第八章 成像器件

1、第第8 8章章 圖像信息的光電變換圖像信息的光電變換 完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。感器。 1 1、圖像傳感器的分類、圖像傳感器的分類 2 2、光電成像原理與電視制式、光電成像原理與電視制式 3 3、固體成像器件、固體成像器件CCDCCD，CMOSCMOS 4 4、真空成像器件、真空成像器件 5 5、直視型光電器件、直視型光電器件 2）非直視）非直視掃描型光電成像器件又稱為攝像器件掃描型光電成像器件又稱為攝像器件。真空電子束掃描型真空電子束掃描型光電發(fā)射式攝像管光電發(fā)射式攝像管光電導式攝像管光電導式攝像管固體自掃描型固體自掃描型

2、電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件圖像光譜變換圖像光譜變換( (變像管變像管) )圖像強度變換圖像強度變換( (像增強管像增強管) )。1）凝視型（）凝視型（直視型）直視型）光電成像器件光電成像器件一一 光電成像器件的分類光電成像器件的分類景物景物光學成光學成像系統(tǒng)像系統(tǒng)光電變光電變換系統(tǒng)換系統(tǒng)圖像圖像分割分割同步掃同步掃描與編描與編碼碼視頻視頻信號信號信號信號傳送傳送同步掃同步掃描與解描與解碼碼視頻調(diào)視頻調(diào)整與彩整與彩色合成色合成再現(xiàn)再現(xiàn)圖像圖像攝像機系統(tǒng)攝像機系統(tǒng)監(jiān)視器或電視接收監(jiān)視器或電視接收機系統(tǒng)機系統(tǒng)二二 光電成像原理與電視制式光電成像原理與電視制式1.攝像機的基本原理攝像機的基本原理

3、 景物景物經(jīng)經(jīng)光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)成像在物鏡的像面成像在物鏡的像面(光電圖像傳感器光電圖像傳感器的像面的像面)上，形成上，形成二維空間光強分布的光學圖像二維空間光強分布的光學圖像。 光電圖像傳感器：將光學圖像轉(zhuǎn)變成二維光電圖像傳感器：將光學圖像轉(zhuǎn)變成二維“電氣電氣” 圖像。圖像。 高質(zhì)量的圖像來源于高質(zhì)量的攝像系統(tǒng)，高質(zhì)量的圖像來源于高質(zhì)量的攝像系統(tǒng)，其中主要是高質(zhì)量的光電圖像傳感器。其中主要是高質(zhì)量的光電圖像傳感器。 景物景物光學成光學成像系統(tǒng)像系統(tǒng)光電變光電變換系統(tǒng)換系統(tǒng)圖像圖像分割分割同步掃同步掃描與編描與編碼碼視頻視頻信號信號 組成一幅圖像的最小單元稱為像素或像元。像元的大小或組成一幅圖像

4、的最小單元稱為像素或像元。像元的大小或一幅圖像所包含的像元數(shù)決定了圖像的分辨率，分辨率越高，一幅圖像所包含的像元數(shù)決定了圖像的分辨率，分辨率越高，圖像的細節(jié)信息越豐富，圖像越清晰，圖像質(zhì)量越高。圖像的細節(jié)信息越豐富，圖像越清晰，圖像質(zhì)量越高。即將即將圖像分割圖像分割得越細，圖像質(zhì)量越高。得越細，圖像質(zhì)量越高。 景物景物光學成光學成像系統(tǒng)像系統(tǒng)光電變光電變換系統(tǒng)換系統(tǒng)圖像圖像分割分割同步掃同步掃描與編描與編碼碼視頻視頻信號信號2. 圖像的分割圖像的分割 將一幅圖像分割成若干像素的方法有很多：將一幅圖像分割成若干像素的方法有很多：超正析像管超正析像管：利用電子束掃描光電陰極的方法分割像素；：利用電

5、子束掃描光電陰極的方法分割像素；視像管視像管：由電阻海顆粒分割；：由電阻海顆粒分割；面陣面陣CCD、CMOS圖像傳感器圖像傳感器：用光敏單元分割。：用光敏單元分割。 被分割后的電氣圖像經(jīng)掃描才能輸出一維時序信號（被分割后的電氣圖像經(jīng)掃描才能輸出一維時序信號（視頻視頻信號信號），掃描的方式也與圖像傳感器的性質(zhì)有關。），掃描的方式也與圖像傳感器的性質(zhì)有關。 面陣面陣CCDCCD采用轉(zhuǎn)移脈沖方式將電荷包（像素信號）輸出一維采用轉(zhuǎn)移脈沖方式將電荷包（像素信號）輸出一維時序信號；時序信號；CMOSCMOS圖像傳感器采用順序開通行、列開關的方式完圖像傳感器采用順序開通行、列開關的方式完成像素信號的一維輸出

6、。成像素信號的一維輸出。 3. 3.圖像的顯示：圖像的顯示：監(jiān)視器或電視接收機的顯像管：監(jiān)視器或電視接收機的顯像管： 利用電磁場使電子束偏轉(zhuǎn)利用電磁場使電子束偏轉(zhuǎn)而實現(xiàn)行與場掃描，而實現(xiàn)行與場掃描，因此，對于行、場掃描的速度、周期等參數(shù)進行嚴格的規(guī)定，因此，對于行、場掃描的速度、周期等參數(shù)進行嚴格的規(guī)定，以便顯像管顯示理想的圖像。以便顯像管顯示理想的圖像。 信號信號傳送傳送同步掃同步掃描與解描與解碼碼視頻調(diào)視頻調(diào)整與彩整與彩色合成色合成再現(xiàn)再現(xiàn)圖像圖像監(jiān)視器或電視接收機系統(tǒng)監(jiān)視器或電視接收機系統(tǒng)l4.掃描方式掃描方式 （1）逐行掃描）逐行掃描顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個方向的偏轉(zhuǎn)線圈，線圈

7、中分別顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個方向的偏轉(zhuǎn)線圈，線圈中分別流過鋸齒波電流，電子束在偏轉(zhuǎn)線圈形成的磁場作用下同時進行水流過鋸齒波電流，電子束在偏轉(zhuǎn)線圈形成的磁場作用下同時進行水平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn)，完成對顯像管熒光屏的掃描。平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn)，完成對顯像管熒光屏的掃描。 （2）隔行掃描）隔行掃描 根據(jù)人眼對圖像分辨能力，掃描的水平行數(shù)至少應大于根據(jù)人眼對圖像分辨能力，掃描的水平行數(shù)至少應大于600行，這對于逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于行，這對于逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于29000Hz才能保證人眼視覺對圖像的最低要求。才能保證人眼視覺對圖像的最低要求。 這樣高的行掃描頻率，無

8、論對攝像系統(tǒng)還是對顯示系統(tǒng)都這樣高的行掃描頻率，無論對攝像系統(tǒng)還是對顯示系統(tǒng)都提出了更高的要求。為了降低行掃描頻率，又能保證人眼視覺提出了更高的要求。為了降低行掃描頻率，又能保證人眼視覺對圖像分辨率及閃耀感的要求，早在對圖像分辨率及閃耀感的要求，早在20世紀初，人們就提出世紀初，人們就提出了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法。了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法。第二，要求相鄰兩第二，要求相鄰兩場光柵必須均勻地場光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最鑲嵌，確保獲得最高的清晰度。高的清晰度。 目前，我國現(xiàn)行的隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數(shù)目前，我國現(xiàn)行的隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數(shù)為為625行，一幀由

9、二場構成，每場掃描行數(shù)為行，一幀由二場構成，每場掃描行數(shù)為312.5行。行。隔行掃描必須滿足：隔行掃描必須滿足：第一，下一幀圖像的第一，下一幀圖像的掃描起始點應與上一掃描起始點應與上一幀起始點相同；幀起始點相同；（3）掃描行頻）掃描行頻電子束掃描一行所需要的時間，又稱為行周期。電子束掃描一行所需要的時間，又稱為行周期。行周期的倒數(shù)稱為行頻。行周期的倒數(shù)稱為行頻。 我國現(xiàn)行電視制式（我國現(xiàn)行電視制式（PAL制式）的主要參數(shù)為：制式）的主要參數(shù)為：寬高比寬高比=4/3；場頻；場頻fv=50 Hz；行頻；行頻fl=15 625 Hz；場周期場周期T=20ms， 其中場正程掃描時間為其中場正程掃描時間

10、為18.4ms，逆程掃描時間為，逆程掃描時間為1.6ms。行周期為行周期為64s， 其中行正程掃描時間為其中行正程掃描時間為52s，逆程掃描時間為，逆程掃描時間為12s。 5. 電視制式電視制式 電視的圖像發(fā)送與接收系統(tǒng)中，圖像的采集（攝像機）與電視的圖像發(fā)送與接收系統(tǒng)中，圖像的采集（攝像機）與圖像顯示器必需遵守同樣的分割規(guī)則才能獲得理想的圖像傳輸。圖像顯示器必需遵守同樣的分割規(guī)則才能獲得理想的圖像傳輸。這個規(guī)則被稱為電視制式。這個規(guī)則被稱為電視制式。 目前，正在應用中的電視制式一般有三種。目前，正在應用中的電視制式一般有三種。 PALPAL彩色電視制式：彩色電視制式：場頻為場頻為50 Hz，

11、隔行掃描每幀掃描行數(shù)為隔行掃描每幀掃描行數(shù)為625行，行，伴音、圖像載頻帶寬為伴音、圖像載頻帶寬為6.5 MHz。n電荷耦合器件電荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）lCMOS圖像傳感器圖像傳感器 Complementary Metal Oxide Semiconductor CIS CMOS Image Sensor三、 固體成像器件固體成像器件電電荷荷耦耦合合器器件件C CC CD D 線陣線陣CCD 面陣面陣CCDCMOS圖像傳感器的圖像傳感器的應用應用 圖圖8-82 CMOS器件的應用情況器件的應用情況保安監(jiān)視保安監(jiān)視P C 攝 像攝 像頭頭機頂盒機頂盒玩具

12、玩具醫(yī)療儀器醫(yī)療儀器數(shù)碼相機數(shù)碼相機手機手機可視電話可視電話生物特征識別生物特征識別PDA條碼識別條碼識別汽車汽車CCDCCD的發(fā)明者的發(fā)明者George SmithGeorge Smith和和Willard BoyleWillard Boyle 電荷耦合器件電荷耦合器件CCD圖像傳感器發(fā)展圖像傳感器發(fā)展 完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。1934年年 光電攝像管（光電攝像管（Iconoscope），用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。），用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。但是，它的靈敏度很低，信噪比很低，需要高于但是，它的靈敏度很低，信噪比很低

13、，需要高于10 000lx的照度的照度才能獲得較為清晰的圖像。才能獲得較為清晰的圖像。1947年年 超正析像管（超正析像管（Imaige Orthico），靈敏度有所提高，但是），靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在最低照度仍要求在2 000lx以上。以上。 1954年年 高靈敏視像管（高靈敏視像管（Vidicon） 成本低，體積小，結構簡單成本低，體積小，結構簡單 1965年年 (Plumbicon) 發(fā)展了彩色電視攝像機發(fā)展了彩色電視攝像機氧化鉛視像管抗強光的能氧化鉛視像管力低，余輝效應影響了它氧化鉛視像管抗強光的能氧化鉛視像管力低，余輝效應影響了它的采樣速率。的采樣速率。 1976年，又

14、相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管和硅年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管和硅靶管。靶管。 19701970年，年，美國貝爾實驗室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（美國貝爾實驗室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（Charge Coupled Device,簡稱簡稱CCD) 的原理，使圖像傳感器的發(fā)展進入了的原理，使圖像傳感器的發(fā)展進入了一個全新的階段，使圖像傳感器一個全新的階段，使圖像傳感器從真空電子束掃描方式發(fā)展成為從真空電子束掃描方式發(fā)展成為固體自掃描輸出方式。固體自掃描輸出方式。 CCD本身就能完成光學圖像轉(zhuǎn)換、信息存貯和按順序輸出本身就能完成光學圖像轉(zhuǎn)換、信息存貯和按順序輸出（稱自掃描）視頻信號的全過

15、程。（稱自掃描）視頻信號的全過程。 它的自掃描輸出方式消除它的自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性失真。了電子束掃描造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性失真。此外，與真空攝像器件相比此外，與真空攝像器件相比,CCD還有以下優(yōu)點：還有以下優(yōu)點： (1) 體積小，重量輕，功耗低；耐沖擊，可靠性高，壽命長；體積小，重量輕，功耗低；耐沖擊，可靠性高，壽命長； (2) 無象元燒傷、扭曲，不受電磁場干擾；無象元燒傷、扭曲，不受電磁場干擾； (3) 象元尺寸精度優(yōu)于象元尺寸精度優(yōu)于1m,分辨率高；分辨率高； (4) 基本上不保留殘象（真空攝像管有基本上不保留殘象（真空攝像管有15%20%的殘象）。

16、的殘象）。 (5) 視頻信號與微機接口容易。視頻信號與微機接口容易。 電荷耦合器件電荷耦合器件CCD的工作原理的工作原理光信息光信息電脈沖電脈沖脈沖只反映一個光敏元的受光情況脈沖只反映一個光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強弱脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強弱輸出脈沖的順序可以反映一個光敏元的位置輸出脈沖的順序可以反映一個光敏元的位置完成圖像傳感完成圖像傳感電荷耦合器件電荷耦合器件CCD的結構的結構CCDCCD的特點是以電荷作為信號，不是以電流或電壓作為信號。的特點是以電荷作為信號，不是以電流或電壓作為信號。 CCD線線陣列陣列CCD單元單元這種結構再加上這種結構再加上輸入

17、、輸出結構輸入、輸出結構就構成了就構成了N N位位CCDCCD。 CCD（Charge Coupled Devices，電荷耦合器件）圖像傳感，電荷耦合器件）圖像傳感器主要有兩種基本類型，表面溝道器主要有兩種基本類型，表面溝道CCD（簡稱為（簡稱為SCCD）器件；）器件；體溝道或埋溝道器件（簡稱為體溝道或埋溝道器件（簡稱為BCCD）。）。 CCD是由金屬氧化物半導體構成的密排器件，簡稱是由金屬氧化物半導體構成的密排器件，簡稱MOS結結構，它實際就是一個構，它實際就是一個MOS電容。電容。EvEFp金屬金屬氧化物氧化物P P型半導體型半導體ECEFm 柵極電壓柵極電壓Vg=0Vg=0,p,p型半

18、導體中均勻的空型半導體中均勻的空穴（多數(shù)載流子）分穴（多數(shù)載流子）分布，半導體中能量線布，半導體中能量線延伸到表面并與表面延伸到表面并與表面垂直。垂直。 柵極電壓柵極電壓Vg0Vg0, ,電電場排斥電子吸引空穴，場排斥電子吸引空穴，使表面電子能量增大，使表面電子能量增大，表面處能帶向上彎曲，表面處能帶向上彎曲，越接近表面空穴濃度越接近表面空穴濃度越大，形成空穴越大，形成空穴積累積累層層。EvEFp金屬金屬氧化物氧化物P P型半導體型半導體ECEFmVG0Vg0Vg0, ,電場電場排斥空穴吸引電子，越排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越小，接近表面空穴濃度越小，形成空穴形成空穴耗盡層耗盡層。E

19、vVG0EFp金屬金屬氧化物氧化物P P型半導體型半導體ECEFmW 柵極電壓柵極電壓VgVg0 0, ,電電場排斥空穴吸引電子，場排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越越接近表面空穴濃度越小，電子濃度甚至超過小，電子濃度甚至超過空穴濃度，形成空穴濃度，形成反型層反型層。 EvEFp金屬金屬氧化物氧化物P P型半導體型半導體ECEFmVG0WEvEFp金屬金屬氧化物氧化物P P型半導體型半導體ECEFmVG0WVg0SiO2柵電極柵電極反型層反型層P-SiVg0SiO2柵電極柵電極耗盡層耗盡層P-Si 半導體表面與襯底的電壓，常稱為半導體表面與襯底的電壓，常稱為表面勢表面勢，（用，（用VG表示

20、）外加電壓越大，對應有越大的表面電勢，能帶彎表示）外加電壓越大，對應有越大的表面電勢，能帶彎曲的越厲害，相應的能量越低，儲存電子的能力越大，曲的越厲害，相應的能量越低，儲存電子的能力越大，通常稱其為通常稱其為勢阱勢阱。注入電子形成。注入電子形成電荷包電荷包電荷存儲電荷存儲（表面勢與勢阱）（表面勢與勢阱）VG 0 51015伏伏VG空勢阱空勢阱P-SiVG=12伏伏全滿勢阱全滿勢阱P-SiVG=12伏伏填滿填滿1/3勢阱勢阱P-Si1 1）CCDCCD基本功能基本功能Vg=0SiO2柵電極柵電極P-SiVg0SiO2柵電極柵電極耗盡層耗盡層P-SiVg0SiO2柵電極柵電極反型層反型層P-Sin

21、nP-Si 襯底源漏輸出柵轉(zhuǎn)移柵電極SiO2n-溝道電荷轉(zhuǎn)移電荷轉(zhuǎn)移（三相時鐘）（三相時鐘）2伏伏2伏伏10伏伏VGP-Si 2伏伏2伏伏10伏伏VGP-Si VG2伏伏2伏伏10伏伏P-Si2伏伏 VG123t2 t4t1 t3 t5123t1 t3 t510伏伏2伏伏2伏伏2伏伏VGP-Si VG2伏伏2伏伏10伏伏P-Si p p襯底襯底鋁柵鋁柵多晶硅柵多晶硅柵1 12 22 2）CCDCCD電極結構電極結構按照加在電極上的脈沖電壓相數(shù)來分，電極的按照加在電極上的脈沖電壓相數(shù)來分，電極的結構可分為二相、三相、四相等結構形式。結構可分為二相、三相、四相等結構形式。 3 3）電荷耦合器件的性

22、能參數(shù)）電荷耦合器件的性能參數(shù) 電荷轉(zhuǎn)移效率電荷轉(zhuǎn)移效率)0()(1)0()()0(QtQQtQQ電荷損失率電荷損失率)0()()(QtQt 工作頻率工作頻率rHtf31 電荷本身從一個電極轉(zhuǎn)移到電荷本身從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所需要的時間另一個電極所需要的時間t tr r不能不能大于驅(qū)動脈沖使其轉(zhuǎn)移的時間大于驅(qū)動脈沖使其轉(zhuǎn)移的時間T/3T/3，因此，上限頻率，因此，上限頻率 下限頻率決定于下限頻率決定于少數(shù)載流子壽命少數(shù)載流子壽命31Lf 電荷負載量電荷負載量電極下能容納的電荷數(shù)量電極下能容納的電荷數(shù)量piVCQ 探測噪聲探測噪聲fffQnficcn)/2cos1)(422n 電荷轉(zhuǎn)移次數(shù)

23、；電荷轉(zhuǎn)移次數(shù)； fc 時鐘頻率時鐘頻率產(chǎn)生于界面態(tài)或體態(tài)與電荷包相互作用的電荷轉(zhuǎn)移起伏；產(chǎn)生于界面態(tài)或體態(tài)與電荷包相互作用的電荷轉(zhuǎn)移起伏； 背景光輻射引起的電荷變化與暗電流噪聲；背景光輻射引起的電荷變化與暗電流噪聲；輸出級的復位過程與輸出放大器噪聲。輸出級的復位過程與輸出放大器噪聲。 有轉(zhuǎn)移損失就會有附加的噪盧。通過有轉(zhuǎn)移損失就會有附加的噪盧。通過n n次電荷轉(zhuǎn)移后，次電荷轉(zhuǎn)移后， 電流的轉(zhuǎn)移噪聲將為電流的轉(zhuǎn)移噪聲將為圖像分割：用圖像分割：用光敏單元光敏單元分割二維信號分割二維信號4 4）CCDCCD景物景物光學成光學成像系統(tǒng)像系統(tǒng)光電變光電變換系統(tǒng)換系統(tǒng)圖像圖像分割分割同步掃同步掃描與編描

24、與編碼碼視頻視頻信號信號景物景物經(jīng)經(jīng)光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)成像在物鏡的像面成像在物鏡的像面(即，即，CCDCCD的光敏的光敏面面)上成上成二維光學圖像信號（二維光學圖像信號（電荷包）電荷包）電荷存儲電荷存儲同步掃描與編碼：自掃描方式，在同步掃描與編碼：自掃描方式，在驅(qū)動脈沖驅(qū)動脈沖的作用下順序的作用下順序地移出器件（地移出器件（電荷轉(zhuǎn)移電荷轉(zhuǎn)移），成為），成為一維視頻信號一維視頻信號輸出。輸出。 CCD的現(xiàn)狀的現(xiàn)狀 第一、通用型或消費型第一、通用型或消費型CCD傳感器傳感器 在許多方面都有較大地進展，如在許多方面都有較大地進展，如CMOS型攝像頭?？偟姆叫蛿z像頭?？偟姆较蚴翘岣呦蚴翘岣逤CD攝像機的

25、綜合性能。攝像機的綜合性能。 第二、特殊第二、特殊CCD傳感器，傳感器， 如紅外如紅外CCD芯片（紅外焦平面陣列器件）、高靈敏度背照芯片（紅外焦平面陣列器件）、高靈敏度背照式式BCCD和電子轟擊式和電子轟擊式EBCCD等，另外還有大靶面如等，另外還有大靶面如20482048、40964096可見光可見光CCD傳感器、寬光譜范圍傳感器、寬光譜范圍（紫外光（紫外光可見光可見光近紅外光近紅外光3-5m中紅外光中紅外光8-14um遠遠紅外光紅外光)焦平面陣列傳感器等。焦平面陣列傳感器等。 CCD器件器件Complementary Metal Oxide Semiconductor互補互補金屬氧化物半導

26、體集成電路金屬氧化物半導體集成電路 基本單元電路反相器由基本單元電路反相器由N溝道和溝道和P溝道溝道 MOS場效應晶體管（場效應晶體管（P溝道溝道金屬金屬-氧化物氧化物-半導體集成電路半導體集成電路和和N溝溝道金屬道金屬-氧化物氧化物-半導體集成電路半導體集成電路）構）構成成,能實現(xiàn)一定邏輯功能的能實現(xiàn)一定邏輯功能的集成電路集成電路,簡稱簡稱CMOS。 CMOS圖像傳感器圖像傳感器n 上世紀上世紀60年代末期，年代末期，1969年，美國貝爾實驗年，美國貝爾實驗室提出固態(tài)成像器件概念：室提出固態(tài)成像器件概念：n 互補金屬氧化物半導體圖像傳感器互補金屬氧化物半導體圖像傳感器n CMOS Compl

27、ementary Metal Oxide Semiconductor n 電荷耦合器件圖像傳感器電荷耦合器件圖像傳感器 （CCD） CMOS與與CCD圖像傳感器的研究幾乎是同時起步，固圖像傳感器的研究幾乎是同時起步，固體圖像傳感器得到了迅速發(fā)展體圖像傳感器得到了迅速發(fā)展。1970nCMOS圖像傳感圖像傳感 器器：n 由于受當時工藝水平的限制，由于受當時工藝水平的限制， 圖像質(zhì)量差、圖像質(zhì)量差、分辨率低、像敏單元尺寸小，填充率低，響應速度分辨率低、像敏單元尺寸小，填充率低，響應速度慢，沒有得到重視和發(fā)展。慢，沒有得到重視和發(fā)展。n由于集成電路設計技術和工藝水平的提高，由于集成電路設計技術和工藝水

28、平的提高，CMOS圖像傳感器過去存在的缺點，現(xiàn)在都可以圖像傳感器過去存在的缺點，現(xiàn)在都可以找到辦法克服，因而它再次成為研究的熱點。找到辦法克服，因而它再次成為研究的熱點。 n被動像元被動像元無源結構（無源結構（光敏單元，像元尋址開關）光敏單元，像元尋址開關）主主動像元動像元有源結構有源結構（光敏單元，像元尋址開關，信號放大（光敏單元，像元尋址開關，信號放大與處理電路）與處理電路）CMOS圖像傳感器的組成圖像傳感器的組成 主要組成部分：像敏單元陣列和主要組成部分：像敏單元陣列和MOS場效應管集成電路場效應管集成電路像敏單元陣列：像敏單元陣列：光電二極管陣列。光電二極管陣列。兩部分是集成在兩部分是

29、集成在同一硅片上。同一硅片上。CMOS圖像傳感器的像敏單元結構圖像傳感器的像敏單元結構 有兩種類型：被動像敏單元結構和主動像敏單元結構。有兩種類型：被動像敏單元結構和主動像敏單元結構。被動像敏單元結構被動像敏單元結構:只包含光電二極管和地址選通開關兩部分只包含光電二極管和地址選通開關兩部分公共的放大器公共的放大器主動式像敏單元結構：主動式像敏單元結構： 當復位脈沖消失后，當復位脈沖消失后，V V1 1截止，光電二極管開始積分光信號。截止，光電二極管開始積分光信號。 場效應管場效應管V V2 2：源極跟隨放大器，進行電流放大，：源極跟隨放大器，進行電流放大， 場效應管場效應管V V3 3構成模擬

30、開關，積分結束后，構成模擬開關，積分結束后，V3管導通，信號輸管導通，信號輸出。出。 場效應管場效應管V V1 1構成光構成光電二極管的負載，它的柵電二極管的負載，它的柵極接在復位信號線上，當極接在復位信號線上，當復位脈沖（高）出現(xiàn)時，復位脈沖（高）出現(xiàn)時，V V1 1導通，光電二極管被瞬導通，光電二極管被瞬時復位；時復位； 集成度高、功耗小、生產(chǎn)成本低、容易與其他芯片整合。集成度高、功耗小、生產(chǎn)成本低、容易與其他芯片整合。光譜響應寬，圖像響應均勻性較差，光譜響應寬，圖像響應均勻性較差，具有較高的暗電流，信信號讀出速率號讀出速率 高，高， 1000 M 像素數(shù)/s. CMOS CMOS 圖像傳

31、感器及其工作原理圖像傳感器及其工作原理 CCD CCD 圖像傳感器及其工作原理圖像傳感器及其工作原理 傳感器靈敏度較CMOS圖像傳感器高3050% ，動態(tài)范圍約較CMOS的高2倍，圖像響應均勻性好，具有優(yōu)良的電子快門功能 ，信號讀出速率較低：70M 像素數(shù)/s. CCD與與CMOS圖像傳感器的特性比較圖像傳感器的特性比較靈敏度CCD圖像傳感器靈敏度較CMOS圖像傳感器高3050%。 電子電壓轉(zhuǎn)換率CMOS圖像傳感器在像元中采用高增益低功耗互補放大器結構，其電壓轉(zhuǎn)換率略優(yōu)于CCD圖像傳感器。 動態(tài)范圍 表示器件的飽和信號電壓與最低信號閾值電壓的比值。 CCD動態(tài)范圍約較CMOS的高2倍。 響應均

32、勻性CMOS圖像傳感器由于每個像元中均有開環(huán)放大器，器件加工工藝的微小變化導致放大器的偏置及增益產(chǎn)生可觀的差異， CMOS圖像傳感器的響應均勻性較CCD有較大差距 暗電流CMOS圖像傳感器具有較高的暗電流， 暗電流密度為1nA/cm2量級 電子快門CCD像感器特別是內(nèi)線轉(zhuǎn)移結構像感器具有優(yōu)良的電子快門功能 速度信號讀出速率 CCD: 70 Mpixels/s. CMOS:1000 Mpixels/s. 偏置、功耗與可靠性 CMOS圖像傳感器通常在單一的較低外接信號偏置電壓與時鐘電平下工作, CCD像感器需要幾組較高的偏置電壓才能工作，輸出放大器偏壓仍較高 抗暈能力CMOS的像元結構具有自然的抗

33、暈能力 窗口 CMOS由于采用XY尋址方式，具有讀出任意局部畫面的能力， CCD的順序讀出信號結構決定它的畫面開窗口的能力受到限制。 總結總結CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于 CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過，隨著CCD與CMOS傳感器技術的進步，兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢。 作業(yè)nCCD原理原理nCMOS原理原理nCCD,CMOS區(qū)別（從原理說明為什么有這些區(qū)別）區(qū)別（從原理說明為什么有這些區(qū)別）nCCD的電荷注入方式的電荷注入方式nCCD的電荷檢測方式的電荷檢測方式n其他均可其他均可要求：脫稿要求：脫稿PPT，WORD，PDF

34、都可以都可以10個隨即點名，個隨即點名，10個自愿個自愿 把各種不可見圖像把各種不可見圖像( (包括紅外圖像，紫外圖像及包括紅外圖像，紫外圖像及射線圖像射線圖像) )轉(zhuǎn)換成可見圖像的器件稱為轉(zhuǎn)換成可見圖像的器件稱為變像管變像管。 把強度低于視覺閾值的圖像增強到可以觀察程把強度低于視覺閾值的圖像增強到可以觀察程度的器件稱為度的器件稱為像增強管像增強管。 變像管與變像管與像增強管統(tǒng)稱為像增強管統(tǒng)稱為像管。像管。 四四 像管（直視型光電器件）像管（直視型光電器件）1） 變像管變像管光電陰極光電陰極(光敏面光敏面)、電子光學系統(tǒng)、電子光學系統(tǒng)、熒光屏熒光屏高真空管殼高真空管殼 組成。組成。工作過程：工

35、作過程： 輻射圖像形成在輻射圖像形成在光電陰極光電陰極上，光電陰極上各點產(chǎn)生上，光電陰極上各點產(chǎn)生正比與入射輻射的電子發(fā)射，形成電子圖像正比與入射輻射的電子發(fā)射，形成電子圖像電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)將電子像傳遞到熒光屏上，在傳遞過程中將電子像傳遞到熒光屏上，在傳遞過程中將電子像放大將電子像放大熒光屏熒光屏受電子轟擊發(fā)光，形成可見光圖像，完成光電轉(zhuǎn)受電子轟擊發(fā)光，形成可見光圖像，完成光電轉(zhuǎn)換換對對光電陰極光電陰極要求是：要求是：具有很高的光譜響應靈敏度，具有很高的光譜響應靈敏度，熱發(fā)射電流小，均勻性好熱發(fā)射電流小，均勻性好。 像管的光電陰極像管的光電陰極S-25 (Sb-Na-K-Cs)S-20

36、(Sb-K-Na-Cs)GaAs變像管的電子光學系統(tǒng)變像管的電子光學系統(tǒng)變像管的熒光屏變像管的熒光屏 像管對熒光屏的主要要求是像管對熒光屏的主要要求是： 適合人眼觀察的發(fā)光光譜；適合人眼觀察的發(fā)光光譜； 足夠高的發(fā)光亮度；足夠高的發(fā)光亮度； 高分辨力和好的傳輸函數(shù)；高分辨力和好的傳輸函數(shù)； 合適的余輝時間；合適的余輝時間； 良好的機械強度、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。良好的機械強度、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。 (Zn(ZnCd)SCd)SAgAg熒光粉熒光粉，其發(fā)光顏色為，其發(fā)光顏色為黃綠色，黃綠色， 峰值波長峰值波長0.560 0.560 m m， 1010余輝時間余輝時間0.050.052ms2ms

37、。 像管的熒光屏是由熒光物質(zhì)像管的熒光屏是由熒光物質(zhì)(粉粒粉粒)刷涂在基底上制成。刷涂在基底上制成。它是像管中完成電光轉(zhuǎn)換的部件。它是像管中完成電光轉(zhuǎn)換的部件。2）像增強器）像增強器 通常將增強器管通常將增強器管( (增像管增像管) )與高壓電源經(jīng)灌封工藝組裝成與高壓電源經(jīng)灌封工藝組裝成整體的組件，稱為微光像增強器，裸管為增像管或單管。整體的組件，稱為微光像增強器，裸管為增像管或單管。微光像增微光像增強器的組強器的組成及工作成及工作原理原理輸輸入入圖圖像像輸輸出出圖圖像像光電光電陰極陰極熒光熒光屏屏輸入光纖板輸入光纖板輸出光纖板輸出光纖板加速加速電極電極聚焦聚焦電極電極電子電子軌跡軌跡 像像增

38、強器基本結構類似于變像管：光電陰極，電子光學增強器基本結構類似于變像管：光電陰極，電子光學系統(tǒng)，電子倍增器，熒光屏系統(tǒng)，電子倍增器，熒光屏 對對光電陰極光電陰極要求是：要求是：具有很高的光譜響應靈敏度，具有很高的光譜響應靈敏度，熱發(fā)射電流小，切均勻性好熱發(fā)射電流小，切均勻性好。 一種典型的一種典型的銻鉀鈉銫多堿銻鉀鈉銫多堿陰極，編號為陰極，編號為s s2020。像管的光電陰極像管的光電陰極 s s25 25 （銻鈉鉀銫銻鈉鉀銫）光電陰極的光電陰極的光譜響應向紅外有光譜響應向紅外有所延伸，用于第一代和第二代增像管。所延伸，用于第一代和第二代增像管。 第三代像增強器是在二代近貼管的基礎上，將第三代

39、像增強器是在二代近貼管的基礎上，將s s2525陰極置換為陰極置換為砷化鎵負電子親和勢光電陰極砷化鎵負電子親和勢光電陰極(GaAs NEA)(GaAs NEA)。其靈敏度幾乎是二代光電陰極的其靈敏度幾乎是二代光電陰極的3 34 4倍。倍。第一代三級級聯(lián)象增強管第一代三級級聯(lián)象增強管微通道式像增強管微通道式像增強管（二代管）（二代管）靜電聚焦微通道靜電聚焦微通道像增強管。像增強管。微通道板微通道板 微通道是一根根很細的玻璃管微通道是一根根很細的玻璃管。它的內(nèi)壁鍍有高阻它的內(nèi)壁鍍有高阻的二次發(fā)射材料，施加高電壓后內(nèi)壁將出現(xiàn)電位梯度，連續(xù)多的二次發(fā)射材料，施加高電壓后內(nèi)壁將出現(xiàn)電位梯度，連續(xù)多次發(fā)射

40、二次電子，可獲得約次發(fā)射二次電子，可獲得約104的增益。的增益。微通道板微通道板是由成千上萬根直徑為是由成千上萬根直徑為15154040 m m、長度、長度為為0.60.61.6mm1.6mm的微通道的微通道排成的二維列陣，如圖所示，排成的二維列陣，如圖所示，簡簡稱稱MCPMCP。光光陰陰極極微微通通道道板板熒熒光光屏屏近貼式第二代像管結構近貼式第二代像管結構WJII型頭盔式微光夜視儀型頭盔式微光夜視儀五五 掃描型攝像管掃描型攝像管 能夠輸出視頻信號的一類真空光電管能夠輸出視頻信號的一類真空光電管稱為稱為攝象管攝象管。將二維空間分布的光學圖像轉(zhuǎn)化為一維時序電信號將二維空間分布的光學圖像轉(zhuǎn)化為一

41、維時序電信號. .直視光電成像系統(tǒng)的不足：直視光電成像系統(tǒng)的不足：光學圖像直接轉(zhuǎn)換成直視圖像光學圖像直接轉(zhuǎn)換成直視圖像作用距離短作用距離短放大率有限放大率有限對比度不能調(diào)節(jié)對比度不能調(diào)節(jié)不能超越障礙不能超越障礙 電視系統(tǒng)（電視系統(tǒng)（攝像攝像，傳輸，接受），傳輸，接受）光電發(fā)射式攝象管光電發(fā)射式攝象管光電導式攝象管光電導式攝象管R R靶靶電子束電子束電子槍電子槍R R光光電電陰陰極極靶靶電子束電子束電子槍電子槍移像區(qū)移像區(qū)光電攝像器件的工作過程：光電攝像器件的工作過程：1、光電轉(zhuǎn)換：光學圖像投射到器件光敏面上，以象素為單元分、光電轉(zhuǎn)換：光學圖像投射到器件光敏面上，以象素為單元分別進行光電轉(zhuǎn)換，形

42、成電量的潛像。別進行光電轉(zhuǎn)換，形成電量的潛像。2、光電信號的存儲：每個象素在掃描周期內(nèi)對轉(zhuǎn)換的電量進行、光電信號的存儲：每個象素在掃描周期內(nèi)對轉(zhuǎn)換的電量進行存儲。存儲。掃描：掃描線按一定軌跡逐點采集轉(zhuǎn)換后的電量，形成輸出信掃描：掃描線按一定軌跡逐點采集轉(zhuǎn)換后的電量，形成輸出信號。號。RLC防反防反射膜射膜信號板信號板光光導導靶靶1）光導靶）光導靶 由光窗、信號板和靶組成。由光窗、信號板和靶組成。 靶面的軸向電阻小，橫向電靶面的軸向電阻小，橫向電阻大，有利于保持光電轉(zhuǎn)換阻大，有利于保持光電轉(zhuǎn)換形成形成電量的潛象電量的潛象，并在掃描周期內(nèi)實并在掃描周期內(nèi)實現(xiàn)積分存儲?，F(xiàn)積分存儲。視象管的基本結構：

43、視象管的基本結構：光導靶光導靶和和電子槍電子槍。 一）光電導式攝象管（視象管）一）光電導式攝象管（視象管）RLC防反防反射膜射膜信號板信號板光光導導靶靶聚焦線圈聚焦線圈偏轉(zhuǎn)線圈偏轉(zhuǎn)線圈校正校正線圈線圈聚焦電極聚焦電極加速電極加速電極K聚焦線圈聚焦線圈校正校正線圈線圈偏轉(zhuǎn)線圈偏轉(zhuǎn)線圈G2）電子槍）電子槍 電子槍的作用是產(chǎn)生熱電子，并使它聚焦成很細的電子電子槍的作用是產(chǎn)生熱電子，并使它聚焦成很細的電子射線，按著一定的軌跡掃描靶面。射線，按著一定的軌跡掃描靶面。逐點地采集這些轉(zhuǎn)換后的逐點地采集這些轉(zhuǎn)換后的電量形成串行輸出信號。電量形成串行輸出信號。3 3）視頻信號的形成）視頻信號的形成 幀圖像可分成

44、四十多萬個像元。每個像元可用一個電阻幀圖像可分成四十多萬個像元。每個像元可用一個電阻和電容和電容c c來等效。來等效。 電容電容c c起存儲信息的作用，電阻起存儲信息的作用，電阻R R隨著光照度的增大而變隨著光照度的增大而變小，無光照時小，無光照時R R為暗電阻為暗電阻R R0 0、光照后變?yōu)楣庹蘸笞優(yōu)镽c(E)Rc(E)，是與照度有是與照度有關的變量。關的變量。視頻信號視頻信號RLCLEK每個象元（象素）有序的轉(zhuǎn)化為視頻電信號每個象元（象素）有序的轉(zhuǎn)化為視頻電信號（1）硅靶攝象管）硅靶攝象管 硅靶是貼在信號板上的一塊硅片，朝著電子槍一面生成硅靶是貼在信號板上的一塊硅片，朝著電子槍一面生成幾十

45、萬個相互隔離的幾十萬個相互隔離的PN結結(光電二極管光電二極管)。 硅靶窗口玻璃內(nèi)表面涂有一層很薄的金屬膜，有引線同負硅靶窗口玻璃內(nèi)表面涂有一層很薄的金屬膜，有引線同負載相連，稱為信號板。載相連，稱為信號板。玻璃面板玻璃面板信號板信號板電阻海電阻海RL工作過程：光照在工作過程：光照在P型島上形成電勢型島上形成電勢電子線掃描連線形成電子線掃描連線形成電流電流在輸出電阻上產(chǎn)生與視頻對應的電壓信號（在輸出電阻上產(chǎn)生與視頻對應的電壓信號（ P型島拉型島拉回低電位）回低電位）硅靶的特性硅靶的特性1)1)抗燒傷性抗燒傷性 耐強光、耐高溫耐強光、耐高溫2)2)光譜特性及靈敏度光譜特性及靈敏度 硅靶的光譜響應

46、范圍為硅靶的光譜響應范圍為 0.40.41.11.1m m 峰值波長為峰值波長為 0.650.85m。3) )暗電流暗電流 硅靶的暗電流較大，約為硅靶的暗電流較大，約為10 nA10 nA，且隨溫度每升，且隨溫度每升高高99，暗電流約增加一倍。，暗電流約增加一倍。光導攝像管的光譜響應特性曲線光導攝像管的光譜響應特性曲線a-Sb2S3光導攝像管b-pbO光導攝像管標準型c-pbO光導攝像管全色型d-CdSe光導攝像管e-硅靶攝像管g-ZnCdTe光導攝像管（2）氧化鉛靶攝像管）氧化鉛靶攝像管 PbOPbO靶攝像管的特點是：靶攝像管的特點是： PINPIN結構結構，工作原理與硅靶類似，工作原理與硅

47、靶類似 靈敏度較高，可達靈敏度較高，可達400400A Almlm； 暗電流小，低于暗電流小，低于1nA,1nA, 光電特性好；惰性小，三場后殘光電特性好；惰性小，三場后殘余信號不大于余信號不大于4 4。N I PSnO2 透透明導電膜明導電膜玻玻璃璃RLVT （4060V）信號板信號板（3 3）碲化鋅鎘靶）碲化鋅鎘靶攝攝像管像管 碲化鋅錫靶碲化鋅錫靶攝攝像管的靈敏度很高，可在星光下獲像管的靈敏度很高，可在星光下獲得可用的圖象，多用于微光電視。得可用的圖象，多用于微光電視。Sb2S2ZnxCd1-xTeZnSe信號板信號板SnO2 ZnSe（N）無光電效應，增強短波）無光電效應，增強短波光吸收

48、，提供可見光靈敏度，與第二光吸收，提供可見光靈敏度，與第二層層ZnxCd1-xTe（P）形成異質(zhì)結。形成異質(zhì)結。 第三層第三層Sb2S2減小電子束注入減小電子束注入效應，減小暗電流和惰性效應，減小暗電流和惰性二）光電發(fā)射式攝像管二）光電發(fā)射式攝像管光電變換部分和光電變換部分和光信息存儲部分光信息存儲部分彼此分離，組成彼此分離，組成為為移象區(qū)移象區(qū)。Al2O3加速電壓加速電壓8kVALAL2 2O O3 3信號板（信號板（AlAl膜）膜）疏松的疏松的KCl（1 1）二次電子導電攝像管）二次電子導電攝像管(SEC) (SEC) 工作過程：光學圖像在光電陰極上產(chǎn)生相應光電子發(fā)射工作過程：光學圖像在光

49、電陰極上產(chǎn)生相應光電子發(fā)射加加速打到速打到SEC靶上產(chǎn)生二次電子發(fā)生靶上產(chǎn)生二次電子發(fā)生形成電勢分布形成電勢分布后面與后面與光電導輸出一樣光電導輸出一樣 SECSEC管的主要特性管的主要特性： 1)1)靈敏度靈敏度 SECSEC管整管的靈敏度與光電陰極的靈敏度、加管整管的靈敏度與光電陰極的靈敏度、加速電壓和靶有關，一般可達速電壓和靶有關，一般可達2000020000A Almlm。 2)2)分辨率分辨率 25mm 25mm管中心分辨事約為管中心分辨事約為600TvL600TvLH H 3)3)惰性惰性 三場后殘余信號小于三場后殘余信號小于5 5 4)4)存儲性能存儲性能 SECSEC靶的電阻率

50、大于靶的電阻率大于10101010cmcm-1-1，漏電極小，暗電流小，漏電極小，暗電流小于于0.10.1A A，因此信息電荷可在靶上長時間存儲而不泄漏。，因此信息電荷可在靶上長時間存儲而不泄漏。 （2 2）硅增強靶攝像管硅增強靶攝像管(SIT)(SIT) 用硅靶代替用硅靶代替SEC管管KCl靶即構成靶即構成硅增強靶攝像管硅增強靶攝像管(SIT) 靶增益為靶增益為SEC管管的的10倍以上，通過倍以上，通過改變移像區(qū)的施加改變移像區(qū)的施加電壓可改變靶的電電壓可改變靶的電子增益。子增益。移像區(qū)移像區(qū)電子槍電子槍光電陰極光電陰極靶靶 用光學纖維面板將像增強器與硅增強靶管耦合在一用光學纖維面板將像增強

51、器與硅增強靶管耦合在一起就組成了超高靈敏度的硅增強靶管，通常稱為起就組成了超高靈敏度的硅增強靶管，通常稱為ISIT管或管或IEBS管。管。（3）超高靈敏度的硅增強靶管（超高靈敏度的硅增強靶管（ISIT）硅靶硅靶光陰極光陰極光陰極光陰極2光陰極光陰極1陽極陽極1陽極陽極2補充：補充：典型光電成像系統(tǒng)設計典型光電成像系統(tǒng)設計1 CMOS成像系統(tǒng)成像系統(tǒng) 二維條形碼識別系統(tǒng)二維條形碼識別系統(tǒng)一維條形碼二維條形碼二維條形碼硬件設計硬件設計n圖像傳感器模塊圖像傳感器模塊n圖像存儲模塊圖像存儲模塊n程序存儲模塊程序存儲模塊n圖像傳輸模塊圖像傳輸模塊n電源電路設計電源電路設計硬件設計硬件設計 整體框圖整體框圖2 2 非致冷紅外熱像儀非致冷紅外熱像儀 紅外熱像儀是一種利用紅外探測器將看不見紅外熱像儀是一種利用紅外探測器將看不見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見圖像的被動成像儀器的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見圖像的被動成像儀器。紅外熱像儀直接測量物體表面溫度及溫度。紅外熱像儀直接測量物體表面溫度及溫度分布分布. 將物體的熱分布轉(zhuǎn)換為可視圖像，并將物體的熱分布轉(zhuǎn)換為可視圖像，并在監(jiān)視器上以灰度級或偽彩色顯示出來，從在監(jiān)視器上以灰度級或偽彩色顯示出來，從而得到被測目標的溫度分布場。而得到被測目標的溫度分布場。紅外焦平面陣列紅外焦平面陣列IR-FPA非致冷紅外