行间转移型CCD相机的Smear现象研究

    自1970年美国贝尔实验室研制成功第一只电荷耦合器件(CCD)以来,依靠业已成熟的MOS集成电路工艺,CCD技术得以迅速发展[1]。其应用领域涉及到航天、航空、遥感、卫星侦察、天文观测、交通、机器视觉、医疗、公安保卫等各个领域[2]。随着CCD数码相机的广泛应用,与胶片式相机相比CCD相机显示出很多优点但也存在一些缺陷,如smear现象就是CCD芯片的一个痼疾。

    Smear现象是指CCD传感器,当画面内射入高亮度点光源(或者对比度比较大)时,在整个画面上形成一条贯穿整个画面的白色条纹的现象,如图1所示。无论是行间转移型芯片还是帧转移型芯片都具有类似情况。Smear现象严重影响了图像的视觉效果,降低了芯片的动态范围。必须采取措施以降低甚至消除smear现象。

    Smear的量值是smear信号的电压与亮点信号电压的比值,单位一般用百分率(% )或者是分贝(dB)。CCD芯片输出图像被分为三个区(如图1所示)暗区、亮点区和smear区,三个区的电压分别为Vdark,Vspot和Vsmear,Rsmear的比值可以由公式(1)进行计算[3]。

    帧转移型及行间转移型CCD芯片的Rsmear值相比较而言,行间转移型芯片smear现象通常比较小(正常情况< 0. 03% )[4]。如果不采取任何措施且曝光时间又比较短, Smear现象就会比较严重,甚至超过40%,严重影响图像的视觉效果。

    1 Sm ear现象产生的机理

    Smear现象是CCD器件固有特性,下面分析行间转移型CCD芯片(Interline-Transfer-Sensor)产生smear现象的原因及过程。

    行间转移型面阵CCD的结构如图2所示,由光敏单元、列位移寄存器和行位移寄存器三部分组成。光敏单元作用是收集景物的光信号,完成光电转换,产生信号电荷;当积分时间(电子快门或曝光时间)结束时,各列的光敏单元将在曝光时间内所积累的信号电荷同时并行转移到列位移寄存器;转移结束后,列位移寄存器中的信号电荷在读出脉冲的作用下一行行地向行位移寄存器中转移,然后在水平驱动脉冲的作用下,信号电荷在行位移寄存器内快速地转移至输出端口输出,从而得到与光学图像对应的图像信号数据。

    行间转移CCD信号电荷的读出过程如图3所示,正是由于信号电荷的转移方式产生了smear现象。一方面,当信号电荷从感光区转移到存储区的过程中,感光区实际还在不停地感光,不停地产生电荷,这些电荷将会污染已经存在的电荷,这种影响称之为/smear效应0。另一方面,当强光线照射在CCD传感器上时,由于光线的斜射及芯片CCD芯片制作的工艺结构等原因,光生电荷可能进入到邻近的存储区,这被视为一个随机的扩散过程。波长越长的光进入存储区越深,导致了更严重的smear效应。此外,超高强度的光也会穿过列位移寄存器(存储区)上面的遮光层,直接干扰光敏单元以及电荷输送部,形成噪声信号,加重了smear现象。