光電成像系統(tǒng)1

本章內(nèi)容電荷耦合攝像器件(CCD器件)CCD器件的性能參數(shù)

CCD器件的應用

第5章光電成像系統(tǒng)

電荷耦合攝像器件(CCD器件)光電成像系統(tǒng)的基本組成

物體(信號源)傳輸介質(zhì)光學系統(tǒng)(信號分析器)光電攝像器件(信號變換器)顯示器人眼光源光信號光信號光信號信號信號背景噪聲背景噪聲噪聲噪聲成像轉(zhuǎn)換過程有四個方面的問題需要研究：能量方面——物體、光學系統(tǒng)和接收器的光度學、輻射度學性質(zhì)，解決能否探測到目標的問題成像特性——能分辨的光信號在空間和時間方面的細致程度，對多光譜成像還包括它的光譜分辨率噪聲方面——決定接收到的信號不穩(wěn)定的程度或可靠性信息傳遞速率方面

成像特性、噪聲——信息傳遞問題，決定能被傳遞的信息量大小光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心光電成像器件的發(fā)展近年來，利用光電成像器件構(gòu)成圖像傳感器進行光學圖像處理與圖像測量已成為現(xiàn)代光學儀器、現(xiàn)代測控技術的重要發(fā)展方向。它廣泛應用于遙感、遙測技術、圖形圖像測量技術和監(jiān)控工程等，成為現(xiàn)代科學技術的重要組成部分。1934年研制出光電像管，應用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。它的靈敏度相當?shù)停_到現(xiàn)在圖像信噪比的要求，需要不低于10000lx的照度，這使它的應用范圍受到很大限制。1947年超正析攝像管面世，使最低照度降至2000lx。1954年靈敏度較高的視像管投入市場。其成本低，體積小，靈敏度和分辨率都較高，但不是適用于高速場合和彩色應用。1965年，氧化鉛管成功代替正析攝像管，廣泛應用于彩色電視攝像機。它使彩色電視廣播攝像機的發(fā)展產(chǎn)生了一個飛躍。1976年前后，又相繼出現(xiàn)靈敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶管。1970年，美國貝爾實驗室發(fā)表電荷耦合器件（CCD）原理，從此光電成像器件的發(fā)展進入了一個新的階段——CCD固體攝像器件的發(fā)展階段。光電成像器件的發(fā)展近年來，利用光電成像器件構(gòu)成圖像傳感器進行光學圖像處理與圖像測量已成為現(xiàn)代光學儀器、現(xiàn)代測控技術的重要發(fā)展方向。它廣泛應用于遙感、遙測技術、圖形圖像測量技術和監(jiān)控工程等，成為現(xiàn)代科學技術的重要組成部分。1934年研制出光電像管，應用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。它的靈敏度相當?shù)停_到現(xiàn)在圖像信噪比的要求，需要不低于10000lx的照度，這是它的應用范圍受到很大限制。1947年超正析攝像管面世，使最低照度降至2000lx。1954年靈敏度較高的視像管投入市場。其成本低，體積小，靈敏度和分辨率都較高，但不是適用于高速場合和彩色應用。1965年，氧化鉛管成功代替正析攝像管，廣泛應用于彩色電視攝像機。它使彩色電視廣播攝像機的發(fā)展產(chǎn)生了一個飛躍。1976年前后，又相繼出現(xiàn)靈敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶管。1970年，美國貝爾實驗室發(fā)表電荷耦合器件（CCD）原理，從此光電成像器件的發(fā)展進入了一個新的階段——CCD固體攝像器件的發(fā)展階段。一般情況：夏日陽光下為100000LUX；陰天室外為10000LUX；室內(nèi)日光燈為100LUX；距60W臺燈60cm桌面為300LUX；電視臺演播室為1000LUX；黃昏室內(nèi)為10LUX；夜間路燈為0.1LUX；燭光（20cm遠處）10～15LUX。攝像器件分類：內(nèi)光電導效應型外光電效應型光電像管Iconoscope超光電像管superIconoscope正析像管Orthicon超正析像管super

Orthicon視像管Vidcon氧化鉛管Plumbicon硒砷銻管Saticon硅靶管電子管固體攝像器件MOS攝像器件CCD攝像器件(吸收光發(fā)出自由電子)

光電成像系統(tǒng)按波長還可分為可見光（含微光條件）、紫外光及紅外光光電成像系統(tǒng)。

固體攝像器件：無須掃描和聚焦(按像素移位)、光譜響應寬、功耗低、可集成處理電路、體積小，是圖像傳感器的主要發(fā)展方向。電荷耦合器件的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導體)電容器

電荷耦合器件（CCD）與其他器件相比，最突出的特點是以電荷為信號。CCD的基本功能是電荷的存儲和轉(zhuǎn)移，CCD的工作過程就是電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測的過程。1.電荷耦合器件的基本原理(1)電荷產(chǎn)生光輻射1.電荷耦合器件的基本原理

構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器，MOS電容器能夠存儲電荷。表面勢

耗盡層

開啟電壓

深度耗盡狀態(tài)(2)電荷存儲表面勢勢阱1.電荷耦合器件的基本原理(2)電荷存儲

勢阱的功能：存儲信號電荷暗電流電荷耦合器件必須工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)，才能存儲電荷。演示1.電荷耦合器件的基本原理(2)電荷存儲

典型的三相CCD結(jié)構(gòu),三相CCD是由每三個柵為一組的間隔緊密的MOS結(jié)構(gòu)組成的陣列。每相隔兩個柵的柵電極連接到同一驅(qū)動信號上，亦稱時鐘脈沖；(3)電荷轉(zhuǎn)移

完成電荷轉(zhuǎn)移的CCD主要有兩類結(jié)構(gòu)形式：三相CCD結(jié)構(gòu)和兩相CCD結(jié)構(gòu)三相時鐘脈沖的波形1.電荷耦合器件的基本原理

在t1時刻，

1高電位，

2、3低電位。此時

1電極下的表面勢最大，勢阱最深。假設此時己有信號電荷（電子）注入．則電荷就被存儲在

1電極下的勢阱中。(3)電荷轉(zhuǎn)移

在t2時刻……

在t3時刻……

在t4時刻……三相CCD結(jié)構(gòu)及電荷轉(zhuǎn)移演示1.電荷耦合器件的基本原理

圖示為“階梯氧化層”兩相結(jié)構(gòu)。每一相電極下的絕緣層為階梯狀，由此形成的勢阱也為階梯狀。(3)電荷轉(zhuǎn)移兩相CCD結(jié)構(gòu)及電荷轉(zhuǎn)移兩相時鐘波形電荷包的轉(zhuǎn)移過程

在t1時刻……

在t2時刻……

在t3時刻……表面溝道器件，SCCD(SurfaceChannelCCD)體內(nèi)溝道器件，BCCD(BulkorBuriedChannelCCD)1.電荷耦合器件的基本原理

電荷輸出結(jié)構(gòu)有多種形式，如“電流輸出”結(jié)構(gòu)、“浮置擴散輸出”結(jié)構(gòu)及“浮置柵輸出”結(jié)構(gòu)。其中“浮置擴散輸出”結(jié)構(gòu)應用最廣泛。

“浮置擴散輸出”原理結(jié)構(gòu):輸出結(jié)構(gòu)包括輸出柵OG、浮置擴散區(qū)FD、復位柵R、復位漏RD以及輸出場效應管T等。

所謂“浮置擴散”’是指在p型硅襯底表面用V族雜質(zhì)擴散形成小塊的n區(qū)域，當擴散區(qū)不被偏置，即處于浮置狀態(tài)工作時，稱作“浮置擴散區(qū)”。(4)電荷檢測1.電荷耦合器件的基本原理t1時刻t2時刻t3時刻t4時刻t5時刻電荷包輸出過程：FD區(qū)電位變化量：1.電荷耦合器件的基本原理(4)電荷檢測2.電荷耦合攝像器件的工作原理

將CCD電荷存儲、電荷轉(zhuǎn)移的概念與半導體的光電性質(zhì)相結(jié)合，導致了CCD攝像器件的出現(xiàn)。

電荷耦合器件有多種分類方法：按結(jié)構(gòu)分線陣CCD和面陣CCD；按光譜分為可見光CCD、紅外CCD、X光CCD和紫外CCD。可見光CCD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD(1)線陣CCD

線陣CCD分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)的工作原理相仿，但性能略有差別。

單溝道傳輸用于低位數(shù)CCD傳感器。它的光敏單元與CCD移位寄存器SR分開，用轉(zhuǎn)移柵控制光生信號電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移柵關閉時，光敏單元勢阱收集光信號電荷，經(jīng)過一定的積分時間，形成與空間分布的光強信號對應的信號電荷圖形。積分周期結(jié)束時，轉(zhuǎn)移柵打開，各光敏單元收集的信號電荷并行地轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器SR的響應單元內(nèi)。轉(zhuǎn)移柵關閉后，光敏單元開始對下一行圖像信號進行積分。而已轉(zhuǎn)移到移位寄存器的上一行信號電荷，通過移位寄存器串行輸出，如此重復上述過程。(a)單溝道傳輸結(jié)構(gòu)演示2.電荷耦合攝像器件的工作原理

線陣CCD分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)的工作原理相仿，但性能略有差別。雙溝道傳輸結(jié)構(gòu)光敏單元在中間，其奇偶單元的信號電荷分別傳送到上、下兩列移位寄存器后串行輸出，最后合二為一，恢復信號電荷的原有順序。這種方案的優(yōu)點是光敏單元有較高的封裝密度，轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，可提高轉(zhuǎn)移效率，改善圖像傳感器性能。(b)雙溝道傳輸結(jié)構(gòu)(1)線陣CCD2.電荷耦合攝像器件的工作原理(1)線陣CCD2.電荷耦合攝像器件的工作原理

D13...D62D63S1S2S3光電二極管........轉(zhuǎn)移柵2轉(zhuǎn)移柵1S2158S2159D64D73D74S2160...CCD移位寄存器2CCD移位寄存器1D14D15信號輸出緩沖級補償輸出緩沖級2122361921OSDOSODF1F2SHSS(2)面陣CCD

行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)采用光敏區(qū)與轉(zhuǎn)移區(qū)相間排列方式，相當于將若干個單溝道傳輸?shù)木€陣CCD圖像傳感器按垂直方向并排，再在垂直陣列的盡頭設置一條水平CCD，水平CCD的每一位與垂直列CCD一一對應、相互銜接。在器件工作時，每當水平CCD驅(qū)動一行信息讀完，就進入行消隱，在行消隱期間，垂直CCD向上傳輸一次，即向水平CCD轉(zhuǎn)移一行信號電荷，然后，水平CCD又開始新的一行信號讀出，以此循環(huán)，直至將整個一場信號讀完，進入場消隱。在場消隱期間，又將新的一場光信號電荷從光敏區(qū)轉(zhuǎn)移到各自對應的垂直CCD中。然后，又開始新一場信號的逐行讀出。常見的面陣CCD攝像器件有兩種：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)與幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)。演示2.電荷耦合攝像器件的工作原理

幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)由三部對組成；光敏區(qū)、存儲區(qū)、水平讀出區(qū)。這三部分都是CCD結(jié)構(gòu)，在存儲區(qū)及水平區(qū)上面均由鋁層涵蓋，以實現(xiàn)光屏蔽；光敏區(qū)與存儲區(qū)CCD的列數(shù)及位數(shù)均相同，而且每一列是相互銜接的。不同之處是光敏區(qū)面積略大于存儲區(qū)，當光積分時間到后．時鐘A與B均以同一速度快速驅(qū)動．將光敏區(qū)的一場信息轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)。然后，光敏區(qū)重新開始另一場的積分；時鐘A停止驅(qū)動，一相停在高電平，另一相停在低電平。同時，轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)的光信號逐行向水平CCD轉(zhuǎn)移，再由水平CCD快速讀出。光信號由存儲區(qū)到水平CCD的轉(zhuǎn)移過程與行間轉(zhuǎn)移面陣CCD相同。演示(2)面陣CCD2.電荷耦合攝像器件的工作原理(3)彩色CCD

為了形成彩色信號，彩色CCD攝像機目前主要有三片式和單片式兩種；

薄膜分色原理只要選擇合適的d、n1、n0等參量使得入射光I1和反射光I2在某

些波長同相位，這些光被相加輸出；另一些波長光相位相反，這些光被抵消無輸出。2.電荷耦合攝像器件的工作原理

為了形成彩色信號，彩色CCD攝像機目前主要有三片式和單片式兩種；

三片式CCD是傳統(tǒng)的攝像方式，該方式用分色棱鏡將入射光分成紅（R）、綠（G）、藍（B）三基色。然后由配置在后面的CCD器件轉(zhuǎn)換為電信號。三片式CCD成像質(zhì)量好，主要用于電視臺等高質(zhì)量的攝像機。

演示(3)彩色CCD2.電荷耦合攝像器件的工作原理三片式CCD

單片式CCD彩色攝像機結(jié)構(gòu)簡單、價格較低，是目前工業(yè)、家用攝像機中占統(tǒng)治地位的彩色攝像機。單片式彩色CCD的關鍵是濾色器陣列。圖示是兩種常用的濾色器形式，拜爾(Bayer)方式濾色器中，從色單元的數(shù)量看綠色信號占了一半，而紅藍色單元則占另一半，在這種方式中亮度信號從綠色單元中取出。這種排列方式在行間轉(zhuǎn)移CCD器件和隔行讀出的其他器件中，由于奇數(shù)場只能取出R、G信號，而偶數(shù)場只能取出G、B信號，因此重現(xiàn)的彩色圖像會引起紅、藍閃爍。行間排列的濾色器方式中，綠色單元的位置和數(shù)量均不變化，而使紅、藍色在各行都有，顯然這種方式可以克服拜爾方式濾色器的缺陷。(3)彩色CCD2.電荷耦合攝像器件的工作原理光電成像系統(tǒng)27

轉(zhuǎn)移效率

是指電荷包在進行每一次轉(zhuǎn)移中的效率，即電荷包從一個柵轉(zhuǎn)移到下一個柵時，有

部分的電荷轉(zhuǎn)移過去，余下

部分沒有被轉(zhuǎn)移，

稱轉(zhuǎn)移損失率。根據(jù)電荷守恒原理：1.轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率

一個電荷量為Q0的電荷包，經(jīng)過n次轉(zhuǎn)移后的輸出電荷量為：

即總效率為：

由于CCD中的信號電荷包大都要經(jīng)歷成百上千次的轉(zhuǎn)移，即使

值幾乎接近l．但其總效率往往很低，如二相1024位器件，當

=0.999時，總效率不到0.13，所以，一定的

值，限定了器件的最長位數(shù)。在達到同樣高的總效率下，埋溝CCD可以研制的位數(shù)比表面溝道大得多。CCD器件的性能參數(shù)

“胖零”工作模式

“胖零”工作模式CCD器件的性能參數(shù)1.轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率注入信號電荷從一個電極到另一個電極的轉(zhuǎn)移時間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命

i，對三相CCD，2.驅(qū)動頻率和積分時間CCD器件的性能參數(shù)驅(qū)動頻率指加在CCD移位寄存器轉(zhuǎn)移柵上的驅(qū)動脈沖的頻率；驅(qū)動頻率下限、載流子平均壽命、工作溫度的關系。驅(qū)動頻率下限T應大于電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極的固有時間

g，即CCD器件的性能參數(shù)

g與載流子遷移率、電極長度、襯底雜質(zhì)的濃度和溫度等因素有關。驅(qū)動頻率上限P溝道CCD三相多晶硅N溝道CCD2.驅(qū)動頻率和積分時間CCD器件的性能參數(shù)積分時間2.驅(qū)動頻率和積分時間非均勻性定義:

任何光電轉(zhuǎn)換陣列，如CCD、IRFPA、CMOS圖像傳感器，由于制作材料的缺陷、摻雜的非均勻性以及生產(chǎn)工藝過程控制的不穩(wěn)定等，在集成電路工藝上都不可能是每個像元絕對一樣,造成了不同像元在同一均勻入射輻射下，其視頻輸出信號幅度不同，這就是所謂的陣列器件響應的非均勻性（Nonuniformity，NU）。3.不均勻度(非均勻性)

造成這種不均勻的原因很多：光學系統(tǒng)的影響。如鏡頭的加工精度，鏡頭的孔徑的影響等因素造成的球差、慧差、畸變等。如表現(xiàn)為中間亮四周暗或輻照分布不均勻等。陣列中各像元的響應特性不一致。這種不一致是由制造過程中的隨機性引起的，如制作材料的缺陷、摻雜的非均勻性以及生產(chǎn)工藝過程控制的不穩(wěn)定等。陣列外界輸入的影響。如探測器的偏置電壓、偏置電流的不同，也將造成輸出的不均勻性。陣列所處環(huán)境溫度的變化。環(huán)境溫度的變化導致襯底溫度的變化，從而使非均勻性進一步隨環(huán)境溫度而迅速變化。CCD器件的性能參數(shù)CCD的不均勻度用光敏元響應的均方根偏差對平均響應的比值表示。式中，Von為第n個光敏元原始響應的等效電壓，為平均原始響應等效電壓，N為線列CCD的總位數(shù)。其中

由于轉(zhuǎn)移損失的存在，CCD的輸出信號Vn與它所對應的光敏元的原始響應Von并不相等。根據(jù)總損失公式，在測得Vn后，可求出VonCCD器件的性能參數(shù)3.不均勻度(非均勻性)

理想情況下，平行光源照射下采集的圖形就應該是一條直線，但實際上并非如此，有些地方有很大的起伏。進行系統(tǒng)校正的目標是把曲線的起伏減小到最小，使它在平行光照射下更接近一條直線。未校正圖形校正后的圖形CCD器件的性能參數(shù)3.不均勻度(非均勻性)objobj實時校正后目標探測效果圖

校正方法：一點校正法，兩點校正法，三點校正法。

兩點校正法基本原理：將采集到的每一個原始數(shù)據(jù)乘上一個比例因子，再加上一個常數(shù)因子，得到的數(shù)值就是校正后的數(shù)值。它的公式可以表示為：Y=k*y+b。兩點校正法主要問題就是如何獲得這兩組因子，具體做法是：

(1)在兩種光強下分別采集數(shù)據(jù)，得到兩種光強下的各像元信號大小及平均值。分別用y1和y2表示這兩組信號大小。

(2)計算k=（y2-y1）/（x2-x1），b=y1-k*x1。

(3)計算校正系數(shù)；

(4)用校正系數(shù)來校正不同光強下采集的數(shù)據(jù)。只要光源和硬件沒有變化，這些校正系數(shù)就是有效的。

B

S

A

W

0

U

B￠

S

A￠

W

0

U

B￠￠

S

A￠￠

W

0

U

CCD器件的性能參數(shù)3.不均勻度(非均勻性)CCD成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱暗信號，即暗電流。暗電流的根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復合中心的熱激發(fā)。由于工藝過程不完善及材料不均勻等因素的影響，CCD中暗電流密度的分布是不均勻的。所以，我們通常以平均暗電流密度來表征暗電流大小。暗電流的危害有兩個方面：

(1)限制器件的低頻限當信號電荷沿著勢阱存儲與轉(zhuǎn)移時，熱激發(fā)產(chǎn)生的暗電流每時每刻地加入到信號電荷包中，不僅引起附加的散粒噪聲，而且占據(jù)愈來愈多的勢阱容量。為了減少暗電流的這種影響，應盡量縮短信號電荷的存儲與轉(zhuǎn)移時間。所以，暗電流的存在，限制了CCD驅(qū)動頻率的低頻限。

(2）引起固定圖像噪聲由于CCD光敏元處于積分工作狀態(tài)，光敏區(qū)的暗電流也與光信號電荷一樣，在各光敏元中積分，形成一個暗信號圖像，疊加到光信號圖像上，引起固定圖像噪聲，尤其是由于工藝的原因或材料的不完整造成某些缺陷，引起高密度的產(chǎn)生復合中心．出現(xiàn)個別暗電流尖峰，將使一幅清晰完整的圖像，產(chǎn)生某些“亮條”或“亮點”。CCD器件的性能參數(shù)4.暗電流CCD的光電轉(zhuǎn)換特性

靈敏度

曝光量/(Lx,Sec)

輸出信號/V

特性曲線的線性段可表示為：

器件工作時，應把工作點選在光電轉(zhuǎn)換特性曲線的線性區(qū)內(nèi)（可調(diào)整光強或積分時間來控制）。一般，宜選擇工作點接近飽和點，但最大光強又不進入飽和區(qū)，這樣可提高光電轉(zhuǎn)換精度。CCD器件的性能參數(shù)5.光電轉(zhuǎn)換特性及靈敏度（響應度）CCD器件的性能參數(shù)5.光電轉(zhuǎn)換特性及靈敏度（響應度）測量方案一：利用面陣光源、成像鏡頭，將光源放置在光路中距成像鏡頭較遠距離處，這樣光源所成的像面積小，因此可近似看作一個點光源，CCD上接收的光強的大小(正比于曝光量的大小)與到點光源距離的平方成反比。光電轉(zhuǎn)換器CCD鏡頭LED面光源a(>400mm)d10mmB85mmc光具座580mm150mmLSCCD器件的性能參數(shù)5.光電轉(zhuǎn)換特性及靈敏度（響應度）測量方案二：使激光器產(chǎn)生的激光通過一個擴束鏡，擴束之后的發(fā)散光波相當于一個點光源產(chǎn)生的光，同樣CCD上接收的光強的大小與到點光源(擴束鏡)距離的平方成反比。D約1cm5cm25cm光具座CCD器件的性能參數(shù)5.光電轉(zhuǎn)換特性及靈敏度（響應度）測量方案三：采用普通的光源(如一個普通的采用白熾燈的臺燈,或手電筒燈泡)，在距離較遠的情況下也可近似燈泡看成一個點光源，改變燈泡和CCD之間的距離進行測量。實驗1CCD光電轉(zhuǎn)換特性及響應靈敏度測量光源P1P2LCCD示波器調(diào)節(jié)P2使光功率達到最大值。換上CCD接收光信號，調(diào)節(jié)CCD與擴束鏡的距離使CCD剛好達到飽和，測量出飽和時輸出信號VO的大小；沿某一方向轉(zhuǎn)動P3，每轉(zhuǎn)動5

,測量1次VO的大小直到VO基本減小到0為止。CCD的光譜響應是指等能量相對光譜響應，最大響應值歸一化為100％所對應的波長，稱峰值波長

max，通常將10％（或更低）的響應點所對應的波長稱截止波長。有長波端的截止波長與短波端的截止波長，兩種截止波長之間所包括的波長范圍稱光譜響應范圍。TCD1206SUP光譜響應特性曲線CCD器件的性能參數(shù)6.光譜響應CCD的噪聲可歸納為三類：散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲。

(1)散粒噪聲在CCD中，無論是光注入、電注入還是熱產(chǎn)生的信號電荷包的電子數(shù)總有一定的不確定性，也就是圍繞平均值上下變化，形成噪聲。這種噪聲常被稱為散粒噪聲，它與頻率無關，是一種白噪聲。

(2)轉(zhuǎn)移噪聲轉(zhuǎn)移噪聲主要是由轉(zhuǎn)移損失及表面態(tài)俘獲引起的噪聲，這種噪聲具有積累性和相關性。積累性是指轉(zhuǎn)移噪聲是在轉(zhuǎn)移過程中逐次積累起來的，與轉(zhuǎn)移次數(shù)成正比；相關性是指相鄰電荷包的轉(zhuǎn)移噪聲是相關的，因為電荷包在轉(zhuǎn)移過程中，每當有

Q電荷轉(zhuǎn)移到下一個勢阱時，必然在原來勢阱中留下一減量

Q電荷，這份減量電荷疊加到下一個電荷包中，所以電荷包每次轉(zhuǎn)移要引進兩份噪聲。這兩份噪聲分別與前、后相鄰同期的電荷包的轉(zhuǎn)移噪聲相關，

(3)熱噪聲熱噪聲是由于固體中載流子的無規(guī)則熱運動引起的，在OK以上，無論其中有無外加電流通過，都有熱噪聲，對信號電荷注入及輸出影響最大。以上3種噪聲源獨立無關，所以CCD的總噪聲功率是它們的均方和。CCD器件的性能參數(shù)7.噪聲

分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它是指攝像器件對物像中明暗細節(jié)的分辨能力。測試時要用專門的測試卡。一般，圖象傳感器攝像機的分辨率是指當攝像機攝取等間隔排列的黑白相間條紋時，在監(jiān)視器（比攝像機的分辨率要高）上能夠看到的最多線數(shù)，當超過這一線數(shù)時，屏幕上就只能看到灰蒙蒙的一片，而不再能分辨出黑白相間的線條。因此，分辨率這一參數(shù)的正確與否尤其重要。

CCD器件的性能參數(shù)8.分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)

分辨率的表示方法雖有專門的測試卡測量而使用方便，但不客觀科學。其原因是因為：

①每個人的視覺不一樣，觀測值帶有主觀性；

②測試卡的對比度與幾何尺寸以及觀測時的照度不一樣，觀測的結(jié)果也會有不同。如當被攝圖像對比度低于30%時，觀測的分辨率值就會明顯下降；

③觀測的分辨率值是系統(tǒng)的總體特性，而不能分攤到各個部件上。

為此，目前國際上一般均采用調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）來表示分辨率。

CCD器件的性能參數(shù)8.分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)

光柵上的一黑一白線條為一“線對”，透過對應光的亮度為一暗一亮，構(gòu)成調(diào)制信號的一個周期，每毫米長度上所包含的線對數(shù)稱為空間頻率。

設調(diào)制信號最大值是Amax，最小值是Amin，則調(diào)制度定義為：

調(diào)幅波信號通過器件傳遞到輸出端后，通常調(diào)制度要受到損失而減小。一般說隨空間頻率增加，調(diào)制度的減小越來越顯著。

MTF的定義為：在各個空間頻率下，圖象傳感器的輸出信號的調(diào)制度與輸入光信號調(diào)制度的比值：

調(diào)制傳遞函數(shù)是空間頻率的函數(shù)。

MTF隨空間頻率的增高而減小。在給定的空間頻率下，整個系統(tǒng)的MTF等于系統(tǒng)各部分MTF的乘積。即

MTF總=MTF1·MTF2……MTFn

CCD器件的性能參數(shù)8.分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)CCD器件的性能參數(shù)8.分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)CCD器件的性能參數(shù)8.分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)MTF測量方法:光柵成像法CCD器件的性能參數(shù)8.分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)MTF測量方法：單縫衍射法CCD器件的性能參數(shù)8.分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)MTF測量方法：干涉法CCD器件的性能參數(shù)8.分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)成像系統(tǒng)中影響調(diào)制傳遞函數(shù)的各個環(huán)節(jié)(1)光學系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTFo；

(2)探測器的MTFd;(3)電子線路的MTFe；

(4)顯示器的MTFm；

(5)大氣擾動的MTFom；

(6)人眼MTFeye；

動態(tài)范圍是與信噪比相關的一個特性參數(shù)，它反映了器件的工作范圍。圖像傳感器的動態(tài)范圍是指輸出飽和信號與暗場噪聲信號之比值。動態(tài)范圍定義為：

等效噪聲信號指CCD正常工作條件下，無光信號時的總噪聲，等效噪聲信號可用峰峰值，也可用均方根值表示。通常CCD攝像器件光敏元的滿阱容量約106～107電子，均方根總噪聲約103電子數(shù)量級，故動態(tài)范圍在103～104數(shù)量級。

CCD器件的性能參數(shù)9.動態(tài)范圍CCD光電測量系統(tǒng)的實現(xiàn)

硬件電路由CCD器件﹑驅(qū)動器、信號預處理、A/D轉(zhuǎn)換、存儲器、單片機、串口通訊接口和電源等部分組成。

需要測量的光信號經(jīng)光學系統(tǒng)投射到CCD器件，CCD器件在驅(qū)動電路的驅(qū)動下，將光信號轉(zhuǎn)化為模擬視頻信號，模擬視頻信號通過前置放大等處理后送到A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換在驅(qū)動器的邏輯控制下將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并按幀傳送到存儲器存儲，當單片機接收到計算機需要傳輸數(shù)據(jù)的命令時，就在存儲器中讀取數(shù)據(jù)通過串口通信接口傳送到計算機進一步處理。

CCD器件

驅(qū)動器

信號預處

理

A/D

轉(zhuǎn)換

存儲器

單片機

串口通信接口

計算機

電源CCD光電測量系統(tǒng)的實現(xiàn)設計中的主要器件的選擇1.CCD器件選擇依據(jù)：光譜范圍、動態(tài)范圍、像元尺寸、像素規(guī)模、工作頻率、光電響應特性。典型器件：TCD1206、TCD2252、TCD103

CCD器件

驅(qū)動器

信號預處

理

A/D

轉(zhuǎn)換

存儲器

單片機

串口通信接口

計算機

電源CCD光電測量系統(tǒng)的實現(xiàn)型號黑白/彩色有效像元數(shù)像元尺寸（μm）典型靈敏度（V/lx·s）動態(tài)范圍輸出方式最高驅(qū)動頻率（MHz）外形尺寸長×寬（mm）生產(chǎn)廠商主要應用范圍TCD1001P黑白12832×32×3285500單路613.0×7.0TOSHIBA高速尺寸、振動測量μPD3575D黑白102414×14×14144600單路326.6×9.65NEC尺寸、振動測量TCD1200D黑白216014×14×14451700單路241.6×9.65TOSHIBA尺寸測量TCD1206SUP黑白216014×14×14451700單路241.6×9.65TOSHIBA尺寸測量TCD1208P黑白216014×14×14110750單路241.6×9.65TOSHIBA高靈敏度尺寸測量TCD1209D黑白204814×14×14312000單路2041.6×9.65TOSHIBA高速尺寸測量、動態(tài)分析TCD1251UD黑白270011×11×11353800單路441.6×9.65TOSHIBA光譜分析、尺寸測量TCD1304AP黑白3648200×8×8160300單路141.6×9.65TOSHIBA高靈敏度μPD3734A黑白266011×11×11702000單路544×9.25NEC高速尺寸測量TCD1251D黑白270011×11×11353800單路341.6×9.65TOSHIBA光譜分析、尺寸測量TCD2252D彩色27008×8×89.11600RGB三路441.6×9.65TOSHIBA尺寸測量TCD132D黑白102414×14×14121500單路241.6×9.65TOSHIBA尺寸測量TCD1500C黑白53407×7×74.83000單路853.6×9.65TOSHIBA高精度尺寸測量TCD1501D黑白50007×7×7133000單路1253.6×9.65TOSHIBA高精度尺寸測量、光譜分析TCD1702C黑白75007×7×792000奇偶雙路1066.0×10.0TOSHIBA尺寸測量TCD1703C黑白75007×7×7151660奇偶雙路2066.0×10.0TOSHIBA尺寸測量TCD2901D彩色105504×4×42.47000RGB三路552.6×9.65TOSHIBA高精度尺寸、彩色圖像掃描μPD8861彩色54005.25×5.255.822777RGB三路644×9.25NEC高精度尺寸、彩色圖像掃描設計中的主要器件的選擇2.驅(qū)動器

幾種常見的驅(qū)動方法CCD光電測量系統(tǒng)的實現(xiàn)設計中的主要器件的選擇3.AD轉(zhuǎn)換選擇依據(jù)：轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度。

4.存儲器

5.通信方式

CCD器件

驅(qū)動器

信號預處

理

A/D

轉(zhuǎn)換

存儲器

單片機

串口通信接口

計算機

電源CCD光電測量系統(tǒng)的實現(xiàn)CCD器件的應用尺寸測量角度、位移、速度測量振動測量距離測量與激光三角法光譜分析光柵制作干涉測量密立根油滴實驗自動報靶其他應用1.尺寸測量

衍射法測量微小尺寸成像法、投影法雙CCD測量法光電信號的二值化及其應用1.尺寸測量

衍射法測量微小尺寸1.尺寸測量

衍射法測量微小尺寸a顯示CCD傳感器單片機A/D驅(qū)動器激光器CCD測量楊氏彈性模量原理圖1.尺寸測量

投影法、成像法1.尺寸測量雙CCD測量法L=LT-L1-L21.尺寸測量光電信號的二值化及其應用光源待測工件成像系統(tǒng)CCD光強分布曲線二值化以后的分布曲線二值化圖1二值化在尺寸智能測量中的應用顯示

從圖像傳感器(面陣或線陣)得到的視頻信號是一個模擬信號，其中每一個像元對應的信號大小都反映了該像元上光強的大小，它可以是連續(xù)變化的。但在文字識別、圖形識別、物體尺寸、位移、速度的測量等應用中，我們關心的只是對象的輪廓或邊沿信息，比如在測量矩形工件尺寸時，我們只需要知道兩個端面所在位置就行了，這是為了便于計算機對數(shù)據(jù)進行存儲、處理和辨認，人們常常將信號二值化。光源待測工件成像系統(tǒng)CCD光強分布曲線二值化以后的分布曲線二值化圖1二值化在尺寸智能測量中的應用顯示二值化在尺寸智能測量中的應用如果能夠測出CCD上像的大小L

，則物體的實際尺寸L為：

--光學系統(tǒng)的放大倍數(shù)

值可通過對已知尺寸的標準工件測量得出，對于簡單的光學系統(tǒng)，也可通過光學成像系統(tǒng)和光路結(jié)構(gòu)中的參數(shù)進行計算得出。影響工件像邊沿質(zhì)量的因素：光學系統(tǒng)、CCD器件都有一定的調(diào)制傳遞函數(shù)；光源、工件邊沿并非都是理想的；噪聲、環(huán)境起伏、CCD窗口等因素的影響。閾值二值化處理N是二值化后值為1的像素的個數(shù)，d是單個像素所占的尺寸大小1.尺寸測量光電信號的二值化及其應用二值化的好處二值化的實現(xiàn)方法1.應用軟件二值化：即二值化是在系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)——應用軟件中完成的，這種方法是利用應用軟件確定閾值、判斷并二值化，優(yōu)點是方便靈活，缺點是在要求極高的實際應用中，軟件處理會使系統(tǒng)整體性能下降；

2.硬件二值化：視頻信號在A/D轉(zhuǎn)換前，首先通過一個比較器，與另一個可調(diào)的作為閾值的電平信號比較，如果大就輸出高電平(2.5V)，如果小就輸出低電平(0V)，這種方法速度快，但不如軟件二值化的方便。

3.利用單片機進行二值化：這種方法是在視頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換并存儲到存儲器后，利用單片機讀取存儲器中的數(shù)據(jù)并逐個與閾值比較來實現(xiàn)二值化，這種方法可以充分利用單片機的資源而不影響應用程序進行后續(xù)處理的速度，當然必須保證單片機有可以利用的資源。

使計算機可以通過簡單的運算就可得到所需要的數(shù)據(jù)，還使每次測量都保持一個統(tǒng)一的保準從而排除主觀因素的影響，最后二值化后的數(shù)據(jù)量小，在圖像識別等數(shù)據(jù)量大的情況下可以顯著減小存儲器的大小，并且更易于進一步的數(shù)據(jù)處理。1.尺寸測量光電信號的二值化及其應用閾值的選取方法：固定閾值和浮動閾值1.尺寸測量光電信號的二值化及其應用2.角度、位移、速度測量相關知識1：泰伯效應相關知識2：莫爾條紋及在測量中的應用角度測量原理與實現(xiàn)位移測量原理與實現(xiàn)速度測量原理與實現(xiàn)2.角度、位移、速度測量莫爾條紋及在測量中的應用莫爾條紋2.角度、位移、速度測量莫爾條紋及在測量中的應用莫爾條紋計量光柵2.角度、位移、速度測量莫爾條紋及在測量中的應用設光柵的節(jié)距為d，兩光柵柵線夾角為，則條紋的間隔(寬度)為：莫爾條紋的位置莫爾條紋的移動光柵位移量：q=d——長度量化的單位光柵測長原理圓光柵及測角原理角度增量：q——每條紋的角度量2.角度、位移、速度測量莫爾條紋及在測量中的應用設光柵的節(jié)距為d，兩光柵柵線夾角為，則條紋的間隔(寬度)為：光柵位移量：q=d——長度量化的單位莫爾條紋法優(yōu)點：光柵付的放大倍數(shù)：(1)位移量的放大作用(2)誤差的平均效應

光柵器件接收莫爾條紋光信號是光柵視場刻線n的綜合平均效果。若每一刻線誤差為

0時，則光電器件輸出的總誤差：2.角度、位移、速度測量莫爾條紋及在測量中的應用2.角度、位移、速度測量利用CCD進行角度測量角度測量方法：(1).利用兩個CCD實時測量角度；

(2).利用單個CCD測量角度。

(3).利用泰伯效應測量角度。(1).利用兩個CCD實時測量角度

驅(qū)動驅(qū)動hd二通道A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集計算機圖1利用兩個CCD完成角度智能檢測的系統(tǒng)框圖被測對象CCD1CCD2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)測量方法CCD1輸出信號CCD2輸出信號VO-信號強度像元位置nCCD1輸出信號CCD2輸出信號VO-信號強度像元位置n二值化閾值Vth閾值Vth閾值Vth閾值Vthn1n2n3n4圖2兩個CCD的輸出信號及二值化后的結(jié)果假設CCD像元的中心距為w，由圖易知，兩個CCD凹處中心的距離d為物體的傾角

滿足：

2.角度、位移、速度測量利用CCD進行角度測量(2).利用單個CCD測量角度

驅(qū)動驅(qū)動hd二通道A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集計算機圖1利用兩個CCD完成角度智能檢測的系統(tǒng)框圖被測對象CCD1CCD2CCD1輸出信號CCD2輸出信號VO-信號強度像元位置nCCD1輸出信號CCD2輸出信號VO-信號強度像元位置n二值化閾值Vth閾值Vth閾值Vth閾值Vthn1n2n3n4圖2兩個CCD的輸出信號及二值化后的結(jié)果假設CCD像元的中心距為w，由圖易知，兩個CCD凹處中心的距離d為物體的傾角

滿足：

2.角度、位移、速度測量利用CCD進行角度測量(3).利用泰伯效應測量角度2.角度、位移、速度測量利用CCD進行角度測量激光器光強衰減器擴束鏡準直鏡光柵1光柵2CCDA/D單片機計算機光具座可垂直升降的滑座驅(qū)動器2.角度、位移、速度測量利用CCD進行位移、速度測量激光器光強衰減器擴束鏡準直鏡