CCD成像原理及其应用.ppt

CCD成像原理及应用 成像系统组成 CCD 概念 CCD Charged Coupled Device: 电荷耦合器 大量的独立的光敏元件排列在一起 每个光敏元件称为像素 像素 图像的基本单位：最小的视觉显示单位. CCD结构及工作原理 CCD结构 感光二极管（Photodiode） 并行信号寄存器（Shift Register） -用于暂时储存感光后产生的电荷 串行信号寄存器（Transfer Register） -用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大 信号放大器-用于放大微弱电信号 数摸转换器-将放大的电信号转换 成数字信号 CCD结构及工作原理 CCD工作原理 CCD种类-采光方式 前照式: 光从正面照射芯片形成电荷 背照式: 光从背面通过并直接进入二极管 光子效率可达到80% CCD种类-控温方式 Cool CCD-消除热或暗电流产生的噪音 -噪音底，图像质量高 -灵敏度高，感光效果佳 -几何失真度小 -解析度稳定，补偿效果佳 -耐震动，不易受点磁场干扰 附：普通CCD暴光超过10秒，发热；-20度摄像头可拍摄5分钟图像；-40度摄像头拍摄时间可超过1小时 CCD量子效率 量子效率（ Quantum Efficiency ）-阴极发射出的光电子数量与入射光光子的数量比，用以表诉CCD在不同波长下的响应值 在同一波长下QE值越高CCD品质越好 CCD对于不同波长的光的响应时间的敏感度不同 背照式CCD比前照式CCD有更好的量子效率 多数衡量QE高低是在425nm波长 CCD像素指标-填充因子 填充因子（ Fill Factor ）-CCD实际感光面积占像素面积的比值 理想值-100% 实际值-30%（隔行传输式CCD） 通过微型镜头（Microlenses）改善（但微型镜头的应用会影响紫外光的检测） 填充因子是影响灵敏度的一个因数 CCD像素指标-井深 井深（Well Capacity）-像素可堆积电荷的多少 多数CCD可堆积85K个电荷 高品质的CCD可堆积350K个电荷 影响灵敏度的一个因数 衡量动力学范围的一个因素 CCD数字化 数字化（Digitization）-模拟信号转换成数字信号 计算机运用2进制运算法则来将CCD采集的电信号转换成数字信号 12bit=4096；14bit=16384；16bit=65536 应用软件将运用一定的运算法则来决定最适合显示器灰度级别的数据 动力学范围 动力学范围（Dynamic Range） -描述从CCD像素值中可以得到多少数量的灰度级别的一个术语 -用来表示饱和电压（最大输出级别）与摄像头随机噪音的比率（It is expressed as the ratio of full saturation voltage(maximum output level) to the total RMS noise of the camera output.) -动力学范围并不总是和数模转换器输出的数据一致 动力学范围 CCD像素合并 像素合并（Binning） -将相临的像素所堆积的电荷进行合并并当作一个单一的像素输出信号 -提高灵敏度（2x2bin提高4倍灵敏度） -降低分辨率（2x2bin降低一半的分辨率） CCD系统增益 系统增益（System Gain） -传感器中电荷输出量与输入量之比，相当与传统相机的感光度（ISO) -提高增益将会找成数字噪音的增加 -底增益可以最小话噪音得到最佳分辨率但是将损失井深从而损失灵敏度 -系统中最优化的增益值根据平衡数字化计数、井深和数字化噪音最佳值来进行设置 CCD系统读出噪音 读出噪音（Readout Noise） 产生噪音的因素 -不能保证在电荷从CCD转移出来并数字话的时候有一个好的重复性，导致相同像素中相同电荷数量进行A/D转换时得不到相同的结果 -传感器及电路产生的随机电荷与像素中有效电荷一起被数字化 -数模转换线圈将会分散一部分有意义的转换值 降低系统噪音的方法 -采用Cood CCD -减小系统增益 CCD暗电流 暗电流（Dark Current , Dark Count） -CCD在一定温度下每个像素在一定时间内产生的电荷数 -暗噪音大约为暗电流的平方根 CCD系统信噪比 信噪比（ Signal to Noise Ratio ） -衡量信号及噪音的关系 -表征检测的限度（灵敏度） CCD平场校正 平场校正（ Flat-Field Correction） -用增益（gain）和补偿（offset）对个别的像素给予额外的休整 两种表征CCD传感器