光電成像系統(tǒng)

光電成像系統(tǒng)1第一頁，共七十四頁，2022年，8月28日

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(hào)源)傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)(信號(hào)分析器)光電攝像器件(信號(hào)變換器)顯示器人眼光源光信號(hào)光信號(hào)光信號(hào)信號(hào)信號(hào)背景噪聲背景噪聲噪聲噪聲第二頁，共七十四頁，2022年，8月28日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(dǎo)體)電容器電荷耦合器件（CCD）與其他器件相比，最突出的特點(diǎn)是以電荷為信號(hào)。CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移，CCD的工作過程就是電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)的過程。演示第三頁，共七十四頁，2022年，8月28日1.電荷耦合器件的基本原理(1)電荷產(chǎn)生光輻射第四頁，共七十四頁，2022年，8月28日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(chǔ)電荷。

表面勢(shì)

耗盡層

開啟電壓

深度耗盡狀態(tài)(2)電荷存儲(chǔ)第五頁，共七十四頁，2022年，8月28日表面勢(shì)勢(shì)阱1.電荷耦合器件的基本原理(2)電荷存儲(chǔ)第六頁，共七十四頁，2022年，8月28日

勢(shì)阱的功能：存儲(chǔ)信號(hào)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(chǔ)電荷。演示1.電荷耦合器件的基本原理(2)電荷存儲(chǔ)第七頁，共七十四頁，2022年，8月28日典型的三相CCD結(jié)構(gòu),三相CCD是由每三個(gè)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(gè)柵的柵電極連接到同一驅(qū)動(dòng)信號(hào)上，亦稱時(shí)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(shí)鐘脈沖的波形1.電荷耦合器件的基本原理第八頁，共七十四頁，2022年，8月28日在t1時(shí)刻，1高電位，2、3低電位。此時(shí)1電極下的表面勢(shì)最大，勢(shì)阱最深。假設(shè)此時(shí)己有信號(hào)電荷（電子）注入．則電荷就被存儲(chǔ)在1電極下的勢(shì)阱中。(3)電荷轉(zhuǎn)移在t2時(shí)刻……在t3時(shí)刻……在t4時(shí)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第九頁，共七十四頁，2022年，8月28日?qǐng)D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(shì)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(shí)鐘波形電荷包的轉(zhuǎn)移過程在t1時(shí)刻……在t2時(shí)刻……在t3時(shí)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第十頁，共七十四頁，2022年，8月28日電荷輸出結(jié)構(gòu)有多種形式，如“電流輸出”結(jié)構(gòu)、“浮置擴(kuò)散輸出”結(jié)構(gòu)及“浮置柵輸出”結(jié)構(gòu)。其中“浮置擴(kuò)散輸出”結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣泛。

“浮置擴(kuò)散輸出”原理結(jié)構(gòu):輸出結(jié)構(gòu)包括輸出柵OG、浮置擴(kuò)散區(qū)FD、復(fù)位柵R、復(fù)位漏RD以及輸出場(chǎng)效應(yīng)管T等。所謂“浮置擴(kuò)散”’是指在p型硅襯底表面用V族雜質(zhì)擴(kuò)散形成小塊的n區(qū)域，當(dāng)擴(kuò)散區(qū)不被偏置，即處于浮置狀態(tài)工作時(shí)，稱作“浮置擴(kuò)散區(qū)”。(4)電荷檢測(cè)1.電荷耦合器件的基本原理第十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日t1時(shí)刻t2時(shí)刻t3時(shí)刻t4時(shí)刻t5時(shí)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(cè)第十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日2.電荷耦合攝像器件的工作原理將CCD電荷存儲(chǔ)、電荷轉(zhuǎn)移的概念與半導(dǎo)體的光電性質(zhì)相結(jié)合，導(dǎo)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?？梢姽釩CD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD第十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日(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(hào)電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉時(shí)，光敏單元?jiǎng)葳迨占庑盘?hào)電荷，經(jīng)過一定的積分時(shí)間，形成與空間分布的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的信號(hào)電荷圖形。積分周期結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移柵打開，各光敏單元收集的信號(hào)電荷并行地轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器SR的響應(yīng)單元內(nèi)。轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開始對(duì)下一行圖像信號(hào)進(jìn)行積分。而已轉(zhuǎn)移到移位寄存器的上一行信號(hào)電荷，通過移位寄存器串行輸出，如此重復(fù)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第十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日線陣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(hào)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(fù)信號(hào)電荷的原有順序。這種方案的優(yōu)點(diǎn)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第十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日(1)線陣CCD2.電荷耦合攝像器件的工作原理第十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日

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(hào)輸出緩沖級(jí)補(bǔ)償輸出緩沖級(jí)2122361921OSDOSODF1F2SHSS第十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日(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(dāng)于將若干個(gè)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(shè)置一條水平CCD，水平CCD的每一位與垂直列CCD一一對(duì)應(yīng)、相互銜接。在器件工作時(shí)，每當(dāng)水平CCD驅(qū)動(dòng)一行信息讀完，就進(jìn)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(hào)電荷，然后，水平CCD又開始新的一行信號(hào)讀出，以此循環(huán)，直至將整個(gè)一場(chǎng)信號(hào)讀完，進(jìn)入場(chǎng)消隱。在場(chǎng)消隱期間，又將新的一場(chǎng)光信號(hào)電荷從光敏區(qū)轉(zhuǎn)移到各自對(duì)應(yīng)的垂直CCD中。然后，又開始新一場(chǎng)信號(hào)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第十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日

幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)由三部對(duì)組成；光敏區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)、水平讀出區(qū)。這三部分都是CCD結(jié)構(gòu)，在存儲(chǔ)區(qū)及水平區(qū)上面均由鋁層涵蓋，以實(shí)現(xiàn)光屏蔽；光敏區(qū)與存儲(chǔ)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(chǔ)區(qū)，當(dāng)光積分時(shí)間到后．時(shí)鐘A與B均以同一速度快速驅(qū)動(dòng)．將光敏區(qū)的一場(chǎng)信息轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)。然后，光敏區(qū)重新開始另一場(chǎng)的積分；時(shí)鐘A停止驅(qū)動(dòng)，一相停在高電平，另一相停在低電平。同時(shí)，轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)的光信號(hào)逐行向水平CCD轉(zhuǎn)移，再由水平CCD快速讀出。光信號(hào)由存儲(chǔ)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第十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日(3)彩色CCD為了形成彩色信號(hào)，彩色CCD攝像機(jī)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(zhǎng)同相位，這些光被相加輸出；另一些波長(zhǎng)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第二十頁，共七十四頁，2022年，8月28日為了形成彩色信號(hào)，彩色CCD攝像機(jī)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(lán)（B）三基色。然后由配置在后面的CCD器件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。三片式CCD成像質(zhì)量好，主要用于電視臺(tái)等高質(zhì)量的攝像機(jī)。

演示(3)彩色CCD2.電荷耦合攝像器件的工作原理三片式CCD第二十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日單片式CCD彩色攝像機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格較低，是目前工業(yè)、家用攝像機(jī)中占統(tǒng)治地位的彩色攝像機(jī)。單片式彩色CCD的關(guān)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(hào)占了一半，而紅藍(lán)色單元?jiǎng)t占另一半，在這種方式中亮度信號(hào)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(chǎng)只能取出R、G信號(hào)，而偶數(shù)場(chǎng)只能取出G、B信號(hào)，因此重現(xiàn)的彩色圖像會(huì)引起紅、藍(lán)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(lán)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第二十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日成像轉(zhuǎn)換過程有四個(gè)方面的問題需要研究：能量方面——物體、光學(xué)系統(tǒng)和接收器的光度學(xué)、輻射度學(xué)性質(zhì)，解決能否探測(cè)到目標(biāo)的問題成像特性——能分辨的光信號(hào)在空間方面的細(xì)致程度，對(duì)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(hào)不穩(wěn)定的程度或可靠性信息傳遞速率方面

光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心第二十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日光電成像器件的發(fā)展近年來，利用光電成像器件構(gòu)成圖像傳感器進(jìn)行光學(xué)圖像處理與圖像測(cè)量已成為現(xiàn)代光學(xué)儀器、現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的重要發(fā)展方向。它廣泛應(yīng)用于遙感、遙測(cè)技術(shù)、圖形圖像測(cè)量技術(shù)和監(jiān)控工程等，成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。1934年研制出光電像管，應(yīng)用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。它的靈敏度相當(dāng)?shù)?，要達(dá)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(yīng)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(chǎng)。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(chǎng)合和彩色應(yīng)用。1965年，氧化鉛管成功代替正析攝像管，廣泛應(yīng)用于彩色電視攝像機(jī)。它使彩色電視廣播攝像機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(jìn)入了一個(gè)新的階段——CCD固體攝像器件的發(fā)展階段。第二十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日光電成像器件的發(fā)展近年來，利用光電成像器件構(gòu)成圖像傳感器進(jìn)行光學(xué)圖像處理與圖像測(cè)量已成為現(xiàn)代光學(xué)儀器、現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的重要發(fā)展方向。它廣泛應(yīng)用于遙感、遙測(cè)技術(shù)、圖形圖像測(cè)量技術(shù)和監(jiān)控工程等，成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。1934年研制出光電像管，應(yīng)用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。它的靈敏度相當(dāng)?shù)停_(dá)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(yīng)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(chǎng)。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(chǎng)合和彩色應(yīng)用。1965年，氧化鉛管成功代替正析攝像管，廣泛應(yīng)用于彩色電視攝像機(jī)。它使彩色電視廣播攝像機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(jìn)入了一個(gè)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(tái)燈60cm桌面為300LUX；電視臺(tái)演播室為1000LUX；黃昏室內(nèi)為10LUX；夜間路燈為0.1LUX；燭光（20cm遠(yuǎn)處）10～15LUX。第二十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日攝像器件分類：內(nèi)光電導(dǎo)效應(yīng)型外光電效應(yīng)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(zhǎng)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(yīng)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。第二十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)移效率是指電荷包在進(jìn)行每一次轉(zhuǎn)移中的效率，即電荷包從一個(gè)柵轉(zhuǎn)移到下一個(gè)柵時(shí)，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(gè)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(hào)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(dāng)=0.999時(shí)，總效率不到0.13，所以，一定的值，限定了器件的最長(zhǎng)位數(shù)。在達(dá)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)第二十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日信號(hào)電荷從一個(gè)電極到另一個(gè)電極的轉(zhuǎn)移時(shí)間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命i，對(duì)三相CCD，2.驅(qū)動(dòng)頻率和積分時(shí)間CCD器件的性能參數(shù)驅(qū)動(dòng)頻率指加在CCD移位寄存器轉(zhuǎn)移柵上的驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率；驅(qū)動(dòng)頻率下限、載流子平均壽命、工作溫度的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)頻率下限第二十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日T應(yīng)大于電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的固有時(shí)間g，即CCD器件的性能參數(shù)g與載流子遷移率、電極長(zhǎng)度、襯底雜質(zhì)的濃度和溫度等因素有關(guān)。驅(qū)動(dòng)頻率上限P溝道CCD三相多晶硅N溝道CCD2.驅(qū)動(dòng)頻率和積分時(shí)間第二十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日CCD器件的性能參數(shù)積分時(shí)間2.驅(qū)動(dòng)頻率和積分時(shí)間第三十頁，共七十四頁，2022年，8月28日非均勻性定義: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(gè)像元絕對(duì)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(hào)幅度不同，這就是所謂的陣列器件響應(yīng)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(xué)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(yīng)特性不一致。這種不一致是由制造過程中的隨機(jī)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(cè)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(dǎo)致襯底溫度的變化，從而使非均勻性進(jìn)一步隨環(huán)境溫度而迅速變化。CCD器件的性能參數(shù)第三十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日CCD的不均勻度用光敏元響應(yīng)的均方根偏差對(duì)平均響應(yīng)的比值表示。式中，Von為第n個(gè)光敏元原始響應(yīng)的等效電壓，為平均原始響應(yīng)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(hào)Vn與它所對(duì)應(yīng)的光敏元的原始響應(yīng)Von并不相等。根據(jù)總損失公式，在測(cè)得Vn后，可求出VonCCD器件的性能參數(shù)3.不均勻度(非均勻性)第三十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日理想情況下，平行光源照射下采集的圖形就應(yīng)該是一條直線，但實(shí)際上并非如此，有些地方有很大的起伏。進(jìn)行系統(tǒng)校正的目標(biāo)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。CCD器件的性能參數(shù)3.不均勻度(非均勻性)objobj實(shí)時(shí)校正后目標(biāo)探測(cè)效果圖第三十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日校正方法：一點(diǎn)校正法，兩點(diǎn)校正法，三點(diǎn)校正法。

兩點(diǎn)校正法基本原理：將采集到的每一個(gè)原始數(shù)據(jù)乘上一個(gè)比例因子，再加上一個(gè)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(diǎn)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(qiáng)下分別采集數(shù)據(jù)，得到兩種光強(qiáng)下的各像元信號(hào)大小及平均值。分別用y1和y2表示這兩組信號(hào)大小。(2)計(jì)算k=（y2-y1）/（x2-x1），b=y1-k*x1。(3)計(jì)算校正系數(shù)；(4)用校正系數(shù)來校正不同光強(qiáng)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

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CCD器件的性能參數(shù)3.不均勻度(非均勻性)第三十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日CCD成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號(hào)稱暗信號(hào)，即暗電流。暗電流的根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)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(gè)方面：(1)限制器件的低頻限當(dāng)信號(hào)電荷沿著勢(shì)阱存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移時(shí)，熱激發(fā)產(chǎn)生的暗電流每時(shí)每刻地加入到信號(hào)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(shì)阱容量。為了減少暗電流的這種影響，應(yīng)盡量縮短信號(hào)電荷的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移時(shí)間。所以，暗電流的存在，限制了CCD驅(qū)動(dòng)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(hào)電荷一樣，在各光敏元中積分，形成一個(gè)暗信號(hào)圖像，疊加到光信號(hào)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(fù)合中心．出現(xiàn)個(gè)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(diǎn)”。CCD器件的性能參數(shù)4.暗電流第三十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日CCD的光電轉(zhuǎn)換特性

靈敏度

曝光量/(Lx,Sec)

輸出信號(hào)/V

特性曲線的線性段可表示為：器件工作時(shí)，應(yīng)把工作點(diǎn)選在光電轉(zhuǎn)換特性曲線的線性區(qū)內(nèi)（可調(diào)整光強(qiáng)或積分時(shí)間來控制）。一般，宜選擇工作點(diǎn)接近飽和點(diǎn)，但最大光強(qiáng)又不進(jìn)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(yīng)度）第三十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日CCD的光譜響應(yīng)是指等能量相對(duì)光譜響應(yīng)，最大響應(yīng)值歸一化為100％所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，稱峰值波長(zhǎng)max，通常將10％（或更低）的響應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱截止波長(zhǎng)。有長(zhǎng)波端的截止波長(zhǎng)與短波端的截止波長(zhǎng)，兩種截止波長(zhǎng)之間所包括的波長(zhǎng)范圍稱光譜響應(yīng)范圍。TCD1206SUP光譜響應(yīng)特性曲線CCD器件的性能參數(shù)6.光譜響應(yīng)第三十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日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(hào)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(guān)，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(guān)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(guān)性是指相鄰電荷包的轉(zhuǎn)移噪聲是相關(guān)的，因?yàn)殡姾砂谵D(zhuǎn)移過程中，每當(dāng)有Q電荷轉(zhuǎn)移到下一個(gè)勢(shì)阱時(shí)，必然在原來勢(shì)阱中留下一減量Q電荷，這份減量電荷疊加到下一個(gè)電荷包中，所以電荷包每次轉(zhuǎn)移要引進(jìn)兩份噪聲。這兩份噪聲分別與前、后相鄰?fù)诘碾姾砂霓D(zhuǎn)移噪聲相關(guān)，(3)熱噪聲熱噪聲是由于固體中載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)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(duì)信號(hào)電荷注入及輸出影響最大。以上3種噪聲源獨(dú)立無關(guān)，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.噪聲第三十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日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(duì)物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。測(cè)試時(shí)要用專門的測(cè)試卡。一般，圖象傳感器攝像機(jī)的分辨率是指當(dāng)攝像機(jī)攝取等間隔排列的黑白相間條紋時(shí)，在監(jiān)視器（比攝像機(jī)的分辨率要高）上能夠看到的最多線數(shù)，當(dāng)超過這一線數(shù)時(shí)，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)第三十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日分辨率的表示方法雖有專門的測(cè)試卡測(cè)量而使用方便，但不客觀科學(xué)。其原因是因?yàn)椋?/p>

①每個(gè)人的視覺不一樣，觀測(cè)值帶有主觀性；

②測(cè)試卡的對(duì)比度與幾何尺寸以及觀測(cè)時(shí)的照度不一樣，觀測(cè)的結(jié)果也會(huì)有不同。如當(dāng)被攝圖像對(duì)比度低于30%時(shí)，觀測(cè)的分辨率值就會(huì)明顯下降；

③觀測(cè)的分辨率值是系統(tǒng)的總體特性，而不能分?jǐn)偟礁鱾€(gè)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)第四十頁，共七十四頁，2022年，8月28日第四十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日光柵上的一黑一白線條為一“線對(duì)”，透過對(duì)應(yīng)光的亮度為一暗一亮，構(gòu)成調(diào)制信號(hào)的一個(gè)周期，每毫米長(zhǎng)度上所包含的線對(duì)數(shù)稱為空間頻率。設(shè)調(diào)制信號(hào)最大值是Amax，最小值是Amin，則調(diào)制度定義為：調(diào)幅波信號(hào)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(gè)空間頻率下，圖象傳感器的輸出信號(hào)的調(diào)制度與輸入光信號(hào)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(gè)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)第四十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日CCD器件的性能參數(shù)8.分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)第四十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日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(gè)環(huán)節(jié)(1)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTFo；(2)探測(cè)器的MTFd;(3)電子線路的MTFe；(4)顯示器的MTFm；(5)大氣擾動(dòng)的MTFom；(6)人眼MTFeye；第四十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日動(dòng)態(tài)范圍是與信噪比相關(guān)的一個(gè)特性參數(shù)，它反映了器件的工作范圍。圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍是指輸出飽和信號(hào)與暗場(chǎng)噪聲信號(hào)之比值。動(dòng)態(tài)范圍定義為：等效噪聲信號(hào)指CCD正常工作條件下，無光信號(hào)時(shí)的總噪聲，等效噪聲信號(hào)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(jí)，故動(dòng)態(tài)范圍在103～104數(shù)量級(jí)。

CCD器件的性能參數(shù)9.動(dòng)態(tài)范圍第四十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日型號(hào)黑白/彩色有效像元數(shù)像元尺寸（μm）典型靈敏度（V/lx·s）動(dòng)態(tài)范圍輸出方式最高驅(qū)動(dòng)頻率（MHz）外形尺寸長(zhǎng)×寬（mm）生產(chǎn)廠商主要應(yīng)用范圍TCD1001P黑白12832×32×3285500單路613.0×7.0TOSHIBA高速尺寸、振動(dòng)測(cè)量μPD3575D黑白102414×14×14144600單路326.6×9.65NEC尺寸、振動(dòng)測(cè)量TCD1200D黑白216014×14×14451700單路241.6×9.65TOSHIBA尺寸測(cè)量TCD1206SUP黑白216014×14×14451700單路241.6×9.65TOSHIBA尺寸測(cè)量TCD1208P黑白216014×14×14110750單路241.6×9.65TOSHIBA高靈敏度尺寸測(cè)量TCD1209D黑白204814×14×14312000單路2041.6×9.65TOSHIBA高速尺寸測(cè)量、動(dòng)態(tài)分析TCD1251UD黑白270011×11×11353800單路441.6×9.65TOSHIBA光譜分析、尺寸測(cè)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(cè)量TCD1251D黑白270011×11×11353800單路341.6×9.65TOSHIBA光譜分析、尺寸測(cè)量TCD2252D彩色27008×8×89.11600RGB三路441.6×9.65TOSHIBA尺寸測(cè)量TCD132D黑白102414×14×14121500單路241.6×9.65TOSHIBA尺寸測(cè)量TCD1500C黑白53407×7×74.83000單路853.6×9.65TOSHIBA高精度尺寸測(cè)量TCD1501D黑白50007×7×7133000單路1253.6×9.65TOSHIBA高精度尺寸測(cè)量、光譜分析TCD1702C黑白75007×7×792000奇偶雙路1066.0×10.0TOSHIBA尺寸測(cè)量TCD1703C黑白75007×7×7151660奇偶雙路2066.0×10.0TOSHIBA尺寸測(cè)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、彩色圖像掃描第四十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日CCD器件的應(yīng)用尺寸測(cè)量角度、位移、速度測(cè)量振動(dòng)測(cè)量距離測(cè)量與激光三角法光譜分析光柵制作干涉測(cè)量密立根油滴實(shí)驗(yàn)自動(dòng)報(bào)靶其他應(yīng)用第四十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日1.尺寸測(cè)量衍射法測(cè)量微小尺寸成像法、投影法雙CCD測(cè)量法光電信號(hào)的二值化及其應(yīng)用第四十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日1.尺寸測(cè)量衍射法測(cè)量微小尺寸第四十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日1.尺寸測(cè)量衍射法測(cè)量微小尺寸a顯示CCD傳感器單片機(jī)A/D驅(qū)動(dòng)器激光器CCD測(cè)量楊氏彈性模量原理圖第五十頁，共七十四頁，2022年，8月28日1.尺寸測(cè)量投影法、成像法第五十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日1.尺寸測(cè)量雙CCD測(cè)量法L=LT-L1-L2第五十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日1.尺寸測(cè)量光電信號(hào)的二值化及其應(yīng)用光源待測(cè)工件成像系統(tǒng)CCD光強(qiáng)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(cè)量中的應(yīng)用顯示從圖像傳感器(面陣或線陣)得到的視頻信號(hào)是一個(gè)模擬信號(hào)，其中每一個(gè)像元對(duì)應(yīng)的信號(hào)大小都反映了該像元上光強(qiáng)的大小，它可以是連續(xù)變化的。但在文字識(shí)別、圖形識(shí)別、物體尺寸、位移、速度的測(cè)量等應(yīng)用中，我們關(guān)心的只是對(duì)象的輪廓或邊沿信息，比如在測(cè)量矩形工件尺寸時(shí)，我們只需要知道兩個(gè)端面所在位置就行了，這是為了便于計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和辨認(rèn)，人們常常將信號(hào)二值化,二值化后的數(shù)據(jù)量很小。第五十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日閾值的選取方法：固定閾值和浮動(dòng)閾值1.尺寸測(cè)量光電信號(hào)的二值化及其應(yīng)用閾值二值化處理第五十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日2.角度、位移、速度測(cè)量相關(guān)知識(shí)1：泰伯效應(yīng)相關(guān)知識(shí)2：莫爾條紋及在測(cè)量中的應(yīng)用角度測(cè)量原理與實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量原理與實(shí)現(xiàn)速度測(cè)量原理與實(shí)現(xiàn)第五十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日2.角度、位移、速度測(cè)量莫爾條紋及在測(cè)量中的應(yīng)用莫爾條紋第五十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日設(shè)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(zhǎng)度量化的單位莫爾條紋法優(yōu)點(diǎn)：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(yīng)光柵器件接收莫爾條紋光信號(hào)是光柵視場(chǎng)刻線n的綜合平均效果。若每一刻線誤差為0時(shí)，則光電器件輸出的總誤差：2.角度、位移、速度測(cè)量莫爾條紋及在測(cè)量中的應(yīng)用第五十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日2.角度、位移、速度測(cè)量激光干涉測(cè)位移的結(jié)構(gòu)和原理光電接收器上光強(qiáng)度的變化規(guī)律：被測(cè)位移量：條紋方向的檢取激光干涉測(cè)位移在傅里葉變換光譜儀中的應(yīng)用第五十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日3.振動(dòng)測(cè)量光源振動(dòng)物體成像系統(tǒng)CCD數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)圖1實(shí)驗(yàn)光路的布置與系統(tǒng)的連接A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)CCD1輸出信號(hào)VO-信號(hào)強(qiáng)度像元位置nCCD1輸出信號(hào)VO-信號(hào)強(qiáng)度像元位置n二值化閾值Vthn1n2圖2CCD輸出信號(hào)及二值化結(jié)果n0中間位置閾值Vth系統(tǒng)結(jié)構(gòu)測(cè)量方法第五十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日振動(dòng)周期振動(dòng)振幅振動(dòng)頻率3.振