d1光电图传应用

1、光电图像传感与应用 课程性质：专业选修； 学时/学分：40/2.5； 先修课程：物理光学，光电技术原理等； 适用专业：光电信息工程 信科院光信教研室 熊少华教授 （88029996）教 材 王庆有等. 图像传感器应用技术. 电子工业出版社，2013.7 参 考 文 献1 王庆有等. 光电技术. 电子工业出版社，2013.2 安毓英，刘继芳，李庆辉. 光电子技术. 电子工业出 版社，2002.3 卢春书. 光电探测技术与应用. 机械工业出版社， 1992.考 试 ：120分钟题 型 构 成：填空题30%，选择题30%，简答题20%，计算题20%。成 绩 构 成：考试成绩占80%，平时成绩占20%

2、。 目 录注：本课教材14章在光原讲过自阅，未讲内容在此汇成一次课2学时Ch.1 光辐射与光电技术基础（0学时） Ch.2 光源(1学时) Ch.3 热成像技术（0学时）Ch.4 电荷耦合摄像器件的基本工作原理（1学时）Ch.5 典型线阵CCD图像传感器（4学时）Ch.6 典型面阵CCD图像传感器（4学时）Ch.7 CCD彩色摄像机概述（4学时）Ch.8 CMOS图像传感器（1学时）Ch.9 视频图像处理与计算机数据采集（5学时）Ch.10 图像传感器的光学成像系统（前4节讲过自阅，讲后4节）（6学时）Ch.11 特种图像传感器（4学时）Ch.12 图像传感器的典型应用实例（10学时）Ch.1

3、 光辐射与光电技术基础（略联系光电技术教材中相关内容自阅。） （3）图像传感器（简称图/像传）基本原理：光机扫描：机控光敏单元，周期、匀速平移扫描物面各条线感光、光电转换。电子束扫描：像敏单元排列组合构成靶面，正面一次性完成光电转换获电荷像，背面扫描读取一维电流/压像信号。固体自扫描：CCD、CMOS一次光电成像，光像转成电荷图像存储，再通过电路控制顺序读出一维像电流/压信号。【1】 Ch.2 光源（光电图像传感器的基本知识与概念) 2.1 图像传感器概念原理（1）图像传感器：能获得物表光强/频随空间/时间变化的2维分布图像，再分解转变成逐行输出的光强/频一维空间/时间分布加同步，全电视信号的

4、系统。（2）图像显示器：反变换将一维空/时像全电视信号放大、同步处理，还原显示2维彩静/动像的系统。（2）电子束扫描/像敏单元构成靶面，正面成像转换，背面扫描读取（2）电子束扫描/像敏单元构成靶面，正面成像转换，背面扫描读取 摄像(传感结果分析)：模拟日（白）光，如大功率氙灯； 光电检测：测量物像光强分布及参数时，用白炽灯、卤钨灯；测量物像光谱（频）分布时，用激光（单色性、相干性、准直精度高），但不得直接对准光敏面。2.2 光源和照度的匹配（ P2342 ）2.2.1 光源（光强、光谱/频）选配（1）需要模拟原始照明光源或要求的光源时的各种情况（2）必须采用与光敏器件峰值波长相匹配的光（何为匹

5、配？）2.2.2 照度匹配（1）光敏面照度 光敏面曝光量解析）概念：给定CCD，输出像电流决定于光组材料、照度和积分时间：O=KEVt=KQV K-光组透过率，QV-曝光能量）饱和曝光量Qsat：使画面亮度失真的最大曝光量超过？ 光敏面照度匹配 EV Qsat/t （见教材P5-6表1-1）（2）光敏面照度与光源辐出度（辐出度经有衰减光组后投射光敏面，即照度） 像敏面轴上、轴外照度E0、E关系：（当物体反射频谱特性曲线近于余弦信号特性的辐射体）E0、E（不能太大、太小）分别为 E0（n/n）2 KLsin 2 U， E E0cos4， n、n 为像、物方介质折射率，L为物体亮度，U为像方孔径角

6、，为考虑点的视场偏角。 照度调整 ）若自然光照度使景太亮，调U获适当照度； ）无限远成像用的望远镜，sin U D/2f（相对孔径），轴上照度为 E02（KL/4）（D/f）2,调整 D/f（？）获适当照度； ）人工照射目标时，调人工光源致改变、调整 L； ）亮暗差大的物面照度，用滤光补偿法抑强。滤光片透过率（x,y）为各点位置函数，实测照度Em(x,y)（P42式2-16），因（x,y）可人工设计调整，故可调照度差。 Ch.3 典型热成像仪（P4353）3.1点扫描读出方式热释电热像仪（光原已讲过）（1）（PPT次页图）热释电靶光敏面阵一次性成电荷像、背面电子束逐点扫描pn结正偏电荷/流串出

7、。（2）震镜/斩光器： 为什麽光学成像系统、热释电靶面之间要加震镜/斩光器？ 3.2 热释电摄像管结构（前页图，已讲过）（1）为什麽成像物镜用锗玻璃材料？（教案P1-6）（2）电机带动调制盘旋转（震镜、斩光器）（3）性能：图像分辩率300TVL，不及可见光，够用温度分辨率0.06C；可用于医疗诊断，森林火警，小区监视，工业热像探测和空间探测等。（4）产品实例（已讲过）（3）制冷式高灵敏度红外热像仪WP-95 液氮制冷低达77K ,热释电材料能检测0.08温差。 热释电材料（HgCdTe）, 扫读一帧5S，不能直接实时显示；只能存储调看。 图像分辨率为256256点，灰度分辨率8bits（282

8、56级）从0.3m探测，视窗范围12，空间角分辩率0.0015。Ch.4 CCD图像传感器4.1-4.4电荷耦合、输入/出模式：电荷传输机制有电注入、光电注入；传输方式有二、三、四相式。（1） 三相式 三相正脉冲鱼贯而入，使三连排电极下递次形成势阱(图4-5、4-8)，图像电荷从左向右移动传递。（2 ）二相、四相式 工作原理同三相式。 四相式适合很高工作频率，如100MHz，时钟波形近于正弦波。相邻两电荷包之间有双重势垒，表面势分布呈台阶状，转移效率高（二、三相无此优点），无过冲现象。但控制（时钟）电路较复杂。4.5 CCD基本特性参数（光原多已讲过）（1） 驱动频率 1）下限频率 相邻两电极

9、间电荷传输时间t少子平均寿命i。对三相传输，用三段时间3t接续完成一周传递，T13t3i,则f下1/T11/3i。温升热激发少子增多，复合机会多，i降，须f下升。这里t由时钟调整确定。 2）上限频率 tg电荷移过相邻两电极的固有渡越时间，对三相传输，T23t3g，f上1/T21/3g（2）电荷转移损失率f频率关系 包电荷Q，一轮转移后余Q无效存储电荷。 Q / Q 100 关系如右图P型不同衬底三相多晶硅N型表面沟道（SCCD）实测4.6 器件与特性4.6.1器件（略）；4.6.2光电转换特性（P6871改错？）（1）光谱响应：绝对响应K（右图，K非光组透过率）：输出电流与入射光通量e,（光照

10、）之比（A/W）；光电响应曲线（前图4-5、8）：背光照（2）光电转换特性 转换效率高：光电转换因子可达99.7（激发产生少子数/射入硅衬底光子数）。 线性转换：光电转换电荷Qintc（qA/h）e，（P68式4-13线性）4.6.3 CCD基本参数（1）动态范围1）强光拍摄性能：势阱最大电荷容量Q决定最大射入光照。 埋/体沟道(BCCD)结构势阱浅，性能差，为表面沟道（SCCD）的1/4.5。QSCCD=COXUGA （P69式4-14）三自变量分别（2） 暗电流（ P70-4.6.4） MOS分布电容处于非饱和（非平衡）态，（非光）热激发生成少子对它充电，形成暗电流，尤其是暗电流不均匀分布时，严重影响图像清晰度，决定摄像器件质量。（3）分辨率 水平像元越多，分辨率越高；彩色105503，黑白50005000。2）弱光拍摄性能、噪声：低于噪声的入射光不产生像。噪声包括：光子、电流、胖零、俘获、输出、结构不均衡等噪声等。 *胖零噪声（胖零类似于逻辑零，0.3V）： 势阱二态，分别为有、无电荷。实际无电荷态Q（0）电荷，有剩余（增量）电荷胖零，增加它可减少电荷传输损失。但抬高了图像背景亮度，即为