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 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 像摄 像头头机顶盒机顶盒玩具

12、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 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD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

14、相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，年，美国贝尔实验室发现的电荷耦合器件（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

15、程。（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）。

16、的残象）。 (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

18、导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。E

19、vVG0EFp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电荷存储电荷存储（表面势与势阱）（表面势与势阱）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-Si1 1）CCDCCD基本功能基本功能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-Sin

21、nP-Si 衬底源漏输出栅转移栅电极SiO2n-沟道电荷转移电荷转移（三相时钟）（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 22 2）CCDCCD电极结构电极结构按照加在电极上的脉冲电压相数来分，电极的按照加在电极上的脉冲电压相数来分，电极的结构可分为二相、三相、四相等结构形式。结构可分为二相、三相、四相等结构形式。 3 3）电荷耦合器件的性

22、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

23、；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；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图像分割：用图像分割：用光敏单元光敏单元分割二维信号分割二维信号4 4）CCDCCD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

24、与编码码视频视频信号信号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(即，即，CCDCCD的光敏的光敏面面)上成上成二维光学图像信号（二维光学图像信号（电荷包）电荷包）电荷存储电荷存储同步扫描与编码：自扫描方式，在同步扫描与编码：自扫描方式，在驱动脉冲驱动脉冲的作用下顺序的作用下顺序地移出器件（地移出器件（电荷转移电荷转移），成为），成为一维视频信号一维视频信号输出。输出。 CCD的现状的现状 第一、通用型或消费型第一、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

25、综合性能。摄像机的综合性能。 第二、特殊第二、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。 CCD器件器件Complementary Metal Oxide Semiconductor互补互补金属氧化物半导

26、体集成电路金属氧化物半导体集成电路 基本单元电路反相器由基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）构成成,能实现一定逻辑功能的能实现一定逻辑功能的集成电路集成电路,简称简称CMOS。 CMOS图像传感器图像传感器n 上世纪上世纪60年代末期，年代末期，1969年，美国贝尔实验年，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念：室提出固态成像器件概念：n 互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器n CMOS Compl

27、ementary Metal Oxide Semiconductor n 电荷耦合器件图像传感器电荷耦合器件图像传感器 （CCD） CMOS与与CCD图像传感器的研究几乎是同时起步，固图像传感器的研究几乎是同时起步，固体图像传感器得到了迅速发展体图像传感器得到了迅速发展。1970nCMOS图像传感图像传感 器器：n 由于受当时工艺水平的限制，由于受当时工艺水平的限制， 图像质量差、图像质量差、分辨率低、像敏单元尺寸小，填充率低，响应速度分辨率低、像敏单元尺寸小，填充率低，响应速度慢，没有得到重视和发展。慢，没有得到重视和发展。n由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，由于集成电路设计技术和工艺水

28、平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，因而它再次成为研究的热点。找到办法克服，因而它再次成为研究的热点。 n被动像元被动像元无源结构（无源结构（光敏单元，像元寻址开关）光敏单元，像元寻址开关）主主动像元动像元有源结构有源结构（光敏单元，像元寻址开关，信号放大（光敏单元，像元寻址开关，信号放大与处理电路）与处理电路）CMOS图像传感器的组成图像传感器的组成 主要组成部分：像敏单元阵列和主要组成部分：像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路场效应管集成电路像敏单元阵列：像敏单元阵列：光电二极管阵列。光电二极管阵列。两部分是集成在两部分是

29、集成在同一硅片上。同一硅片上。CMOS图像传感器的像敏单元结构图像传感器的像敏单元结构 有两种类型：被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。有两种类型：被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。被动像敏单元结构被动像敏单元结构:只包含光电二极管和地址选通开关两部分只包含光电二极管和地址选通开关两部分公共的放大器公共的放大器主动式像敏单元结构：主动式像敏单元结构： 当复位脉冲消失后，当复位脉冲消失后，V V1 1截止，光电二极管开始积分光信号。截止，光电二极管开始积分光信号。 场效应管场效应管V V2 2：源极跟随放大器，进行电流放大，：源极跟随放大器，进行电流放大， 场效应管场效应管V V3 3构成模拟

30、开关，积分结束后，构成模拟开关，积分结束后，V3管导通，信号输管导通，信号输出。出。 场效应管场效应管V V1 1构成光构成光电二极管的负载，它的栅电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当极接在复位信号线上，当复位脉冲（高）出现时，复位脉冲（高）出现时，V V1 1导通，光电二极管被瞬导通，光电二极管被瞬时复位；时复位； 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

31、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

32、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

33、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。 总结总结CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于 CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势。 作业nCCD原理原理nCMOS原理原理nCCD,CMOS区别（从原理说明为什么有这些区别）区别（从原理说明为什么有这些区别）nCCD的电荷注入方式的电荷注入方式nCCD的电荷检测方式的电荷检测方式n其他均可其他均可要求：脱稿要求：脱稿PPT，WORD，PDF

34、都可以都可以10个随即点名，个随即点名，10个自愿个自愿 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。 四四 像管（直视型光电器件）像管（直视型光电器件）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

35、作过程： 辐射图像形成在辐射图像形成在光电阴极光电阴极上，光电阴极上各点产生上，光电阴极上各点产生正比与入射辐射的电子发射，形成电子图像正比与入射辐射的电子发射，形成电子图像电子光学系统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传递到荧光屏上，在传递过程中将电子像放大将电子像放大荧光屏荧光屏受电子轰击发光，形成可见光图像，完成光电转受电子轰击发光，形成可见光图像，完成光电转换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

36、(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

37、。 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

38、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 s2020。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

39、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。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。微通道板微通道板 微通道是一根根很细的玻璃管微通道是一根根很细的玻璃管。它的内壁镀有高阻它的内壁镀有高阻的二次发射材料，施加高电压后内壁将出现电位梯度，连续多的二次发射材料，施加高电压后内壁将出现电位梯度，连续多次发射

40、二次电子，可获得约次发射二次电子，可获得约104的增益。的增益。微通道板微通道板是由成千上万根直径为是由成千上万根直径为15154040 m m、长度、长度为为0.60.61.6mm1.6mm的微通道的微通道排成的二维列阵，如图所示，排成的二维列阵，如图所示，简简称称MCPMCP。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WJII型头盔式微光夜视仪型头盔式微光夜视仪五五 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

41、维时序电信号. .直视光电成像系统的不足：直视光电成像系统的不足：光学图像直接转换成直视图像光学图像直接转换成直视图像作用距离短作用距离短放大率有限放大率有限对比度不能调节对比度不能调节不能超越障碍不能超越障碍 电视系统（电视系统（摄像摄像，传输，接受），传输，接受）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

42、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。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。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：

43、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

44、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

45、万个相互隔离的几十万个相互隔离的PN结结(光电二极管光电二极管)。 硅靶窗口玻璃内表面涂有一层很薄的金属膜，有引线同负硅靶窗口玻璃内表面涂有一层很薄的金属膜，有引线同负载相连，称为信号板。载相连，称为信号板。玻璃面板玻璃面板信号板信号板电阻海电阻海RL工作过程：光照在工作过程：光照在P型岛上形成电势型岛上形成电势电子线扫描连线形成电子线扫描连线形成电流电流在输出电阻上产生与视频对应的电压信号（在输出电阻上产生与视频对应的电压信号（ P型岛拉型岛拉回低电位）回低电位）硅靶的特性硅靶的特性1)1)抗烧伤性抗烧伤性 耐强光、耐高温耐强光、耐高温2)2)光谱特性及灵敏度光谱特性及灵敏度 硅靶的光谱响应

46、范围为硅靶的光谱响应范围为 0.40.41.11.1m m 峰值波长为峰值波长为 0.650.85m。3) )暗电流暗电流 硅靶的暗电流较大，约为硅靶的暗电流较大，约为10 nA10 nA，且随温度每升，且随温度每升高高99，暗电流约增加一倍。，暗电流约增加一倍。光导摄像管的光谱响应特性曲线光导摄像管的光谱响应特性曲线a-Sb2S3光导摄像管b-pbO光导摄像管标准型c-pbO光导摄像管全色型d-CdSe光导摄像管e-硅靶摄像管g-ZnCdTe光导摄像管（2）氧化铅靶摄像管）氧化铅靶摄像管 PbOPbO靶摄像管的特点是：靶摄像管的特点是： PINPIN结构结构，工作原理与硅靶类似，工作原理与硅

47、靶类似 灵敏度较高，可达灵敏度较高，可达400400A Almlm； 暗电流小，低于暗电流小，低于1nA,1nA, 光电特性好；惰性小，三场后残光电特性好；惰性小，三场后残余信号不大于余信号不大于4 4。N I PSnO2 透透明导电膜明导电膜玻玻璃璃RLVT （4060V）信号板信号板（3 3）碲化锌镉靶）碲化锌镉靶摄摄像管像管 碲化锌锡靶碲化锌锡靶摄摄像管的灵敏度很高，可在星光下获像管的灵敏度很高，可在星光下获得可用的图象，多用于微光电视。得可用的图象，多用于微光电视。Sb2S2ZnxCd1-xTeZnSe信号板信号板SnO2 ZnSe（N）无光电效应，增强短波）无光电效应，增强短波光吸收

48、，提供可见光灵敏度，与第二光吸收，提供可见光灵敏度，与第二层层ZnxCd1-xTe（P）形成异质结。形成异质结。 第三层第三层Sb2S2减小电子束注入减小电子束注入效应，减小暗电流和惰性效应，减小暗电流和惰性二）光电发射式摄像管二）光电发射式摄像管光电变换部分和光电变换部分和光信息存储部分光信息存储部分彼此分离，组成彼此分离，组成为为移象区移象区。Al2O3加速电压加速电压8kVALAL2 2O O3 3信号板（信号板（AlAl膜）膜）疏松的疏松的KCl（1 1）二次电子导电摄像管）二次电子导电摄像管(SEC) (SEC) 工作过程：光学图像在光电阴极上产生相应光电子发射工作过程：光学图像在光

49、电阴极上产生相应光电子发射加加速打到速打到SEC靶上产生二次电子发生靶上产生二次电子发生形成电势分布形成电势分布后面与后面与光电导输出一样光电导输出一样 SECSEC管的主要特性管的主要特性： 1)1)灵敏度灵敏度 SECSEC管整管的灵敏度与光电阴极的灵敏度、加管整管的灵敏度与光电阴极的灵敏度、加速电压和靶有关，一般可达速电压和靶有关，一般可达2000020000A Almlm。 2)2)分辨率分辨率 25mm 25mm管中心分辨事约为管中心分辨事约为600TvL600TvLH H 3)3)惰性惰性 三场后残余信号小于三场后残余信号小于5 5 4)4)存储性能存储性能 SECSEC靶的电阻率

50、大于靶的电阻率大于10101010cmcm-1-1，漏电极小，暗电流小，漏电极小，暗电流小于于0.10.1A A，因此信息电荷可在靶上长时间存储而不泄漏。，因此信息电荷可在靶上长时间存储而不泄漏。 （2 2）硅增强靶摄像管硅增强靶摄像管(SIT)(SIT) 用硅靶代替用硅靶代替SEC管管KCl靶即构成靶即构成硅增强靶摄像管硅增强靶摄像管(SIT) 靶增益为靶增益为SEC管管的的10倍以上，通过倍以上，通过改变移像区的施加改变移像区的施加电压可改变靶的电电压可改变靶的电子增益。子增益。移像区移像区电子枪电子枪光电阴极光电阴极靶靶 用光学纤维面板将像增强器与硅增强靶管耦合在一用光学纤维面板将像增强

51、器与硅增强靶管耦合在一起就组成了超高灵敏度的硅增强靶管，通常称为起就组成了超高灵敏度的硅增强靶管，通常称为ISIT管或管或IEBS管。管。（3）超高灵敏度的硅增强靶管（超高灵敏度的硅增强靶管（ISIT）硅靶硅靶光阴极光阴极光阴极光阴极2光阴极光阴极1阳极阳极1阳极阳极2补充：补充：典型光电成像系统设计典型光电成像系统设计1 CMOS成像系统成像系统 二维条形码识别系统二维条形码识别系统一维条形码二维条形码二维条形码硬件设计硬件设计n图像传感器模块图像传感器模块n图像存储模块图像存储模块n程序存储模块程序存储模块n图像传输模块图像传输模块n电源电路设计电源电路设计硬件设计硬件设计 整体框图整体框图2 2 非致冷红外热像仪非致冷红外热像仪 红外热像仪是一种利用红外探测器将看不见红外热像仪是一种利用红外探测器将看不见的红外辐射转换成可见图像的被动成像仪器的红外辐射转换成可见图像的被动成像仪器。红外热像仪直接测量物体表面温度及温度。红外热像仪直接测量物体表面温度及温度分布分布. 将物体的热分布转换为可视图像，并将物体的热分布转换为可视图像，并在监视器上以灰度级或伪彩色显示出来，从在监视器上以灰度级或伪彩色显示出来，从而得到被测目标的温度分布场。而得到被测目标的温度分布场。红外焦平面阵列红外焦平面阵列IR-FPA非致冷红外