曝光之后，可以防止曝光饱和、减小光晕、减小图像模糊和摄取运动目标图像。 5.电子倍增CCD(EMCCD) 采用具有雪崩放大功能的移位寄存器 可实现102 ~ 103 数量级的电荷放大 可实现单光子计数 等效输出噪声小于一个电子 小结 电荷耦合器件（CCD）特点——以电荷作为信号。 CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移。 CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。 构成CCD的基本单元是MOS电容。 作业 P186，第4题 P186，第6题 紫金山天文台1米近地天体望远镜+4k×4kCCD 1米近地天体探测望远镜，目的是为了观测发现对地球构成潜在危险的近地天体。望远镜采用施密特型光学系统，改正镜口径1.04米，球面反射主镜1.2米，焦距1.8米，具有大口径、大视场（2°×2°）的特点。 CCD系统选用了高量子效率、低噪音的4096×4096 CCD芯片，采用冷却技术(工作温度－103.4℃)，并具有漂移扫描功能，为目前国内灵敏