光电成像原理与技术课程设计

成 绩 评 定 表

实践教学项目 学生姓名 评 语 组长签字: 成绩 日期 光电成像原理与技术课程设计 专 业 班级学号 信息显示与光电技术 吴玮奇 1109040108

2013-2014第（2）学期理学院实践教学

任 务 书

学 院 学生姓名 理学院 吴玮奇 专 业 班级学号 信息显示与光电技术 1109040108 实践教学项目 光电成像原理与技术课程设计 实践题目 高速高清CCD系统设计 实践教学要求与任务: 1． 能对选题做理论分析，讨论理论可行性。 2．能设计一套切实可行的实验方案，能够验证预期达到的效果。 3．如果数据处理结果不够理想，能够找到问题所在，并提出改进意见。 4．能按要求格式撰写课程设计报告。报告要求格式、正确思路清晰、结构完整、实验数据真实、分析结论正确。对课程设计总体方案要进行详细地说明 5．按时完成规定的工作任务，不得弄虚作假，不准抄袭他人内容。 6．在设计过程中，要严格要求自己，树立严肃、严密、严谨的科学态度，必须按时、按质、按量完成课程设计。 工作计划与进度安排: 17周周一—17周周四：选题、收集资料 17周周五—18周周五：撰写开题、报告设计、实验、数据分析 19周周一—19周周四：撰写报告、 19周周四提交报告。 指导教师： 年 月 日

专业负责人： 年 月 日

学院院长： 年 月 日

摘要

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

目录

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

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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。

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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

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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。

2.2 KAI_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dB；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。

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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。

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第三章 高速高清CCD系统的组成

高速高清CCD系统由可见光光学系统、CCD探测器、电气系统以及显示设备组成，如图3所示，CCD探测器是成像系统的探测器件，作用是为成像系统提供原始模拟视频信号；电气系统是CCD成像系统的核心部分，为CCD探测器提供驱动信号、电源、偏置电压、数字驱动信号、处理电路、图像处理算法等，针对CCD图像的特点进行相应的实时图像信号处理和优化，转化为标准的视频传输格式，最后通过显示设备显示。

图3 高速高清CCD成像系统

一个完整的CCD成像过程为：图像采集的目标物体反射或者福射出的可见光传输到CCD成像系统的光学镜头，光学镜头的作用是把目标发射或者福射出的可见光会聚到CCD探测器的焦平面阵列上，CCD的焦平面阵列对可见光产生响应电荷并存储在像元中，然后通过读出电路把响应电荷读出并转换为数字信号传输到数字处理板上，数字处理板对图像视频进行一系列的信号处理，最终将视频信号转化为标准视频传输格式，输出到显示器上显示。

3.1 光学系统设计

为保证最后所得图像的清晰度，相机所选用的镜头应为长焦镜头。其中的摄远物镜由一个正的前组和一个负的后组构成，如图4所示。这种物镜的特点是透镜组的长度L可缩短到焦距f’的2/3左右，视场2w=20°，相对孔径为1:8。

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图4 摄远物镜组

3.2 电路系统设计

本论文中高速高清CCD成像系统结构包括硬件系统和软件系统两部分，硬件系统如图4所示，包括：驱动板、数字处理板、电源板和接口板；软件程序包括：驱动程序、数字图形处理程序、显示程序、数字图像传输程序、422接口程序以及串行FLASH读写控制程序等。

图5 电路系统结构

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第四章 结果分析

本文基于KAI-01050逐行转移面阵CCD开发的高速高清CCD系统，其系统结构包括光学系统设计和电路系统设计两部分。最终结果图如图6所示

图6 相机成像系统示意图

1-光学补偿组；2-中性滤光片；3-快门和光栏 4-光学变焦组；5-微距和对焦组；6-低通滤波组

7-CCD盖玻片；8-CCD感光面

由于本系统选择了长焦镜头，所以具有视角小、景深短、透视效果差等缺点。 但在拍摄远距离物体如拍摄流星、运动中的运动员等远距离快速移动物体时，长焦镜头有其他镜头不具备的优点：

由于视角小，所以，拍摄的景物空间范围也小，在相同的拍摄距离处，所拍摄的影像大于标准镜头，适用于拍摄远处景物的细部和拍摄不易接近的被摄体。

景深短，所以，能使处于杂乱环境中的被摄主体得到突出。

综上所述，本设计能适应大部分拍摄过程中对固定距离被摄物体的准确拍摄。但在快速变焦方面并没有重点考虑，所以在拍摄非固定距离的高速物体时，可能出现因来不及变换焦距产生的虚影模糊等现象。

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参考文献

[1] 王士绅.《高速高清CCD系统设计》.[硕士学位论文].南京理工大学，2013-03 [2] KODAK中国. 《KODAK 01050 CCD 技术条件》，2012-02 [3] 映美精欧洲有限公司.《彩色CCD相机工作原理》，2010-05

http://www.theimagingsource.com/zh_cn/resources/whitepapers/download/howcolcamswp.zh_cn.pdf

[4] 李林.《应用光学（第四版）》.北京 北京理工大学出版社，2010-03

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