相机原理介绍

LUSTER LightVision
4.Binning技术

Binning 技术是一种将几个相邻像素合并成 一个像素的技术。
2*2 binning LUSTER LightVision
4.Binning技术

它的优点是：


将相机的信噪比提高； 将摄像的帧频提高至原来的MN倍；

缺点： 相机的分辨率降低了； 多像素合并的信号增大很多，便要求移位寄存 器具有更高的暂存能力。
5.灵敏度

1 、表示光电器件的光电转换能力。对于给定芯 片尺寸的CCD来说，其灵敏度可用单位光功率所 产生的信号电流表示，单位可以为纳安 / 勒克斯 nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯(V/Lux)、伏 /流明(V/lm)。

2 、器件所能传感的最低辐射功率（或照度）， 与探测率的意义相同。单位可用瓦（W）或勒克 斯（Lux）表示。
4、电荷包的转移
CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。
LUSTER LightVision
4、电荷包的转移
LUSTER LightVision
4、电荷包的转移

当完成对光敏元阵列的扫描后，CCD将光电荷从光敏区域转移至屏蔽 存储区域。而后，光电荷被按顺序转移至读出寄存器。
LUSTER LightVision
全帧转移CCD

利用CCD进行光电转换，同时将光电荷转移至水平移位寄存器内的CCD
光敏面积占总面积的比例很大。但需要外接shutter，以克服smear现象。
LUSTER LightVision
全帧转移CCD
LUSTER LightVision
行间转移型CCD
LUSTER LightVision
1、线阵列CCD成像器件

单沟道线型CCD
双沟道线阵CCD
转移次数多、效率低、调制传递函数 MTF较差，只适用于像敏单元较少的 成像器件。
Baidu Nhomakorabea
转移次数少一半，它的总转移效率大大提 高，故一般高于256位的线阵CCD都为双 沟道的。
LUSTER LightVision
1、线阵列CCD成像器件

TDI CCD

TDI（Time Delay and Integration）是一种扫描方式，是基于对同 一物体的多次曝光累加的概念发展而来的。TDI CCD比常规扫描 方式具有更高的灵敏度和信噪比。
LUSTER LightVision
2、面阵CCD
按一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及移 位寄存器排列成二维阵列，即可以构成二维面 阵CCD。
3.Si-SiO2界面引起的暗电流
LUSTER LightVision
3.光谱响应
CCD的光谱响应是指CCD对于不同波长光线的响应能力。现在固 件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为 0.4～1.15μ m左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利， 峰值波长为0.65～0.9μ m左右。
LUSTER LightVision
二、CCD成像器件
通常实用CCD成像器件都是在一块硅片 上同时制作出光电二极管阵列和CCD移位寄 存器两部分。光电二极管阵列专门用来完成 光电变换和光积分， CCD移位寄存器专门 用来完成光生电荷转移。 根据光敏像素的排列方式，CCD成像器 件分为线阵列和面阵列两大类。
个势阱时电荷包的电量为Q1，则转移效率η定义为
η=Q1/Q0 ε表示残留于原势阱中的电量与原电量之比，故 ε=1-η
LUSTER LightVision
2.暗电流

暗电流是大多数成像器件所共有的特性，是判断一个摄像器件好 坏的重要标准。

产生暗电流的主要原因是：
1.耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁 2.少数载流子在中性体内的扩散


根据转移方式不同，面阵CCD通常有帧转移、 全帧转移、行间转移等转移方式。
LUSTER LightVision
帧转移面阵CCD

帧转移面阵CCD的特点是结构简单，光敏单元的尺寸较小，模传递函数MTF
较高，但光敏面积占总面积的比例小。转移速度较快。
LUSTER LightVision
帧转移面阵CCD
1、转移效率与损耗率
2、暗电流
3、光谱响应
4、动态范围 5、灵敏度
LUSTER LightVision
1.转移效率η与损耗率ε
电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，不是立即的和全部的， 而是有一个过程。为了描述电荷包转移的不完全性，引入转移效率的概 念。在一定的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为Q0，转移到下一

LUSTER LightVision
1、 CCD的单元结构
CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导 体组成的电容器，简称MOS结构。
CCD单元与线阵列结构的示意图 a) CCD单元 b) CCD线阵列
LUSTER LightVision
2、光电荷的产生
QIP qneo ATC
式中：η为材料的量子效率；q为电子电荷量；Δneo为入射光的光子流速 率：A为光敏单元的受光面积；T C为光注人时间。
LUSTER LightVision
4.动态范围

CCD图像传感器的动态范围由满阱容量和噪声之比决定，它反映了 器件的工作范围。

满阱容量（"Full-well" capacity）
CCD的满阱容量是指单个CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量。它 取决于CCD的电极面积、器件结构、时钟驱动方式及驱动脉冲电压 的幅度等因素
LUSTER LightVision
3、电荷包的储存
因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。但是，当有 电荷包注入时，势阱深度将随之变浅，因为它始终要保持极板上的正电荷总 量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和。每个极板下的势阱中所能储存 的最大信息电荷量Q为 Q＝CoxUG
LUSTER LightVision
一、CCD基本原理 二、CCD成像器件 三、CCD成像器件的特性参数 四、成像系统中的常用技术
蔡锐
CCD基本原理与成像系统中的新技术
一、CCD的基本原理
二、CCD成像器件 三、CCD成像器件的特性参数 四、成像系统中的新技术
LUSTER LightVision
一、CCD基本原理

CCD的突出特点是以电荷作为信号，而 其他大多数器件是以电流或者电压为信 号。 CCD的基本功能是信号电荷的产生、存 储、传输和检测
6.多模式输出特性

现代CCD相机，特别是 CMOS相机，具有多种输 出模式，以适应不同的使 用要求。
线性模式 双斜率模式 对数模式 γ 校正模式
式中v是输出信号电压，E是 输入光强，K 是常数，而γ是 校正因子。


LUSTER LightVision
谢谢!
LUSTER LightVision
LUSTER LightVision
5.抗光晕（Anti-Blooming）技术
LUSTER LightVision
5.抗光晕（Anti-Blooming）技术

缩短曝光时间 时钟抗晕 溢出沟道

溢出门
LUSTER LightVision
5.抗光晕（Anti-Blooming）技术
LUSTER LightVision

它的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出寄存 器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转移控制栅。 每一像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器单元。读出寄存 器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。
LUSTER LightVision
行间转移型CCD
LUSTER LightVision
三、CCD成像器件的特性参数
LUSTER LightVision
四、成像系统中的常用技术
1、非均匀性校正技术
2、数字变焦技术
3、白平衡技术 4、 Binning技术 5、抗光晕技术 6、多模式输出
LUSTER LightVision
1.非均匀性校正技术
在CMOS成像器件中，各像敏单元的偏置电压是不均匀的，可以 在芯片中设置非均匀性校正电路进行校正。
在CCD中有以下几种噪声源：
1） 由于电荷注入器件时由电荷量的起伏引起的噪声； 2） 电荷转移过程中，电荷量的变化引起的噪声；
3） 检测电荷时，对检测二极管进行复位时所产生的检测噪声等。
动态范围的数值可以用输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压 之比表示，单位为dB。
LUSTER LightVision
LUSTER LightVision
2.数字变焦技术
LUSTER LightVision
3.白平衡技术

物体颜色会因投射光线颜色产生改变，在不同光 线的场合下拍摄出的照片会有不同的色温。一般 来说，ccd没有办法像人眼一样会自动修正光线 的改变。所以通过白平衡的修正，它会按目前画 像中图像特质，立即调整整个图像红绿蓝三色的 强度，以修正外部光线所造成的误差。