第5章光电成像系统

1、第第5 5章章 光电成像系统光电成像系统 光电成像系统的基本组成 成像转换过程有四个方面的问题需要研究： 1 1 固体摄像器件固体摄像器件一、电荷耦合摄像器件一、电荷耦合摄像器件 贝尔实验室的，在探索磁泡器件的电模拟工作中，在1969年秋构思了电荷耦合器件的原理 W. S. Boyle, G. E. Smith. Charge coupled semiconductor devices. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 587-593. G. F. Amelio, M. F. Tompsett, G. E. Smith. Experiment verific

2、ation of the Charge coupled device concept. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 593-600. 构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体) 电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态 (a)输出二极管电流法 (b)浮置栅MOS放大器电压法 (c)输出级原理电路 以浮置扩散输出为例CQVFDA 信号电压是在浮置电平基础上的负电压； 每个电荷包的输出占有一定的时间长度To； 在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲； 对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。 CCD输出

3、信号的特点输出信号的特点：2 电荷耦合摄像器件的工作原理电荷耦合摄像器件的工作原理 积分积分空间积分空间积分时间积分时间积分线阵CCD 线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构 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 彩色CCD 目前主要有三片式和单片式两种三片式CCD 拜尔方式滤色器 行间排列的滤色器 二、电荷耦合摄像器件的特性参数二、电荷耦合摄像器件的特性参数 电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有 部分的电荷转移过去，余下 部分没有被转移，称转移损失率 1 转移效率转移效率 1 一个电荷量为Qo的电荷包，经过n次转移后的输出电荷量应为： nonQQ 总效

4、率为：nonQQ/2 2 不均匀度不均匀度( (非均匀性非均匀性) ) 光敏元的不均匀 CCD的不均匀 本节讨论光敏元的不均匀性，认为CCD是近似均匀的，即每次转移的效率是一样的。 光敏元响应的不均匀是工艺过程及材料不均匀性引起的，大规模器件的均匀性问题严重 定义光敏元响应的均方根偏差对平均响应的比值为CCD的不均匀度 ：21)(11oNnonoVVNVNnonoVNV11onV 第n 个光敏元原始响应的等效电压 oV 平均原始响应等效电压N 线列CCD的总位数 3 3 暗电流暗电流 CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流 暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心

5、的热激发 由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，CCD中暗电流密度的分布是不均匀的 npnonVVP是CCD的相数 暗电流的危害有两个方面： 限制器件的低频限 引起固定图像噪声4 4 灵敏度（响应度）灵敏度（响应度） 在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流）5 5 光谱响应光谱响应 CCD的光谱响应是指等能量相对光谱响应，最大响应值归一化为100%所对应的波长，称峰值波长，通常将10%（或更低）的响应点所对应的波长称截止波长。有长波端的截止波长与短波端的截止波长，两截止波长之间所包括的波长范围称光谱响应范围。 6 6 噪声噪声 散粒噪声、转移噪声和热噪声 7 7 分辨率分辨率

6、分辨率是摄像器件最重要的参数之一，它是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力，测试时用专门的测试卡 目前国际上一般用（调制传递函数）来表示分辨率 像元分辨率 8 8 动态范围与线性度动态范围与线性度 动态范围 线性度是指在动态范围内，输出信号与曝光量的关系是否成直线关系 等效噪声信号光敏元满阱信号 SONY ICX429AKL图像传感器尺寸CCD尺寸(inch)对角线(mm)宽高(mm)1/1/364.83.61/286.43.61/5.32/3118.86.611612.89.64/322.51813.5三、三、CMOSCMOS摄像器件摄像器件 采用CMO

7、S技术可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统 Camera-On-A-Chip1 CMOS1 CMOS像素结构像素结构 无源像素型（PPS） 有源像素型（APS） 无源像素结构无源像素结构有源像素结构有源像素结构 光电二极管型有源像素（PPAPS） 大多数中低性能的应用 光栅型有源像素结构（PGAPS） 成像质量较高 2 CMOS摄像器件的总体结构摄像器件的总体结构3 CMOS3 CMOS与与CCDCCD器件的比较器件的比较 Eric R. Fossum. CMOS Image Sensors: Electron

8、ic Camera-On-A-Chip. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONIC DEVICES, 1997,44(10): 1689-1698四、红外焦平面器件四、红外焦平面器件 用普朗克定律计算的各个红外波段300K背景的光谱辐射光子密度 13m波段 代表材料HgCdTe碲镉汞 35m波段 代表材料HgCdTe、InSb锑化铟、 PtSi硅化铂 812m 波段 代表材料HgCdTe 单片式单片式IRFPA 本征单片式IRFPA 肖特基势垒单片式IRFPA 混合式混合式IRFPA 探测器阵列与转移部分的连接大多采用倒装式 4 4 典型的典型的IRFPAIRFPA Hg

9、CdTe IRFPA http:/硅肖特基势垒硅肖特基势垒IRFPA 非制冷非制冷IRFPAIRFPA E.MOTTIN, A.BAIN, JL.MARTIN, et al. Uncooled amorphous silicon technology enhancement for 25m pixel pitch achievement. SPIE,2002,4820:200-207Bruno Fieque, Arnaud Crastes, Jean-Luc Tissot, et al. 320 x240 uncooled microbolometer 2D array for radiome

10、tric and process control applications.SPIE, 2004, 5251:114-120 http:/www.ulis-www.ulis-www.ulis-多量子阱（多量子阱（MQW）IRFPA 类AlGaAs/GaAs超晶格材料 SPRITE (Signal processing in The Element)探测器扫积型探测器2 2 光电成像原理光电成像原理 光机扫描方式光机扫描方式 串联扫描并联扫描串并联混合扫描电子束扫描方式电子束扫描方式 固体自扫描方式固体自扫描方式 二、光电成像系统的基本技术参数二、光电成像系统的基本技术参数 FffovTT 滞留

11、时间滞留时间 d 对光机扫描系统而言，物空间一点扫过单对光机扫描系统而言，物空间一点扫过单元探测器所经历的时间称为滞留时间，探元探测器所经历的时间称为滞留时间，探测器在观察视场中对应的分辨单元数为：测器在观察视场中对应的分辨单元数为： VHWWn FWWnTVHfd 光电成像系统的综合性能参数是在以上各光电成像系统的综合性能参数是在以上各基本技术参数的基础上作进一步的综合分基本技术参数的基础上作进一步的综合分析得出的析得出的3 3 红外成像光学系统红外成像光学系统一、理想光学系统模型一、理想光学系统模型共轴球面光学系统理想光学系统模型 理想光学系统的物像关系 牛顿公式牛顿公式 ffxx/fxx

12、fyy高斯公式高斯公式 /111fllll/二、光学系统中的光阑二、光学系统中的光阑 孔径光阑、渐晕光阑、 视场光阑、消杂光光阑 孔径光阑孔径光阑渐晕光阑 三、红外成像光学系统的主要参数三、红外成像光学系统的主要参数 焦距焦距f 决定光学系统的轴向尺寸，f越大，所成的像越大，光学系统一般也越大 相对孔径相对孔径D/f 相对孔径定义为光学系统的入瞳直径D与焦距f之比，相对孔径的倒数叫F数 焦距f、相对孔径D/f、视场 相对孔径决定红外成像光学系统的衍射分辨率及像面上的辐照度 衍射分辨率/22. 183. 3fDDf像面中心处的辐照度22/2/sinnnULKE四、光学系统的像差四、光学系统的像差

13、 光学系统近轴区具有理想光学系统的性质，光学系统近轴区的成像被认为是理想像 实际光学系统所成的像和近轴区所成的像的差异即为像差 单色像差：球差、彗差、像散、场曲、畸变球差、彗差、像散、场曲、畸变 色差：轴向色差、倍率色差轴向色差、倍率色差 五、红外光学系统的特点五、红外光学系统的特点 反射式和折反射式光学系统应用较多 为了探测远距离的微弱目标，红外光学系统的孔径一般比较大 在红外光学系统中广泛使用各类扫描器，如平面反射镜、多面反射镜、折射棱镜及光楔等。 8至14m波段的红外光学系统必须考虑衍射效应的影响。 在各种气象条件下或在抖动和振动条件下，具有稳定的光学性能 六、典型的红外光学系统六、典型

14、的红外光学系统透射式红外光学系统反射式红外光学系统 牛顿光学系统 卡塞格伦系统 格利高利系统 折反射组合式光学系统 施密特系统 马克苏托夫系统 红外探测器扫描系统反射镜鼓行扫描、摆镜场扫描 折射棱镜场扫描、反射镜鼓行扫描例：用凝视型红外成像系统观察30公里远，10米10米的目标，若红外焦平面器件的像元大小是50m50m，假设目标像占4个像元，则红外光学系统的焦距应为多少？若红外焦平面器件是128128元，则该红外成像系统的视场角是多大？ 水平及垂直视场角： /3321050103010fmmf300/0322. 1)30021281050arctan(2)2arctan(2fNapixH最大视

15、场角： 0max73. 1)22arctan(2fNapix4 4 红外成像系统的综合特性红外成像系统的综合特性 MTFModulation Transfer Function PTFPhase Transfer Function NETDNoise Equivalent Temperature Difference MRTDMinimum Resolvable Temperature Difference MDTDMinimum Detectable Temperature Difference一、调制传递函数（一、调制传递函数（MTFMTF） 1 1 基本概念基本概念 空间频率空间频率定义

16、为周期量在单位空间上变化的周期数：Tx线性周期观察距离R(m)观察点xOxxTf/1xxxTRf/1线对/毫米，lp/mmoobbM1b1b0IxooixMMfMTF)(2 红外成像过程中各个环节的调制传递函数 光学系统的调制传递函数MTF0 系统的传递函数MTF eyeommedoMTFMTFMTFMTFMTFMTFMTF026. 05 . 095. 05 . 09 . 05 . 0oMTF24. 0oMTF二、噪声等效温差（二、噪声等效温差（NETD） NETD的定义的定义 NETD测试图案 WHWWVWTTTB NETD的表达式及物理意义的表达式及物理意义 21)()()(2/23dTT

17、MDAFWWfNETDBoVH)(D探测器的归一化探测度（比探测率）)(TM目标的光谱辐射出射度 NETDFFNETD NETD的局限性三、最小可分辨温差（三、最小可分辨温差（MRTD） TTTBfx=f1fx=f2fx=f3fx=f4fxMTFo1MRTD(Co)四、最小可探测温差（四、最小可探测温差（MDTD） 5 5 微光像增强器件微光像增强器件 一、微光像增强器一、微光像增强器1 基本原理基本原理 输入图像输出图像输入光纤面板输出光纤面板电极光电阴极荧光屏电子轨迹2 微光像增强器的性能参数微光像增强器的性能参数 %100ccrrD荧光屏输光出亮度光电阴极输入光照度MOB工作范围3 三代

18、像增强器三代像增强器 第一代像增强器 光纤面板光电阴极光纤面板荧光屏 一代管的典型性能为： 光灵敏度为300 辐射灵敏度(0.85 )为20 亮度增益为 分辨率为35 一代管具有增益高、成像清晰的优点，但重量大，防强光能力差 1lmAm1WmA1244103102lxmcd至1mmlp 第二代像增强器 常用二代近贴管有1818，2525 性能典型值为： 亮度增益约 （18/18）、 （25/25） 分辨率约30 二代倒像管有1818，2525，2030，性能上较近贴管好些，但重量较大 123105lxmcd124107 . 1lxmcd1mmlp 第三代像增强器 SiO2钝化膜AlGaAs窗层GaAs激活层AlGaAs反应中止层SiO2钝化膜Si3