基于CCD 成像色度计的指南 - Radiant Vision Systems.PDF

白皮书 基于 CCD 成像色度计的指南 白皮书 如何选择最佳成像色度计 Radiant Vision Systems ProMetric® 成像色度计和光度计拥有多种CCD、滤光片和镜头， 可提供 100 多种配置。得益于这样的灵活搭配，成像色度计则适用于任何测量应用。 选择合适的CCD是影响成像色度计系统整体性能的最重要因素。该选择将决定像素分辨率 和位深度、可搭配的镜头，及可获得的视角。如何选择CCD以及成像色度计应用中关键的 工程注意事项，将在本文的下一章节中介绍。 与 CCD 选择密切相关的是控制电路的设计。主要要求是：控制电路应将电噪声降至最小 若要为您的应用选择适当的基于 CCD 的成像 程度并支持电子和光学校准。 色度计，必须了解成像色度计结构中的一些基 本权衡。 滤光片通常选择标准配置以适合使用光度计或色度计。根据测量应用的不同，滤光片可适 用于增强色度测量性能、辐射度测量及近红外光测量。根据滤光片的工艺不同，可分为内 置滤光片，外置滤光片，及CCD片上滤光片。 最后，根据应用的工作距离和视场选择镜头。影响镜头选择的光学几何效果也同样受到所 使用的特定 CCD 的约束。此外，如果未正确补偿镜头，它们会导致光学像差，从而影响 测量的精度。 综合起来，我们种类繁多的 CCD 、电子元件、滤光片和镜头配件，在决定成像色度计的 性能和成本方面为客户提供了卓越的灵活性。 CCD 技术 CCD （电荷耦合器件）是指单片半导体探测器阵列。入射光子被探测器材料所吸收并形成 电子空穴对。在曝光期间，电子积聚在每个探测器单元（称为像素）中，并保留在其中直 至读出电荷。积聚在每个像素中的电荷总量与入射光成线性比例关系。 CCD 结构有几种基本类型，以及针对特定应用的特定类型。Radiant Vision Systems ProMetric 成像色度计选用隔行传输型 CCD ，同时采用科学级CCD,其在低噪声特性和最 大程度抑制像素坏点数方面呈现出特别高的性能。 2 I Radiant Vision Systems, LLC 白皮书 全幅 CCD 在全幅 CCD 中，整个探测器表面是最先暴露于光线的，然后该光线必须被阻挡在外 全幅 CCD 提供动态范围方面（即 CCD 可以 面，这样就可以读出电荷而不会进一步积聚。名称“全幅”的来由是 CCD 整个表面都 解析的灰阶数）的最佳性能。 暴露在光源下。除此之外，在 CCD 传感器中，有效的 CCD 表面面积几乎为 100%， 像素之间的边界面积可以忽略，这与 CMOS 传感器形成了鲜明对比。 捕获全幅 CCD 中存储的图像是依序读出各个像素数据的一个简单过程。要完成该过 程，首先将每个探测器列中的电荷向串行寄存器移动一行。最后一行电荷进入串行寄存 器本身；接着该电荷从串行寄存器中一次移过一个像素，以产生模拟信号。系统会重复 执行 该过程，直至所有积聚的电荷都从探测器中读出。该读出过程一般会进行调节， 以最小化读出噪声。 此外，全幅 CCD 能提供更好的动态范围（即 CCD 可以解析的灰阶数）。Radiant Vision Systems 成像色度计全幅 CCD 具有 72dB动态范围，分别相当于 16,384 灰阶。 这些性能优势对成像色度计的物理结构提出了一定的要求。由于全幅 CCD 要求使用外 部手段来控制曝光，因此通常必须使用机械快门（而非电子快门）。这增加了系统的机 械复杂性、同时增加了设备的大小和重量，降低了曝光速度。 3 I Radiant Vision Systems, LLC 白皮书 隔行 CCD 在隔行 CCD 上，探测器阵列的备用列使用不透明材料进行遮蔽。要读出图像，每个 “感光”像素列中的电荷同时被移到光源被阻挡的邻近“黑暗”列。接着，存储的图像数 据会以与上述全幅 CCD 同样的方式读出。但是，在读出存储的图像数据时，新的图像数 据可以积