第八章成像器件

1、第第8 8章章 图像信息的光电变换图像信息的光电变换 完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。感器。 1 1、图像传感器的分类、图像传感器的分类 2 2、光电成像原理与电视制式、光电成像原理与电视制式 3 3、固体成像器件、固体成像器件CCDCCD，CMOSCMOS 4 4、真空成像器件、真空成像器件 5 5、直视型光电器件、直视型光电器件 2）非直视）非直视扫描型光电成像器件又称为摄像器件扫描型光电成像器件又称为摄像器件。真空电子束扫描型真空电子束扫描型光电发射式摄像管光电发射式摄像管光电导式摄像管光电导式摄像管固体自扫描型固体自扫描型

2、电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件图像光谱变换图像光谱变换( (变像管变像管) )图像强度变换图像强度变换( (像增强管像增强管) )。1）凝视型（）凝视型（直视型）直视型）光电成像器件光电成像器件一一 光电成像器件的分类光电成像器件的分类景物景物光学成光学成像系统像系统光电变光电变换系统换系统图像图像分割分割同步扫同步扫描与编描与编码码视频视频信号信号信号信号传送传送同步扫同步扫描与解描与解码码视频调视频调整与彩整与彩色合成色合成再现再现图像图像摄像机系统摄像机系统监视器或电视接收监视器或电视接收机系统机系统二二 光电成像原理与电视制式光电成像原理与电视制式1.摄像机的基本原理摄像机的基本原理

3、 景物景物经经光学系统光学系统成像在物镜的像面成像在物镜的像面(光电图像传感器光电图像传感器的像面的像面)上，形成上，形成二维空间光强分布的光学图像二维空间光强分布的光学图像。 光电图像传感器：将光学图像转变成二维光电图像传感器：将光学图像转变成二维“电气电气” 图像。图像。 高质量的图像来源于高质量的摄像系统，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。其中主要是高质量的光电图像传感器。 景物景物光学成光学成像系统像系统光电变光电变换系统换系统图像图像分割分割同步扫同步扫描与编描与编码码视频视频信号信号 组成一幅图像的最小单元称为像素或像元。像元的大小或组成一幅图像

4、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，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。图像的细节信息越丰富，图像越清晰，图像质量越高。即将即将图像分割图像分割得越细，图像质量越高。得越细，图像质量越高。 景物景物光学成光学成像系统像系统光电变光电变换系统换系统图像图像分割分割同步扫同步扫描与编描与编码码视频视频信号信号2. 图像的分割图像的分割 将一幅图像分割成若干像素的方法有很多：将一幅图像分割成若干像素的方法有很多：超正析像管超正析像管：利用电子束扫描光电阴极的方法分割像素；：利用电

5、子束扫描光电阴极的方法分割像素；视像管视像管：由电阻海颗粒分割；：由电阻海颗粒分割；面阵面阵CCD、CMOS图像传感器图像传感器：用光敏单元分割。：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（被分割后的电气图像经扫描才能输出一维时序信号（视频视频信号信号），扫描的方式也与图像传感器的性质有关。），扫描的方式也与图像传感器的性质有关。 面阵面阵CCDCCD采用转移脉冲方式将电荷包（像素信号）输出一维采用转移脉冲方式将电荷包（像素信号）输出一维时序信号；时序信号；CMOSCMOS图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式完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

6、。成像素信号的一维输出。 3. 3.图像的显示：图像的显示：监视器或电视接收机的显像管：监视器或电视接收机的显像管： 利用电磁场使电子束偏转利用电磁场使电子束偏转而实现行与场扫描，而实现行与场扫描，因此，对于行、场扫描的速度、周期等参数进行严格的规定，因此，对于行、场扫描的速度、周期等参数进行严格的规定，以便显像管显示理想的图像。以便显像管显示理想的图像。 信号信号传送传送同步扫同步扫描与解描与解码码视频调视频调整与彩整与彩色合成色合成再现再现图像图像监视器或电视接收机系统监视器或电视接收机系统l4.扫描方式扫描方式 （1）逐行扫描）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

7、中分别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流过锯齿波电流，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。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）隔行扫描 根据人眼对图像分辨能力，扫描的水平行数至少应大于根据人眼对图像分辨能力，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行，这对于逐行扫描方式，行扫描频率必须大于29000Hz才能保证人眼视觉对图像的最低要求。才能保证人眼视觉对图像的最低要求。 这样高的行扫描频率，无

8、论对摄像系统还是对显示系统都这样高的行扫描频率，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，早在对图像分辨率及闪耀感的要求，早在20世纪初，人们就提出世纪初，人们就提出了隔行扫描分解图像和显示图像的方法。了隔行扫描分解图像和显示图像的方法。第二，要求相邻两第二，要求相邻两场光栅必须均匀地场光栅必须均匀地镶嵌，确保获得最镶嵌，确保获得最高的清晰度。高的清晰度。 目前，我国现行的隔行扫描电视制式就是每帧扫描行数目前，我国现行的隔行扫描电视制式就是每帧扫描行数为为625行，一帧由

9、二场构成，每场扫描行数为行，一帧由二场构成，每场扫描行数为312.5行。行。隔行扫描必须满足：隔行扫描必须满足：第一，下一帧图像的第一，下一帧图像的扫描起始点应与上一扫描起始点应与上一帧起始点相同；帧起始点相同；（3）扫描行频）扫描行频电子束扫描一行所需要的时间，又称为行周期。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。行周期的倒数称为行频。 我国现行电视制式（我国现行电视制式（PAL制式）的主要参数为：制式）的主要参数为：宽高比宽高比=4/3；场频；场频fv=50 Hz；行频；行频fl=15 625 Hz；场周期场周期T=20ms， 其中场正程扫描时间为其中场正程扫描时间

10、为18.4ms，逆程扫描时间为，逆程扫描时间为1.6ms。行周期为行周期为64s， 其中行正程扫描时间为其中行正程扫描时间为52s，逆程扫描时间为，逆程扫描时间为12s。 5. 电视制式电视制式 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。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。这个规则被称为电视制式。 目前，正在应用中的电视制式一般有三种。目前，正在应用中的电视制式一般有三种。 PALPAL彩色电视制式：彩色电视制式：场频为场频为50 Hz，

11、隔行扫描每帧扫描行数为隔行扫描每帧扫描行数为625行，行，伴音、图像载频带宽为伴音、图像载频带宽为6.5 MHz。n电荷耦合器件电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）lCMOS图像传感器图像传感器 Complementary Metal Oxide Semiconductor CIS CMOS Image Sensor三、 固体成像器件固体成像器件电电荷荷耦耦合合器器件件C CC CD D 线阵线阵CCD 面阵面阵CCDCMOS图像传感器的图像传感器的应用应用 CMOS器件的应用器件的应用图图8-82 CMOS器件的应用情况器件的应用情况保安监视保安监视P C 摄

12、像摄 像头头机顶盒机顶盒玩具玩具医疗仪器医疗仪器数码相机数码相机手机手机可视电话可视电话生物特征识别生物特征识别PDA条码识别条码识别汽车汽车CCDCCD的发明者的发明者George SmithGeorge Smith和和Willard BoyleWillard Boyle 图像传感器发展图像传感器发展 完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。1934年年 光电摄像管（光电摄像管（Iconoscope），用于室内外的广播电视摄像。），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，需要高于但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，

13、需要高于10 000lx的照度的照度才能获得较为清晰的图像。才能获得较为清晰的图像。1947年年 超正析像管（超正析像管（Imaige Orthico），灵敏度有所提高，但是），灵敏度有所提高，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 高灵敏视像管（高灵敏视像管（Vidicon） 成本低，体积小，结构简单成本低，体积小，结构简单 1965年年 (Plumbicon) 发展了彩色电视摄像机发展了彩色电视摄像机氧化铅视像管抗强光的能氧化铅视像管力低，余辉效应影响了它氧化铅视像管抗强光的能氧化铅视像管力低，余辉效应影响了它的采样速率。的采样速率。 1976年，又相

14、继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管和硅年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管和硅靶管。靶管。 19701970年，美国贝尔实验室发现的电荷耦合器件（年，美国贝尔实验室发现的电荷耦合器件（Charge Coupled Device,简称简称CCD) 的原理，使图像传感器的发展进入了的原理，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从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。固体自扫描输出方式。 CCD本身就能完成光学图像转换、信息存贮和按顺序输出本身就能完成光学图像转换、信息存贮和按顺序输出（称自扫描）视频信号的全过程

15、。（称自扫描）视频信号的全过程。 它的自扫描输出方式消除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。了电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真。此外，与真空摄像器件相比此外，与真空摄像器件相比,CCD还有以下优点：还有以下优点： (1) 体积小，重量轻，功耗低；耐冲击，可靠性高，寿命长；体积小，重量轻，功耗低；耐冲击，可靠性高，寿命长； (2) 无象元烧伤、扭曲，不受电磁场干扰；无象元烧伤、扭曲，不受电磁场干扰； (3) 象元尺寸精度优于象元尺寸精度优于1m,分辨率高；分辨率高； (4) 基本上不保留残象（真空摄像管有基本上不保留残象（真空摄像管有15%20%的残象）。的

16、残象）。 (5) 视频信号与微机接口容易。视频信号与微机接口容易。 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD的工作原理的工作原理光信息光信息电脉冲电脉冲脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置完成图像传感完成图像传感电荷耦合器件电荷耦合器件CCD的结构的结构CCDCCD的特点是以电荷作为信号，不是以电流或电压作为信号。的特点是以电荷作为信号，不是以电流或电压作为信号。 CCD线线阵列阵列CCD单元单元这种结构再加上这种结构再加上输入、

17、输出结构输入、输出结构就构成了就构成了N N位位CCDCCD。 CCD（Charge Coupled Devices，电荷耦合器件）图像传感，电荷耦合器件）图像传感器主要有两种基本类型，表面沟道器主要有两种基本类型，表面沟道CCD（简称为（简称为SCCD）器件；）器件；体沟道或埋沟道器件（简称为体沟道或埋沟道器件（简称为BCCD）。）。 CCD是由金属氧化物半导体构成的密排器件，简称是由金属氧化物半导体构成的密排器件，简称MOS结结构，它实际就是一个构，它实际就是一个MOS电容。电容。EvEFp金属金属氧化物氧化物P P型半导体型半导体ECEFm 栅极电压栅极电压Vg=0Vg=0,p,p型半导

18、体中均匀的空型半导体中均匀的空穴（多数载流子）分穴（多数载流子）分布，半导体中能量线布，半导体中能量线延伸到表面并与表面延伸到表面并与表面垂直。垂直。 栅极电压栅极电压Vg0Vg0, ,电电场排斥电子吸引空穴，场排斥电子吸引空穴，使表面电子能量增大，使表面电子能量增大，表面处能带向上弯曲，表面处能带向上弯曲，越接近表面空穴浓度越接近表面空穴浓度越大，形成空穴越大，形成空穴积累积累层层。EvEFp金属金属氧化物氧化物P P型半导体型半导体ECEFmVG0Vg0Vg0, ,电场电场排斥空穴吸引电子，越排斥空穴吸引电子，越接近表面空穴浓度越小，接近表面空穴浓度越小，形成空穴形成空穴耗尽层耗尽层。Ev

19、VG0EFp金属金属氧化物氧化物P P型半导体型半导体ECEFmW 栅极电压栅极电压VgVg0 0, ,电电场排斥空穴吸引电子，场排斥空穴吸引电子，越接近表面空穴浓度越越接近表面空穴浓度越小，电子浓度甚至超过小，电子浓度甚至超过空穴浓度，形成空穴浓度，形成反型层反型层。 EvEFp金属金属氧化物氧化物P P型半导体型半导体ECEFmVG0WEvEFp金属金属氧化物氧化物P P型半导体型半导体ECEFmVG0WVg0SiO2栅电极栅电极反型层反型层P-SiVg0SiO2栅电极栅电极耗尽层耗尽层P-Si 半导体表面与衬底的电压，常称为半导体表面与衬底的电压，常称为表面势表面势，（用，（用VG表示）

20、外加电压越大，对应有越大的表面电势，能带弯表示）外加电压越大，对应有越大的表面电势，能带弯曲的越厉害，相应的能量越低，储存电子的能力越大，曲的越厉害，相应的能量越低，储存电子的能力越大，通常称其为通常称其为势阱势阱。注入电子形成。注入电子形成电荷包电荷包表面势与势阱（表面势与势阱（电荷存储电荷存储）VG 0 51015伏伏VG空势阱空势阱P-SiVG=12伏伏全满势阱全满势阱P-SiVG=12伏伏填满填满1/3势阱势阱P-Si 反型层的出现在反型层的出现在S Si iOO2 2衬底之间建立了导电机构，衬底之间建立了导电机构，Vg0SiO2栅电极栅电极反型层反型层P-SiP P型衬底型衬底n n

21、沟道沟道Vg0SiO2栅电极栅电极反型层反型层n-Sin n型衬底型衬底p p沟道沟道 n n型衬底，栅极加负电压，反型衬底，栅极加负电压，反型层是正电荷，称为型层是正电荷，称为p p沟道沟道。 p p型衬底，栅极加正电压，反型衬底，栅极加正电压，反型层是负电荷，称为型层是负电荷，称为n n 沟道，沟道，Vg=0SiO2栅电极栅电极P-SiVg0SiO2栅电极栅电极耗尽层耗尽层P-SiVg0SiO2栅电极栅电极反型层反型层P-SinnP-Si 衬底源漏输出栅转移栅电极SiO2n-沟道电荷转移电荷转移和三相时钟和三相时钟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衬底衬底铝栅铝栅多晶硅栅多晶硅栅1 12 2势势阱阱深深度度1 1高电位高电位 2 2低电位低电位 1 1 2 2 同电位同电位1 1低电位低电位 2 2高电位高电位 2 2）两相）两相CCDCCD结构和工作原理结构和工作原理3 3）电荷耦合器件的性能参数）电荷耦合器件的性能参数 电荷转移效率电荷转移效率)0()(1)0()()0(QtQQtQQ电荷损失率电荷损失率)0()()(QtQt 工作频率工作频率rHtf31 电荷本身

23、从一个电极转移到电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时间另一个电极所需要的时间t tr r不能不能大于驱动脉冲使其转移的时间大于驱动脉冲使其转移的时间T/3T/3，因此，上限频率，因此，上限频率 下限频率决定于下限频率决定于少数载流子寿命少数载流子寿命31Lf 电荷负载量电荷负载量电极下能容纳的电荷数量电极下能容纳的电荷数量piVCQ 探测噪声探测噪声fffQnficcn)/2cos1)(422n 电荷转移次数；电荷转移次数； fc 时钟频率时钟频率产生于界面态或体态与电荷包相互作用的电荷转移起伏；产生于界面态或体态与电荷包相互作用的电荷转移起伏； 背景光辐射引起的电荷变化与暗电流噪声；

24、背景光辐射引起的电荷变化与暗电流噪声；输出级的复位过程与输出放大器噪声。输出级的复位过程与输出放大器噪声。 有转移损失就会有附加的噪卢。通过有转移损失就会有附加的噪卢。通过n n次电荷转移后，次电荷转移后， 电流的转移噪声将为电流的转移噪声将为 电荷耦合摄像器件就是用于摄像的电荷耦合摄像器件就是用于摄像的CCDCCD。它的功能是把成像。它的功能是把成像在在CCDCCD的光敏面上的二维光学图像信号，转变成少数载流子数密的光敏面上的二维光学图像信号，转变成少数载流子数密度信号存储于度信号存储于MOSMOS电容中电容中, , 再转移到再转移到CCDCCD的移位寄存器的移位寄存器( (转移电极转移电极

25、上的势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为一上的势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为一维视频信号输出。维视频信号输出。 4）电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件输出CCDCCD移位寄存器移位寄存器光敏区转移栅CCDCCD移位寄存器时钟移位寄存器时钟单沟道线型单沟道线型ICCDICCD光敏区转移栅A输出ACCDCCD移位寄存器移位寄存器A ACCDCCD移位寄存器时钟移位寄存器时钟A A输出BCCDCCD移位寄存器移位寄存器B BCCDCCD移位寄存器时钟移位寄存器时钟B B转移栅B隔离区隔离区具有双读出寄存器的线阵具有双读出寄存器的线阵摄像器件摄像器件CCDCCD光敏区转移栅

26、输出CCDCCD读出移位寄存器读出移位寄存器A ACCDCCD移位寄存器时钟移位寄存器时钟C CCCDCCD移位寄存移位寄存器时钟器时钟A A 存储区隔离区隔离区CCDCCD移位寄存移位寄存器时钟器时钟B B面阵面阵CCDCCD三相三相面阵面阵帧转帧转移摄移摄像器像器CCD器件器件5）微光电荷耦合成像器件）微光电荷耦合成像器件（I-CCD） 普通普通CCDCCD能够在能够在(1.5(1.52.0)2.0)l0l0-2-21x1x下成像，低于下成像，低于l0l0-2-21x1x成像需要采用图像增强手段成像需要采用图像增强手段, , 这样构成的这样构成的 I-CCD,I-CCD,既具有既具有CCD

27、CCD成像器件所具有的优点同时又能在夜天微光下工作成像器件所具有的优点同时又能在夜天微光下工作. . 用像增强器与用像增强器与CCD耦合在一起构成图耦合在一起构成图像增强型像增强型I-CCD 。6）电子轰击型）电子轰击型(EB-CCD) 入射光子在光电阴极上转化为光电子，光电子被加速并入射光子在光电阴极上转化为光电子，光电子被加速并聚焦在聚焦在CCD芯片上，光电子穿过器件正面覆盖层，在芯片上，光电子穿过器件正面覆盖层，在CCD上上产生电荷包产生电荷包，一个，一个光电子光电子 个电个电子，高灵敏度，但高速电子轰击产生损伤，工作寿命短子，高灵敏度，但高速电子轰击产生损伤，工作寿命短CCD光电阴极光

28、电阴极光学纤光学纤维板维板1.015kv-+CCD光电阴极光电阴极光学纤光学纤维板维板1.015kv-+CCD光光阴阴极极光光学学纤纤维维板板1.015kvCCD光光阴阴极极光光学学纤纤维维板板1.015kvCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁11.5kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁115kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁11.5kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁115kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁11.5kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁115kV静电聚焦型静电聚焦型EB-CCD磁聚焦型磁聚焦型EB-CCD近贴型型近贴型型EB-CC

29、D。7）单光子阵列成像）单光子阵列成像EMCCD EMCCD(Electron-Multiplying,CCD) 技术，有时也被称作技术，有时也被称作“片上增益片上增益”技术技术,它与普通的科学级它与普通的科学级CCD 探测器的主要区别在探测器的主要区别在于其读出（转移）寄存器后又接续有一串于其读出（转移）寄存器后又接续有一串“增益寄存器增益寄存器” 增益寄存器中有两个电极，电极增益寄存器中有两个电极，电极2 2 提供时钟脉冲，提供时钟脉冲，电极电极1 1 被加以电压比转移电荷所需要的电压高很多（约被加以电压比转移电荷所需要的电压高很多（约404060V60V）。在电极）。在电极1 1 与电极

30、与电极2 2 间产生的电场其强度足以使电子在转间产生的电场其强度足以使电子在转移过程中产生移过程中产生“撞击离子化撞击离子化”效应，从而产生了新的电子，即所效应，从而产生了新的电子，即所谓的倍增或者说是增益；谓的倍增或者说是增益；如此过程重复相当多次（如陆续经过几千个增益寄存器的转移），如此过程重复相当多次（如陆续经过几千个增益寄存器的转移），可达可达1000 1000 倍以上。倍以上。 8）红外电荷耦合器件）红外电荷耦合器件(IR-CCD) -红外焦平面凝视列阵红外焦平面凝视列阵 普通的普通的Si-CCDSi-CCD不不能直接用于红外条件能直接用于红外条件下的凝视模式工作。下的凝视模式工作。

31、背景积累会使器件过背景积累会使器件过载。载。单片式单片式IR-CCD混合式混合式IR-CCD1、单片式、单片式(IR-CCD) 单片式又称整体式，即整个单片式又称整体式，即整个IR-CCDIR-CCD做在一块芯片上。做在一块芯片上。它具体又可分为两种情况，它具体又可分为两种情况， 一种是一种是CCDCCD本身就对红外敏感。本身就对红外敏感。 另一种是把红外探测器做在同一基底上基底通常另一种是把红外探测器做在同一基底上基底通常用硅，而探测器部分常用本征窄带或非本征材料，用硅，而探测器部分常用本征窄带或非本征材料， 采用采用MI S(MI S(即金属即金属绝缘物绝缘物半导体半导体) )器件工艺，由

32、此制成本征窄带半器件工艺，由此制成本征窄带半导体导体IR-CCDIR-CCD及非本征及非本征IR-CCDIR-CCD。 非本征半导体非本征半导体IR-CCDIR-CCD是单片式是单片式IR-CCDIR-CCD的另一种形式。它利用非本征材的另一种形式。它利用非本征材料作探测器，然后转移送给同一芯片上的料作探测器，然后转移送给同一芯片上的CCDCCD。 2、混合式、混合式IR-CCD 混合式混合式IR-CCDIR-CCD结构的根本特点是把探测器和结构的根本特点是把探测器和CCDCCD移移位寄存器分开。位寄存器分开。 CCD CCD仍用普通硅制版工艺已相对成热。仍用普通硅制版工艺已相对成热。 对几个

33、重要的红外波段，则采用性能优良的本对几个重要的红外波段，则采用性能优良的本征红外探测器。征红外探测器。 CCD的现状的现状 第一、特殊第一、特殊CCD传感器，传感器， 如红外如红外CCD芯片（红外焦平面阵列器件）、高灵敏度背照芯片（红外焦平面阵列器件）、高灵敏度背照式式BCCD和电子轰击式和电子轰击式EBCCD等，另外还有大靶面如等，另外还有大靶面如20482048、40964096可见光可见光CCD传感器、宽光谱范围传感器、宽光谱范围（紫外光（紫外光可见光可见光近红外光近红外光3-5m中红外光中红外光8-14um远远红外光红外光)焦平面阵列传感器等。焦平面阵列传感器等。 第二、通用型或消费型

34、第二、通用型或消费型CCD传感器传感器 在许多方面都有较大地进展，如在许多方面都有较大地进展，如CMOS型摄像头。总的方型摄像头。总的方向是提高向是提高CCD摄像机的综合性能。摄像机的综合性能。 第三、其他固态摄像器件第三、其他固态摄像器件 （1）电荷注入器件）电荷注入器件(CID) CID的基本结构与的基本结构与CCD相似，也是相似，也是种种MOS列阵。列阵。 CIDCID与与CCDCCD的主要区别在于读出过程：的主要区别在于读出过程： 在在CCD中，信号电荷必须经过转移才能读出。中，信号电荷必须经过转移才能读出。 在在CID中，信号电荷不用转移，是中，信号电荷不用转移，是直接注入体内形成电

35、流来读直接注入体内形成电流来读出的出的。整个列阵的信号读出是通过一种叫做。整个列阵的信号读出是通过一种叫做“寻址读出寻址读出”方方式进行的，每一次只选中一个光敏单元。例如，当水平移位式进行的，每一次只选中一个光敏单元。例如，当水平移位寄存器电压脉冲出现在第寄存器电压脉冲出现在第m位，垂直移位寄存器电压脉冲出位，垂直移位寄存器电压脉冲出现在第现在第n位时，所选中的光敏元位置为位时，所选中的光敏元位置为(m，n)。（）（） CMOS （ Complementary Metal Oxide Semiconductor互补金属氧化物半导体集成电路）互补金属氧化物半导体集成电路） 基本单元电路反相器由基

36、本单元电路反相器由N沟道和沟道和P沟道沟道 MOS场效应晶体管（场效应晶体管（P沟道沟道金属金属-氧化物氧化物-半导体集成电路半导体集成电路和和N沟沟道金属道金属-氧化物氧化物-半导体集成电路半导体集成电路）构）构成，以推挽形式工作成，以推挽形式工作,能实现一定逻能实现一定逻辑功能的辑功能的集成电路集成电路,简称简称CMOS。 CMOS（互补金属氧化物半导体集成电路互补金属氧化物半导体集成电路）影像传感器）影像传感器 （ Complementary Metal Oxide Semiconductor）CMOS像传感器按信号读出方法，可分为：像传感器按信号读出方法，可分为： 无源像素图像传感器无

37、源像素图像传感器(PPS)； 光敏单元驱动能力弱，且固定结构噪声光敏单元驱动能力弱，且固定结构噪声FPN较大。较大。 有源像素图像传感器有源像素图像传感器(APS) ，性能优良，性能优良 CMOSCMOS最明显的优势是集成度高、功耗小、生产成本低、最明显的优势是集成度高、功耗小、生产成本低、容易与其他芯片整合。容易与其他芯片整合。 CMOS CMOS像感器的芯片上可以很容易集成各种数字电路。从像感器的芯片上可以很容易集成各种数字电路。从而可构成单片视频摄像机。而可构成单片视频摄像机。 CMOS CMOS像传感器的光谱响应宽于像传感器的光谱响应宽于CCDCCD像传感器像传感器 ，在红外成，在红外

38、成像领域将具有广阔的应用前景像领域将具有广阔的应用前景 集成度高、功耗小、生产成本低、容易与其他芯片整合。集成度高、功耗小、生产成本低、容易与其他芯片整合。光谱响应宽，图像响应均匀性较差，光谱响应宽，图像响应均匀性较差，具有较高的暗电流，信信号读出速率号读出速率 高，高， 1000 M 像素数/s. CMOS CMOS 图像传感器及其工作原理图像传感器及其工作原理 CCD CCD 图像传感器及其工作原理图像传感器及其工作原理 传感器灵敏度较CMOS图像传感器高3050% ，动态范围约较CMOS的高2倍，图像响应均匀性好，具有优良的电子快门功能 ，信号读出速率较低：70M 像素数/s. CCD与

39、与CMOS图像传感器的特性比较图像传感器的特性比较灵敏度CCD图像传感器灵敏度较CMOS图像传感器高3050%。 电子电压转换率CMOS图像传感器在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构，其电压转换率略优于CCD图像传感器。 动态范围 表示器件的饱和信号电压与最低信号阈值电压的比值。 CCD动态范围约较CMOS的高2倍。 响应均匀性CMOS图像传感器由于每个像元中均有开环放大器，器件加工工艺的微小变化导致放大器的偏置及增益产生可观的差异， CMOS图像传感器的响应均匀性较CCD有较大差距 暗电流CMOS图像传感器具有较高的暗电流， 暗电流密度为1nA/cm2量级 电子快门CCD像感器特别是内线转

40、移结构像感器具有优良的电子快门功能 速度信号读出速率 CCD: 70 Mpixels/s. CMOS:1000 Mpixels/s. 偏置、功耗与可靠性 CMOS图像传感器通常在单一的较低外接信号偏置电压与时钟电平下工作, CCD像感器需要几组较高的偏置电压才能工作，输出放大器偏压仍较高 抗晕能力CMOS的像元结构具有自然的抗晕能力 窗口 CMOS由于采用XY寻址方式，具有读出任意局部画面的能力， CCD的顺序读出信号结构决定它的画面开窗口的能力受到限制。 （）（）电荷耦合光电二极管器件（电荷耦合光电二极管器件（CCPD）MOSMOS结构的结构的CCDCCD光敏元有两个缺点光敏元有两个缺点 :

41、 : 由于光栅多晶硅薄膜对光子有一定吸收由于光栅多晶硅薄膜对光子有一定吸收; ; MOS MOS电容的多层介质膜结构，将使入射光在通过电容的多层介质膜结构，将使入射光在通过这些多层介质膜时，发生干涉，使光谱响应出现许多峰这些多层介质膜时，发生干涉，使光谱响应出现许多峰谷。谷。 为克服这些缺点，用光电二极管代替为克服这些缺点，用光电二极管代替CCDCCD的的MOSMOS型型光敏元结构，从而构成了光敏元结构，从而构成了CCPDCCPD。 MOSMOS型型光敏光敏元结元结构构 光电二光电二极管光极管光敏元结敏元结构构 光敏元结构中省略了光栅，故光谱响应和响应度都比光敏元结构中省略了光栅，故光谱响应和

42、响应度都比CCD好。好。10）多阳极微通道阵列）多阳极微通道阵列(MAMA) 探测器探测器 电子解码电子解码器器电子解码电子解码器器存储、定存储、定时、控制时、控制存储器存储器电荷放大电荷放大器器阳极阵阳极阵列列MCP光电阴极光电阴极光子光子可同时收集多个光电子信息、具有可同时收集多个光电子信息、具有地址编码功能的高密度阳极阵列地址编码功能的高密度阳极阵列ELG EVVR1转换系数转换系数(增益增益)L：光电成像器件在法线方向输出的亮度：光电成像器件在法线方向输出的亮度E：输入光电成像器件的辐照度：输入光电成像器件的辐照度2. 光电灵敏度（响应度）光电灵敏度（响应度）R RIIIIEP二、光电

43、成像器件的特性3时间响应特性时间响应特性 光电成像器件的惰性来源于光电导效应的滞后光电成像器件的惰性来源于光电导效应的滞后和电容效应的滞后。和电容效应的滞后。 在提取动态信号时，摄像管的光电流输出滞后于在提取动态信号时，摄像管的光电流输出滞后于输入的光信号辐射，摄像管的惰性输入的光信号辐射，摄像管的惰性PVVRn4 4 图像信号的概念图像信号的概念。 21nnS21nnN1212nnSNnn图像信噪比图像信噪比 两个相邻的像元，具有不同的辐射亮度。令两个像元两个相邻的像元，具有不同的辐射亮度。令两个像元的辐射量子数分别为的辐射量子数分别为n1和和n2。两个像元的差异就代表了图。两个像元的差异就

44、代表了图像细节的信号。图像信号为像细节的信号。图像信号为 根据统计光学理论，弱光满足泊松分布，其均方根据统计光学理论，弱光满足泊松分布，其均方根方差等于均值，所以有根方差等于均值，所以有图像噪声图像噪声n5 5 图像噪声图像噪声。 6 6 图像分辨图像分辨力力 分辨分辨力力是以人眼做为接收器，所判定的极限分辨能力。是以人眼做为接收器，所判定的极限分辨能力。通常用光电成像通常用光电成像在一定距离内能分辨的等宽黑白条纹数在一定距离内能分辨的等宽黑白条纹数来来表示。表示。 直视型光电成像器件：取输入像面上直视型光电成像器件：取输入像面上每毫米每毫米所能分辨所能分辨的的等宽黑白条纹数等宽黑白条纹数表示

45、分辨表示分辨力力。记为：。记为：lpmm-1 非直视型光电成像器件：取扫描线方向，非直视型光电成像器件：取扫描线方向，图像范围内图像范围内所能分辨的所能分辨的等宽黑白条纹数等宽黑白条纹数表示分辨表示分辨力力。简称为电视线。简称为电视线。（水平水平分辨力分辨力为为466线，垂直线，垂直分辨力分辨力为为400线线. ） 把各种不可见图像把各种不可见图像( (包括红外图像，紫外图像及包括红外图像，紫外图像及射线图像射线图像) )转换成可见图像的器件称为转换成可见图像的器件称为变像管变像管。 把强度低于视觉阈值的图像增强到可以观察程把强度低于视觉阈值的图像增强到可以观察程度的器件称为度的器件称为像增强

46、管像增强管。 变像管与变像管与像增强管统称为像增强管统称为像管，像管，三三 非扫描型像管非扫描型像管1） 变像管变像管光电阴极光电阴极(光敏面光敏面)、电子光学系统、电子光学系统、荧光屏荧光屏高真空管壳高真空管壳 组成。组成。工作过程：工作过程： 辐射图像形成在光电阴极上，光电阴极上各点产生正辐射图像形成在光电阴极上，光电阴极上各点产生正比与入射辐射的电子发射，形成电子图像比与入射辐射的电子发射，形成电子图像 电子光学系统将电子像传递到荧光屏上，在传递过程电子光学系统将电子像传递到荧光屏上，在传递过程中将电子像放大中将电子像放大 荧光屏受电子轰击发光，形成可见光图像，完成光电荧光屏受电子轰击发

47、光，形成可见光图像，完成光电转换转换对对光电阴极光电阴极要求是：要求是：具有很高的光谱响应灵敏度，具有很高的光谱响应灵敏度，热发射电流小，均匀性好热发射电流小，均匀性好。 像管的光电阴极像管的光电阴极S-25 (Sb-Na-K-Cs)S-20(Sb-K-Na-Cs)GaAs变像管的电子光学系统变像管的电子光学系统变像管的荧光屏变像管的荧光屏 像管对荧光屏的主要要求是像管对荧光屏的主要要求是： 适合人眼观察的发光光谱；适合人眼观察的发光光谱； 足够高的发光亮度；足够高的发光亮度； 高分辨力和好的传输函数；高分辨力和好的传输函数； 合适的余辉时间；合适的余辉时间； 良好的机械强度、化学稳定性和热稳

48、定性。良好的机械强度、化学稳定性和热稳定性。 (Zn(ZnCd)SCd)SAgAg荧光粉荧光粉，其发光颜色为，其发光颜色为黄绿色，黄绿色， 峰值波长峰值波长0.560 0.560 m m， 1010余辉时间余辉时间0.050.052ms2ms。 像管的荧光屏是由荧光物质像管的荧光屏是由荧光物质(粉粒粉粒)刷涂在基底上制成。刷涂在基底上制成。它是像管中完成电光转换的部件。它是像管中完成电光转换的部件。2）像增强器）像增强器 通常将增强器管通常将增强器管( (增像管增像管) )与高压电源经灌封工艺组装成与高压电源经灌封工艺组装成整体的组件，称为微光像增强器，裸管为增像管或单管。整体的组件，称为微光

49、像增强器，裸管为增像管或单管。微光像增微光像增强器的组强器的组成及工作成及工作原理原理输输入入图图像像输输出出图图像像光电光电阴极阴极荧光荧光屏屏输入光纤板输入光纤板输出光纤板输出光纤板加速加速电极电极聚焦聚焦电极电极电子电子轨迹轨迹 像像增强器基本结构类似于变像管：光电阴极，电子光学增强器基本结构类似于变像管：光电阴极，电子光学系统，电子倍增器，荧光屏系统，电子倍增器，荧光屏 对对光电阴极光电阴极要求是：要求是：具有很高的光谱响应灵敏度，具有很高的光谱响应灵敏度，热发射电流小，切均匀性好热发射电流小，切均匀性好。 一种典型的一种典型的锑钾钠铯多碱锑钾钠铯多碱阴极，编号为阴极，编号为s s20

50、20。像管的光电阴极像管的光电阴极 s s25 25 （锑钠钾铯锑钠钾铯）光电阴极的光电阴极的光谱响应向红外有光谱响应向红外有所延伸，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。 第三代像增强器是在二代近贴管的基础上，将第三代像增强器是在二代近贴管的基础上，将s s2525阴极置换为阴极置换为砷化镓负电子亲和势光电阴极砷化镓负电子亲和势光电阴极(GaAs NEA)(GaAs NEA)。其灵敏度几乎是二代光电阴极的其灵敏度几乎是二代光电阴极的3 34 4倍。倍。三种光电阴极的光谱响应效率曲线三种光电阴极的光谱响应效率曲线S-25 (Sb-Na-K-Cs)S-20(Sb-K-Na-

51、Cs)GaAs一代管单管结构一代管单管结构第一代三级级联象增强管第一代三级级联象增强管微通道式像增强管微通道式像增强管（二代管）（二代管）静电聚焦微通道静电聚焦微通道像增强管。像增强管。光光阴阴极极微微通通道道板板荧荧光光屏屏近贴式第二代像管结构近贴式第二代像管结构二代近贴管二代近贴管光阴极光阴极MCPMCP荧光屏荧光屏光纤扭曲器光纤扭曲器光纤面板光纤面板微光像增强器的性能参数微光像增强器的性能参数 有效光电阴极直径有效光电阴极直径 在像管输入端上与光电在像管输入端上与光电轴轴同心、能完全成像于荧光同心、能完全成像于荧光屏上的最大圆直径。屏上的最大圆直径。 光通量增益光通量增益G G。 用色温

52、为用色温为2856K2856K土土50K50K的钨丝白炽灯照射像管的光电的钨丝白炽灯照射像管的光电阴极，荧光屏输出的光通量阴极，荧光屏输出的光通量出出与输入到光电阴极的光与输入到光电阴极的光通量通量入入之比为光通量增益，即：之比为光通量增益，即：入出G 有效荧光屏直径有效荧光屏直径 在像管输出端上与光电轴同心，并与有效光电阴极在像管输出端上与光电轴同心，并与有效光电阴极直径成物像关系的圆直径。直径成物像关系的圆直径。光亮度增益光亮度增益G GL L 荧光屏的法向输出光亮度荧光屏的法向输出光亮度L L出出与光电阴极输入光照度与光电阴极输入光照度E E之比即为光亮度增益，即：之比即为光亮度增益，即

53、：暗背景光亮度暗背景光亮度 光电阴极无光照时，处于工作状态的像管荧光屏光电阴极无光照时，处于工作状态的像管荧光屏上的输出光亮度称为上的输出光亮度称为暗背景光亮度暗背景光亮度。入出ELGL/Cdm-2Lx-1放大率放大率 荧光屏上输出像的几何大小与光电阴极上输入像的荧光屏上输出像的几何大小与光电阴极上输入像的几何大小之比。几何大小之比。分辨力分辨力 像管分辨相邻两个物点或像点的能力。像管分辨相邻两个物点或像点的能力。ccrrMMMD畸变畸变 距离光电轴中心不同位置处各点放大率不同的表距离光电轴中心不同位置处各点放大率不同的表征。以该点处的放大率与中心放大率的差除以中心放大征。以该点处的放大率与中

54、心放大率的差除以中心放大率表示率表示WJII型头盔式微光夜视仪型头盔式微光夜视仪四四 扫描型摄像管扫描型摄像管 能够输出视频信号的一类真空光电管能够输出视频信号的一类真空光电管称为称为摄象管摄象管。将二维空间分布的光学图像转化为一维时序电信号将二维空间分布的光学图像转化为一维时序电信号光电发射式摄象管光电发射式摄象管光电导式摄象管光电导式摄象管R R靶靶电子束电子束电子枪电子枪R R光光电电阴阴极极靶靶电子束电子束电子枪电子枪移像区移像区光电发射式摄象管光电发射式摄象管光电导式摄象管光电导式摄象管R R靶靶电子束电子束电子枪电子枪R R光光电电阴阴极极靶靶电子束电子束电子枪电子枪移像区移像区光

55、电摄像器件的工作过程：光电摄像器件的工作过程：1、光电转换：光学图像投射到器件光敏面上，以象素为单元分、光电转换：光学图像投射到器件光敏面上，以象素为单元分别进行光电转换，形成电量的潜像。别进行光电转换，形成电量的潜像。2、光电信号的存储：每个象素在扫描周期内对转换的电量进行、光电信号的存储：每个象素在扫描周期内对转换的电量进行存储。存储。3、扫描：扫描线按一定轨迹逐点采集转换后的电量，形成输出、扫描：扫描线按一定轨迹逐点采集转换后的电量，形成输出信号。信号。RLC防反防反射膜射膜信号板信号板光光导导靶靶1）光导靶）光导靶 由光窗、信号板和靶组成。由光窗、信号板和靶组成。 靶面的轴向电阻小，横

56、向电靶面的轴向电阻小，横向电阻大，有利于保持光电转换阻大，有利于保持光电转换形成形成电量的潜象电量的潜象，并在扫描周期内实并在扫描周期内实现积分存储。现积分存储。视象管的基本结构：视象管的基本结构：光导靶光导靶和和电子枪电子枪。 一）光电导式摄象管（视象管）一）光电导式摄象管（视象管）RLC防反防反射膜射膜信号板信号板光光导导靶靶聚焦线圈聚焦线圈偏转线圈偏转线圈校正校正线圈线圈聚焦电极聚焦电极加速电极加速电极K聚焦线圈聚焦线圈校正校正线圈线圈偏转线圈偏转线圈G2）电子枪）电子枪 电子枪的作用是产生热电子，并使它聚焦成很细的电子电子枪的作用是产生热电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定的轨迹

57、扫描靶面。射线，按着一定的轨迹扫描靶面。逐点地采集这些转换后的逐点地采集这些转换后的电量形成串行输出信号。电量形成串行输出信号。3 3）视频信号的形成）视频信号的形成 帧图像可分成四十多万个像元。每个像元可用一个电阻帧图像可分成四十多万个像元。每个像元可用一个电阻和电容和电容c c来等效。来等效。 电容电容c c起存储信息的作用，电阻起存储信息的作用，电阻R R随着光照度的增大而变随着光照度的增大而变小，无光照时小，无光照时R R为暗电阻为暗电阻R R0 0、光照后变为光照后变为Rc(E)Rc(E)，是与照度有是与照度有关的变量。关的变量。视频信号视频信号RLCLEK每个象元（象素）有序的转化为视频电信号每个象元（象素）有序的转化为视频电信号（1）硅靶摄象管）硅靶摄象管 硅靶是贴在信号板上的一块硅片，朝着电子枪一面生成硅靶是贴在信号板上的一块硅片，朝着电子枪一面生成几十万个相互隔离的几十万个相互隔离的PN结结(光电