开发部门生技三课开发者娄宏刚 适用对象设备维护担当开发日期2007/08/20 教材类别专门教育修正日期首次发行 教材编号WI-SJ3-23- 1(7)版本A先鋒高科技（東莞）有限公司PIONEER TECHNOLOGY DONGGUAN CO.,LTD.（PTD） CCD 基础教育资料目 录一、成像系统的组成二、CCD的发展史三、CCD的概念及工作原理四、CCD的种类五、CCD的各种指标六、CCD的其他相关内容成像系统组成成像系统组成LaserSampleScan headFilter PMTUV/white epi illuminationUV/white transilluminationSampleCCD CameraLensFiltersUV/white epiillumination 1934年研制出光电像管，应用于时内外的广播 电视摄像。它的灵敏度相当低，要达到现在图像 信噪比的要求，需要不低于10000 lx的照度，这 是它的应用范围受到很大限制。 1947年超正析摄像管面世，使最低照度降至 2000 lx。 1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成本 低，体积小，灵敏度和分辨率都较高，但不是适 用于高速场合和彩色应用。发展史发展史 1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应 用于彩色电视摄像机。它使彩色电视广播摄像 机的发展产生了一个飞跃。 1976年前后，又相继出现灵敏度更高，成本更低 的硒像管和硅靶管。 1970年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器件（ CCD）原理，从此光电成像器件的发展进入了一 个新的阶段CCD固体摄像器件的发展阶段 。CCD CCD 概念概念 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. CCDCCD结构及工作原理结构及工作原理 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CCDCCD结构及工作原理结构及工作原理 CCD工作原理隔行传输式（Interline Transfer） -感光元件产生电信号 -电荷转移到并行寄存器 -电荷从并行寄存器转移到串行寄存器 -串行寄存器将电信号转到模拟寄存器 -放大、数摸转换、数字信息v快速-暴光和数据读出可同时进行 v可采用软件控制的电子快门工作 动态范围小CCD CCD 种类种类- -传输方式传输方式全帧（Full Frame） -感光元件产生电信号 -电荷转移到串行寄存器 -放大、数摸转换、数字信息v动态范围宽 v信噪比高 v分辨率高 成像速度慢 必须借助机械快门控制暴光量CCD CCD 种类种类- -传输方式传输方式全转（Full Fransfer） -综合Full Frame和Interline Transfer特点，在器件上划分感光 区和寄存区 -暴光和数据转移可以同时进行v保证单位像素上的感光面积 v保证了拍摄速度CCD CCD 种类种类- -传输方式传输方式CCDCCD种类种类- -采光方式采光方式前照式: 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%CCDCCD种类种类- -控温方式控温方式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曝光超过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CCDCCD量子效率量子效率 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CCDCCD像素指标像素指标- -填充因子填充因子填充因子（ 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CCDCCD像素指标像素指标- -井深井深井深（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CCDCCD数字化数字化数字化（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 据一致动力学范围动力学范围Bit Dep thExpressio nGrayscale sExpressionOrders of Magnitude828256Log 2562.4102101024Log 10243122124096Log 40963.61421416384Log 163844.21621665536Log 655364.8CCDCCD像素合并像素合并像素合并（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）CCDCCD系统增益系统增益系统增益（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CCDCCD系统读出噪音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CCDCCD暗电流暗电流暗电流（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CCDCCD系统信噪比系统信噪比信噪比（ Signal to Noise Ratio ）-衡量信号及噪音的关系-表征检测的限度（灵敏度）噪音常常表现在电子元件 传输或接收信号的时候CCDCCD平场校正平场校正 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传感器输出误差方式：-固定图案噪音（FPN，Fixed Pattern Noise）-图像不均一响应（PRNU，Photo Response Non Uniformity）超级超级CCDCCD超级CCD（Supper CCD）-几何形状的改变，增加光电二极管 的面积，像素利用率提高33%-更接近Micro lens形状，提高有效 面积增加光吸收率-排列结构更适合人眼对分辨率的要 求（分辨率提高60%）CMOSCMOS互补金属氧化物半导体（ CMOS， Complementary Metal Oxide Semiconductor）-核心元件：感光二极管（ Photodiode）-同一像点当中包含放大器和 数模转换电路（一个感光二 极管和三颗晶体管）-开口率底（开口率：有效感 光区与整个感光元件面积比 值）-灵敏度底、噪声明显-数模转换无法保证严格一致CCD vs. CMOSCCD vs. CMOSCCDCCD接口接口接口（Camera Interface）-Camera Link：在Channel Link基础上开发可进行 高速数据传输-FireWire 及 IEEE 1394：苹果电脑公司开发，最 初用于电脑外部设备的连接-USB：高速、热插拔接口，最初用在电脑外部 设备的连接-Gigabit Ethernet：高速网络协议允许数据在网络 中传输，该接口技术目前正在发展当中CCDCCD接口接口C-MountF-Mount(Gel Doc, ChemiDoc, ChemiDoc XRS)(VersaDoc)AdvantagesDisadvantagesAdvantagesDisadvantagesLower f/stop availableFaster imagingLess expensiveIncrease perceived sensitivityAs f/stop decreases, spherical aberrations increase Few spherical aberrations Optically superiorMore expensive Lower the f/stop = greater expense CCDCCD执行标准执行标准CCD执行标准 CCIR（Consultative Committee for International Radio欧 洲标准 RS170（EIA）-美洲标 准ENDEND 谢谢大家谢谢大家！