CCD及软件简介
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CCD知识简介
我们的展位 1C08 ,1C16 欢迎大家参观
谢谢！
实物
?
图像
图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽 量真实地反映到虚拟的图像上
如何准确地描述一幅图像
感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应 的灰度填充。
实物
光子 电荷 模拟量（电压） 数字量
图像
光电转换设备
放大设备
实物
光子 电荷 模拟量（电压） A/D转换 数字量 光源
图像
显示设备
彩色线阵芯片的结构
单行Bayer
R G B
3CCD水平排列 棱镜3CCD
A 有效像素多，拍摄的图像精度更高 B 帧频高，速度快，拍摄的运动过程更细致 C CCD的芯片的图像质量要优于CMOS，但速度 比CMOS慢。 D 像素尺寸大，能够更多地接收光子，不容易饱 和 E 对于高精密测量，应尽量使用整个像素面积都 感光的芯片 F 使用多通道传输的芯片，能提高传输速度 G 使用3-CCD技术的彩色相机，色彩更真实
光电转换设备
放大设备
实物
光子 电荷 模拟量（电压）
日光
图像
监视器
模拟相机 + 监视器
光电转换设备
放大设备
实物
光子 电荷 模拟量（电压）
光源 数字量 模拟采集卡
模拟相机 + 模拟采集卡
PC存储处理
图像
光电转换设备
放大设备
实物
光子 电荷 模拟量（电压） 数字量 光源 数字采集卡 A/D转换
数字相机 + 数字采集卡
相机最重要的两个性能
• 对光的敏感度
1.芯片材质 2.单位像素尺寸
• 帧速度
1.曝光时间 2.芯片的传输速度——芯片的传输方式决定的
CCD光电信号数据采集系统与上位机应用软件设计的开题报告
CCD光电信号数据采集系统与上位机应用软件设计的开题报告1. 研究背景光电信号数据采集系统是一种用于采集和处理光电信号的设备，广泛应用于医疗、军事、工业等领域。
CCD（Charge-Coupled Device）是一种常用的光电传感器，可实现高精度、高速度的信号采集。
而上位机应用软件则是用于对采集的数据进行处理和分析的计算机软件。
目前，虽然市面上存在一些光电信号数据采集系统和上位机应用软件，但大多需要通过手动调节参数来实现对信号的采集和处理，操作繁琐，效率低下。
因此，对于一款高效且易于操作的CCD光电信号数据采集系统与上位机应用软件的设计具有非常重要的意义。
2. 研究内容本课题的研究内容为设计一款CCD光电信号数据采集系统与上位机应用软件，具体研究内容包括：1）硬件设备的选型和设计：包括CCD传感器、A/D转换器、FPGA 芯片等，确保硬件设备能够满足高速、高精度的信号采集需求。
2）驱动程序的设计：开发驱动程序，确保硬件设备和软件之间的稳定通信，保证数据采集的准确和稳定。
3）上位机应用软件的设计：设计一个易于使用且功能齐全的上位机应用软件，可以实现数据的实时采集、处理和分析。
4）系统测试和验证：对设计的系统进行测试和验证，确保系统的稳定性和准确性。
3. 研究意义本研究的意义在于设计一款高效且易于操作的CCD光电信号数据采集系统与上位机应用软件，可以广泛应用于医疗、军事、工业等领域。
同时，本研究还可推动光电信号数据采集技术的发展和应用，为相关领域的研究和应用提供有力支持。
4. 研究方法本研究采用以下研究方法：1）文献综述：对CCD光电信号数据采集系统和上位机应用软件的相关领域进行文献综述，了解最新的研究成果和技术进展。
2）硬件设计：根据文献综述和相关技术规范，选择合适的硬件设备，进行硬件设计并进行仿真测试。
3）驱动程序的编写：根据硬件设计的结果，编写驱动程序，实现硬件设备和软件之间的通信。
4）软件设计：根据需求分析和用户评价，设计上位机应用软件，实现数据采集、处理和分析等功能。
《CCD基础知识》PPT课件
然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而暂存区则利用这个时间，将电荷包一 次一行地转移给CCD移位寄存器，变为串行信号输出。当CCD移位寄存器将其 中的电荷包输出完了以后，暂存区里的电荷包再向下移动一行给CCD移位寄存器。 当暂存区中的电荷包全部转移完毕后，再进行第二帧转移。
整理ppt
32
CCD的应用
三相CCD的时钟波形刚好互相错开T/3周期，因此时钟电压波形每变化T/3周期，电荷
包就要转移过一个极板，每变化一个周期整理，p即pt 转移过三个极板。
22
输出装置：在靠近最右电极的一侧扩散一个N区作为收集区，它与衬底
之间形成一个PN结。电源E通过R加在该结的两端，使它处于反偏状态。
该收集区收集最后一个电极cn下的电子，在电阻R上就有电流流过，并 转换成电压的变化，输出一个脉冲。注意输出是串行的。
整理ppt
29
CCD以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就成为 其最重要的性能之一。把一次转移之后，到达下一个势阱中 的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率（CTE）
好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般可达0.999995[3]，所 以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。
整理ppt
30
从而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地 方流动。
整理ppt
21
对于多电极，如图在二氧化硅表面排
列多个金属电极a1、b1、c1；﹍an、 bn、cn等，每三个电极如a1、b1、c1 组成一个传输单元，在三个电极上分
别加上三相脉冲电压Ua、Ub、Uc， 它们的波形如图。
金属电极上所加正电压越大．金属 电极下的电场越强，多数载流子空 穴被排斥的耗尽层越厚，对少数载 流子电子则势阱越深
CCD
CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。
可以称为CCD图像传感器。
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。
CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。
一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。
CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。
CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。
经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，前者是毫安级的耗电量，而后者是微安级的耗电量。
TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。
CCD 广泛用于工业，医疗、民用产品。
在数码相机领域，CCD的应用更是异彩纷呈。
一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜（Bayer filter ）加装在CCD上。
每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。
结果每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。
衡量CCD好坏的指标很多，有像素数量，CCD尺寸[2]，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及CCD尺寸是重要的指标。
像素数是指CCD上感光元件的数量。
摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。
显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果CCD没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响，因此，理论上CCD 的像素数量应该越多越好。
但CCD像素数的增加会使制造成本以及成品率下降，而且在现行电视标准下，像素数增加到某一数量后，再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显，因此，一般一百万左右的像素数对一般的使用已经足够了。
现有的数码相机一般采用1/2.7英寸、1/2.5英寸和1/1.8英寸等尺寸的CCD。
CCD是受光元件(像素)的集合体，接收透过镜头的光并将其转换为电信号。
第五章 3 CCD简介
度较快，感光和传输不在同
一列，从而避免了两者之间 的冲突。
1. Interline transfer
隔行传输的缺点是，寄存器
占用了感光面的面积， 相应 地牺牲了动态范围。芯片并
不是所有面积都在感光，这
样，对于定位测量要求比较 高的应用会有影响。这种 CCD成本较低。
1. Interline transfer Interline Transfer Serial Register Preamplifier
2. Full frame
感光和电荷输出过程是分开 的。因此Full Frame的相机在 传送电荷时必须使用机械快 门(无法使用电子快门)，同 时也限制了Full Frame CCD 连续拍照的能力。
2. Full frame Full Frame Serial Register Preamplifier
Active Array
Output Node
1. Interline transfer Interline Transfer Serial Register Preamplifier
Active Array
Output Node
1. Interline transfer Interline Transfer Serial Register Preamplifier
成本CMOS便宜一些。
二、CCD 和 CMOS 的比较
6. CMOS灵敏度差。 CMOS传感器对光线的灵敏度不好，感光度通 常比CCD传感器低10倍。人眼能看到1Lux照度 （满月的夜晚）以下的目标，CCD传感器通常 能看到比人眼略好，大约能看到在0.1~3Lux照度
以下的目标，是CMOS传感器感光度的3到10倍。
CCD知识简介vision China
扫描速度
shutter speed
Rolling shutter
GAIN 通过调节电压放大环节调节图像亮度 SNR 对于同等光照条件 SNR=A * T * C
增大像素尺寸、binning、长时间积分可以提高SNR GAIN 增大，SNR会变小
光谱曲线
LSB = QE * λ* C
QE LSB
当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出 溢出的电荷会跑到相临的像素势阱里去。这样电荷 的电量就不能如实反映原物。也就是常说的blooming 要避免这种情况发生的方法： A B C D 把桶做大些 减少测量时间 把装满水的桶到出一些 做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他 桶里
对应的方法： A B C D 增大单位像素尺寸 缩短曝光时间 间歇开关时钟电压 溢出沟道和溢出门
______ 数量 ——— 能量
λ、C ——— 单体能量
有效像素多，拍摄的图像精度更高 帧频高，速度快，拍摄的运动过程更细致 CCD的芯片，图像质量要比CMOS的好一些，但速度慢 像素尺寸大，能够更多地接收光子，不容易饱和 对于高精密测量，应尽量使用整个像素面积都感光的芯 片,如Full frame 和 Frame transfer F 使用多通道传输的芯片，能提高传输速度 G 抗光晕技术，能够防止过度曝光对图像的影响 H 使用3-CCD技术的彩色CCD芯片，色彩更真实 I 光谱响应范围宽，可以对多种类的光敏感 A B C D E
隔行相机————interlaced scan 逐行相机————Progressive scan interline transfer area array full frame frame transfer line array TDI time delay integration
CCD知识简介
当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出 溢出的电荷会跑到相临的像素势阱里去。这样电量 就不能如实反映原物。也就是常说的blooming。 要避免这种情况发生的方法： A B C D 把桶做大些 减少测量时间 把满的水倒出一些 做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他 桶里
对应的方法：
水桶 把桶做大 减少测量时间 把满的水桶到出一些 做个导流管 CCD芯片 增大单位像素尺寸 缩短曝光时间 间歇开关时钟电压 溢出沟道和溢出门 对于暗的部分曝光不足 降低速度 制作复杂，且还有缺陷 缺点
CCD芯片的工作方式：
A B C D 光电转换 电荷储存 电荷转移 转化为电压量
CCD与CMOS比较
CCD 电路更改 速度 噪声 灵敏度 功耗 成本 方便 慢 好 好 毫安级 高 CMOS 固定 快 差 差 微安级 低
从以上的对比可以看出：CCD在图像的质量上更有 优势。而常见的高速相机则会采用CMOS芯片。
PC
图像
由于 光电转换设备 和 放大设备 都是针对 微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密 的器件来完成这两个过程。 我们常用的是
CCD
和
CMOS
CCD与CMOS的光电转换示意图 CCD 电路放大 电子 电压
光电转换 光子
A/D 数字信号
CMOS芯片可以在像素上同时完成这两个步骤 由上面两图可看出：CMOS和CCD最大的区别是 CMOS的 电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的
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谢谢！
• 由此可见，增大像素尺寸是最简单有效的做法。
C 电荷转移
当一个CCD芯片感光完毕 后。每个像素所转换的电 荷包，就按照一行的方向 转移出CCD感光区域。为 下一次感光释放空间。
对应的方法：
水桶 把桶做大 减少测量时间 把满的水桶到出一些 做个导流管 CCD芯片 增大单位像素尺寸 缩短曝光时间 间歇开关时钟电压 溢出沟道和溢出门 对于暗的部分曝光不足 降低速度 制作复杂，且还有缺陷 缺点
CCD芯片的工作方式：
A B C D 光电转换 电荷储存 电荷转移 转化为电压量
CCD与CMOS比较
CCD 电路更改 速度 噪声 灵敏度 功耗 成本 方便 慢 好 好 毫安级 高 CMOS 固定 快 差 差 微安级 低
从以上的对比可以看出：CCD在图像的质量上更有 优势。而常见的高速相机则会采用CMOS芯片。
PC
图像
由于 光电转换设备 和 放大设备 都是针对 微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密 的器件来完成这两个过程。 我们常用的是
CCD
和
CMOS
CCD与CMOS的光电转换示意图 CCD 电路放大 电子 电压
光电转换 光子
A/D 数字信号
CMOS芯片可以在像素上同时完成这两个步骤 由上面两图可看出：CMOS和CCD最大的区别是 CMOS的 电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的
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• 由此可见，增大像素尺寸是最简单有效的做法。
C 电荷转移
当一个CCD芯片感光完毕 后。每个像素所转换的电 荷包，就按照一行的方向 转移出CCD感光区域。为 下一次感光释放空间。
CCD基础知识
CCD数码照相机的结构
三基色分离原理
CCD数码相机的结构解剖 （索尼F828）
CCD
CCD数码摄像机
CMOS视频摄像头
带红外LED照 明的CMOS视 频摄像头
CCD单元与线阵列结构的示意图
二．移位寄存器(即信号电荷的传输)
移位寄存器由金属电极、氧化物介质及半导体三部分组成，也是MOS 结构，但不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。
玻璃管CCD视频信号
➢ 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间 亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的 壁厚像。 ➢ 成像物镜的放大倍率为β，CCD相元尺寸为t， 上壁厚、下壁厚分别为n1、n2 ，外径尺寸的脉冲 数（即像元个数）为N，测量结果有：
单沟道线型CCD
双沟道线阵CCD
转移次数多、效率低,只适用于像 素单元较少的成像器件。
转移次数少一半，它的总转移效 率大大提高。
CCD以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就成为 其最重要的性能之一。把一次转移之后，到达下一个势阱中 的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率（CTE）
好的CCD具有极高的电荷转移效率，一般可达0.999995[3]， 所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽略不计。
1、移位寄存器的工作原理
如图四个彼此紧密排列的MOS结构：
12 3
2V 10V 2V 2V
123
2V 10V 10V 2V
12 3
2V 2V 10V 2V
t = t1= 0
t = t2
t = t3
分析可知，从t1到t3时间里，深势阱从1电极下转移到2电极下，势阱 中的信号电荷也向右传输了一位，如果不断地改变电极上的电压，
CCD传感器及应用
CCD传感器及应用电荷藕合器件〔ChargeCoupleDevices，简称CCD)，是固态图像传感器的敏感器件，与普通的MOS,TTL等电路一样，属于一种集成电路，但CCD具有光电转换、信号储存、转移(传输)、输出、处理以及电子快门等多种独特功能。
电荷祸合器件CCD的基本原理是在一系列MOS电容器金属电极上，加以适当的脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷(少数载流子)的转移。
如果所转移的信号电荷是由光像照射产生的，则CCD具备图像传感器的功能;若所转移的电荷通过外界注入方式得到的，则CCD还可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。
从使用观点，可将固态图像传感器分为线型和面型固态图像传感器两类。
根据所用的敏感器件不同，又可分为CCD,MOS线型传感器以及CCD,MOS面型传感器等线型固态图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面，面型固态图像传感器的发展方向主要用作磁带录像的小型照相机。
本文主要介绍工程测试中常用到的线型固态图像传感器结构。
线型固态图像传感器的结构感光部是光敏二极管线阵列，1728个PD作为感光像素位于传感器中央，两侧设置CCD转换寄存器。
寄存器上面覆以遮光物。
奇数号位的PD的信号电荷移往下侧的转移寄存器;偶数号位则移往上侧的转移寄存器。
以另外的信号驱动CCD转移寄存器，把信电荷经公共输出端，从光敏二极管PD上依次读出。
通常把感光部分的光敏二极管作成MOS形式，电极用多晶硅，多晶硅薄膜虽能透过光像。
但是，它对蓝色光却有强烈的吸收作用，特别以荧光灯作光源应用时，传感器的蓝光波谱响应将变得极差。
为了改善一情况，可在多晶硅电极上开设光窗。
由于这种构造的传感器的光生信号电荷是在MOS电容器内生成、积蓄的，所以容量加大，动态范围也因此而大为扩展。
图5是它的光谱响应特性。
图中虚线表示只用多晶硅电极而未开设光窗的CCD的传感器特性;实线表示开设光窗形成的PD，信号电荷在MOS容器内积蓄的CCD传感器特性，显然，后者的蓝色光谱响应特性得到明显提高和改善，故称后者为高灵敏度线型固态图像传感器。
ccd方案
ccd方案CCD方案简介CCD（Charge-Coupled Device）是一种用于光电信号转换的半导体器件。
CCD芯片通过光敏元件将光信号转化为电信号，广泛应用于数字摄像、天文观测、光学扫描等领域。
本文将介绍CCD方案的基本原理、应用领域和优缺点。
原理CCD芯片由大量排列的光敏电荷转移单元构成，其中每个单元又由像元（Pixel）组成。
当光照到达CCD芯片上时，每个像元会产生一定的光电荷，这些光电荷会被转移到芯片的一端，在该端会被逐个读取并转换为电压信号。
CCD芯片中的电荷转移过程是通过外部时钟信号控制的，具体步骤如下：1. 重置（Reset）：所有像元的电荷都被控制电压恢复为最低值。
2. 积分（Integration）：在光照下，像元开始积累电荷。
积分时间越长，产生的电荷越多。
3. 转移（Transfer）：将积累的电荷转移到电荷耦合设备（CCD）的输出端。
4. 读取（Readout）：按顺序逐个读取存储在CCD芯片上的电荷值，并转换为数字信号。
应用领域数字摄像CCD芯片在数字摄像领域得到了广泛应用。
它能够捕捉高质量的图像，并提供更高的分辨率和更低的噪声。
CCD传感器还具有较高的动态范围，可以在不同光照条件下捕获更多细节。
因此，CCD芯片在高端数码相机、摄像机、智能手机等设备中被广泛使用。
天文观测CCD芯片的高灵敏度和低噪声特性使其成为天文观测领域的首选。
天文学家使用CCD 相机来拍摄和记录天空中的图像。
由于CCD芯片可以积累电荷，因此可以在相对较长的时间内捕捉微弱的光信号。
这使得CCD相机适用于观测暗淡的天体，如星系、星云等。
光学扫描CCD芯片在光学扫描领域也具有广泛的应用。
它可以将光信号转换为数字信号，并对图像进行高速扫描和处理。
这使得CCD芯片成为复印机、扫描仪、条形码读取器等设备的核心部件。
CCD芯片的高分辨率和准确性保证了扫描结果的质量和可靠性。
优缺点优点- 高灵敏度：CCD芯片具有较高的光电转换效率，可以捕捉到微弱的光信号。