第四章 光电成像器件

第四章光电成像器件4.1摄像管4.2摄像器件的性能参数4.3电荷耦合器件4.4CMOS图像传感器4.5图像增强器光电成像器件是能够输出图像信息的一类器件摄像器件使光学图像变成视频信号

·摄像管

·电荷耦合器件

·CMOS图像传感器像管使光学图像增强或改变光谱·像增强器

·变像管4.1摄像管可分为两大类：

*光电发射型摄像管利用外光电效应

*视像管利用内光电效应摄像管是能够输出视频信号的真空光电管光电发射型摄像管视像管

视像管基本结构：

光电靶完成光电转换、信号存储

电子枪完成信号扫描输出氧化铅视像管结构与工作原理管子结构氧化铅PIN靶PIN光电靶：反向偏置，扫描面形成正电位图像电子枪：

发射电子束，按电视制式扫描正电位图像，输出视频信号像素：组成图像的最小单元。摄像管像素大小由电子束截面积决定。

在电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电源正极和阴极结成通路。这个像素的光电流由P→N，流过负载RL,产生负极性图像信号输出。同时，扫描电子束使P层电位降至阴极电位（图像擦除）。4.2摄像器件的性能参数一.灵敏度S

在2856K色温标准光源单位光功率照射下,由器件输出信号电流大小来衡量。单位:μA/lm；mA/W。实际常用能产生正常电视图像所需最低光照度Lmin来表征。二.光电转换特性－γ特性

γ＝1IP与L成线性关系，是最理想情况。γ＜1低照度下灵敏度相对增加。γ＞1图像对比度提高。

*关于伽玛γ校正电路三.分辨率

能够分辨图像中明暗细节的能力有两种表示方法:

⑴极限分辨率：用在图像（光栅）范围内能分辨的等宽黑白线条数表示（如：水平800线、垂直500线）；也用～线对/mm表示。⑵调制传递函数MTF：能客观地测试器件对不同空间频率信号的传递能力调制度M：调制传递函数MTF：MTF随着测试卡线条空间频率的增加而降低。四.惰性

指输出信号的变化相对于光照度的变化有一定的滞后

影响摄像管惰性的原因是靶面光电导张驰过程和电容电荷释放惰性。五.视频信噪比（S/N）

六.动态范围

Lmax:Lmin=10n:14.3电荷耦合器件CCD图像传感器主要特点：固体化摄像器件很高的空间分辨率很高的光电灵敏度和大的动态范围光敏元间距位置精确,可获得很高的定位和测量精度信号与微机接口容易CCD(ChargeCoupledDevices)一.CCD的结构与工作原理

※关于线阵CCD※关于面阵CCD

CCD的基本功能:信号电荷的产生、存储、传输和检测以双列两相线阵CCD为例介绍其工作原理光敏区:光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。转移栅:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷向移位寄存器转移。移位寄存器:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷扫描移向输出端。输出端:将光生电荷包转换为视频信号输出。MOS基本结构：P型Si单晶的衬底上生长SiO2（0.1-0.2µm），再在SiO2上面淀积金属铝（或多晶硅）电极(电极间隙约2.5μm)。MOS电荷存贮功能a).不加电压，P型中空穴均匀分布。b).加正偏压，电场排斥空穴形成耗尽区。c).加更高电压，耗尽区进一步向体内延伸，并将P型半导体内的少子——电子吸引，产生反型层。耗尽区对电子来说象一个“阱”，称为势阱，能收集电子。偏压越大，势阱就越深，存贮电子能力越大。这就是MOS的电荷存贮功能。光生电荷并行转移光敏区是一行NP扩散光电二极管，以积分方式工作。光电栅极PG上加一定正电压，下面形成一势阱，收集并存储光生电子（与入射光强成正比）。光积分一定时间后，SH变为高电平（比PG高一倍），有较深的势阱；这时1已是高电平，下面比SH有更深的势阱，这样就使光敏区与移位寄存器连通。电路设计使得偶数光敏元的电荷转向CCDA，奇数光敏元电荷转向CCDB。移位寄存器上1、2交替变化，信号电荷就沿着确定的方向从左到右传输，移向输出端。转移到移位寄存器的信号电荷串行输出。OG加正电压,将信号电荷输送到输出二极管的N端。当RS为低电平时，N端的信号电荷控制T2，使OS输出一个信号脉冲。当RS为高电平时，N端的信号电荷被抽走，腾出空间准备容纳下一个电荷包。输出端：输出二极管复位管T1输出管T2｛输出栅OG；浮置扩散放大器：这样在OG、RS的作用下，OS端相继输出与光信号成正比的离散脉冲序列。故线阵CCD在正确的SH、1、2、RS信号驱动下，才能正常工作。驱动信号的关系：像敏区存储区水平移位寄存器输出端信号通道放大器→OS补偿放大器→OS'面阵CCD二.电荷耦合器件的性能参数

1.电荷转移效率

电荷转移效率η

转移损失率ε电荷传输效率η'2.工作频率

控制CCD中信号电荷在移位寄存器中转移的时钟脉冲频率f=1/T对于二相CCD,3.光谱特性CCD积分灵敏度S=Uo/H

单位:Vcm2/μJ曝光量H=LτL:光照度

τ:曝光时间(光积分TSH)H的单位:μJ/cm2;lxs通常：4.分辨率

线阵CCD：极限分辨率为

1/d(线对/mm)

面阵CCD:像元数越多，分辨率越高。更多用水平方向、垂直方向各自的线数来表示。

因而由像元的尺寸可确定极限分辨率。5.光电特性

CCD是低照度器件，光电靶γ可达99.7%，

摄像头常带有γ选择。CCD所能分辨的最小间距就是像元间距d，6.动态范围CCD像元的饱和输出电压与它在暗场下的峰-峰噪声电压的比值Usat/Udn。

Usat决定于势阱中可存储的最大电荷量,一般为数百mv～数v；CCD是低噪声器件，可用于微光成像,

Udn一般为数mv以下。

普通CCD的动态范围1000:1左右。7.暗电流

CCD器件可控制在1nA/cm2。三.线阵CCD驱动电路的设计

线阵CCD驱动电路就是要产生正确的SH、1、2、RS信号，它是CCD芯片赖以正常工作的基础。

介绍TCD1200D线阵CCD驱动电路的设计：

TCD1200D有2160个光敏单元，其前后各有64及12个哑单元。因此：TSH2236TRS,

fRS=1MHz，fφ1、φ2=0.5MHzTCD1200D管脚图和驱动电压驱动电路由单片机(AT89C2051)、可编程门阵列芯片（GAL16V8）构成。AT89C2051是带2K字节可编程电擦除EPROM的CMOS8位单片机。具有8031单片机的功能，可输出20MHz时钟。GAL16V8是一种可编辑器件。图示中未标的管脚可自由定义，通过编程，形成所需的逻辑关系。

SH信号的产生：将Q信号送往单片机P1.7口，单片机查询后由P3.7口输出P信号。4路驱动信号－SH、1、2、RS都由GAL器件产生。单片机除协同产生SH外，可充分用于CCD数据测量工作。以上介绍的设计思想可用于任何型号的线阵CCD。

GAL芯片有足够的驱动能力，管脚可自由定义，使驱动电路紧凑、连线简单。四.CCD像感器的应用

面阵CCD组成电视摄像机、数码照相机，用途极其广泛。

线阵CCD是行图像传感器件，大量应用于扫描仪、光谱仪、传真机中，以及目标定位、精密图像传感和工件尺寸的无接触在线测量。

成像法在线测量线材直径：测量电路和观测点波形图4.4CMOS图像传感器

CCD图像传感器的不足：⒈驱动电路与信号处理电路难与CCD单片集成，图像系统为多芯片系统；⒉电荷耦合方式对转移效率要求近乎苛刻；⒊时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压；⒋图像信息不能随机读取。

CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）采用标准CMOS工艺的固体摄像器件CMOS图像传感器的特色

⒈是单芯片成像系统。⒉这种片上摄像机用标准逻辑电源电压工作，仅消耗几十毫瓦功率，功耗极低。⒊可实现随机读取图像信息。一.CMOS图像传感器结构总体结构框图像元结构：无源像素(PPS)结构有源像素(APS)结构PPS的致命弱点是读出噪声大,主要是固定图形噪声，一般有250个均方根电子。光电二极管型(PD-APS）：读出噪声典型值为(75～100)个均方根电子。适用于大多数中低性能成像。｛光栅型（PG-APS）：读出噪声小，目前已达到5个均方根电子。用于高性能科学成像和低光照成像。二.CMOS摄像机的应用

由于CMOS摄像机节能、高度集成、成本低等独特优点，使CMOS摄像机具有很多应用领域:移动通信:与手机集成,成为移动可视电话；视频通信:视频聊天、可视电话、视频会议；保安监控:大量安装的电子眼,且CMOS摄像机可做到纽扣大小,用于隐型摄像;作数码相机;用于游戏市场;用在汽车上,如可设计成汽车自动防撞系统、防出轨系统,大大提高汽车运行的安全性;用于生物特征识别，如指纹识别仪等；CMOS摄像机在医学领域有很好的发展空间，如可以在患者身体安装小“硅眼”，应用药丸式摄像机等；用于需要高速更新的影像应用领域：航天、核试验、快速运动、瞬态过程等。三.发展趋势

早期CMOS比CCD成像质量差，响应速度慢，人们主要采用CCD摄像机。近年来，采用有源像素结构等一系列技术措施,使CMOS的成像质量与CCD相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方面优于CCD。CMOS图像传感器必将成为摄像器件的主流!4.5图像增强器

变像管是把不可见光图像变为可见光图像的真空光电管。图像增强器是把亮度很低的光学图像增强到足够亮度的真空光电管。图像增强器变像管