光电子第五章

?光源传输调制探测成像第5章光电成像系统

5.1固体摄像器件

5.2光电成像原理

5.3红外成像光学系统5.4红外成像中的信号处理5.5红外成像系统的综合特性

5.6微光像增强器件5.7纤维光学成像器件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：能量方面——物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题成像特性——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器件是光电成像系统的核心5.1固体摄像器件固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号——视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）电荷注入器件（ChargeInjectionDevice，即CID）一、电荷耦合摄像器件贝尔实验室的W.S.Boyle，G.E.Smith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.Chargecoupledsemiconductordevices.BellSyst.Tech.Jour.,1970,49:587-593.G.F.Amelio,M.F.Tompsett,G.E.Smith.ExperimentverificationoftheChargecoupleddeviceconcept.BellSyst.Tech.Jour.,1970,49:593-600.他们首先提出的一种器件结构是采用相同的电极和三相时钟系统，为隔离各个电荷包，最少需要三相时钟紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器可用来存储和转移电荷，按适当的次序对这些电极加上脉冲，它们就会产生携带一包一包少数载流子的运动势阱电荷耦合器件（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CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程1电荷耦合器件的基本原理表面沟道器件，即SCCD（SurfaceChannelCCD）——转移沟道在界面的CCD器件体内沟道（或埋沟道CCD），即BCCD（BulkorBuriedChannelCCD）——用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达99.999％以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件以表面沟道CCD为例介绍CCD基本原理电荷存储构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态

电荷转移123456电荷检测以浮置扩散输出为例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输出信号的特点：2电荷耦合摄像器件的工作原理按结构可分为线阵CCD和面阵CCD按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCDCCD的电荷存储、转移的概念半导体的光电性质CCD摄像器件SiO2N-Si-V10VAl电极耗尽层(a)势阱的形成-V1*

-V2(c)少数载流子的转移-V10V(b)少数载流子的捕获光照0V-V2(d)转移完成CCD摄像器件的工作原理：平面扫描CCD成像单元CCD移位寄存器输出信号行间转移方式帧转移方式线阵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RCCDGCCDBCCD红外滤光片变焦镜头分色棱镜(a)三片式的棱镜分光R/G/BCCD红、绿、蓝方格图案滤光片红外滤光片变焦镜头(b)单片式的方格图案滤色片分光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ε

1转移效率一个电荷量为Qo的电荷包，经过n次转移后的输出电荷量应为：总效率为：2不均匀度(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：——第n

个光敏元原始响应的等效电压——平均原始响应等效电压N——线列CCD的总位数P是CCD的相数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3暗电流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5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噪声散粒噪声、转移噪声和热噪声4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）7分辨率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ＭＴＦ（调制传递函数）来表示分辨率像元分辨率8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SONYICX429AKL三、CMOS摄像器件采用CMOS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-Chip1CMOS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单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。MOS摄像器件的工作原理：ΦY1ΦY2信号输出Y移位寄存器X移位寄存器ΦX1φX2RLEMOS开关光电二极管A/D数字信号输出有源像素结构光电二极管型有源像素（PP－APS）大多数中低性能的应用光栅型有源像素结构（PG－APS）成像质量较高CMOS有源像素传感器的功耗比较小。但与无源像素结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系数典型值为20%-30%。在CMOS上制作微透镜阵列，可以等效提高填充系数。外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元，行像素内的信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。行选通单元可以对像素阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息2CMOS摄像器件的总体结构CMOS摄像器件的结构：APS(ActivePixelStructure

)：由1990s中期NASA引入CMOS

图像传感器，解决了噪声问题。像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低，采用微透镜和滤色片组合以及CMOS工艺的优势，前景好于CCD。APS在显微镜下的结构APS原理框图

PhotodiodeActive-PixelArchitecture微透镜改善低光特性3CMOS与CCD器件的比较CCD摄像器件灵敏度高、噪声低、像素面积小光敏元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用相对高的工作电压，制造成本比较高CMOS摄像器件集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低需进一步提高器件的信噪比和灵敏度四、红外焦平面器件红外焦平面器件（InfraredFocalPlaneArrays,IRFPA）5.2光电成像原理

景物反射外界的照明光经光电成像系统的光学系统在像面上形成与景物相对应的图像。置于像面上具有空间扫描功能的光电摄像器件将二维空间的图像转变成一维时序电信号电信号经过放大和视频信号处理后送至显示器，在同步信号的参与下显示出与景物相对应的图像。一、光电成像系统的基本结构光机扫描方式电子束扫描方式固体自扫描方式接收系统对景物的分解方式决定了光电成像系统的类型。可以分为三种：光机扫描方式探测器相对总视场只有较小的接受范围，而由光学部件做机械运动来实现对景物空间的分解。串联扫描并联扫描串并联混合扫描电子束扫描方式光敏靶面对整个视场内的景物辐射同时接收，而由电子束的偏转运动实现对景物的分解。固体自扫描方式从目前情况看，光机扫描及固体自扫描方式的光电成像系统占主导地位面阵摄像器件对整个视场内的景物辐射同时接收，而通过对阵列中各个单元器件的信号顺序采样实现对景物图像的分解。二、光电成像系统的基本技术参数

光学系统的通光口径D和焦距f/瞬时视场角α、β

观察视场角WH、WV帧时Tf和帧速扫描效率η

滞留时间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，探测器在观察视场中对应的分辨单元数为：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析得出的5.3红外成像光学系统红外成像光学系统应满足以下几方面的基本要求：物像共轭位置成像放大率一定的成像范围（视场）在像平面上有一定的光能量反映物体细节的能力（即分辨率）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

高斯公式

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渐晕光阑三、红外成像光学系统的主要参数

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像面中心处的辐照度四、光学系统的像差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、畸变色差：轴向色差