第八章 图像信息的光电变换2-1节

1、8.1 图像传感器简介 完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。光电图像 传感器的发展历史悠久，种类很多。 早在1934年就成功地研制出光电摄像管（Iconoscope），用 于室内外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低，信噪比很低， 需要高于10000lx的照度才能获得较为清晰的图像。使它的应用受 到限制。 1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico）的灵敏度有所 提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。 l8.1.1 图像传感器发展历史发展历史 1954年投放市场的高灵敏摄像管（Vidicon）基本具有了成本 低，体积小，结构简单的特点，使广播电视事业和工业电视

2、事业有 了更大的发展。 1965年推出的氧化铅摄像管(Plumbicon)成功地取代了超正析 像管，发展了彩色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展产生 一次飞跃。诞生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶 面的彩色摄像机。然而，氧化铅视像管抗强光的能力低，余辉效应 影响了它的采样速率。 1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管和硅 靶管。不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。 1970年，美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD） 的原理使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器 从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。 CCD图像传感器不但具

3、有固体器件的所有优点，而且它的自扫描输 出方式消除了电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真。即 CCD图像传感器的输出信号能够不失真地将光学图像转换成视频电 视图像。而且，它的体积、重量、功耗和制造成本是电子束摄像管 根本无法达到的。CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为 广泛应用图像传感器的新时代。利用CCD图像传感器人们可以近距 离的实地观测星球表面的图像，可以观察肠、胃耳、鼻、喉等器官 内部的病变图像信息，可以观察人们不能直接观测的图像（如放射 环境的图像，敌方阵地图像等）。 CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉博伊尔 (Willard S. Boyl

4、e)和乔治史密斯（George E. Smith）所发明的。当时 贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技 术结合起来后，博伊尔和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷 气泡元件”（Charge Bubble Devices）。这种装置的特性就是 它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置， 当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光 电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。 2009年10月6日，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布将物理 学奖项授予高锟(Charles K. Kao)和两名科学家维拉博伊尔(Willard S. Boyle)

5、和乔治史密斯（George E. Smith）。科学家Charles K. Kao 因 为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就” 而获奖，科学家因 博伊尔和乔治-E-史密斯因“发明了成像半导体电路电荷藕合器 件图像传感器CCD” 获此殊荣。 CCD发明者维拉博伊尔和乔治史密斯 l8.1.2 图像传感器的分类 CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD 图像传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题。它的发展推 动了广播电视、工业电视、医用电视、军用电视、微光与红外电视 技术的发展，带动了机器视觉的发展，促进了公安刑侦、交通指挥、 安全保卫等事业的发展。 图像传感器按其工作方式可

6、分为扫描型和直视型。扫描型图像 传感器件通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像 转换成一维时序信号输出出来。这种代表图像信息的一维信号称为 视频信号。视频信号可通过信号放大和同步控制等处理后，通过相 应的显示设备（如监视器）还原成二维光学图像信号。 视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则才能 保证图像信息不产生失真，这种规则称为制式。 例如广播电视系统中遵循的规则被称为电视制式。数字图像传 输与处理过程中根据计算机接口方式的不同也规定了许多种类的制 式。 扫描型图像传感器输出的视频信号可经A/D转换为数字信号 （或称其为数字图像信号），存入计算机系统，并在软件的支持下

7、完成图像处理、存储、传输、显示及分析等功能。因此，扫描型图 像传感器的应用范围远远超过直视型图像传感器的应用范围。 直视型图像传感器用于图像的转换和增强。它的工作方式是将 入射辐射图像通过外光电转化为电子图像，再由电场或电磁场的加 速与聚焦进行能量的增强，并利用二次电子的发射作用进行电子倍 增，最后将增强的电子图像激发荧光屏产生可见光图像。 本章主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传感 器的基本工作原理和典型应用问题 。 l8.2.1 光电成像原理 如图8-1所示为光电成像系统的基本原理方框图。可以看出光 电成像系统常被分成摄像系统(摄像机)与图像显示系统两部分。摄 像系统由光学成像

8、系统（成像物镜）、光电变换系统、同步扫描和 图像编码等部分构成，输出全电视视频信号。本节主要讨论光电成 像系统。 l1.摄像机的基本原理 在外界照明光照射下或自身发光的景物经成像物镜成像在物镜 的像面(光电图像传感器的像面)上，形成二维空间光强分布的光学 图像。 光电图像传感器完成将光学图像转变成二维“电气” 图像的工 作。 组成一幅图像的最小单元称为像素或像元，像元的大小或一幅 图像所包含的像元数决定了图像的分辨率，分辨率越高，图像的细 节信息越丰富，图像越清晰，图像质量越高。即将图像分割得越细， 图像质量越高。 高质量的图像来源于高质量的摄像系统，其中主要是高质量的 光电图像传感器。 l2

9、. 图像的分割与扫描 将一幅图像分割成若干像素的方法有很多，超正析像管利用电 子束扫描光电阴极的方法分割像素；视像管由电阻海颗粒分割；面 阵CCD、CMOS图像传感器用光敏单元分割。被分割后的电气图像 经扫描才能输出一维时序信号，扫描的方式也与图像传感器的性质 有关。 面阵CCD采用转移脉冲方式将电荷包（像素信号）输出一维时 序信号；CMOS图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式完成像 素信号的一维输出。因此，有时也称面阵CCD、CMOS图像传感器 以自扫描的方式输出一维时序电信号。 监视器或电视接收机的显像管几乎都是利用电磁场使电子束偏 转而实现行与场扫描，因此，对于行、场扫描的速度、周期等

10、参数 进行严格的规定，以便显像管显示理想的图像。 如图8-2（a）所示的亮度按正弦分布的光栅图像，电子束扫描一行 将输出如图8-2（b）所示正弦时序信号，其纵坐标为与亮度L有关 的电压U，横坐标为扫描时间t。若图像的宽度为W，图像在x方向 的亮度分布为Lx，设正弦光栅图像的空间频率为fx。电子束从左向 右扫描（正程扫描）的时间频率f应为 hf t W ff x (8-1) 式中thf为行扫描周期，而W/thf应为电子 束的行扫描速度，记为vhf，式可改写为 f=fxvhf （8-2） CCD与CMOS等图像传感器只有遵守上 述的扫描方式才能替代电子束摄像管，因 此，CCD与CMOS的设计者均使

11、其自扫描制式与电子束摄像管相同。 l8.2.2 电视制式 电视的图像发送与接收系统中，图像的采集（摄像机）与图像 显示器必需遵守同样的分割规则才能获得理想的图像传输。这个规 则被称为电视制式。 电视制式的制定，应根据当时的科技发展状况和技术条件，考 虑本国或本地区电网对电视系统的干扰情况，人眼对图像的视觉感 受和人们对电视图像的要求等条件制定。 目前，正在应用中的电视制式一般有三种： 其中，我国以及西欧各国的彩色电视制式，该电视制式确定的 场频为50 Hz，隔行扫描每帧扫描行数为625行，伴音、图像载频 带宽为6.5 MHz。也称为PAL彩色电视制式。 PAL电视制式中规定 场周期为20ms,

12、其中场正程时间为18.4ms, 场逆程时间为1.6ms； 带宽(Band Width)：指每秒钟电子枪扫描过的总象素,等于“水平 分辨率x垂直分辨率x场频（画面刷新次数）”。 电视图像扫描是由隔行扫描组成场，由两场组成帧，一帧为一幅图 像。定义每秒钟扫多少帧为帧频；每秒钟扫描多少场为场频；每秒 钟扫描多少行为行频。隔行扫描把一帧图像分成若干行显示，隔行 扫描一帧分为2场：奇数场跟偶数场,奇场与偶场合在一起才组成完 整的一帧图像,显然帧频是场频的1/2。 l1. PAL彩色电视制式 行频为15625 Hz，行周期为64s,行正程时间为52s,行逆程时 间为12s。 （1）电视图像的宽高比 若用W

13、和H分别代表电视屏幕上显示图像的宽度和高度，二者 之比称为图像的宽高比，用表示 （8-3） H W （2）帧频与场频 每秒中电视屏幕变化的数目称为帧频。 我国电网频率为50Hz，因此，采用了50Hz场频和25Hz帧频 的隔行扫描的PAL电视制式。 场频(Vertical Scanning Frequency)：又称为“垂直扫描频率”， 指每秒钟屏幕刷新的次数 l2. 扫描方式 （3）扫描行数与行频 帧频与场频确定后，电视扫描系统中还需要确定的参数是每场扫 描的行数，或电子束扫描一行所需要的时间，又称为行周期。行周 期的倒数称为行频。 综合起来，我国现行电视制式（PAL制式）的主要参数为：宽高比

14、 =4/3；场频fv=50 Hz；行频fl=15 625 Hz；场周期T=20ms，其 中场正程扫描时间为18.4ms，逆程扫描时间为1.6ms。行周期为 64s，其中行正程扫描时间为52s，逆程扫描时间为12s。 （1）逐行扫描 显像管的电子枪装有水平与垂直两个方向的偏转线圈，线圈中分别 流过如图8-3所示的锯齿波电流，电子束在偏转线圈形成的磁场 作用下同时进行水平方向和垂直方向的偏转，完成对显像管荧光屏 的扫描。 （2）隔行扫描 根据人眼对图像分辨能力确定扫描的水平行数至少应大于600行， 这对于逐行扫描方式，行扫描频率必须大于28800Hz才能保证人眼 视觉对图像的最低要求。这样高的行扫

15、描频率，无论对摄像系统还 是对显示系统都提出了更高的要求。为了降低行扫描频率，又 能保证人眼视觉对图像分辨率及闪耀感的要求，早在20世纪初，人 们就提出了隔行扫描分解图像和显示图像的方法。 两场光栅均匀交错叠加是对隔行扫描方式的基本要求，否则图像的 质量将大为降低。因此要求隔行扫描必须满足下面两个要求： 第一，要求下一帧图像的扫描起始点应与上一帧起始点相同，确保 各帧扫描光栅重叠； 第二，要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌，确保获得最高的清晰度。 从第一条要求考虑，每帧扫描的行数应为整数，若在各场扫描电流 都一样的情况下，要满足第二条要求，每帧均应为奇数。那末，每 场的扫描行数就要出现半行的情况。

16、 目前，我国现行的隔行扫描电视制式就是每帧扫描行数为625行， 每场扫描行数为312.5行。 一、氧化铅视像管的结构 视频信号 靶 网电极 聚焦线圈 偏转线圈 校正线圈 聚焦极2 聚焦极1 阴极 控制栅极 加速极 RL VT 靶结构 玻璃 P I N SnO2 （透明导电膜） RL VT（4060V） 在入射窗的内表面首先蒸上 一层极薄的SnO2透明导电 膜，再蒸涂氧化铅本征层， 然后，氧化处理形成P型层。 由于氧化铅与二氧化锡两者 的接触而在交界面处形成N 形薄层，这样就构成了NIP 型异质结靶。又称信号板。 其反偏电压主要施加在本征 层。 当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。 由

17、于本征层占有靶厚的绝大部分，入射光子大部分被本征 层吸收，产生光生载流子。且在强电场的作用下，光生载 流子一旦产生，便被内电场拉开，电子拉向N区，空穴被 拉向P区。这样，若假定把曝光前本征层两端加有强电场 看作是电容充电，则此刻由于光生载流子的漂移运动的结 果相当于电容的放电。其结果，在一帧的时间内，在靶面 上便获得了与输入图像光照分布相对应的电位分布，完成 了图像的变换和记录过程。 固体摄像器件固体摄像器件 固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空 间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时 序串行输出的电信号 视频信号，而视频信号能再现 入射的光辐射图像。 固体摄像器件主要有

18、三大类： 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injenction Device，即CID） 8.4.18.4.1、电荷耦合摄像器件、电荷耦合摄像器件 CCD的基本功能电荷存储和电荷转移 CCD工作过程信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程，作 为摄像器件，电荷的产生是依靠半导体的光电特性，用光注入的办 法产生。 1969年美国贝尔实验室W.S.Boyle和G.E.Smith 首次提出CCD的概念，1970年首先研制出来的新 型半导体器件，利用CCD作为转换器件的传感器， 称为CCD传感

19、器，或称CCD图像传感器。 CCD器件有两个特点(以电荷作为信号)： 一是它在半导体硅片上制有成百上千个(甚至数百万个)光 敏元，它们按线阵或面阵有规则地排列。当物体通过物镜 成像于半导硅平面上时。这些光敏元就产生与照在它们上 面的光强成正比的光生电荷。 二是它具有自扫描能力，亦即将光敏元上产生的光生电荷 依次有规则地串行输出，输出的幅值与对应的光敏元上的 电荷量成正比。 CCD光敏单元阵列 SONY某款数码相 机中的CCD 一、电荷耦合器件原理 电荷耦合器件分为线阵器件和面阵器件两种，其基 本组成部分是MOS光敏元列阵和读出移位寄存器。 1、MOS光敏元 （电荷存储） 如图所示为MOS光敏元

20、的结构及势阱图。它是在半 导体(P型硅)基片上形成一种氧化物,如二氧化硅，在氧 化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属 MOS光敏元结构及其势阱 氧化物半导体结构 元(MOS)。 因为它是由金属 (M)氧化物(O) 半导体(S)三层所组 成，故称MOS结构 如图8-15（a）所示，在栅极G施加电压UG之前p型半导体中空穴 （多数载流子）的分布是均匀的。当栅极施加正电压UG（此时UG 小于等于p型半导体的阈值电压Uth）时，p型半导体中的空穴将开 始被排斥，并在半导体中产生如图8-15（b）所示耗尽区。 电压继续增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸，如图8-15（c） 所示。UG大于Uth后，

21、耗尽区的深度与UG成正比。 将半导体与绝缘体界面上的电势记为表面势s，s将随栅极电压 UG的增加而 增加，他们 的关系曲线 如图8-16所示。 图8-16描述了在掺杂为1021 cm-3，氧化层厚度为0.1m、0.3m、 0.4m和0.6m情况下，不存在反型层电荷时 ，表面势s与栅极 电压UG的关系曲线。从表面势s与栅极电压UG的关系曲线可以看 出氧化层的厚度越薄曲线的直线性越好；在同样的栅极电压UG作用 下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势。表面势s表征了耗尽区 的深度。 图8-17为栅极电压UG不变的情况下，表面势s与反型层电荷 密度Qinv之间的关系。由图8-17可以看出，表面势s随反型

22、层电荷 密度Qinv的增加而线性减小。依据图8-16与图8-17的关系曲线，很 容易用半导体物理中的“势阱”概念来描述。电子所以被加有栅极 电压的MOS结构吸引到半导体与氧化层的交界面处，是因为那里的 势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压UG的 关系恰如s与UG的关系，如图8-18（a）空势阱的情况。 Q=COXUG (8-6) 如果此时有光线入射（正面/背面）到硅片上，则在光子 的作用下，半导体硅片上就形成电子和空穴，由此产生的 光生电子(少数载流子)被附近的势阱所吸收(或称俘获)， 而同时产生的空穴(多数载流子)则被电场排斥出耗尽区进 入衬底，此时势阱内所吸收的光生电子数

23、量与入射到势阱 附近的光强成正比。人们称这样一个 MOS结构元为MOS光 敏元，或称为一个像素，把一个势阱所收集的若干光生电 荷称为一个电荷包。 MOS光敏元结构及其势阱 区别于热生载区别于热生载 流子暗电流流子暗电流 MOS光敏元结构及其势阱 因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存 电荷。它们按线阵或面阵有规则地排列，且用同一半导 体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化物，并在其上制作 许多金属电极。如果在金属电极上施加一正电压，则在 这半导体硅片上就形成几百个或几千个相互独立的势阱。 如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则 在这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度 相对应的光生电

24、荷 图像。即：电荷耦 合器件的光电效应 的基本原理。 2、读出移位寄存器（光敏单元中的电荷向移位寄存器转移） 移位寄存器由金属电极、氧化物介质及半导体组成，也是MOS结构， 它不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。图2所示为以三相 配线连接的读出移位寄存器的结构及控制时钟波形。 图 三相CCD读出寄存器结构与电荷转移的关系 a) 势阱耦合与电荷转移 b) 控制时钟波形图 解释： t=t1 t=t2 t=t3 t=t4 四个时刻的电荷转移过程。 现在来说明光敏单元中的电荷是怎样转移(读出)至移位寄存器的。如 图，光敏区中产生的电荷，由转移门Z控制转移至a1、a2、-an极下的 势阱。但如何解决

25、光敏区中的光敏单元数与移位一致？ 假设光敏单元a1中的电荷已转移至a1极下的势阱。同理，光敏单元a1、 a2an中的电荷同时转移至 a1、a2an极下的势阱。这是一个平行转 移的过程。 此时转移电极Z上的电压恢复为零，相当于把光敏区和移位寄存器之 间的“门”阻塞。光敏单元又重新进行光积累(光积分)， 移位寄存器a1、b1 、c1；a2、b2 、c2；- an、bn 、cn等进行移位 (电荷传输)，各自执行自己的任务。 上述光敏区中的电荷信号靠移 位寄存器传输给输出端读出， 故移位寄存器一般称它为读出寄 存器。 上述的电荷传输过程，实际上是一个电荷耦合的 过程，因此把这类器件称为“电荷藕合器件”

26、。在电 荷藕合器件中担任电荷耦合传输的单元，称为“读出 移位寄存器”。 从CCD工作原理可看出,这种器件具有存储、转移 电荷和逐一读出信号电荷的功能，因此CCD器件是固体 自扫描半导体摄像器件,有效地应用于图像传感器。 体内沟道（或埋沟道CCD） 即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）用离子注入 方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底 内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件 的转移效率高达99.999以上，工作频率可高达100MHz，且能 做成大规模器件 表面沟道器件，即SCCD（Surface Channel CCD）转移

27、沟 道在界面的CCD器件。工艺简单，动态范围大，但信号在转移过 程中受到表面态的影响，使转移速率和效率降低，不宜制成长线阵 和大面阵器件，工作频率一般在10MHz以下。转移效率高达 99.99 4、电荷的注入和检测 Qin=qNeoAtc 式中：为材料的 量子效率；q为电 子电荷量； Neo为 入射光的光子流速 率；A为光敏单元 的受光面积；tc为 光的注入时间。 3、CCD的电极结构 （1 1）光注入）光注入 1) 1) 电流注入法电流注入法 2) 2) 电压注入法电压注入法 1 如图8-21 （a）所示为电流注入法结构 如图8-21 （b）所示为电压注入法结构 （2 2 ） 电注入电注入

28、2 thigin ox g2 UUU C L W I s cs TUUU C L W Q 2 thigin ox g 2 (8-8) (8-9) 输出电流输出电流I Id d与注入到二极管中的电荷量与注入到二极管中的电荷量QQS S的关系的关系 QQs s= =I Id dd dt t (8-10) (8-10) （3 3）电荷的检测）电荷的检测( (输出方式输出方式) ) 二、电荷耦合摄像器件工作原理 CCD的电荷存储、转移的概念 + 半导体的光电性质 CCD摄像器件 按结构可分为线阵CCD和面阵CCD 按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD 可见光CCD又可分为黑白C

29、CD、彩色CCD和微光CCD （1）线阵CCD 线阵CCD可分为双沟道 传输与单沟道传输两种结构。 线型CCD图像传感器由一列 光敏元件与一列CCD并行且 对应的构成一个主体,在它们 之间设有一个转移控制栅。 双线结构CCD的转移寄存器按奇、偶序号分别排在光敏元件的两侧， 同样条件下，双线结构CCD的光敏元件的尺寸可以比单线结构 CCD的小一半，所以双线结构CCD具有更高的空间分辨率。 （2）面阵CCD 常见的面阵CCD摄像器件 有两种：行间转移结构与 帧转移结构。 二相面阵帧转移摄像器的 原理结构图。它由成像区 (像敏区)、暂存区和水平 读出寄存器等三部分构成。 8.4.2、电荷耦合摄像器件

30、的特性参数 1、转移效率和转移损失率 电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数。把一次转 移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比 称为电荷转移效率。如t=0时，某电极下的电荷为Q(0)， 在时间t时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移， 但总有一小部分留在原电极下，若被留下的电荷为Q(t)， 则转移效率为： )0( )( 1 )0( )()0( Q tQ Q tQQ )0( )( Q tQ 1 转移损失率： 理想情况下转移效率为1，实际值小于1，常为0.9999以上。 n QnQ)0()( 一个电荷Q(0)电荷包，经过n次转移后，剩下的电荷Q(n)为 如果效率为0.99，经过24次转移后，只剩下原来的79， 经过192次转移后剩下15。 BCCD比SCCD转移效率要高 2、工作频率f（驱动脉冲频率） （1）、决定工作频率下限因素 当信号电荷沿着势阱存储转移时，受到热生载流子的影响，为 减少这种影响，转移时间t必须小于热生载流子的平均寿命 , 也就是说保证在热生少数载流子还没占