1、 2013-2014 第（2）学期理学院实践教学成 绩 评 定 表实践教学项目 光电成像原理与技术课程设计 专 业 信息显示与光电技术学生姓名 吴玮奇 班级学号 1109040108评语组长签字:成绩日期2013-2014 第（2）学期理学院实践教学任 务 书学 院 理学院 专 业 信息显示与光电技术学生姓名 吴玮奇 班级学号 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
2、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独立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
3、、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
4、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 .22.1 CCD 成像原理 .22.2 KAI_01050 探测器介绍 .3第三章 高速高清 CCD 系统的组成 .53.1 光学系统设计 .53.2 电路系统设计 .6第四章 结果分析 .7参考文献 .8沈阳理工大学光电成像原理与技术课程设计1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
5、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
6、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
7、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。沈阳理工大学光电成像原理与技术课程设计2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-01
8、050 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 成像示意图沈阳理工大学光电成像原理与技术课程设计3要实现信号电荷顺利的转移，一般选用的办法
9、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下面的势阱最深，这时候逐渐将电极的电压由 2v 增加到10v，如图 2(b)所示这时、两个电极下面的势阱具有同样的深度，合并在一起，原先存储在电极下面的电荷，就会
10、在、这两个电极下面均匀分布，如图 2(c)所示，然后，再逐渐将电极的电压从 10v 降到 2v，电极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下面的势阱中，此过程就完成了信号电荷从电极到电极的转移。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 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
11、出模式下，KAI-沈阳理工大学光电成像原理与技术课程设计401050 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-010502、输出分辨率：1024*10243、像素尺寸：5.5um*5.5um4、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 60Hz0.05%）7、像素时钟：40MHz（2Tap 输出）8、数据输出电器规范：Camera Link（Ba
12、se Mode）9、数据输出格式：8bit/tap(提供详细输出格式)10、自动增益：018dB（通过串行通讯口开启或关闭）11、自动快门：1/60s1/100000s（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：12VDC10%（功耗小于 8W）15、工作温度：-40+70C16、储存温度：-55+70C根据其分辨率 1024*1024
13、，输出频率 100 帧/秒的性能，可以基本实现高速高清照相。沈阳理工大学光电成像原理与技术课程设计5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
14、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。沈阳理工大学光电成像原理与技术课程设计6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
