造成CCD画面过饱和现象的原因及解决方法

1 引言

CCD(Charge Coupled Device)，它是一种特殊半导体器件，具有光电转换、电荷储存、电荷转移和检测等功能。CCD 作为摄像机里一个极其重要的部件，它起到将光信号转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。目前CCD应用的范围越来越广泛，随之而来的问题也越来越多，其中较严重的是“过饱和”现象。

2 “过饱和”现象的成因

CCD 在强光环境中工作时其画面会出现“过饱和”现象。过饱和现象产生的原因主要在于CCD 的成像原理——景物通过光学系统成实像于CCD 的感光面，CCD 将该实像的光强分布转化为不同大小的电荷包分布，然后通过输出结构按照一定的时序依次输出。传输电路对CCD 输出的电信号进行放大、去噪声、滤波和A/D 转换等处理后将所得的数字信号存入计算机，得到数字图象。光强变化引起图像变化的实质是光强的变化引起CCD 输出电信号的变化，电信号输出过强就会出现“过饱和”现象如图1 所示。

图 1 过饱和现象

图1 中白色饱和区域中存在的黑色盲区就是发生“过饱和”现象的区域。“过饱和”现象是在辐照光的强度远高于CCD 饱和阈值而低于破坏阈值的情况下容易发生，图1 所示为强光图，但在图中白色区域正中间，实际亮度应该更高的区域在图中却显示为黑色盲区，此图已经完全失真。

对此，我们作了实验研究，在实验采集的示波器数据中，CCD 输出波形每一个周期表示一个像素单元，每个像素单元分为三个部分，如图2 所示，它们分别是复位脉冲馈入、复位电平和数据电平。CCD 读出电荷的原理是将信号电荷包转移到读出电容器从而引起电容器两端的电压变化。复位脉冲的作用是使读出电容器两端电压恢复至复位电平。在复位过程中，复位脉冲馈入到CCD 的读出电容，在CCD 输出波形中形成一个小的尖峰。复位电平是CCD读出信号电荷包之前读出电容两端所维持的电平。数据电平是CCD 信号电荷包转移至读出电容器时电容两端的电平。

图 2 弱光照（正常工作）时CCD 输出波形图

根据CCD 光电转换原理，数据电平与复位电平之差即信号电荷包引起的读出电容两端的电变化，与电荷包大小成正比。当光强增大到一定程度时，由于CCD 所受光线能量过大，导致CCD 吸收光子能量所转化的电子能量过大，从而产生“过饱和”现象。

3 单镜头双CCD 结构的设计

单镜头双 CCD 结构是指光线由一个镜头进入，经过处理分别照射在2 个不同的CCD上，由校准CCD 辅助标准CCD 工作，其结构如图3 所示。

图 3单镜头双CCD 结构

双CCD 结构由一个标准CCD 和一个校准CCD 构成，通过析光平面镜把大部分入射光线射入标准CCD 中，同时有一小部分光线被反射进了校准CCD，析光平面镜的A 面反射一小部分入射光线，为校准CCD 的成像提供光强，B 面要镀增透膜使光能尽量透过，以避免该面反射的光能在校准CCD 上产生重影现象。

实验表明当A 面镀膜透反比为0.7:0.3，B 面镀双层增透，可以使重影几乎消失，校准CCD 也同时获得了尽量高的光强。

在进行强光拍摄或者强光差拍摄时，如果标准CCD 出现“过饱和”现象，就会产生图像失真，而此时刻校准CCD 所受光强较弱，其反射光的强度远低于其阈值，画面没有遭到破坏，可以通过类似于移动通信技术里的分集接受原理来收集处理2 个CCD 输出的电信号，利用校准CCD 输出的正常数据参数来代替标准CCD 产生“过饱和”时输出的不正常数据参数，采用优势互补，即当标准CCD 的一段输出电流过大时，则采用校准CCD 的相应的输出电流进行置换处理，通过对2 个CCD 所获取的输出电流进行运算整和从而缓解“过饱和”问题，并使得到的画面尽可能的贴近真实的画面。

4 “过饱和”现象的具体解决方案

4.1 方案具体实现过程

在所采集的示波器数据中，复位电平与数据电平叠加有相关的输出噪声，后续的模拟处理电路需要对CCD 芯片输出信号进行CDS 处理，即分别对复位电平和数据电平进行采样并且对两次采样的结果做差分放大输出。没有光照的时候数据部分相对于复位部分几乎没有变化。此时CCD 的输出波形如图4 所示。

图4 无光照时CCD 输出波形图

当光照过强时，CCD 输出波形如图5 所示，此时CDS 输出结果同图3 的输出结果一样都为零。但是前者是复位电平正常，而数据电平与复位电平相等，说明没有数据信号，对应与无光照的情形；后者是复位电平下降，复位电平与处于饱和的数据电平相等，对应与过饱和区。

图5 过饱和状态CCD 的输出波形图

这只是标准CCD 发生“过饱和”现象时的输出波形，而校准CCD 在此时的输出波形则如图2 所示。具体的解决方法是：当后续电路如果检测出标准CCD 的输出数据流异常，即出现了过饱和现象时，立刻截取此段数据并丢弃，并将此时校准CCD 所对应的输出数据经过同步处理使之衔接到已经接收标准CCD 的数据流之后，同时对标准CCD 的输出数据继续进行监测，当发现标准CCD 的输出数据流恢复正常时，将所需要采集的数据流目标再次切换到标准CCD所输出数据流，使数据的真实性得到了保障。

4.2 输出信号整合方法：

假设标准CCD 的每个输出信号（即像素单元）分别为a1(t),a2(t),a3(t),……,an(t),校准CCD 的每个输出信号分别为b1(t),b2(t),b3(t),……,bn(t),接收信号为M。若只接收标准CCD 的输出信号，最终接收到的信号M 可表示为：

M = a1(t)+a2(t)+a3(t)+……+an(t)

可以给标准CCD 每一时刻的输出信号设置一个加权系数αi(1≤i≤n)，给校准CCD 每一时刻的输出信号设置一个加权系数βi(1≤i≤n)，在一般情况下（非过饱和）αi 的值为1，βi的值为0，此时M 可表示为：

当标准CCD 的第i-j(1≤i≤n,1≤j≤n,i≤j)个信号出现过饱和时，其加权系数αi-αj 都为0，而校准CCD 的输出信号的加权系数βi-βj 都为1,则此时M 可表示为：

这时得到的接收信号M 为经过处理后的信号，标准CCD 发生“过饱和”的信号已被校准CCD的信号所替换，并且经过处理，使二者达到了同步。

若利用示波器的输出波形表示这一过程，则是在标准CCD 出现图5 所示波形时，停止对其波形所进行的接收，转而对同一时刻的校准CCD 的输出波形（如图2 所示）进行分析处理，但是当标准CCD 的输出波形恢复正常时，则必须重新把分析处理的目标切换回标准CCD 的输出波形，即在分析处理过程中用校准CCD 的输出波形替代标准CCD 出现“过饱和”现象时的输出波形，从而缓解了“过饱和”现象对所得到数据的影响。

4.3 单镜头双CCD 结构的数据采集程序设计

在后续电路根据2.2 所设计的方案对数据进行处理时，可以按照以下程序进行。设标准CCD 的每一个输出波峰单元的结构为abc，校准CCD 的每一个输出波形单元的结构def,其中的b 和e 都表示波峰，并将合适的数据波形赋值于S（此时处理S 的代码块会对S 所接收的数据进行处理）,M 表示发生过饱和的波峰临界值，则对每个输出单元有：

以上程序就是针对标准CCD 和校准CCD 所输出数据进行接收并整合的过程.由此可以对失真数据进行处理,从而避免了“过饱和”现象的发生。

5 结论

通过对“过饱和”现象产生原理的研究，发现了一种利用单镜头双CCD 结构解决CCD过饱和问题的方法，即运用标准CCD 与校准CCD 相结合的双重保障结构，根据校准CCD 所受光照强度较弱不易发生过饱和的特性，当标准CCD 发生过饱和时，接收端通过程序用同一时刻校准CCD 的输出数据代替标准CCD 的输出数据进行接收并处理，从而更好的保留图像的真实信息。但“过饱和”时刻的信息置换可能又带来边沿失真现象，留待以后对加权系数作进一步的控制研究加以解决。