造成CCD畫面過飽和現(xiàn)象的原因及解決方法

1 引言

CCD(Charge Coupled Device)，它是一種特殊半導體器件，具有光電轉換、電荷儲存、電荷轉移和檢測等功能。CCD 作為攝像機里一個極其重要的部件，它起到將光信號轉換成電信號的作用，類似于人的眼睛，因此其性能的好壞將直接影響到攝像機的性能。目前CCD應用的范圍越來越廣泛，隨之而來的問題也越來越多，其中較嚴重的是“過飽和”現(xiàn)象。

2 “過飽和”現(xiàn)象的成因

CCD 在強光環(huán)境中工作時其畫面會出現(xiàn)“過飽和”現(xiàn)象。過飽和現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要在于CCD 的成像原理——景物通過光學系統(tǒng)成實像于CCD 的感光面，CCD 將該實像的光強分布轉化為不同大小的電荷包分布，然后通過輸出結構按照一定的時序依次輸出。傳輸電路對CCD 輸出的電信號進行放大、去噪聲、濾波和A/D 轉換等處理后將所得的數(shù)字信號存入計算機，得到數(shù)字圖象。光強變化引起圖像變化的實質(zhì)是光強的變化引起CCD 輸出電信號的變化，電信號輸出過強就會出現(xiàn)“過飽和”現(xiàn)象如圖1 所示。

圖 1 過飽和現(xiàn)象

圖1 中白色飽和區(qū)域中存在的黑色盲區(qū)就是發(fā)生“過飽和”現(xiàn)象的區(qū)域?！斑^飽和”現(xiàn)象是在輻照光的強度遠高于CCD 飽和閾值而低于破壞閾值的情況下容易發(fā)生，圖1 所示為強光圖，但在圖中白色區(qū)域正中間，實際亮度應該更高的區(qū)域在圖中卻顯示為黑色盲區(qū)，此圖已經(jīng)完全失真。

對此，我們作了實驗研究，在實驗采集的示波器數(shù)據(jù)中，CCD 輸出波形每一個周期表示一個像素單元，每個像素單元分為三個部分，如圖2 所示，它們分別是復位脈沖饋入、復位電平和數(shù)據(jù)電平。CCD 讀出電荷的原理是將信號電荷包轉移到讀出電容器從而引起電容器兩端的電壓變化。復位脈沖的作用是使讀出電容器兩端電壓恢復至復位電平。在復位過程中，復位脈沖饋入到CCD 的讀出電容，在CCD 輸出波形中形成一個小的尖峰。復位電平是CCD讀出信號電荷包之前讀出電容兩端所維持的電平。數(shù)據(jù)電平是CCD 信號電荷包轉移至讀出電容器時電容兩端的電平。

圖 2 弱光照（正常工作）時CCD 輸出波形圖

根據(jù)CCD 光電轉換原理，數(shù)據(jù)電平與復位電平之差即信號電荷包引起的讀出電容兩端的電變化，與電荷包大小成正比。當光強增大到一定程度時，由于CCD 所受光線能量過大，導致CCD 吸收光子能量所轉化的電子能量過大，從而產(chǎn)生“過飽和”現(xiàn)象。

3 單鏡頭雙CCD 結構的設計

單鏡頭雙 CCD 結構是指光線由一個鏡頭進入，經(jīng)過處理分別照射在2 個不同的CCD上，由校準CCD 輔助標準CCD 工作，其結構如圖3 所示。

圖 3單鏡頭雙CCD 結構

雙CCD 結構由一個標準CCD 和一個校準CCD 構成，通過析光平面鏡把大部分入射光線射入標準CCD 中，同時有一小部分光線被反射進了校準CCD，析光平面鏡的A 面反射一小部分入射光線，為校準CCD 的成像提供光強，B 面要鍍增透膜使光能盡量透過，以避免該面反射的光能在校準CCD 上產(chǎn)生重影現(xiàn)象。

實驗表明當A 面鍍膜透反比為0.7:0.3，B 面鍍雙層增透，可以使重影幾乎消失，校準CCD 也同時獲得了盡量高的光強。

在進行強光拍攝或者強光差拍攝時，如果標準CCD 出現(xiàn)“過飽和”現(xiàn)象，就會產(chǎn)生圖像失真，而此時刻校準CCD 所受光強較弱，其反射光的強度遠低于其閾值，畫面沒有遭到破壞，可以通過類似于移動通信技術里的分集接受原理來收集處理2 個CCD 輸出的電信號，利用校準CCD 輸出的正常數(shù)據(jù)參數(shù)來代替標準CCD 產(chǎn)生“過飽和”時輸出的不正常數(shù)據(jù)參數(shù)，采用優(yōu)勢互補，即當標準CCD 的一段輸出電流過大時，則采用校準CCD 的相應的輸出電流進行置換處理，通過對2 個CCD 所獲取的輸出電流進行運算整和從而緩解“過飽和”問題，并使得到的畫面盡可能的貼近真實的畫面。

4 “過飽和”現(xiàn)象的具體解決方案

4.1 方案具體實現(xiàn)過程

在所采集的示波器數(shù)據(jù)中，復位電平與數(shù)據(jù)電平疊加有相關的輸出噪聲，后續(xù)的模擬處理電路需要對CCD 芯片輸出信號進行CDS 處理，即分別對復位電平和數(shù)據(jù)電平進行采樣并且對兩次采樣的結果做差分放大輸出。沒有光照的時候數(shù)據(jù)部分相對于復位部分幾乎沒有變化。此時CCD 的輸出波形如圖4 所示。

圖4 無光照時CCD 輸出波形圖

當光照過強時，CCD 輸出波形如圖5 所示，此時CDS 輸出結果同圖3 的輸出結果一樣都為零。但是前者是復位電平正常，而數(shù)據(jù)電平與復位電平相等，說明沒有數(shù)據(jù)信號，對應與無光照的情形；后者是復位電平下降，復位電平與處于飽和的數(shù)據(jù)電平相等，對應與過飽和區(qū)。

圖5 過飽和狀態(tài)CCD 的輸出波形圖

這只是標準CCD 發(fā)生“過飽和”現(xiàn)象時的輸出波形，而校準CCD 在此時的輸出波形則如圖2 所示。具體的解決方法是：當后續(xù)電路如果檢測出標準CCD 的輸出數(shù)據(jù)流異常，即出現(xiàn)了過飽和現(xiàn)象時，立刻截取此段數(shù)據(jù)并丟棄，并將此時校準CCD 所對應的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過同步處理使之銜接到已經(jīng)接收標準CCD 的數(shù)據(jù)流之后，同時對標準CCD 的輸出數(shù)據(jù)繼續(xù)進行監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)標準CCD 的輸出數(shù)據(jù)流恢復正常時，將所需要采集的數(shù)據(jù)流目標再次切換到標準CCD所輸出數(shù)據(jù)流，使數(shù)據(jù)的真實性得到了保障。

4.2 輸出信號整合方法：

假設標準CCD 的每個輸出信號（即像素單元）分別為a1(t),a2(t),a3(t),……,an(t),校準CCD 的每個輸出信號分別為b1(t),b2(t),b3(t),……,bn(t),接收信號為M。若只接收標準CCD 的輸出信號，最終接收到的信號M 可表示為：

M = a1(t)+a2(t)+a3(t)+……+an(t)

可以給標準CCD 每一時刻的輸出信號設置一個加權系數(shù)αi(1≤i≤n)，給校準CCD 每一時刻的輸出信號設置一個加權系數(shù)βi(1≤i≤n)，在一般情況下（非過飽和）αi 的值為1，βi的值為0，此時M 可表示為：

當標準CCD 的第i-j(1≤i≤n,1≤j≤n,i≤j)個信號出現(xiàn)過飽和時，其加權系數(shù)αi-αj 都為0，而校準CCD 的輸出信號的加權系數(shù)βi-βj 都為1,則此時M 可表示為：

這時得到的接收信號M 為經(jīng)過處理后的信號，標準CCD 發(fā)生“過飽和”的信號已被校準CCD的信號所替換，并且經(jīng)過處理，使二者達到了同步。

若利用示波器的輸出波形表示這一過程，則是在標準CCD 出現(xiàn)圖5 所示波形時，停止對其波形所進行的接收，轉而對同一時刻的校準CCD 的輸出波形（如圖2 所示）進行分析處理，但是當標準CCD 的輸出波形恢復正常時，則必須重新把分析處理的目標切換回標準CCD 的輸出波形，即在分析處理過程中用校準CCD 的輸出波形替代標準CCD 出現(xiàn)“過飽和”現(xiàn)象時的輸出波形，從而緩解了“過飽和”現(xiàn)象對所得到數(shù)據(jù)的影響。

4.3 單鏡頭雙CCD 結構的數(shù)據(jù)采集程序設計

在后續(xù)電路根據(jù)2.2 所設計的方案對數(shù)據(jù)進行處理時，可以按照以下程序進行。設標準CCD 的每一個輸出波峰單元的結構為abc，校準CCD 的每一個輸出波形單元的結構def,其中的b 和e 都表示波峰，并將合適的數(shù)據(jù)波形賦值于S（此時處理S 的代碼塊會對S 所接收的數(shù)據(jù)進行處理）,M 表示發(fā)生過飽和的波峰臨界值，則對每個輸出單元有：

以上程序就是針對標準CCD 和校準CCD 所輸出數(shù)據(jù)進行接收并整合的過程.由此可以對失真數(shù)據(jù)進行處理,從而避免了“過飽和”現(xiàn)象的發(fā)生。

5 結論

通過對“過飽和”現(xiàn)象產(chǎn)生原理的研究，發(fā)現(xiàn)了一種利用單鏡頭雙CCD 結構解決CCD過飽和問題的方法，即運用標準CCD 與校準CCD 相結合的雙重保障結構，根據(jù)校準CCD 所受光照強度較弱不易發(fā)生過飽和的特性，當標準CCD 發(fā)生過飽和時，接收端通過程序用同一時刻校準CCD 的輸出數(shù)據(jù)代替標準CCD 的輸出數(shù)據(jù)進行接收并處理，從而更好的保留圖像的真實信息。但“過飽和”時刻的信息置換可能又帶來邊沿失真現(xiàn)象，留待以后對加權系數(shù)作進一步的控制研究加以解決。