1、第第8 8章章 圖像信息的光電變換圖像信息的光電變換 完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。感器。 1 1、圖像傳感器的分類、圖像傳感器的分類 2 2、光電成像原理與電視制式、光電成像原理與電視制式 3 3、固體成像器件、固體成像器件CCDCCD，CMOSCMOS 4 4、真空成像器件、真空成像器件 5 5、直視型光電器件、直視型光電器件 2）非直視）非直視掃描型光電成像器件又稱為攝像器件掃描型光電成像器件又稱為攝像器件。真空電子束掃描型真空電子束掃描型光電發射式攝像管光電發射式攝像管光電導式攝像管光電導式攝像管固體自掃描型固體自掃描型

2、電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件圖像光譜變換圖像光譜變換( (變像管變像管) )圖像強度變換圖像強度變換( (像增強管像增強管) )。1）凝視型（）凝視型（直視型）直視型）光電成像器件光電成像器件一一 光電成像器件的分類光電成像器件的分類景物景物光學成光學成像系統像系統光電變光電變換系統換系統圖像圖像分割分割同步掃同步掃描與編描與編碼碼視頻視頻信號信號信號信號傳送傳送同步掃同步掃描與解描與解碼碼視頻調視頻調整與彩整與彩色合成色合成再現再現圖像圖像攝像機系統攝像機系統監視器或電視接收監視器或電視接收機系統機系統二二 光電成像原理與電視制式光電成像原理與電視制式1.攝像機的基本原理攝像機的基本原理

3、 景物景物經經光學系統光學系統成像在物鏡的像面成像在物鏡的像面(光電圖像傳感器光電圖像傳感器的像面的像面)上，形成上，形成二維空間光強分布的光學圖像二維空間光強分布的光學圖像。 光電圖像傳感器：將光學圖像轉變成二維光電圖像傳感器：將光學圖像轉變成二維“電氣電氣” 圖像。圖像。 高質量的圖像來源于高質量的攝像系統，高質量的圖像來源于高質量的攝像系統，其中主要是高質量的光電圖像傳感器。其中主要是高質量的光電圖像傳感器。 景物景物光學成光學成像系統像系統光電變光電變換系統換系統圖像圖像分割分割同步掃同步掃描與編描與編碼碼視頻視頻信號信號 組成一幅圖像的最小單元稱為像素或像元。像元的大小或組成一幅圖像

4、的最小單元稱為像素或像元。像元的大小或一幅圖像所包含的像元數決定了圖像的分辨率，分辨率越高，一幅圖像所包含的像元數決定了圖像的分辨率，分辨率越高，圖像的細節信息越豐富，圖像越清晰，圖像質量越高。圖像的細節信息越豐富，圖像越清晰，圖像質量越高。即將即將圖像分割圖像分割得越細，圖像質量越高。得越細，圖像質量越高。 景物景物光學成光學成像系統像系統光電變光電變換系統換系統圖像圖像分割分割同步掃同步掃描與編描與編碼碼視頻視頻信號信號2. 圖像的分割圖像的分割 將一幅圖像分割成若干像素的方法有很多：將一幅圖像分割成若干像素的方法有很多：超正析像管超正析像管：利用電子束掃描光電陰極的方法分割像素；：利用電

5、子束掃描光電陰極的方法分割像素；視像管視像管：由電阻海顆粒分割；：由電阻海顆粒分割；面陣面陣CCD、CMOS圖像傳感器圖像傳感器：用光敏單元分割。：用光敏單元分割。 被分割后的電氣圖像經掃描才能輸出一維時序信號（被分割后的電氣圖像經掃描才能輸出一維時序信號（視頻視頻信號信號），掃描的方式也與圖像傳感器的性質有關。），掃描的方式也與圖像傳感器的性質有關。 面陣面陣CCDCCD采用轉移脈沖方式將電荷包（像素信號）輸出一維采用轉移脈沖方式將電荷包（像素信號）輸出一維時序信號；時序信號；CMOSCMOS圖像傳感器采用順序開通行、列開關的方式完圖像傳感器采用順序開通行、列開關的方式完成像素信號的一維輸出

6、。成像素信號的一維輸出。 3. 3.圖像的顯示：圖像的顯示：監視器或電視接收機的顯像管：監視器或電視接收機的顯像管： 利用電磁場使電子束偏轉利用電磁場使電子束偏轉而實現行與場掃描，而實現行與場掃描，因此，對于行、場掃描的速度、周期等參數進行嚴格的規定，因此，對于行、場掃描的速度、周期等參數進行嚴格的規定，以便顯像管顯示理想的圖像。以便顯像管顯示理想的圖像。 信號信號傳送傳送同步掃同步掃描與解描與解碼碼視頻調視頻調整與彩整與彩色合成色合成再現再現圖像圖像監視器或電視接收機系統監視器或電視接收機系統l4.掃描方式掃描方式 （1）逐行掃描）逐行掃描顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個方向的偏轉線圈，線圈

7、中分別顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個方向的偏轉線圈，線圈中分別流過鋸齒波電流，電子束在偏轉線圈形成的磁場作用下同時進行水流過鋸齒波電流，電子束在偏轉線圈形成的磁場作用下同時進行水平方向和垂直方向的偏轉，完成對顯像管熒光屏的掃描。平方向和垂直方向的偏轉，完成對顯像管熒光屏的掃描。 （2）隔行掃描）隔行掃描 根據人眼對圖像分辨能力，掃描的水平行數至少應大于根據人眼對圖像分辨能力，掃描的水平行數至少應大于600行，這對于逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于行，這對于逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于29000Hz才能保證人眼視覺對圖像的最低要求。才能保證人眼視覺對圖像的最低要求。 這樣高的行掃描頻率，無

8、論對攝像系統還是對顯示系統都這樣高的行掃描頻率，無論對攝像系統還是對顯示系統都提出了更高的要求。為了降低行掃描頻率，又能保證人眼視覺提出了更高的要求。為了降低行掃描頻率，又能保證人眼視覺對圖像分辨率及閃耀感的要求，早在對圖像分辨率及閃耀感的要求，早在20世紀初，人們就提出世紀初，人們就提出了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法。了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法。第二，要求相鄰兩第二，要求相鄰兩場光柵必須均勻地場光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最鑲嵌，確保獲得最高的清晰度。高的清晰度。 目前，我國現行的隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數目前，我國現行的隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數為為625行，一幀由

9、二場構成，每場掃描行數為行，一幀由二場構成，每場掃描行數為312.5行。行。隔行掃描必須滿足：隔行掃描必須滿足：第一，下一幀圖像的第一，下一幀圖像的掃描起始點應與上一掃描起始點應與上一幀起始點相同；幀起始點相同；（3）掃描行頻）掃描行頻電子束掃描一行所需要的時間，又稱為行周期。電子束掃描一行所需要的時間，又稱為行周期。行周期的倒數稱為行頻。行周期的倒數稱為行頻。 我國現行電視制式（我國現行電視制式（PAL制式）的主要參數為：制式）的主要參數為：寬高比寬高比=4/3；場頻；場頻fv=50 Hz；行頻；行頻fl=15 625 Hz；場周期場周期T=20ms， 其中場正程掃描時間為其中場正程掃描時間

10、為18.4ms，逆程掃描時間為，逆程掃描時間為1.6ms。行周期為行周期為64s， 其中行正程掃描時間為其中行正程掃描時間為52s，逆程掃描時間為，逆程掃描時間為12s。 5. 電視制式電視制式 電視的圖像發送與接收系統中，圖像的采集（攝像機）與電視的圖像發送與接收系統中，圖像的采集（攝像機）與圖像顯示器必需遵守同樣的分割規則才能獲得理想的圖像傳輸。圖像顯示器必需遵守同樣的分割規則才能獲得理想的圖像傳輸。這個規則被稱為電視制式。這個規則被稱為電視制式。 目前，正在應用中的電視制式一般有三種。目前，正在應用中的電視制式一般有三種。 PALPAL彩色電視制式：彩色電視制式：場頻為場頻為50 Hz，

11、隔行掃描每幀掃描行數為隔行掃描每幀掃描行數為625行，行，伴音、圖像載頻帶寬為伴音、圖像載頻帶寬為6.5 MHz。n電荷耦合器件電荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）lCMOS圖像傳感器圖像傳感器 Complementary Metal Oxide Semiconductor CIS CMOS Image Sensor三、 固體成像器件固體成像器件電電荷荷耦耦合合器器件件C CC CD D 線陣線陣CCD 面陣面陣CCDCMOS圖像傳感器的圖像傳感器的應用應用 CMOS器件的應用器件的應用圖圖8-82 CMOS器件的應用情況器件的應用情況保安監視保安監視P C 攝

12、像攝 像頭頭機頂盒機頂盒玩具玩具醫療儀器醫療儀器數碼相機數碼相機手機手機可視電話可視電話生物特征識別生物特征識別PDA條碼識別條碼識別汽車汽車CCDCCD的發明者的發明者George SmithGeorge Smith和和Willard BoyleWillard Boyle 圖像傳感器發展圖像傳感器發展 完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。1934年年 光電攝像管（光電攝像管（Iconoscope），用于室內外的廣播電視攝像。），用于室內外的廣播電視攝像。但是，它的靈敏度很低，信噪比很低，需要高于但是，它的靈敏度很低，信噪比很低，

13、需要高于10 000lx的照度的照度才能獲得較為清晰的圖像。才能獲得較為清晰的圖像。1947年年 超正析像管（超正析像管（Imaige Orthico），靈敏度有所提高，但是），靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在最低照度仍要求在2 000lx以上。以上。 1954年年 高靈敏視像管（高靈敏視像管（Vidicon） 成本低，體積小，結構簡單成本低，體積小，結構簡單 1965年年 (Plumbicon) 發展了彩色電視攝像機發展了彩色電視攝像機氧化鉛視像管抗強光的能氧化鉛視像管力低，余輝效應影響了它氧化鉛視像管抗強光的能氧化鉛視像管力低，余輝效應影響了它的采樣速率。的采樣速率。 1976年，又相

14、繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管和硅年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管和硅靶管。靶管。 19701970年，美國貝爾實驗室發現的電荷耦合器件（年，美國貝爾實驗室發現的電荷耦合器件（Charge Coupled Device,簡稱簡稱CCD) 的原理，使圖像傳感器的發展進入了的原理，使圖像傳感器的發展進入了一個全新的階段，使圖像傳感器一個全新的階段，使圖像傳感器從真空電子束掃描方式發展成為從真空電子束掃描方式發展成為固體自掃描輸出方式。固體自掃描輸出方式。 CCD本身就能完成光學圖像轉換、信息存貯和按順序輸出本身就能完成光學圖像轉換、信息存貯和按順序輸出（稱自掃描）視頻信號的全過程

15、。（稱自掃描）視頻信號的全過程。 它的自掃描輸出方式消除它的自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉換的非線性失真。了電子束掃描造成的圖像光電轉換的非線性失真。此外，與真空攝像器件相比此外，與真空攝像器件相比,CCD還有以下優點：還有以下優點： (1) 體積小，重量輕，功耗低；耐沖擊，可靠性高，壽命長；體積小，重量輕，功耗低；耐沖擊，可靠性高，壽命長； (2) 無象元燒傷、扭曲，不受電磁場干擾；無象元燒傷、扭曲，不受電磁場干擾； (3) 象元尺寸精度優于象元尺寸精度優于1m,分辨率高；分辨率高； (4) 基本上不保留殘象（真空攝像管有基本上不保留殘象（真空攝像管有15%20%的殘象）。的

16、殘象）。 (5) 視頻信號與微機接口容易。視頻信號與微機接口容易。 電荷耦合器件電荷耦合器件CCD的工作原理的工作原理光信息光信息電脈沖電脈沖脈沖只反映一個光敏元的受光情況脈沖只反映一個光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強弱脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強弱輸出脈沖的順序可以反映一個光敏元的位置輸出脈沖的順序可以反映一個光敏元的位置完成圖像傳感完成圖像傳感電荷耦合器件電荷耦合器件CCD的結構的結構CCDCCD的特點是以電荷作為信號，不是以電流或電壓作為信號。的特點是以電荷作為信號，不是以電流或電壓作為信號。 CCD線線陣列陣列CCD單元單元這種結構再加上這種結構再加上輸入、

17、輸出結構輸入、輸出結構就構成了就構成了N N位位CCDCCD。 CCD（Charge Coupled Devices，電荷耦合器件）圖像傳感，電荷耦合器件）圖像傳感器主要有兩種基本類型，表面溝道器主要有兩種基本類型，表面溝道CCD（簡稱為（簡稱為SCCD）器件；）器件；體溝道或埋溝道器件（簡稱為體溝道或埋溝道器件（簡稱為BCCD）。）。 CCD是由金屬氧化物半導體構成的密排器件，簡稱是由金屬氧化物半導體構成的密排器件，簡稱MOS結結構，它實際就是一個構，它實際就是一個MOS電容。電容。EvEFp金屬金屬氧化物氧化物P P型半導體型半導體ECEFm 柵極電壓柵極電壓Vg=0Vg=0,p,p型半導

18、體中均勻的空型半導體中均勻的空穴（多數載流子）分穴（多數載流子）分布，半導體中能量線布，半導體中能量線延伸到表面并與表面延伸到表面并與表面垂直。垂直。 柵極電壓柵極電壓Vg0Vg0, ,電電場排斥電子吸引空穴，場排斥電子吸引空穴，使表面電子能量增大，使表面電子能量增大，表面處能帶向上彎曲，表面處能帶向上彎曲，越接近表面空穴濃度越接近表面空穴濃度越大，形成空穴越大，形成空穴積累積累層層。EvEFp金屬金屬氧化物氧化物P P型半導體型半導體ECEFmVG0Vg0Vg0, ,電場電場排斥空穴吸引電子，越排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越小，接近表面空穴濃度越小，形成空穴形成空穴耗盡層耗盡層。Ev

19、VG0EFp金屬金屬氧化物氧化物P P型半導體型半導體ECEFmW 柵極電壓柵極電壓VgVg0 0, ,電電場排斥空穴吸引電子，場排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越越接近表面空穴濃度越小，電子濃度甚至超過小，電子濃度甚至超過空穴濃度，形成空穴濃度，形成反型層反型層。 EvEFp金屬金屬氧化物氧化物P P型半導體型半導體ECEFmVG0WEvEFp金屬金屬氧化物氧化物P P型半導體型半導體ECEFmVG0WVg0SiO2柵電極柵電極反型層反型層P-SiVg0SiO2柵電極柵電極耗盡層耗盡層P-Si 半導體表面與襯底的電壓，常稱為半導體表面與襯底的電壓，常稱為表面勢表面勢，（用，（用VG表示）

20、外加電壓越大，對應有越大的表面電勢，能帶彎表示）外加電壓越大，對應有越大的表面電勢，能帶彎曲的越厲害，相應的能量越低，儲存電子的能力越大，曲的越厲害，相應的能量越低，儲存電子的能力越大，通常稱其為通常稱其為勢阱勢阱。注入電子形成。注入電子形成電荷包電荷包表面勢與勢阱（表面勢與勢阱（電荷存儲電荷存儲）VG 0 51015伏伏VG空勢阱空勢阱P-SiVG=12伏伏全滿勢阱全滿勢阱P-SiVG=12伏伏填滿填滿1/3勢阱勢阱P-Si 反型層的出現在反型層的出現在S Si iOO2 2襯底之間建立了導電機構，襯底之間建立了導電機構，Vg0SiO2柵電極柵電極反型層反型層P-SiP P型襯底型襯底n n

21、溝道溝道Vg0SiO2柵電極柵電極反型層反型層n-Sin n型襯底型襯底p p溝道溝道 n n型襯底，柵極加負電壓，反型襯底，柵極加負電壓，反型層是正電荷，稱為型層是正電荷，稱為p p溝道溝道。 p p型襯底，柵極加正電壓，反型襯底，柵極加正電壓，反型層是負電荷，稱為型層是負電荷，稱為n n 溝道，溝道，Vg=0SiO2柵電極柵電極P-SiVg0SiO2柵電極柵電極耗盡層耗盡層P-SiVg0SiO2柵電極柵電極反型層反型層P-SinnP-Si 襯底源漏輸出柵轉移柵電極SiO2n-溝道電荷轉移電荷轉移和三相時鐘和三相時鐘2伏伏2伏伏10伏伏VGP-Si 2伏伏2伏伏10伏伏VGP-Si VG2伏

22、伏2伏伏10伏伏P-Si2伏伏 VG123t2 t4t1 t3 t5123t1 t3 t510伏伏2伏伏2伏伏2伏伏VGP-Si VG2伏伏2伏伏10伏伏P-Si p p襯底襯底鋁柵鋁柵多晶硅柵多晶硅柵1 12 2勢勢阱阱深深度度1 1高電位高電位 2 2低電位低電位 1 1 2 2 同電位同電位1 1低電位低電位 2 2高電位高電位 2 2）兩相）兩相CCDCCD結構和工作原理結構和工作原理3 3）電荷耦合器件的性能參數）電荷耦合器件的性能參數 電荷轉移效率電荷轉移效率)0()(1)0()()0(QtQQtQQ電荷損失率電荷損失率)0()()(QtQt 工作頻率工作頻率rHtf31 電荷本身

23、從一個電極轉移到電荷本身從一個電極轉移到另一個電極所需要的時間另一個電極所需要的時間t tr r不能不能大于驅動脈沖使其轉移的時間大于驅動脈沖使其轉移的時間T/3T/3，因此，上限頻率，因此，上限頻率 下限頻率決定于下限頻率決定于少數載流子壽命少數載流子壽命31Lf 電荷負載量電荷負載量電極下能容納的電荷數量電極下能容納的電荷數量piVCQ 探測噪聲探測噪聲fffQnficcn)/2cos1)(422n 電荷轉移次數；電荷轉移次數； fc 時鐘頻率時鐘頻率產生于界面態或體態與電荷包相互作用的電荷轉移起伏；產生于界面態或體態與電荷包相互作用的電荷轉移起伏； 背景光輻射引起的電荷變化與暗電流噪聲；

24、背景光輻射引起的電荷變化與暗電流噪聲；輸出級的復位過程與輸出放大器噪聲。輸出級的復位過程與輸出放大器噪聲。 有轉移損失就會有附加的噪盧。通過有轉移損失就會有附加的噪盧。通過n n次電荷轉移后，次電荷轉移后， 電流的轉移噪聲將為電流的轉移噪聲將為 電荷耦合攝像器件就是用于攝像的電荷耦合攝像器件就是用于攝像的CCDCCD。它的功能是把成像。它的功能是把成像在在CCDCCD的光敏面上的二維光學圖像信號，轉變成少數載流子數密的光敏面上的二維光學圖像信號，轉變成少數載流子數密度信號存儲于度信號存儲于MOSMOS電容中電容中, , 再轉移到再轉移到CCDCCD的移位寄存器的移位寄存器( (轉移電極轉移電極

25、上的勢阱）中，在驅動脈沖的作用下順序地移出器件，成為一上的勢阱）中，在驅動脈沖的作用下順序地移出器件，成為一維視頻信號輸出。維視頻信號輸出。 4）電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件輸出CCDCCD移位寄存器移位寄存器光敏區轉移柵CCDCCD移位寄存器時鐘移位寄存器時鐘單溝道線型單溝道線型ICCDICCD光敏區轉移柵A輸出ACCDCCD移位寄存器移位寄存器A ACCDCCD移位寄存器時鐘移位寄存器時鐘A A輸出BCCDCCD移位寄存器移位寄存器B BCCDCCD移位寄存器時鐘移位寄存器時鐘B B轉移柵B隔離區隔離區具有雙讀出寄存器的線陣具有雙讀出寄存器的線陣攝像器件攝像器件CCDCCD光敏區轉移柵

26、輸出CCDCCD讀出移位寄存器讀出移位寄存器A ACCDCCD移位寄存器時鐘移位寄存器時鐘C CCCDCCD移位寄存移位寄存器時鐘器時鐘A A 存儲區隔離區隔離區CCDCCD移位寄存移位寄存器時鐘器時鐘B B面陣面陣CCDCCD三相三相面陣面陣幀轉幀轉移攝移攝像器像器CCD器件器件5）微光電荷耦合成像器件）微光電荷耦合成像器件（I-CCD） 普通普通CCDCCD能夠在能夠在(1.5(1.52.0)2.0)l0l0-2-21x1x下成像，低于下成像，低于l0l0-2-21x1x成像需要采用圖像增強手段成像需要采用圖像增強手段, , 這樣構成的這樣構成的 I-CCD,I-CCD,既具有既具有CCD

27、CCD成像器件所具有的優點同時又能在夜天微光下工作成像器件所具有的優點同時又能在夜天微光下工作. . 用像增強器與用像增強器與CCD耦合在一起構成圖耦合在一起構成圖像增強型像增強型I-CCD 。6）電子轟擊型）電子轟擊型(EB-CCD) 入射光子在光電陰極上轉化為光電子，光電子被加速并入射光子在光電陰極上轉化為光電子，光電子被加速并聚焦在聚焦在CCD芯片上，光電子穿過器件正面覆蓋層，在芯片上，光電子穿過器件正面覆蓋層，在CCD上上產生電荷包產生電荷包，一個，一個光電子光電子 個電個電子，高靈敏度，但高速電子轟擊產生損傷，工作壽命短子，高靈敏度，但高速電子轟擊產生損傷，工作壽命短CCD光電陰極光

28、電陰極光學纖光學纖維板維板1.015kv-+CCD光電陰極光電陰極光學纖光學纖維板維板1.015kv-+CCD光光陰陰極極光光學學纖纖維維板板1.015kvCCD光光陰陰極極光光學學纖纖維維板板1.015kvCCD光電陰極光學纖維板螺線管或永久磁鐵11.5kVCCD光電陰極光學纖維板螺線管或永久磁鐵115kVCCD光電陰極光學纖維板螺線管或永久磁鐵11.5kVCCD光電陰極光學纖維板螺線管或永久磁鐵115kVCCD光電陰極光學纖維板螺線管或永久磁鐵11.5kVCCD光電陰極光學纖維板螺線管或永久磁鐵115kV靜電聚焦型靜電聚焦型EB-CCD磁聚焦型磁聚焦型EB-CCD近貼型型近貼型型EB-CC

29、D。7）單光子陣列成像）單光子陣列成像EMCCD EMCCD(Electron-Multiplying,CCD) 技術，有時也被稱作技術，有時也被稱作“片上增益片上增益”技術技術,它與普通的科學級它與普通的科學級CCD 探測器的主要區別在探測器的主要區別在于其讀出（轉移）寄存器后又接續有一串于其讀出（轉移）寄存器后又接續有一串“增益寄存器增益寄存器” 增益寄存器中有兩個電極，電極增益寄存器中有兩個電極，電極2 2 提供時鐘脈沖，提供時鐘脈沖，電極電極1 1 被加以電壓比轉移電荷所需要的電壓高很多（約被加以電壓比轉移電荷所需要的電壓高很多（約404060V60V）。在電極）。在電極1 1 與電極

30、與電極2 2 間產生的電場其強度足以使電子在轉間產生的電場其強度足以使電子在轉移過程中產生移過程中產生“撞擊離子化撞擊離子化”效應，從而產生了新的電子，即所效應，從而產生了新的電子，即所謂的倍增或者說是增益；謂的倍增或者說是增益；如此過程重復相當多次（如陸續經過幾千個增益寄存器的轉移），如此過程重復相當多次（如陸續經過幾千個增益寄存器的轉移），可達可達1000 1000 倍以上。倍以上。 8）紅外電荷耦合器件）紅外電荷耦合器件(IR-CCD) -紅外焦平面凝視列陣紅外焦平面凝視列陣 普通的普通的Si-CCDSi-CCD不不能直接用于紅外條件能直接用于紅外條件下的凝視模式工作。下的凝視模式工作。

31、背景積累會使器件過背景積累會使器件過載。載。單片式單片式IR-CCD混合式混合式IR-CCD1、單片式、單片式(IR-CCD) 單片式又稱整體式，即整個單片式又稱整體式，即整個IR-CCDIR-CCD做在一塊芯片上。做在一塊芯片上。它具體又可分為兩種情況，它具體又可分為兩種情況， 一種是一種是CCDCCD本身就對紅外敏感。本身就對紅外敏感。 另一種是把紅外探測器做在同一基底上基底通常另一種是把紅外探測器做在同一基底上基底通常用硅，而探測器部分常用本征窄帶或非本征材料，用硅，而探測器部分常用本征窄帶或非本征材料， 采用采用MI S(MI S(即金屬即金屬絕緣物絕緣物半導體半導體) )器件工藝，由

32、此制成本征窄帶半器件工藝，由此制成本征窄帶半導體導體IR-CCDIR-CCD及非本征及非本征IR-CCDIR-CCD。 非本征半導體非本征半導體IR-CCDIR-CCD是單片式是單片式IR-CCDIR-CCD的另一種形式。它利用非本征材的另一種形式。它利用非本征材料作探測器，然后轉移送給同一芯片上的料作探測器，然后轉移送給同一芯片上的CCDCCD。 2、混合式、混合式IR-CCD 混合式混合式IR-CCDIR-CCD結構的根本特點是把探測器和結構的根本特點是把探測器和CCDCCD移移位寄存器分開。位寄存器分開。 CCD CCD仍用普通硅制版工藝已相對成熱。仍用普通硅制版工藝已相對成熱。 對幾個

33、重要的紅外波段，則采用性能優良的本對幾個重要的紅外波段，則采用性能優良的本征紅外探測器。征紅外探測器。 CCD的現狀的現狀 第一、特殊第一、特殊CCD傳感器，傳感器， 如紅外如紅外CCD芯片（紅外焦平面陣列器件）、高靈敏度背照芯片（紅外焦平面陣列器件）、高靈敏度背照式式BCCD和電子轟擊式和電子轟擊式EBCCD等，另外還有大靶面如等，另外還有大靶面如20482048、40964096可見光可見光CCD傳感器、寬光譜范圍傳感器、寬光譜范圍（紫外光（紫外光可見光可見光近紅外光近紅外光3-5m中紅外光中紅外光8-14um遠遠紅外光紅外光)焦平面陣列傳感器等。焦平面陣列傳感器等。 第二、通用型或消費型

34、第二、通用型或消費型CCD傳感器傳感器 在許多方面都有較大地進展，如在許多方面都有較大地進展，如CMOS型攝像頭。總的方型攝像頭。總的方向是提高向是提高CCD攝像機的綜合性能。攝像機的綜合性能。 第三、其他固態攝像器件第三、其他固態攝像器件 （1）電荷注入器件）電荷注入器件(CID) CID的基本結構與的基本結構與CCD相似，也是相似，也是種種MOS列陣。列陣。 CIDCID與與CCDCCD的主要區別在于讀出過程：的主要區別在于讀出過程： 在在CCD中，信號電荷必須經過轉移才能讀出。中，信號電荷必須經過轉移才能讀出。 在在CID中，信號電荷不用轉移，是中，信號電荷不用轉移，是直接注入體內形成電

35、流來讀直接注入體內形成電流來讀出的出的。整個列陣的信號讀出是通過一種叫做。整個列陣的信號讀出是通過一種叫做“尋址讀出尋址讀出”方方式進行的，每一次只選中一個光敏單元。例如，當水平移位式進行的，每一次只選中一個光敏單元。例如，當水平移位寄存器電壓脈沖出現在第寄存器電壓脈沖出現在第m位，垂直移位寄存器電壓脈沖出位，垂直移位寄存器電壓脈沖出現在第現在第n位時，所選中的光敏元位置為位時，所選中的光敏元位置為(m，n)。（）（） CMOS （ Complementary Metal Oxide Semiconductor互補金屬氧化物半導體集成電路）互補金屬氧化物半導體集成電路） 基本單元電路反相器由基

36、本單元電路反相器由N溝道和溝道和P溝道溝道 MOS場效應晶體管（場效應晶體管（P溝道溝道金屬金屬-氧化物氧化物-半導體集成電路半導體集成電路和和N溝溝道金屬道金屬-氧化物氧化物-半導體集成電路半導體集成電路）構）構成，以推挽形式工作成，以推挽形式工作,能實現一定邏能實現一定邏輯功能的輯功能的集成電路集成電路,簡稱簡稱CMOS。 CMOS（互補金屬氧化物半導體集成電路互補金屬氧化物半導體集成電路）影像傳感器）影像傳感器 （ Complementary Metal Oxide Semiconductor）CMOS像傳感器按信號讀出方法，可分為：像傳感器按信號讀出方法，可分為： 無源像素圖像傳感器無

37、源像素圖像傳感器(PPS)； 光敏單元驅動能力弱，且固定結構噪聲光敏單元驅動能力弱，且固定結構噪聲FPN較大。較大。 有源像素圖像傳感器有源像素圖像傳感器(APS) ，性能優良，性能優良 CMOSCMOS最明顯的優勢是集成度高、功耗小、生產成本低、最明顯的優勢是集成度高、功耗小、生產成本低、容易與其他芯片整合。容易與其他芯片整合。 CMOS CMOS像感器的芯片上可以很容易集成各種數字電路。從像感器的芯片上可以很容易集成各種數字電路。從而可構成單片視頻攝像機。而可構成單片視頻攝像機。 CMOS CMOS像傳感器的光譜響應寬于像傳感器的光譜響應寬于CCDCCD像傳感器像傳感器 ，在紅外成，在紅外

38、成像領域將具有廣闊的應用前景像領域將具有廣闊的應用前景 集成度高、功耗小、生產成本低、容易與其他芯片整合。集成度高、功耗小、生產成本低、容易與其他芯片整合。光譜響應寬，圖像響應均勻性較差，光譜響應寬，圖像響應均勻性較差，具有較高的暗電流，信信號讀出速率號讀出速率 高，高， 1000 M 像素數/s. CMOS CMOS 圖像傳感器及其工作原理圖像傳感器及其工作原理 CCD CCD 圖像傳感器及其工作原理圖像傳感器及其工作原理 傳感器靈敏度較CMOS圖像傳感器高3050% ，動態范圍約較CMOS的高2倍，圖像響應均勻性好，具有優良的電子快門功能 ，信號讀出速率較低：70M 像素數/s. CCD與

39、與CMOS圖像傳感器的特性比較圖像傳感器的特性比較靈敏度CCD圖像傳感器靈敏度較CMOS圖像傳感器高3050%。 電子電壓轉換率CMOS圖像傳感器在像元中采用高增益低功耗互補放大器結構，其電壓轉換率略優于CCD圖像傳感器。 動態范圍 表示器件的飽和信號電壓與最低信號閾值電壓的比值。 CCD動態范圍約較CMOS的高2倍。 響應均勻性CMOS圖像傳感器由于每個像元中均有開環放大器，器件加工工藝的微小變化導致放大器的偏置及增益產生可觀的差異， CMOS圖像傳感器的響應均勻性較CCD有較大差距 暗電流CMOS圖像傳感器具有較高的暗電流， 暗電流密度為1nA/cm2量級 電子快門CCD像感器特別是內線轉

40、移結構像感器具有優良的電子快門功能 速度信號讀出速率 CCD: 70 Mpixels/s. CMOS:1000 Mpixels/s. 偏置、功耗與可靠性 CMOS圖像傳感器通常在單一的較低外接信號偏置電壓與時鐘電平下工作, CCD像感器需要幾組較高的偏置電壓才能工作，輸出放大器偏壓仍較高 抗暈能力CMOS的像元結構具有自然的抗暈能力 窗口 CMOS由于采用XY尋址方式，具有讀出任意局部畫面的能力， CCD的順序讀出信號結構決定它的畫面開窗口的能力受到限制。 （）（）電荷耦合光電二極管器件（電荷耦合光電二極管器件（CCPD）MOSMOS結構的結構的CCDCCD光敏元有兩個缺點光敏元有兩個缺點 :

41、 : 由于光柵多晶硅薄膜對光子有一定吸收由于光柵多晶硅薄膜對光子有一定吸收; ; MOS MOS電容的多層介質膜結構，將使入射光在通過電容的多層介質膜結構，將使入射光在通過這些多層介質膜時，發生干涉，使光譜響應出現許多峰這些多層介質膜時，發生干涉，使光譜響應出現許多峰谷。谷。 為克服這些缺點，用光電二極管代替為克服這些缺點，用光電二極管代替CCDCCD的的MOSMOS型型光敏元結構，從而構成了光敏元結構，從而構成了CCPDCCPD。 MOSMOS型型光敏光敏元結元結構構 光電二光電二極管光極管光敏元結敏元結構構 光敏元結構中省略了光柵，故光譜響應和響應度都比光敏元結構中省略了光柵，故光譜響應和

42、響應度都比CCD好。好。10）多陽極微通道陣列）多陽極微通道陣列(MAMA) 探測器探測器 電子解碼電子解碼器器電子解碼電子解碼器器存儲、定存儲、定時、控制時、控制存儲器存儲器電荷放大電荷放大器器陽極陣陽極陣列列MCP光電陰極光電陰極光子光子可同時收集多個光電子信息、具有可同時收集多個光電子信息、具有地址編碼功能的高密度陽極陣列地址編碼功能的高密度陽極陣列ELG EVVR1轉換系數轉換系數(增益增益)L：光電成像器件在法線方向輸出的亮度：光電成像器件在法線方向輸出的亮度E：輸入光電成像器件的輻照度：輸入光電成像器件的輻照度2. 光電靈敏度（響應度）光電靈敏度（響應度）R RIIIIEP二、光電

43、成像器件的特性3時間響應特性時間響應特性 光電成像器件的惰性來源于光電導效應的滯后光電成像器件的惰性來源于光電導效應的滯后和電容效應的滯后。和電容效應的滯后。 在提取動態信號時，攝像管的光電流輸出滯后于在提取動態信號時，攝像管的光電流輸出滯后于輸入的光信號輻射，攝像管的惰性輸入的光信號輻射，攝像管的惰性PVVRn4 4 圖像信號的概念圖像信號的概念。 21nnS21nnN1212nnSNnn圖像信噪比圖像信噪比 兩個相鄰的像元，具有不同的輻射亮度。令兩個像元兩個相鄰的像元，具有不同的輻射亮度。令兩個像元的輻射量子數分別為的輻射量子數分別為n1和和n2。兩個像元的差異就代表了圖。兩個像元的差異就

44、代表了圖像細節的信號。圖像信號為像細節的信號。圖像信號為 根據統計光學理論，弱光滿足泊松分布，其均方根據統計光學理論，弱光滿足泊松分布，其均方根方差等于均值，所以有根方差等于均值，所以有圖像噪聲圖像噪聲n5 5 圖像噪聲圖像噪聲。 6 6 圖像分辨圖像分辨力力 分辨分辨力力是以人眼做為接收器，所判定的極限分辨能力。是以人眼做為接收器，所判定的極限分辨能力。通常用光電成像通常用光電成像在一定距離內能分辨的等寬黑白條紋數在一定距離內能分辨的等寬黑白條紋數來來表示。表示。 直視型光電成像器件：取輸入像面上直視型光電成像器件：取輸入像面上每毫米每毫米所能分辨所能分辨的的等寬黑白條紋數等寬黑白條紋數表示

45、分辨表示分辨力力。記為：。記為：lpmm-1 非直視型光電成像器件：取掃描線方向，非直視型光電成像器件：取掃描線方向，圖像范圍內圖像范圍內所能分辨的所能分辨的等寬黑白條紋數等寬黑白條紋數表示分辨表示分辨力力。簡稱為電視線。簡稱為電視線。（水平水平分辨力分辨力為為466線，垂直線，垂直分辨力分辨力為為400線線. ） 把各種不可見圖像把各種不可見圖像( (包括紅外圖像，紫外圖像及包括紅外圖像，紫外圖像及射線圖像射線圖像) )轉換成可見圖像的器件稱為轉換成可見圖像的器件稱為變像管變像管。 把強度低于視覺閾值的圖像增強到可以觀察程把強度低于視覺閾值的圖像增強到可以觀察程度的器件稱為度的器件稱為像增強

46、管像增強管。 變像管與變像管與像增強管統稱為像增強管統稱為像管，像管，三三 非掃描型像管非掃描型像管1） 變像管變像管光電陰極光電陰極(光敏面光敏面)、電子光學系統、電子光學系統、熒光屏熒光屏高真空管殼高真空管殼 組成。組成。工作過程：工作過程： 輻射圖像形成在光電陰極上，光電陰極上各點產生正輻射圖像形成在光電陰極上，光電陰極上各點產生正比與入射輻射的電子發射，形成電子圖像比與入射輻射的電子發射，形成電子圖像 電子光學系統將電子像傳遞到熒光屏上，在傳遞過程電子光學系統將電子像傳遞到熒光屏上，在傳遞過程中將電子像放大中將電子像放大 熒光屏受電子轟擊發光，形成可見光圖像，完成光電熒光屏受電子轟擊發

47、光，形成可見光圖像，完成光電轉換轉換對對光電陰極光電陰極要求是：要求是：具有很高的光譜響應靈敏度，具有很高的光譜響應靈敏度，熱發射電流小，均勻性好熱發射電流小，均勻性好。 像管的光電陰極像管的光電陰極S-25 (Sb-Na-K-Cs)S-20(Sb-K-Na-Cs)GaAs變像管的電子光學系統變像管的電子光學系統變像管的熒光屏變像管的熒光屏 像管對熒光屏的主要要求是像管對熒光屏的主要要求是： 適合人眼觀察的發光光譜；適合人眼觀察的發光光譜； 足夠高的發光亮度；足夠高的發光亮度； 高分辨力和好的傳輸函數；高分辨力和好的傳輸函數； 合適的余輝時間；合適的余輝時間； 良好的機械強度、化學穩定性和熱穩

48、定性。良好的機械強度、化學穩定性和熱穩定性。 (Zn(ZnCd)SCd)SAgAg熒光粉熒光粉，其發光顏色為，其發光顏色為黃綠色，黃綠色， 峰值波長峰值波長0.560 0.560 m m， 1010余輝時間余輝時間0.050.052ms2ms。 像管的熒光屏是由熒光物質像管的熒光屏是由熒光物質(粉粒粉粒)刷涂在基底上制成。刷涂在基底上制成。它是像管中完成電光轉換的部件。它是像管中完成電光轉換的部件。2）像增強器）像增強器 通常將增強器管通常將增強器管( (增像管增像管) )與高壓電源經灌封工藝組裝成與高壓電源經灌封工藝組裝成整體的組件，稱為微光像增強器，裸管為增像管或單管。整體的組件，稱為微光

49、像增強器，裸管為增像管或單管。微光像增微光像增強器的組強器的組成及工作成及工作原理原理輸輸入入圖圖像像輸輸出出圖圖像像光電光電陰極陰極熒光熒光屏屏輸入光纖板輸入光纖板輸出光纖板輸出光纖板加速加速電極電極聚焦聚焦電極電極電子電子軌跡軌跡 像像增強器基本結構類似于變像管：光電陰極，電子光學增強器基本結構類似于變像管：光電陰極，電子光學系統，電子倍增器，熒光屏系統，電子倍增器，熒光屏 對對光電陰極光電陰極要求是：要求是：具有很高的光譜響應靈敏度，具有很高的光譜響應靈敏度，熱發射電流小，切均勻性好熱發射電流小，切均勻性好。 一種典型的一種典型的銻鉀鈉銫多堿銻鉀鈉銫多堿陰極，編號為陰極，編號為s s20

50、20。像管的光電陰極像管的光電陰極 s s25 25 （銻鈉鉀銫銻鈉鉀銫）光電陰極的光電陰極的光譜響應向紅外有光譜響應向紅外有所延伸，用于第一代和第二代增像管。所延伸，用于第一代和第二代增像管。 第三代像增強器是在二代近貼管的基礎上，將第三代像增強器是在二代近貼管的基礎上，將s s2525陰極置換為陰極置換為砷化鎵負電子親和勢光電陰極砷化鎵負電子親和勢光電陰極(GaAs NEA)(GaAs NEA)。其靈敏度幾乎是二代光電陰極的其靈敏度幾乎是二代光電陰極的3 34 4倍。倍。三種光電陰極的光譜響應效率曲線三種光電陰極的光譜響應效率曲線S-25 (Sb-Na-K-Cs)S-20(Sb-K-Na-

51、Cs)GaAs一代管單管結構一代管單管結構第一代三級級聯象增強管第一代三級級聯象增強管微通道式像增強管微通道式像增強管（二代管）（二代管）靜電聚焦微通道靜電聚焦微通道像增強管。像增強管。光光陰陰極極微微通通道道板板熒熒光光屏屏近貼式第二代像管結構近貼式第二代像管結構二代近貼管二代近貼管光陰極光陰極MCPMCP熒光屏熒光屏光纖扭曲器光纖扭曲器光纖面板光纖面板微光像增強器的性能參數微光像增強器的性能參數 有效光電陰極直徑有效光電陰極直徑 在像管輸入端上與光電在像管輸入端上與光電軸軸同心、能完全成像于熒光同心、能完全成像于熒光屏上的最大圓直徑。屏上的最大圓直徑。 光通量增益光通量增益G G。 用色溫

52、為用色溫為2856K2856K土土50K50K的鎢絲白熾燈照射像管的光電的鎢絲白熾燈照射像管的光電陰極，熒光屏輸出的光通量陰極，熒光屏輸出的光通量出出與輸入到光電陰極的光與輸入到光電陰極的光通量通量入入之比為光通量增益，即：之比為光通量增益，即：入出G 有效熒光屏直徑有效熒光屏直徑 在像管輸出端上與光電軸同心，并與有效光電陰極在像管輸出端上與光電軸同心，并與有效光電陰極直徑成物像關系的圓直徑。直徑成物像關系的圓直徑。光亮度增益光亮度增益G GL L 熒光屏的法向輸出光亮度熒光屏的法向輸出光亮度L L出出與光電陰極輸入光照度與光電陰極輸入光照度E E之比即為光亮度增益，即：之比即為光亮度增益，即

53、：暗背景光亮度暗背景光亮度 光電陰極無光照時，處于工作狀態的像管熒光屏光電陰極無光照時，處于工作狀態的像管熒光屏上的輸出光亮度稱為上的輸出光亮度稱為暗背景光亮度暗背景光亮度。入出ELGL/Cdm-2Lx-1放大率放大率 熒光屏上輸出像的幾何大小與光電陰極上輸入像的熒光屏上輸出像的幾何大小與光電陰極上輸入像的幾何大小之比。幾何大小之比。分辨力分辨力 像管分辨相鄰兩個物點或像點的能力。像管分辨相鄰兩個物點或像點的能力。ccrrMMMD畸變畸變 距離光電軸中心不同位置處各點放大率不同的表距離光電軸中心不同位置處各點放大率不同的表征。以該點處的放大率與中心放大率的差除以中心放大征。以該點處的放大率與中

54、心放大率的差除以中心放大率表示率表示WJII型頭盔式微光夜視儀型頭盔式微光夜視儀四四 掃描型攝像管掃描型攝像管 能夠輸出視頻信號的一類真空光電管能夠輸出視頻信號的一類真空光電管稱為稱為攝象管攝象管。將二維空間分布的光學圖像轉化為一維時序電信號將二維空間分布的光學圖像轉化為一維時序電信號光電發射式攝象管光電發射式攝象管光電導式攝象管光電導式攝象管R R靶靶電子束電子束電子槍電子槍R R光光電電陰陰極極靶靶電子束電子束電子槍電子槍移像區移像區光電發射式攝象管光電發射式攝象管光電導式攝象管光電導式攝象管R R靶靶電子束電子束電子槍電子槍R R光光電電陰陰極極靶靶電子束電子束電子槍電子槍移像區移像區光

55、電攝像器件的工作過程：光電攝像器件的工作過程：1、光電轉換：光學圖像投射到器件光敏面上，以象素為單元分、光電轉換：光學圖像投射到器件光敏面上，以象素為單元分別進行光電轉換，形成電量的潛像。別進行光電轉換，形成電量的潛像。2、光電信號的存儲：每個象素在掃描周期內對轉換的電量進行、光電信號的存儲：每個象素在掃描周期內對轉換的電量進行存儲。存儲。3、掃描：掃描線按一定軌跡逐點采集轉換后的電量，形成輸出、掃描：掃描線按一定軌跡逐點采集轉換后的電量，形成輸出信號。信號。RLC防反防反射膜射膜信號板信號板光光導導靶靶1）光導靶）光導靶 由光窗、信號板和靶組成。由光窗、信號板和靶組成。 靶面的軸向電阻小，橫

56、向電靶面的軸向電阻小，橫向電阻大，有利于保持光電轉換阻大，有利于保持光電轉換形成形成電量的潛象電量的潛象，并在掃描周期內實并在掃描周期內實現積分存儲。現積分存儲。視象管的基本結構：視象管的基本結構：光導靶光導靶和和電子槍電子槍。 一）光電導式攝象管（視象管）一）光電導式攝象管（視象管）RLC防反防反射膜射膜信號板信號板光光導導靶靶聚焦線圈聚焦線圈偏轉線圈偏轉線圈校正校正線圈線圈聚焦電極聚焦電極加速電極加速電極K聚焦線圈聚焦線圈校正校正線圈線圈偏轉線圈偏轉線圈G2）電子槍）電子槍 電子槍的作用是產生熱電子，并使它聚焦成很細的電子電子槍的作用是產生熱電子，并使它聚焦成很細的電子射線，按著一定的軌跡

57、掃描靶面。射線，按著一定的軌跡掃描靶面。逐點地采集這些轉換后的逐點地采集這些轉換后的電量形成串行輸出信號。電量形成串行輸出信號。3 3）視頻信號的形成）視頻信號的形成 幀圖像可分成四十多萬個像元。每個像元可用一個電阻幀圖像可分成四十多萬個像元。每個像元可用一個電阻和電容和電容c c來等效。來等效。 電容電容c c起存儲信息的作用，電阻起存儲信息的作用，電阻R R隨著光照度的增大而變隨著光照度的增大而變小，無光照時小，無光照時R R為暗電阻為暗電阻R R0 0、光照后變為光照后變為Rc(E)Rc(E)，是與照度有是與照度有關的變量。關的變量。視頻信號視頻信號RLCLEK每個象元（象素）有序的轉化為視頻電信號每個象元（象素）有序的轉化為視頻電信號（1）硅靶攝象管）硅靶攝象管 硅靶是貼在信號板上的一塊硅片，朝著電子槍一面生成硅靶是貼在信號板上的一塊硅片，朝著電子槍一面生成幾十萬個相互隔離的幾十萬個相互隔離的PN結結(光電