CCD圖像採集

CCD圖像採集是指利用CCD圖像感測器對圖像信息進行採集。完整的CCD圖像採集系統主要由以下幾個部分組成：前端光學系統，CCD圖像採集模組，模數轉換模組，FPGA預處理模組，Flash程式存儲模組，DSP圖像處理模組，SDRAM數據存儲模組，圖像顯示模組，和後端PC機。

基本介紹

• 中文名：CCD圖像採集
• 外文名：CCD Image Acquiring
• 套用領域：天文、遙感、軍事、化工等
• 組成：CCD圖像採集模組等
• 新技術：非均勻性校正技術等
• 類別：控制科學與工程

現狀及發展

從上世紀70年代至今，CCD圖像感測器經過近30年多的發展，在技術和製造工藝上已經成熟並實現了商品化。CCD圖像感測器從最初簡單的8像元移位暫存器發展至今，己具有數百萬至上千萬像元。由於CCD圖像感測器具有很大的潛在市場和廣闊的套用前景，通過國內外專家和公司的不懈努力，CCD圖像感測器的研究套用取得了令人矚目的成果。從1993年德州儀器公司報導1024 X 1024像元虛相CCD開始，CCD像元數己從100萬像元提高到2000萬像元以上。福特空間公司還推出了2048 X 2048,4096 X 4096像元幀轉移CCD。在攝像機方面，日電公司製成了4096 X 5200像元的超高解析度CCD數字攝像機，解析度高達1000 X 1000條TV線。加拿大達爾薩(Dalsa)公司報導了5120 X 5120像元的幀轉移CCD。荷蘭菲利浦成像技術公司研製成功了7000X 9000像元的CCDo 1997年美國EG & G Retion研製出6144 X 6144, 8192 X 8192像元高解析度CCD圖像感測器。亞利桑那大學報導了9126 X 9126像元CCD，1998年日本採用拼接技術開發成功了16384 X 12288像元即(4096 X 3072) X 4像元的CCD圖像感測器。

美國、日本、德國和法國的部分公司己開發出長線陣和大面陣可見光CCD圖像感測器。CCD器件小型化和微型化，使CCD感測器在視頻影像機以外的套用顯著增多。自80年代中期實現40萬以下像元CCD的規模生產後，CCD開發己轉向大面陣、小像元、紫外光譜回響等方面[3]，以便能適應數位照相機、數字攝像機、掃瞄器以及其它科學領域的需要。CCD的成本高低與像元大小和面陣大小有關，最小尺寸的像元為3.24 mX3.275 m，38萬像元陣列正趨向於1/6英寸以下晶片尺寸。X射線CCD以非晶矽材料為主，可見光至紫外區擴展光譜則以普通CCD背面減薄技術為主。為了開發單片式低成本攝像機，CCD感測器的研究重點也更多地轉向互補金屬氧化物半導體(CMOS)有源像素圖像感測器((APS)方面，這種器件在21世紀將成為數位照相機、攝像機和高清晰度電視(HDTV)的關鍵器件。CMOS-APS的最大優點是在工作中勿需電荷逐級轉移，避免了影響CCD性能的主要參數一電荷轉換效率(CTE) 0 90年代初，美國的洛克威爾公司、德克薩斯儀器公司、噴氣推進實驗室/加州。理工學((JPL/Caltech)及日本的東芝、奧林巴斯、佳能等公司均開發了多種APS的基本結構。CMOS的突出優點是無需CCD那樣高的直流驅動電壓，能使各種信號處理電路與攝像器件實現單片集成，這將是未來系統小型化、低成本、低功耗的關鍵。

成像陣列取得了突破性進展，1996年德州儀器的體電荷調製器件((BCMD)圖像感測器陣列達到687(H) X 499(V)像素，奧林巴斯光學公司的CMD圖像感測器達2048(H) X 2048(V)像素。其後，貝爾實驗室、MIT、JPL、Photobit等相繼報導了256 X 256, 512 X 512, 1024 X 1024. 1040 X 1040. 1296 X750像元的CMOS一APS，像元尺寸7.5 mX7.51 m，晶片尺寸為16.3mm X 16.3mm由三個電晶體和一個光電二極體構成。把時鐘電路模組、A/D轉換模組、輸出放大器模組等與感測器陣列集成在一個單片襯底上的研究也在同時進行之中。

CCD圖像採集系統

CCD以其優良的性能受到圖像採集領域的青睞，但單獨的一塊CCD晶片是遠遠不能完成圖像採集的，還需要相關的驅動、時序控制電路。同時，圖像的採集控制、後期的圖像處理與傳輸，還需要微處理器來完成。

工作原理

CCD ( Charge Coupled Device)即電荷禍合器件是基於金屬一氧化物一半導體技術的光電轉換器件，它是由很多光敏像元組成即在P型(或N型)矽襯底的表面用氧化方法形成一層厚度約0.切m的二氧化矽再在二氧化矽上蒸鍍一層金屬膜，並用光刻的方法製成柵狀電極。CCD的基本工作步驟為：把入射光子轉變成電荷，把這些電荷轉移到輸出放大器上，並把電荷轉變成電壓或電流信號，使這些電壓或電流能被感測器外的電路感知。當柵極施加正偏壓後，空穴被排斥，產生耗盡區，偏壓繼續增加，耗盡區將進一步向半導體內延伸，將半導體電子吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。CCD中電荷從一個位置轉移到另一個位置，在開始時刻，有一些電荷存儲在偏壓為10V的第一個電極下的勢阱中，其它電極上均加有大於闌值的較低電壓。經過一定時刻後，各電極上的電壓發生變化，電荷包向右移動。將按一定規律變化的電壓(如外部的時鐘電壓)加到CCD各電極上，電極下的電荷包就沿半導體表面按一定方向轉移到輸出端，實現圖像的自掃描，從而將照射在CCD上的光學圖像轉換成電信號圖像，直接顯示圖像全貌。

基本組成

完整的CCD圖像採集系統主要由以下幾個部分組成(結構框圖如圖1所示)：前端光學系統，CCD圖像採集模組，模數轉換模組，FPGA預處理模組，Flash程式存儲模組，DSP圖像處理模組，SDRAM數據存儲模組，圖像顯示模組，和後端PC機。

當然，根據不同的套用要求，有些模組不是必需的。例如：在市場上常見的視頻監控系統，就可以省略DSP圖像處理模組和SDRAM模組：而有些系統重在數字圖像的處理方面，則DSP圖像處理模組是整個系統中的重點；FPGA模組也不是必需的，在一些線陣的CCD系統中，由於時序比較簡單，在速度要求不高的情況下，用一般的IO控制線就可以模擬CCD的時序，此模組也可以省略。

圖1

功能

如圖2所示，典型的CCD圖像採集傳輸系統主要由光學機械接口、CCD晶片、驅動電路、信號處理電路、微處理器、圖像傳輸接口等部分構成。其功能描述如下：

1、光學機械接口提供與電路系統與光學鏡頭的機械連線，一般分為F型、C型、CS型等形式，實現光學系統與CCD的禍合和光電通路。

2、 CCD晶片是系統信號的來源，整個系統的工作目標為之而定。

3、驅動電路一般由晶振、時序信號發生模組等構成，主要為CCD提供所需的時序驅動信號和輸出控制信號。同時，還可為信號處理電路提供鉗位、複合同步/消隱、採樣/保持等信號。

4、信號處理電路主要完成CCD輸出的原始信號的A/D轉換、視頻信號的合成等功能。

5、微處理器控制整個採集流程，完成圖像處理、傳輸，並可提供嵌入式人機互動功能。

6、圖像傳輸接口用於把圖像數據通過各種標準、非標準的媒質，傳輸到目標機或者網際網路上，並可實現可圖像採集的遠程監控。

圖2

新技術

在CCD的不斷發展中，像元總數不斷增加和像元面積不斷減小的同時還出現了很多新技術。這些技術從結構上和外圍電路上不斷增強其性能，使其成像性能不斷提高，套用範圍不斷擴大。下面將具體介紹這些新技術。

非均勻性校正技術

在CCD成像器件中，各像素的偏置電壓是不均勻的，校正電路進行校正，使每個像元對光的敏感度保持一致，可以在系統中設定非均勻性提高CCD的線性度。

抗光暈技術

縮短曝光時間是最有效的減小光暈的手段，同時在CCD的結構上也可以利用溢出溝道和溢出門，將多餘的電荷傾瀉到基底中去，抑制了這些電荷向相鄰的電荷包轉移。

白平衡技術

物體顏色會因投射光線顏色產生改變，在不同光線的場合下採集的圖像會有不同的色溫。一般來說，CCD無法像人眼一樣會自動修正光線的變化。所以通過白平衡的修正，它會按瞬時畫像中圖像特質，立即調整整個圖像紅綠藍三色的強度，以修正外部光線所造成的誤差。

增強型CCD技術

真空變像管型圖像增強器的優點是光放大倍數很高，可高達106倍，能做到單光子成像；缺點是：結構大，量子效率較低。

微通道板型圖像增強器的優點是量子效率高、畸變小、尺寸小，結構牢固、性能優良；但是會導致電子束髮散、像質下降和光斑閃爍。