光电成像与51522课件

1、第五章 光电成像与成像系统 杨晓占光电信息学院1. 光电成像系统概述; 2. 图像探测器简介; 3. 点扩展函数及基于点扩展函数的性能指标； 4. 光学传递函数； 5. 调制与调制传递函数；6. 光学系统的调制传递函数； 7.光电成像系统简介；8. 非扫描光电成像系统性能的进一步描述；9. 扫描光电成像系统性能的进一步描述 5.1 光电成像系统概述一、光电成像器件的发展1934年，光电像管（Iconoscope），应用于室内外的广播电视摄像。灵敏度非常低，需要10000lx的照度，达到图像信噪比的要求；1947年，超正析像管（Image Orthicon），照度降低到2000lx；1954年，

2、视像管，灵敏度分辨率高，成本低，体积小，惯性大，不适用于高速运动图像测量，不能取代超正析像管用于彩色广播电视摄像机；1965年，氧化铅管（Plumbicon），成功取代超正析像管，惯性小，广泛应用于彩色电视摄像机，结构简单，体积小，灵敏度分辨率都很高。1976年，硒靶管硅靶管，灵敏度进一步提高且成本更低；1970年后，CCD的出现使光电成像器件进入新的阶段。体积更小，灵敏度更高，应用更灵活、更方便。二、光电成像器件的类型光电成像器件（成像原理）扫描型非扫描型真空电子束扫描固体自扫描：CCD光电型热电型：热释电摄像管光电发射式摄像管变像管（完成图像光谱变换）红外变像管紫外变像管X射线变像管像增强

3、管（图像强度的变换）串联式级联式微通道板式负电子亲和势阴极常由像敏面，电子透镜显像面构成光电导式摄像管三、光电成像系统要研究的问题光电成像涉及到一系列复杂信号的传递过程，有四个方面问题需要研究能量方面物体、光学系统和接收器的光度学和辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题。成像方面能分辨的光信号在空间和时间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率。噪声方面决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性。信息传递速率方面成像特性、噪声信息传递问题，决定能被传递的信息量大小。光电成像系统基本组成景物同步扫描视频信号光学成像光电变换图像分割传送同步扫描视频解调图像再现摄像部分显像部分光电成像系统原理方框

4、图5.2 图像探测器简介特点：能够输出可视图像信息真空成像器件固体成像器件光电成像器件像增强管光电导型摄像管光电发射型摄像管变像管像管直视型光电成像器件摄像型光电成像器件热释电型摄像管CMOS图像传感器电耦合器件（CCD）红外焦面阵列器件（IRFPA）摄像管1. 真空成像器件像管结构原理示意图常见像管-变像管红外变像管红外变像管的应用紫外变像管选通式变像管常见像增强管级联式像增强管微通道板像增强管第三代像增强器第二代微通道结构配以负电子亲和势光电阴极，就构成了第三代像增强器。X射线像增强器实质：变像管作用：将不可见的X射线转换成可见光图像，并使图像亮度增强摄 像 管作用：把按空间光强分布的光学

5、图像记录并转换成视频信号的成像装置。分类（按光电转换形式）光电发射型摄像管：利用外光电效应进行光电转换的摄像管，又称摄像管。光电导型摄像管：利用内光电效应进行光电转换的摄像管，又称视像管。摄像管结构原理图视像管结构原理图摄像管的结构和工作原理基本功能：光电转换，光电信息的积累、储存和扫描输出。2. 固 体 成 像 器 件电荷耦合器件 (CCD，charge coupled device)、互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS、电荷注入器件（CID，charge injection device）和IRFPA都利用了自扫描技术，能完成光学图像的转换、信息的存储和扫描输出。 CCD图像传感器被广

6、泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。电荷耦合器件（CCD）特点）以电荷作为信号CCD的基本功能电荷存储和电荷转移优点：集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等。CCD工作过程信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。基本结构：转移电极结构、转移沟槽结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单元：CMOS电容CCD类型：表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输；体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输。MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光

7、敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片 彩色CCD显微照片（放大7000倍）CCD的基本工作原理组成：光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路。 CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。构成CCD的基本单元是MOS（金属氧化物半导体）结构。当栅极G施加正偏压UG之前（UG=0），P型半导体中的空

8、穴（多数载流子）的分布是均匀的；当栅极电压加正向偏压（UGUth时，半导体与绝缘体界面上的电势（表面势S）变得如此之高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层，反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储电荷的功能。一、电荷存储栅电极G氧化层P型半导体耗尽区反型层uGuthuG1/3。（2）上限：当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间大于驱动脉冲使其转移地时间T/3,那么信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，使转移效率大大降低。故tT/3，即f 1/3t。(t)驱动脉冲频率fQ(0)/C=2V5V10V驱动脉冲频率f实测三相多晶硅N沟道SC

9、CD的关系曲线10MHz五、电荷耦合摄像器件（ICCD）1、工作原理利用光学成像系统将景物图像成在CCD地像敏面上。像敏面将照在每一像敏面的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元（MOS电容）中，然后，再转移到CCD的移位寄存器（转移电极下的势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。2、类型（1）线型CCD摄像器件单沟道线型ICCD双沟道线型ICCD（2）面阵ICCD帧转移面阵ICCD隔列转移型面阵ICCD线转移型面阵ICCD线阵CCD外形 面阵CCD 面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。 面阵CCD外形（续） 200万和1600万像

10、素的面阵CCD 面阵CCD外形（续） 面阵CCD外形（续） 3、ICCD的基本特性参数（1）光电转换特性良好，光电转换因子可达到99.7%。（2）光谱响应 ICCD常采用背面照射的受光方式，采用硅衬底的ICCD，其光谱响应范围为0.41.1um，平均量子效率为25，绝对响应为0.10.2A*W-1。(3)动态范围：由势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比决定。（4）噪声：电荷注入噪声；电荷量变化引起的噪声（转移噪声）检测时产生的噪声（输出噪声）。（5）暗电流产生的主要原因：耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁；少数载流子在中性体内的扩散；来自SiO2表面（硅中缺陷杂质数目）引起的暗电流；Si

11、-SiO2界面表面的晶体缺陷玷污等；温度，温度越高，暗电流越大。（6）分辨力2856K白炽光源单色光源MTF频率MTF频率600nm700nm800nm1000nm 线阵CCD在扫描仪中的应用 六、CCD图像传感器的应用线阵CCD在图像扫描中的应用 线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控 风云一号卫星可以对 地球上空的云层分布 进行逐行扫描线阵CCD用于字符识别CCD数码照相机 数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。 CCD用于图像记录数码相机的外形三基色分离原理 CCD数码照相机的结构数码相机的结构解剖（索尼F828）CCDCCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片CCD数码摄像机 CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CM