光电技术-08图像信息的光电变换

第8章

图像信息的光电变换

8.1图像传感器简介

1.图像传感器的发展历史

1934年，光电摄像管（Iconoscope），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10000lx的照度才能获得较为清晰的图像。使它的应用受到限制。

1947年，超正析像管（Imaige

Orthico），照度仍要求在2000lx以上。

1954年，视像管（Vidicon），灵敏度高，分辨率高，成本低，体积小，惯性大，不能用于高速运动图像的测量

1965年，氧化铅视像管(Plumbicon)，成功地取代了超正析像管，结构简单，分辨率高，灵敏度高，体积小，惯性小，广泛应用于彩色电视摄像机

1976年，硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）灵敏度更高，成本更低

1970年，电荷耦合器件（CCD），体积更小，灵敏度更高，应用更灵活更方便（1）最早：雷达扫描，用于侦查，是真0空器件；（2）1934-1985年：单管真空某色摄像管，靠线圈偏转，线性失真；（3）1970年：CCD，位置信息很强，主要用于测量2.图像传感器的分类

图像传感器扫描型直视型真空电子束扫描固体自扫描：CCD变像管（完成图像光谱的变化）像增强管（完成图像强度的变化）红外变像管紫外变像管X射线变像管光电型热电型：热释电摄像管光电发射式摄像管光电导式摄像管由像敏面、电子透镜显像面构成串联式级联是微通道板式电子亲和势阴极制式:规则(手机、CCD、CMOS)（电视摄像管）工作过程扫描型：电子束扫描或自扫描方式将二维光学图像转换成一维时序信号（视频信号）输出（1）信号放大和同步控制，通过显示设备还原成二维光学图像；（2）A/D转换器输出具有某种规范的数字图像信号，经数字传输，显示设备还原成二维光学图像。直视型：图像传感器用于图像的转换和增强。它的工作方式是将入射辐射图像通过外光电转化为电子图像，再由电场或电磁场的加速与聚焦进行能量的增强，并利用二次电子的发射作用进行电子倍增，最后将增强的电子图像激发荧光屏产生可见光图像。。8.2光电成像原理与电视制式

8.2.1光电成像原理

如图8-1所示为光电成像系统的基本原理方框图。可以看出光电成像系统常被分成摄像系统(摄像机)与图像显示系统两部分。摄像系统由光学成像系统（成像物镜）、光电变换系统、同步扫描和图像编码等部分构成，输出全电视视频信号。本节主要讨论光电成像系统。

1.摄像机的基本原理

在外界照明光照射下或自身发光的景物经成像物镜成像在物镜的像面(光电图像传感器的像面)上，形成二维空间光强分布的光学图像。

完成将光学图像转变成二维“电气”

图像的工作。

组成一幅图像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，图像的细节信息越丰富，图像越清晰，图像质量越高。即将图像分割得越细，图像质量越高。

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。

2.图像的分割与扫描

（1）分割：正析像管：电子束扫描光电阴极的方法分割像素；视像管：电阻海颗粒分割；面阵CCD、CMOS：用光敏单元分割。被分割后的电气图像经扫描输出一维时序信号。（2）扫描：面阵CCD：转移脉冲方式将电荷包（像素信号）输出一维时序信号；CMOS：顺序开通行、列开关的方式完成像素信号的一维输出。因此，有时也称面阵CCD、CMOS图像传感器以自扫描的方式输出一维时序电信号。监视器或电视接收机：几乎都是利用电磁场使电子束偏转而实现行与场扫描，因此，对于行、场扫描的速度、周期等参数进行严格的规定，以便显像管显示理想的图像。

如图8-2（a）所示的亮度按正弦分布的光栅图像，电子束扫描一行将输出如图8-2（b）所示正弦时序信号，其纵坐标为与亮度L有关的电压U，横坐标为扫描时间t。若图像的宽度为W，图像在x方向的亮度分布为Lx，设正弦光栅图像的空间频率为fx。电子束从左向右扫描（正程扫描）的时间频率f应为

(8-1)式中thf为行扫描周期，而W/thf应为电子束的行扫描速度，记为vhf，式可改写为

f=fx·vhf

（8-2）

CCD与CMOS等图像传感器只有遵守上述的扫描方式才能替代电子束摄像管，因此，CCD与CMOS的设计者均使其自扫描制式与电子束摄像管相同。8.2.2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。

电视制式的制定，应根据当时的科技发展状况和技术条件，考虑本国或本地区电网对电视系统的干扰情况，人眼对图像的视觉感受和人们对电视图像的要求等条件制定。

目前，正在应用中的电视制式一般有三种：

其中，我国以及西欧各国的彩色电视制式，该电视制式确定的场频为50Hz，隔行扫描每帧扫描行数为625行，伴音、图像载频带宽为6.5MHz。也称为PAL彩色电视制式。PAL电视制式中规定场周期为20ms,其中场正程时间为18.4ms,场逆1.PAL彩色电视制式

程时间为1.6ms；行频为15625Hz，行周期为64μs,行正程时间为52μs,行逆程时间为12μs。（1）电视图像的宽高比若用W和H分别代表电视屏幕上显示图像的宽度和高度，二者之比称为图像的宽高比，用α表示

（8-3）

（2）帧频与场频每秒中电视屏幕变化的数目称为帧频。我国电网频率为50Hz，因此，采用了50Hz场频和25Hz帧频的隔行扫描的PAL电视制式。

2.扫描方式

（3）扫描行数与行频帧频与场频确定后，电视扫描系统中还需要确定的参数是每场扫描的行数，或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。

综合起来，我国现行电视制式（PAL制式）的主要参数为：宽高比α=4/3；场频fv=50Hz；行频fl=15625Hz；场周期T=20ms，其中场正程扫描时间为18.4ms，逆程扫描时间为1.6ms。行周期为64μs，其中行正程扫描时间为52μs，逆程扫描时间为12μs。

（1）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，线圈中分别流过如图8-3所示的锯齿波电流，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。

（2）隔行扫描根据人眼对图像分辨能力确定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29000Hz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，又能保证人眼视觉对图像分辨率及闪耀感的要求，早在20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。两场光栅均匀交错叠加是对隔行扫描方式的基本要求，否则图像的质量将大为降低。因此要求隔行扫描必须满足下面两个要求：第一，要求下一帧图像的扫描起始点应与上一帧起始点相同，确保各帧扫描光栅重叠；第二，要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌，确保获得最高的清晰度。从第一条要求考虑，每帧扫描的行数应为整数，若在各场扫描电流都一样的情况下，要满足第二条要求，每帧均应为奇数。那末，每场的扫描行数就要出现半行的情况。8.4电荷耦合器件

8.4.1线阵CCD图像传感器

目前，我国现行的隔行扫描电视制式就是每帧扫描行数为625行，每场扫描行数为312.5行。CCD（ChargeCoupledDevices，电荷耦合器件）图像传感器主要有两种基本类型，一种为信号电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面进行转移的器件，称为表面沟道CCD（简称为SCCD）器件；另一种为信号电荷包存储在距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转移的器件，称为体沟道或埋沟道器件（简称为BCCD）。下面以SCCD为例讨论CCD的基本工作原理。

1.电荷存储

构成CCD的基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）结构。如图8-15（a）所示，在栅极G施加电压UG之前p型半导体中空穴（多数载流子）的分布是均匀的。当栅极施加正电压UG（此时UG小于等于p型半导体的阈值电压Uth）时，p型半导体中的空穴将开始被排斥，并在半导体中产生如图8-15（b）所示耗尽区。

电压继续增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸，如图8-15（c）所示。UG大于Uth后，耗尽区的深度与UG成正比。将半导体与绝缘体界面上的电势记为表面势Φs，Φs将随栅极电压UG的增加而增加，他们的关系曲线如图8-16所示。图8-16描述了在掺杂为1021cm-3，氧化层厚度为0.1μm、0.3μm、0.4μm和0.6μm情况下，不存在反型层电荷时

，表面势Φs与栅极电压UG的关系曲线。从表面势Φs与栅极电压UG的关系曲线可以看出氧化层的厚度越薄曲线的直线性越好；在同样的栅极电压UG作用下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势。表面势Φs表征了耗尽区的深度。

图8-17为栅极电压UG不变的情况下，表面势Φs与反型层电荷密度Qinv之间的关系。由图8-17可以看出，表面势Φs随反型层电荷密度Qinv的增加而线性减小。依据图8-16与图8-17的关系曲线，很容易用半导体物理中的“势阱”概念来描述。电子所以被加有栅极电压的MOS结构吸引到半导体与氧化层的交界面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压UG的关系恰如Φs与UG的关系，如图8-18（a）空势阱的情况。

Q=COXUG (8-6)2.电荷耦合3.CCD的电极结构

1.三相单层铝电极结构2.三相电阻海结构光学系统CCD23.三相交叠硅栅结构

4.二相硅-铝交叠栅结构

5.阶梯状氧化物结构

被测物光学系统2CCD2光学系统1重叠部分6.四相CCD

7.体沟道CCD模拟信号数字信号4.电荷的注入和检测

（1）光注入Qin=ηqNeoAtc式中：η为材料的量子效率；q为电子电荷量；

Neo为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积；tc为光的注入时间。

（2）电注入

(1)电流注入法

(2)电压注入法

如图8-21（a）所示为电流注入法结构如图8-21（b）所示为电压注入法结构(8-8)(8-9)（3）电荷的检测(输出方式)输出电流Id与注入到二极管中的电荷量QS的关系Qs=Iddt(8-10)

5.CCD的特性参数

（1）电荷转移效率η和电荷转移损失率ε电荷转移效率为

电荷转移损失率为

电荷转移效率与损失率的关系为

（2）驱动频率

①驱动频率的下限电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t，少数载流子的平均寿命为τi

则

②驱动频率的上限电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间为τg

则

6.线型CCD摄像器件的两种基本形式

(1)单沟道线阵CCD(2)双沟道线阵CCD图8-27为双沟道线阵CCD摄像器件。它具有两列CCD模拟移位寄存器A与B，分列在像敏阵列的两边。8.4.2面阵CCD图像传感器

(1)帧转移面阵CCD由成像区(像敏区)、暂存区和水平读出寄存器等三部分构成。(2)隔列转移型面阵CCD(3)线转移型面阵CCD8.5.1CMOS成像器件的结构原理

1.CMOS成像器件的组成

它的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列实际上是光电二极管阵列，它也有线阵和面阵之分。8.5CMOS图像传感器

图像信号的输出过程可由（如图8-32所示）图像传感器阵列原理图更清楚地说明。2.CMOS成像器件的像敏单元结构

两种类型：被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。主动式像敏单元结构：场效应管V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。

复位脉冲首先来到，V1导通，光电二极管复位；复位脉冲消失后，光电二极管进行积分；8.5.2典型CMOS图像传感器

（1）成像器件的原理结构SXGA型CMOS成像器件是CMOS图像传感器的主要部分，其原理结构如图8-37所示。SXGA型CMOS成像器件像敏区的结构如图8-38所示。该器件的像敏单元总数是1286×1030个，其中在每行和每列的起始端及末尾端各有3个像元为虚设单元。SXGA型CMOS成像器件的光谱特性如图8-39所示。

（2）

输出放大器

SXGA型CMOS成像器件的输出特性如图8-40所示。曲线的线性段的动态范围仅为66dB。若采用对数放大器，动态范围可达到100dB。图8-41所示为SXGA型CMOS成像器件输出放大器