线阵CCD相机的研制

    电耦合器件(CCD)技术的迅速发展,为成像、探测等领域高性能仪器的研究提供了新的机遇。CCD在结构上分为线阵CCD和面阵CCD,相对于面阵CCD来说,线阵CCD仪器具有高分辨率、高速等等优点,适合用于高精度、远距离以及需要高速拍摄的工作环境,或者科学研究领域。因此,线阵CCD相机的研究,有着非常重要的意义。

    1 系统概述

    线阵CCD相机,由光学系统、图像获取、图像传输几个部分组成,具体的功能模块见示意图1所示。

    图1是线阵CCD相机的基本结构框图,它的工作过程是:光学系统获取景物信息,由其焦平面上的CCD传感器在电源和工作时序的驱动下,把光信号转换成相应的电信号。然后,经过图像采集硬件输出。根据不同的工作环境对扫描速度的要求,配合不同的机械扫描机构,线阵CCD相机能够完成不同图像的扫描获取。

    2 光学系统设计

    相机光学系统,要考虑其奈奎斯特频率、视场大小是否与所选择的CCD相匹配。本实验中选择的uPD3575D线阵CCD是普通商用CCD,实验中要求线阵CCD相机在常温环境下扫描成像。因此,光学系统选择了批量化生产的成熟的产品,而没有重新研制,加快了研制速度,节省了研究经费。

    选择的镜头具有标准C接口的镜头,采用这种标准化接口的设计方法,可以简化结构,具有易于维护的优点,也方便日后系统不同部分分别升级,实验中选择的镜头见图2:镜头为变焦距镜头。

    3 CCD选择与驱动

    相机线阵CCD的选择,要根据线阵扫描相机输出图像的重要指标来进行,即线阵CCD相机输出图像的空间分辨率和信噪比(SNR)。

    3.1 图像空间分辨率

    对于CCD成像仪器,一般都把CCD的MTF(Modulation TransferFunction)作为图像空间分辨率的判断标准:在线阵方向(X方向),普通线阵的MTF为MTF1= (pf)sinc,其中f是空间频率,p是传感器敏感元的中心距,如果在扫描方向(Y方向)上采样间隔也是p,那么此传感器的三维MTF1d=MTF1#MTF1,如图3所示:图3中显示的MTF图像以像元间距p=1Lm的CCD为例获得,它的空间截止频率是1 000对/mm,可以看出,CCD像元间距越小,其空间分辨率越高;

    用仪器对景物的瞬时视场来表示其对景物的分辨能力,即可依靠公式:,其中A为CCD敏感元面积,f为光学系统焦距,H为景物到光学系统的距离。

    3.2 仪器输出信噪比

    一个固态图像传感器,若单个像元面积为A,成像积分时间是T,像元相应率为S,接受到的平均光照率为H,则收到的平均电荷数Ns为:Ns=SHAT/e;如果其中图像反差度为C,那么有效电荷$Ns为:$Ns=CNs=CSHAT/e;对于固态图像传感器,他的噪声一般包含背景噪声(光子噪声)、像元区噪声(转移噪声、俘获噪声等)、输出噪声(读出放大电路噪声)等。光子噪声为入射平均光子数的均方根值,噪声电荷Nnp为:如果像元区噪声和输出噪声分别为Nni和Nnr,那么可以求出总的噪声Nn:Nn=所以固态图像传感器的输出信噪比SNR为