d1光電圖傳應(yīng)用

1、光電圖像傳感與應(yīng)用 課程性質(zhì)：專業(yè)選修； 學(xué)時(shí)/學(xué)分：40/2.5； 先修課程：物理光學(xué)，光電技術(shù)原理等； 適用專業(yè)：光電信息工程 信科院光信教研室 熊少華教授 （88029996）教 材 王慶有等. 圖像傳感器應(yīng)用技術(shù). 電子工業(yè)出版社，2013.7 參 考 文 獻(xiàn)1 王慶有等. 光電技術(shù). 電子工業(yè)出版社，2013.2 安毓英，劉繼芳，李慶輝. 光電子技術(shù). 電子工業(yè)出 版社，2002.3 盧春書(shū). 光電探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用. 機(jī)械工業(yè)出版社， 1992.考 試 ：120分鐘題 型 構(gòu) 成：填空題30%，選擇題30%，簡(jiǎn)答題20%，計(jì)算題20%。成 績(jī) 構(gòu) 成：考試成績(jī)占80%，平時(shí)成績(jī)占20%

2、。 目 錄注：本課教材14章在光原講過(guò)自閱，未講內(nèi)容在此匯成一次課2學(xué)時(shí)Ch.1 光輻射與光電技術(shù)基礎(chǔ)（0學(xué)時(shí)） Ch.2 光源(1學(xué)時(shí)) Ch.3 熱成像技術(shù)（0學(xué)時(shí)）Ch.4 電荷耦合攝像器件的基本工作原理（1學(xué)時(shí)）Ch.5 典型線陣CCD圖像傳感器（4學(xué)時(shí)）Ch.6 典型面陣CCD圖像傳感器（4學(xué)時(shí)）Ch.7 CCD彩色攝像機(jī)概述（4學(xué)時(shí)）Ch.8 CMOS圖像傳感器（1學(xué)時(shí)）Ch.9 視頻圖像處理與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集（5學(xué)時(shí)）Ch.10 圖像傳感器的光學(xué)成像系統(tǒng)（前4節(jié)講過(guò)自閱，講后4節(jié)）（6學(xué)時(shí)）Ch.11 特種圖像傳感器（4學(xué)時(shí)）Ch.12 圖像傳感器的典型應(yīng)用實(shí)例（10學(xué)時(shí)）Ch.1

3、 光輻射與光電技術(shù)基礎(chǔ)（略聯(lián)系光電技術(shù)教材中相關(guān)內(nèi)容自閱。） （3）圖像傳感器（簡(jiǎn)稱圖/像傳）基本原理：光機(jī)掃描：機(jī)控光敏單元，周期、勻速平移掃描物面各條線感光、光電轉(zhuǎn)換。電子束掃描：像敏單元排列組合構(gòu)成靶面，正面一次性完成光電轉(zhuǎn)換獲電荷像，背面掃描讀取一維電流/壓像信號(hào)。固體自掃描：CCD、CMOS一次光電成像，光像轉(zhuǎn)成電荷圖像存儲(chǔ)，再通過(guò)電路控制順序讀出一維像電流/壓信號(hào)?！?】 Ch.2 光源（光電圖像傳感器的基本知識(shí)與概念) 2.1 圖像傳感器概念原理（1）圖像傳感器：能獲得物表光強(qiáng)/頻隨空間/時(shí)間變化的2維分布圖像，再分解轉(zhuǎn)變成逐行輸出的光強(qiáng)/頻一維空間/時(shí)間分布加同步，全電視信號(hào)的

4、系統(tǒng)。（2）圖像顯示器：反變換將一維空/時(shí)像全電視信號(hào)放大、同步處理，還原顯示2維彩靜/動(dòng)像的系統(tǒng)。（2）電子束掃描/像敏單元構(gòu)成靶面，正面成像轉(zhuǎn)換，背面掃描讀?。?）電子束掃描/像敏單元構(gòu)成靶面，正面成像轉(zhuǎn)換，背面掃描讀取 攝像(傳感結(jié)果分析)：模擬日（白）光，如大功率氙燈； 光電檢測(cè)：測(cè)量物像光強(qiáng)分布及參數(shù)時(shí)，用白熾燈、鹵鎢燈；測(cè)量物像光譜（頻）分布時(shí)，用激光（單色性、相干性、準(zhǔn)直精度高），但不得直接對(duì)準(zhǔn)光敏面。2.2 光源和照度的匹配（ P2342 ）2.2.1 光源（光強(qiáng)、光譜/頻）選配（1）需要模擬原始照明光源或要求的光源時(shí)的各種情況（2）必須采用與光敏器件峰值波長(zhǎng)相匹配的光（何為匹

5、配？）2.2.2 照度匹配（1）光敏面照度 光敏面曝光量解析）概念：給定CCD，輸出像電流決定于光組材料、照度和積分時(shí)間：O=KEVt=KQV K-光組透過(guò)率，QV-曝光能量）飽和曝光量Qsat：使畫(huà)面亮度失真的最大曝光量超過(guò)？ 光敏面照度匹配 EV Qsat/t （見(jiàn)教材P5-6表1-1）（2）光敏面照度與光源輻出度（輻出度經(jīng)有衰減光組后投射光敏面，即照度） 像敏面軸上、軸外照度E0、E關(guān)系：（當(dāng)物體反射頻譜特性曲線近于余弦信號(hào)特性的輻射體）E0、E（不能太大、太?。┓謩e為 E0（n/n）2 KLsin 2 U， E E0cos4， n、n 為像、物方介質(zhì)折射率，L為物體亮度，U為像方孔徑角

6、，為考慮點(diǎn)的視場(chǎng)偏角。 照度調(diào)整 ）若自然光照度使景太亮，調(diào)U獲適當(dāng)照度； ）無(wú)限遠(yuǎn)成像用的望遠(yuǎn)鏡，sin U D/2f（相對(duì)孔徑），軸上照度為 E02（KL/4）（D/f）2,調(diào)整 D/f（？）獲適當(dāng)照度； ）人工照射目標(biāo)時(shí)，調(diào)人工光源致改變、調(diào)整 L； ）亮暗差大的物面照度，用濾光補(bǔ)償法抑強(qiáng)。濾光片透過(guò)率（x,y）為各點(diǎn)位置函數(shù)，實(shí)測(cè)照度Em(x,y)（P42式2-16），因（x,y）可人工設(shè)計(jì)調(diào)整，故可調(diào)照度差。 Ch.3 典型熱成像儀（P4353）3.1點(diǎn)掃描讀出方式熱釋電熱像儀（光原已講過(guò)）（1）（PPT次頁(yè)圖）熱釋電靶光敏面陣一次性成電荷像、背面電子束逐點(diǎn)掃描pn結(jié)正偏電荷/流串出

7、。（2）震鏡/斬光器： 為什麼光學(xué)成像系統(tǒng)、熱釋電靶面之間要加震鏡/斬光器？ 3.2 熱釋電攝像管結(jié)構(gòu)（前頁(yè)圖，已講過(guò)）（1）為什麼成像物鏡用鍺玻璃材料？（教案P1-6）（2）電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤(pán)旋轉(zhuǎn)（震鏡、斬光器）（3）性能：圖像分辯率300TVL，不及可見(jiàn)光，夠用溫度分辨率0.06C；可用于醫(yī)療診斷，森林火警，小區(qū)監(jiān)視，工業(yè)熱像探測(cè)和空間探測(cè)等。（4）產(chǎn)品實(shí)例（已講過(guò)）（3）制冷式高靈敏度紅外熱像儀WP-95 液氮制冷低達(dá)77K ,熱釋電材料能檢測(cè)0.08溫差。 熱釋電材料（HgCdTe）, 掃讀一幀5S，不能直接實(shí)時(shí)顯示；只能存儲(chǔ)調(diào)看。 圖像分辨率為256256點(diǎn)，灰度分辨率8bits（282

8、56級(jí)）從0.3m探測(cè)，視窗范圍12，空間角分辯率0.0015。Ch.4 CCD圖像傳感器4.1-4.4電荷耦合、輸入/出模式：電荷傳輸機(jī)制有電注入、光電注入；傳輸方式有二、三、四相式。（1） 三相式 三相正脈沖魚(yú)貫而入，使三連排電極下遞次形成勢(shì)阱(圖4-5、4-8)，圖像電荷從左向右移動(dòng)傳遞。（2 ）二相、四相式 工作原理同三相式。 四相式適合很高工作頻率，如100MHz，時(shí)鐘波形近于正弦波。相鄰兩電荷包之間有雙重勢(shì)壘，表面勢(shì)分布呈臺(tái)階狀，轉(zhuǎn)移效率高（二、三相無(wú)此優(yōu)點(diǎn)），無(wú)過(guò)沖現(xiàn)象。但控制（時(shí)鐘）電路較復(fù)雜。4.5 CCD基本特性參數(shù)（光原多已講過(guò)）（1） 驅(qū)動(dòng)頻率 1）下限頻率 相鄰兩電極

9、間電荷傳輸時(shí)間t少子平均壽命i。對(duì)三相傳輸，用三段時(shí)間3t接續(xù)完成一周傳遞，T13t3i,則f下1/T11/3i。溫升熱激發(fā)少子增多，復(fù)合機(jī)會(huì)多，i降，須f下升。這里t由時(shí)鐘調(diào)整確定。 2）上限頻率 tg電荷移過(guò)相鄰兩電極的固有渡越時(shí)間，對(duì)三相傳輸，T23t3g，f上1/T21/3g（2）電荷轉(zhuǎn)移損失率f頻率關(guān)系 包電荷Q，一輪轉(zhuǎn)移后余Q無(wú)效存儲(chǔ)電荷。 Q / Q 100 關(guān)系如右圖P型不同襯底三相多晶硅N型表面溝道（SCCD）實(shí)測(cè)4.6 器件與特性4.6.1器件（略）；4.6.2光電轉(zhuǎn)換特性（P6871改錯(cuò)？）（1）光譜響應(yīng)：絕對(duì)響應(yīng)K（右圖，K非光組透過(guò)率）：輸出電流與入射光通量e,（光照

10、）之比（A/W）；光電響應(yīng)曲線（前圖4-5、8）：背光照（2）光電轉(zhuǎn)換特性 轉(zhuǎn)換效率高：光電轉(zhuǎn)換因子可達(dá)99.7（激發(fā)產(chǎn)生少子數(shù)/射入硅襯底光子數(shù)）。 線性轉(zhuǎn)換：光電轉(zhuǎn)換電荷Qintc（qA/h）e，（P68式4-13線性）4.6.3 CCD基本參數(shù)（1）動(dòng)態(tài)范圍1）強(qiáng)光拍攝性能：勢(shì)阱最大電荷容量Q決定最大射入光照。 埋/體溝道(BCCD)結(jié)構(gòu)勢(shì)阱淺，性能差，為表面溝道（SCCD）的1/4.5。QSCCD=COXUGA （P69式4-14）三自變量分別（2） 暗電流（ P70-4.6.4） MOS分布電容處于非飽和（非平衡）態(tài)，（非光）熱激發(fā)生成少子對(duì)它充電，形成暗電流，尤其是暗電流不均勻分布時(shí)，嚴(yán)重影響圖像清晰度，決定攝像器件質(zhì)量。（3）分辨率 水平像元越多，分辨率越高；彩色105503，黑白50005000。2）弱光拍攝性能、噪聲：低于噪聲的入射光不產(chǎn)生像。噪聲包括：光子、電流、胖零、俘獲、輸出、結(jié)構(gòu)不均衡等噪聲等。 *胖零噪聲（胖零類似于邏輯零，0.3V）： 勢(shì)阱二態(tài)，分別為有、無(wú)電荷。實(shí)際無(wú)電荷態(tài)Q（0）電荷，有剩余（增量）電荷胖零，增加它可減少電荷傳輸損失。但抬高了圖像背景亮度，即為