第二章有关数学基础-CCD和彩色原理课件.ppt

CCD成像及彩色原理 ——第二章有关数学基础的扩展 CCD原理 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD），一种集光电转换、电荷存贮、电荷转移为一体的传感器件，最早由贝尔实验室发明。构成CCD的基本单元是MOS电容。 CCD结构： ? “微型镜头” ??? 等于在感光层前面加上一副眼镜。 感光面积不再由传感器的开口面积 决定，而改由微型镜片的表面积来 决定。 ??? “分色滤色片” ??? 目前有两种分色方式， 一是RGB原色分色法， 另一个则是CMYK补色分色法。 ??? 原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点是噪声问题。相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，但补色CCD可以容忍较高的感光度。 ??? 感光层 ??? 这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。?? ??? ＣＣＤ功能： １．光-电转换功能　　在P型单晶硅的衬底上做一层绝缘氧化膜,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时间成正比,这就是ＣＣＤ的光电转换功能。 2．电荷存贮功能　　若在电极加上一个适当的正电压,则在电极和衬底之间产生一个电场,这个电场在P型硅中将载流子带正电的空穴排斥到衬底电极一边,在电极下硅衬底表面形成一个没有可动空穴的带负电的区域,这个区域称作电荷耗尽区,这就是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,所有电极下的电荷包就组成了与景物相对应的电荷像。 3．电荷转移功能　　势阱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。这就是CCD的电荷转移原理。 CCD的四种类型 ： linear 线性、interline扫描、全景 full-frame和 frame-transfer 全传 线性CCD 是以一维感光点构成，透过 步进马达扫描图像。多用于平台 式扫描仪之上。 Interline 扫描型 透过垂直传送带从暂存矩阵中 读出讯号，再向下转移至底部水平 转换记录器然后电荷在搬到放大器 中再到DSP里读出水平光电位置行列， 产生完整的数字影像。清空缓存器后， 再重新设定光电位置以便接收下一张 影像。速度较快，缺点是动态范围 较小。 Full-Frame 全像 CCD 是一种架构更简单的感光设计。利用整个感光区域（没有暂存区的设计），有效增大感光范围，同时也适用长时间曝光。其曝光过程和 Interline 相同，不过感光和电荷输出过程是分开的。因此，使用 FF CCD的数字相机在传送电荷信息时必须完全关闭快门，以隔离镜头入射的光线，防止干扰。这也意味着 FF 必须使用机械快门（无法使用 IL 的电子 CLOCK 快门)，同时也限制了FF CCD的连续拍摄能力。Full-Frame CCD 大多被用在顶级的数位机。 Frame-Transfer 全传 CCD 架构介于 IL 和 FF 之间的产品，分成两个部分。上半部是感光区，下半部是暂时存储区。整体来说 Frame-Transfer CCD 非常的类似 Full-Frame CCD，它的特点在于直接规划了一个大型暂存区。一旦FT CCD 运作，它可以迅速将电荷转移到下方的暂存区中，本身则可以继续曝光拍照。这个设计，让FT 同IL 一样可以使用电子快门，但同时也可增加感光面积和速度。 彩色——线阵3 CCD举例： Basler L300kc 彩色单CCD举例——Bayer成像方法: 分别采集RGB信号，之后通过插值运算得到最终的彩色图像。 插值运算 绿色 红和蓝 颜色与颜色空间 1.1 颜色 光波：光是一种按波长辐射的电磁波。 （如图，可见光谱） 颜色 视觉系统对可见光的感知 视网膜上锥状光敏细胞：光强与颜色。 视网膜上杆状光敏细胞：光强。 颜色度量：色调、饱和度、亮度 光的物理性质：波长（光速，频率）和幅度 人眼对色彩的感觉：色调、饱和度和亮度