4.6CCD攝像器件的特性4.6.1分辨率CCD攝像器件的每個像元都是分隔開的。它屬于空間上分立的像元對光學(xué)圖像進行采樣。從頻譜分析的角度看，CCD攝像器件在垂直和水平兩方向都是離散采樣方式。根據(jù)采樣定理，CCD輸出信號的頻譜如圖4-41所示。圖4-41采樣脈沖寬度對采樣信號頻譜的影響采樣后的信號頻譜幅度為：式中，τs為采樣脈沖寬度，Ts為采樣周期。頻譜混疊會引起低頻干涉條紋，也稱為混疊干擾。將對CCD攝像機拍攝圖像的水平清晰度有很大影響。為提高CCD的水平分辨率，可采用以下二項措施：①增加像元數(shù)量，提高采樣頻率，減小頻譜混疊部分；②采用前置濾波，即采用光學(xué)低通濾波器（OLPF）降低CCD上光學(xué)圖像的頻帶寬度，以減小頻譜混疊。圖4-42所示為光學(xué)低通濾波器的結(jié)構(gòu)及特性。圖4-42光學(xué)低通濾波器的結(jié)構(gòu)及特性圖靈敏度是面陣CCD攝像器件的重要參數(shù)。定義為單位光功率所產(chǎn)生的信號電流（單位為mA/W）。4.6.2靈敏度CCD的靈敏度與以下因素有關(guān)：①開口率為感光單元面積與一個像元總面積之比，對靈敏度影響很大，開口率大小與CCD類型有關(guān)；幀轉(zhuǎn)移方式的面陣CCD開口率最大。②像元的電極形式和材料對進入CCD勢阱內(nèi)的光能量的吸收必然影響靈敏度，例如多晶硅電極對藍光的吸收較強，電極數(shù)量多或電極面積大都會影響藍光的透過率。③CCD內(nèi)的噪聲也影響靈敏度。CCD攝像器件的動態(tài)范圍由它的信號處理能力和噪聲電平?jīng)Q定。它反映了器件的工作范圍。它的數(shù)值可以用輸出端的信號峰值電壓與均方根噪聲電壓之比表示，一般為60～80dB。CCD的噪聲主要是半導(dǎo)體的熱噪聲，還有放大器噪聲。CCD的動態(tài)范圍取決于勢阱收集的最大電荷量與受噪聲限制的最小電荷量之差。4.暗電流暗電流由熱激發(fā)載流子產(chǎn)生。CCD內(nèi)的暗電流是不均勻的，在有缺陷的地方會出現(xiàn)暗電流峰值，因而將產(chǎn)生一固定干擾圖形，它被稱為固定圖形噪聲（FPN）。精心選擇半導(dǎo)體內(nèi)摻雜物、減小像元內(nèi)特殊部分的電場以及改進CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可有效地減少固定圖形噪聲，使一般亮度的圖像看不出固定圖形噪聲。3.噪聲和動態(tài)范圍CCD的光譜靈敏度經(jīng)過改進，現(xiàn)在已經(jīng)很接近傳統(tǒng)的氧化鉛（PbO）攝像管的光譜響應(yīng)。如圖4-43所示，圖（a）為一種新的FIT面陣CCD的光譜響應(yīng)特性；圖（b）為一種典型的MSPbO攝像管的光譜響應(yīng)。5.CCD的光譜靈敏度圖4-43CCD與PbO管光譜響應(yīng)特性比較CCD攝像器件成像面上出現(xiàn)高亮點時會產(chǎn)生垂直拖道現(xiàn)象（smear效應(yīng)）。在CCD電荷存儲單元旁設(shè)置“排洪”場效應(yīng)管，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整場效應(yīng)管的柵極電位可以將高亮度點的多余電荷排出存儲勢阱，以便消除開花和拖彗尾現(xiàn)象。新型IT式CCD抗開花工作原理如圖4-44所示。6.高亮度特性圖4-44縱向排洪工作原理7.拖影（smear效應(yīng)）成像區(qū)在場逆程期間將積存的電荷帶到下一場，或者硅片深處的光生載流子向鄰近勢阱擴散，致使圖像模糊，該現(xiàn)象稱為拖影。當(dāng)圖像寄存器以水平速率移位時，過載像元的剩余量漏泄到寄存器中，形成的拖影也使圖像模糊，被稱之為smear效應(yīng)。4.7CCD的電荷累積時間與電子快門1.CCD的電荷積累時間每個像元只在一場的場正程期間對信號電荷的積累為18.4ms(PAL制式)。拍攝活動圖像時用場積累方式工作。⑴場積累式⑵幀積累式CCD攝像器件的電荷積累時間分為場積累時間20ms和幀積累時間40ms兩種。奇數(shù)場時只有奇數(shù)行感光單元的電荷在場逆程時轉(zhuǎn)移到垂直轉(zhuǎn)移寄存器中；在偶數(shù)場時，只有偶數(shù)行像元的電荷轉(zhuǎn)移。每場輸出的電荷是每場隔行輸出像元的信號電荷，因而每個像元積累電荷的時間是40ms。在CCD攝像機中通過控制每個像元的電荷積累時間以適應(yīng)入射光的強弱，使每場信號電荷能夠正常成像。該控制功能可采用電子技術(shù)實現(xiàn)，并將稱為電子快門的功能。在每一場正程期間內(nèi)只將某一段時間產(chǎn)生的電荷作為圖像信號輸出，而將其余時間產(chǎn)生的電荷排放掉。這就等效于縮短存儲電荷的時間，相當(dāng)于縮短光線照射在CCD芯片上的時間。如同加了快門一樣，這就是電子快門的工作原理。圖4-45所示為電子快門工作時的勢阱。圖4-46所示為電子快門速度的控制。2.電子快門工作原理CCD攝像機電子快門設(shè)置的速度擋次常為：關(guān)（off）、1/60、1/100、1/250、1/500、1/1000、l/2000（單位為s）；近期的工業(yè)攝像機可設(shè)定到1/4000、1/10000、1/50000，自動電子快門可連續(xù)變化，一般為1/50～l/100000（s）。3.電子快門的設(shè)定使用電子快門時，因為被利用的有效光曝光量減小，光圈會自動加大。當(dāng)光照不夠強時，使用電子快門后圖像會變暗，故應(yīng)注意拍攝條件。4.8MTV-2821攝像機4.8.1工作原理MTV-2821攝像機的系統(tǒng)原理如圖4-47所示。黑白CCD攝像機種類很多，按成像面的光學(xué)格式可分為1in、1/2in、1/3in、1/4in、1/5in和1/6in等。圖4-47MTV-2821CB系統(tǒng)原理框圖表4-8為MTV-2821CB所用CCD的管腳定義。表4-8CCD傳感器芯片管腳定義引腳定義符號功能引腳定義符號功能1CRv4垂直驅(qū)動脈沖411UGG輸出電路門偏壓2CRv3垂直驅(qū)動脈沖312UDSVB基底偏置電壓3CRv2垂直驅(qū)動脈沖213USS輸出電路電源地4CRsub襯底電壓時鐘14GND公共地5GND公共地15GND公共地6CRv1垂直驅(qū)動脈沖116RD復(fù)位管漏極7VL保護偏轉(zhuǎn)電壓17RS復(fù)位脈沖8GND公共地18NC空腳9UDD輸出電路電源電壓19CRH1水平驅(qū)動脈沖110OS輸出信號20CRH2水平驅(qū)動脈沖2圖4-48為CCIR039DLA面陣CCD的結(jié)構(gòu)圖，其中（a）為器件的外形圖；(b)為器件的頂視圖，從頂視圖可以看出器件的像元排列方向（垂直方向與水平方向）；(c)為成像區(qū)的展開圖；(d)為器件的原理圖與器件各引腳的功能定義。圖4-48CCIR039DLA面陣CCD的結(jié)構(gòu)圖4.8.2MTV2821CB特性參數(shù)

MTV-2821CBMTV-2821CATV系統(tǒng)CCIR（PAL）EIA圖像像元數(shù)795（H）×596（V）811（H）×508（V）傳感器類型1/2英寸隔行掃描方式傳感器面積7.95mm×4.45mm水平驅(qū)動頻率（H）15.625kHz15.750kHz垂直工作頻率（V）50Hz60Hz掃描方式2:1隔行掃描/非隔行掃描同步系統(tǒng)HD水平驅(qū)動，VD垂直驅(qū)動，快門觸發(fā)，重復(fù)觸發(fā)分辨率600TVL最低照度0.02lx(F1.2)信噪比大于50dB電子快門連續(xù)變化的開啟時間1/50～1/10000s1/60～1/10000s分檔快門時間1/25，1/250，1/500，1/1000，1/2000，1/4000，1/10000sγ值0.45或1增益控制自動增益/手動增益視頻輸出信號視頻信號1VP～P，75Ω負載表4-9MTV-2821的特性參數(shù)4.8.2MTV2821CB特性參數(shù)

MTV-2821CBMTV-2821CA工作溫度-20℃～60℃工作濕度相對濕度85%供電電源12VDC±10%電源消耗2.5W透鏡接口標(biāo)準(zhǔn)C接口時鐘輸出CCD驅(qū)動時鐘、水平驅(qū)動時鐘、垂直驅(qū)動時鐘累積方式場/幀選擇像元尺寸8.6μm×8.3μm輔助連接12針圓形連接插座（像元時鐘輸出，水平/垂直驅(qū)動，輸入/輸出，指示輸出，電源輸入，視頻輸出）電源輸入連接器直流插座視頻輸出插座視頻Q9插座重量400g尺寸42(w)×48(H)×95(D)(mm)表4-9MTV-2821的特性參數(shù)（續(xù)上表）4.8.3MTV-2821CB的主要功能及其設(shè)置（1）高成像質(zhì)量（2）多樣式的時鐘輸出（3）電子快門（4）γ值切換開關(guān)（5）增益切換開關(guān)（6）累積方式切換（7）HD/VD/TRIGGER信號輸入阻抗匹配（8）多種RESTART和RESET重置功能圖4-49為MTV-2821CB的功能設(shè)置開關(guān)與接口圖。圖4-50所示為攝像機背后的12腳插座。圖4-49MTV-2821CB的功能設(shè)置開關(guān)與接口圖圖4-5012孔連接插座表4-10為輸出時鐘的設(shè)置。表4-10輸出時鐘的設(shè)置SW2-6SW2-7時鐘輸出OFFOFF14.31818/14.1875MHzONOFF場指示OFFON視頻指示4.8.4幀累積功能1、MTV-2821CB攝像機在幀累積下的隔行掃描方式MTV-2821CB攝像機是一種具有高靈敏度（0.02lx）、高分辨率（600TVL）的黑白攝像機。它除了具有通常使用的黑白CCD攝像機的各項功能以外，增加了場累積和幀累積的功能。圖4-51所示為幀累積工作波形圖。圖4-51幀累積工作波形圖幀累積波形圖中，如果能產(chǎn)生出Tc＞4Tb的時間間隔的序列脈沖，則將得到多幀累積后被輸出的視頻信號，如3場和4場。隨著累積幀數(shù)的增加，由于奇偶場累積電荷的轉(zhuǎn)移，3、4兩場信號經(jīng)疊加后同時在奇場輸出。經(jīng)過累積后的輸出視頻信號UP-P值遠遠高于在正常幀頻下輸出的1、2場視頻信號，從而達到可在極微弱光照度下取出目標(biāo)圖像視頻信號的目的。從信噪比計算公式分析可知（對靜態(tài)目標(biāo)）：式中，S為有效信號；N為噪聲信號；n為幀累積次數(shù)；

為多幀累積后的信噪比；

為單幀累積后的信噪比；2、幀累積的實驗裝置幀累積的實驗裝置如圖4-52所示。RST目標(biāo)分辨率圖案如圖4-53所示。圖4-52幀累積實驗裝置圖4-53RST目標(biāo)分辨率圖案3、實驗結(jié)果與討論利用上述實驗裝置和測量方法，當(dāng)采集的圖像的可分辨條件設(shè)定為500TVL和300TVL兩種條件下，通過改變幀累積的幀數(shù)，測定出目標(biāo)圖案的最低照度值，可以獲得如圖4-54所示的兩條曲線。圖4-54不同幀累積與照度測量的變化曲線表4-11為500TVL分辨率的條件要求下多幀累積實驗的測試值。表4-11500TVL分辨率情況下累積幀數(shù)與實測照度的關(guān)系累積幀數(shù)目標(biāo)照度

lxCCD靶面照度

lx輸出信號電壓

mv21.7×1011.712049.939.93×10-113083.113.11×10-1130161.511.51×10-1130324.98×10-14.98×10-2135641.83×10-11.83×10-21201285.61×10-25.61×10-31202564.91×10-34.91×10-4130表4-12分別為300TVL分辨率的條件要求下多幀累積實驗的測試值。表4-12300TVL分辨率情況下累積幀數(shù)與實測照度的關(guān)系累積幀數(shù)目標(biāo)照度

lxCCD靶面照度

lx輸出信號電壓

mv22.392.39×10-16044.8×10-14.8×10-26081.88×10-11.88×10-260165.7×10-25.7×10-360325.1×10-25.1×10-360641.7×10-21.7×10-3601288.4×10-38.4×10-4602563.7×10-43.7×10-560圖4-55給出了MTV-282lCB攝像機的光譜響應(yīng)曲線。圖4-55MTV-282lCB攝像機的光譜響應(yīng)曲線思考題與習(xí)題4解題思路4.11題，考慮圖像傳感器的場周期對顯示圖像的