2013-2014第（2）学期理学院实践教学
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2013-2014第（2）学期理学院实践教学
任务书
随着科学技术的发展以及CCD器件的广泛应用，工业生产、国防、安防以及日常生活中高速高清CCD的需求越来越广泛。传统CCD相机像素低、帧频慢，在速度和清晰度方面有很大的缺陷，无法满足越来越高的使用需求，而高速高清CCD在图像清晰度和帧频速度都有突出的优势，为CCD相机注入了新的发展活力。最近世界各国在高速CCD相机研发领域投入大量的精力并取得了大量的成果，开展高帧频大面阵CCD相机的研制工作具有重要意义。
本文首先对柯达公司生产的逐行转移面阵CCD传感器KAI-01050做了简单的介绍，基于逐行转移CCD的工作原理、电荷转移方式的研究，设计了高速高清CCD系统的一种结构。本文通过对这些关键技术的研究，完成了高速高清CCD系统的设计工作。
关键词：高速摄像，高清CCD
第一章绪论 (1)
第二章高速高清CCD系统介绍 (2)
2.1 CCD成像原理 (2)
2.2 KAI_01050探测器介绍 (3)
第三章高速高清CCD系统的组成 (5)
3.1 光学系统设计 (5)
3.2 电路系统设计 (6)
第四章结果分析 (7)
参考文献 (8)
第一章绪论
电荷耦合器件(CCD)属于半导体器件，是一种图像传感器，能够把视场内的光学图像转化为电荷并存储在相应的像素中，然后通过读出电路将存储的像元电荷读出，并用外围电路中的模数转换模块转换为数字信号。一个完整的CCD阵列是由一系列的微小光敏物质(像素)组成。CCD图像传感器上拥有的像素数量越多，能够提供的画面清晰度也就越高。CCD器件自1969年在贝尔实验室诞生以来，
随着半导体技术的发展，CCD技术也随之得到迅速发展，从当时简单的8像元移位寄存器，到现在已具有数百万、上千万乃至上亿像元。CCD的像元尺寸已经减小到2um以下，在缩小像元尺寸的同时，通过背面光照技术等，使饱和电压和灵敏度也得到提高，在暗电流、读出噪声抑制、抗光晕转移效率等方面也得到了极大的改善。现在的CCD探测器可以探测到短波红外光谱以及一部分紫外光谱，可应用的范围广泛。
CCD和CMOS都是基于MOS结构进行光电转换达到图像采集目的，但是它们
对光电转换后的电荷采用不同的处理方式。由于工作方式、结构和制造工艺的差别，与CMOS相比，CCD器件一直有灵敏度高、噪声低等优点。CCD器件拥有光谱响应宽、噪声低、动态范围大、图像畸变小、灵敏度和几何精度高、寿命长、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、可以长时间在恶劣环境工作、进行数字化处理和与计算机连接方便等优点，在图像采集、工业测控、非接触测量、天文遥感、航空航天、机器视觉、实时监控、军事电子对抗等领域得到了广泛应用，是光电子学和测试技术中最活跃和最富有成果的研究领域之一。
随着科学技术发展和图像采集系统的广泛应用，人们对于图像釆集系统的主要指标：采样速率、分辨率、精度和抗干扰能力等方面，提出了越来越高的要求。CCD探测器作为光电转换式的图像传感器，是现代电子学和现代测试技术中最活跃的传感器，有广泛的应用需求。而大面阵，高帧频的应用需求也在逐步提高。高分辨率、高帧频的高速高清CCD技术的发展越来越受到人们的重视。
第二章高速高清CCD系统介绍
高速高清CCD系统以柯达公司生产的面阵行间转移CCD “KAI-01050"为探测器，该探测器的面阵大小为1024*1024，面阵大，采集到的视频图像清晰。高速高清CCD系统为KAI-01050探测器提供驱动电路和驱动时序，使KAI-01050能够正常的工作，将探测器采集的模拟视频信号读出。探测器采用四路输出的方式，搭配外围高速驱动芯片，使KAI-01050能够同时输出四路模拟视频信号，数据输出速率可以达到100帧/秒，达到高速高清的应用需求。本文除了介绍系统设计的大体框图之外，还对CCD信号电荷转移原理进行了介绍。
2.1 CCD成像原理
CCD原理并不复杂。我们可以把它想象成一个顶部被打开的记忆芯片。因此光束可以射到记忆单元中。根据“光电效应”，这些光束在记忆单元中产生负电荷（图1中右上部分）。
图1 CCD成像示意图
要实现信号电荷顺利的转移，一般选用的办法是将频率、波形相同、彼此相位保持固定的多个时钟脉冲依次加在CCD的栅极电极上，这些栅极电极上的电压便能够按照固定的规律变化，在半导体表面形成一系深浅分布的势阱，这样便能够使电荷包沿着势阱的移动方向作定向连续的移动，这就是多相时钟驱动法。多相时钟驱动法包括两相时钟驱动、三相时钟驱动和四相时钟驱动等。图2所示，是一个三相CCD中电荷从一个栅极下面转移至相邻栅极下面的过程。
图2 三相CCD信号电荷在势阱中的转移过程
此时电极①下面的势阱最深，这时候逐渐将电极②的电压由2v增加到10v，如图2(b)所示这时①、②两个电极下面的势阱具有同样的深度，合并在一起，原先存储在电极①下面的电荷，就会在①、②这两个电极下面均匀分布，如图
2(c)所示，然后，再逐渐将电极①的电压从10v降到2v，电极①下的势阱深度逐渐降低，如图2.1(e)所示，这时电荷全部转移到电极②下面的势阱中，此过程就完成了信号电荷从电极①到电极②的转移。
2.2KAI_01050探测器介绍
KAI-01050是柯达公司生产的黑白面阵CCD，如图3所示。KAI-01050为行间转移CCD，有效像元数达到1024*1024个，像元大小为5.5um*5.5um；动态范围可达到64dB；有4个模拟视频输出口，通过修改驱动信号和驱动程序，可选择采用1通道、2通道或者4通道输出模式。在选用4通道输出模式下，KAI-01050输出的最高帧频可达到120帧，本设计采用的是4通道，实现全像素100帧输出。
图3 KAI O1050传感器
KAI01050具体参数为：
1、传感器：KODAK KAI-01050
2、输出分辨率：1024*1024
3、像素尺寸：5.5um*5.5um
4、灵敏度：0.01lx (F1.4,for monochrome, Gain at 18dB)
5、逐行输出：2Tap输出
6、输出频率：60fps（精度60Hz±0.05%）
7、像素时钟：40MHz（2Tap输出）
8、数据输出电器规范：Camera Link（Base Mode）
9、数据输出格式：8bit/tap(提供详细输出格式)
10、自动增益：0~18dB（通过串行通讯口开启或关闭）
11、自动快门：1/60s~1/100000s（通过串行通讯口开启或关闭）
固定快门（在自动快门关闭情况，通过串行通讯口设置某一固定值）
12、自动手动白平衡：自动（通过串行通讯口选择自动白平衡开启或关闭）（在自动白平衡关闭情况，通过串行通讯口分别设定R、G、B增益调节白平衡）
13、自动增益/快门图像亮度设定值：通过串行通讯口设定
14、工作电压：12VDC±10%（功耗小于8W）
15、工作温度：-40~+70°C
16、储存温度：-55~+70°C
根据其分辨率1024*1024，输出频率100帧/秒的性能，可以基本实现高速高清照相。
