光電檢測技術(shù)(第五章光電成像檢測器件)

1、第六章：光電成像器件 光電成像器件包括非掃描成像器件與掃描成像器件。 近年來，利用光電成像器件構(gòu)成圖像傳感器進(jìn)行光學(xué)圖像處理與圖像測量已成為現(xiàn)代光學(xué)儀器，現(xiàn)代測控技術(shù)的重要發(fā)展方向。 它廣泛地應(yīng)用于遙感、遙測技術(shù)，圖形、圖像測量技術(shù)和監(jiān)控工程等。成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。光電成像器件一、發(fā)展1、1934年成功地研制出光電像管，應(yīng)用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。它的靈敏度相當(dāng)?shù)停_(dá)到現(xiàn)在圖像信噪比的要求，需要不低于10000lx的照度。這就使它的應(yīng)用范圍受到很大的限制。2、1947年超正析像管面世，使最低照度降至2000lx3、1954年靈敏度較高的視像管投入市場。成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，靈

2、敏度和分辨率都很高，但是在低照度情況嚴(yán)它具有相當(dāng)大的慣性，使其不能適用于高速運(yùn)動(dòng)圖像測量，不能取代超正析像管用于彩色廣播電視攝像機(jī)，而主要用于電視電影；工業(yè)電視等。光電成像器件4、1965年氧化鉛管成功地替代了超正析像管，廣泛地應(yīng)用于彩色電視攝像機(jī)。使彩色電視廣播攝像機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)飛躍，5、1976年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管和硅靶管。6、1970年，美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了電荷藕合器件原理，從此光電成像器件的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段-CCD固體攝像器件的發(fā)展階段。光電成像器件 CCD體積更小，靈敏度更高，應(yīng)用更靈活、更方便，它采用自掃描輸出方式，排除了電子槍掃描帶來的光電轉(zhuǎn)

3、換的非線性失真。CCDD攝像器件的橫截面積可達(dá)到幾平方毫米數(shù)量級(jí)，可將這樣的攝像頭送入入的胃、腸等器官內(nèi)攝取圖像信息，送入更小的管道、孔徑中去檢查故障。隱蔽起來對某一現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)視、監(jiān)控。CCD攝像器件的響應(yīng)速度更高，驅(qū)動(dòng)方式更靈活，可用CCD攝像器件獲取更快變化的圖像。這在高速圖像處理領(lǐng)域是非常重要的。CCD攝像器件只需要很低電壓很小的功耗，這為便攜式攝錄像機(jī)的發(fā)展提供了條件。光電成像器件二、類型1、掃描型（又稱攝像器件） 通過電子束掃描或自掃描方式將被攝景物通過光學(xué)系統(tǒng)成像在器件光敏面上的二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S時(shí)序電信號(hào)輸出出來。這種運(yùn)載圖像信息的一維時(shí)序信號(hào)成為視頻信號(hào)。 真空電子束掃描型 光

4、電型：光電導(dǎo)式和光電發(fā)射式 熱電型：熱釋電攝像管 固體自掃描型：電荷耦合攝像器件光電成像器件2、掃描型（又稱像管） 變像管：完成光學(xué)圖像光譜變換 紅外變像管 紫外變像管 X射線變像管 像增強(qiáng)管：圖像強(qiáng)度的變換 串聯(lián)式像增強(qiáng)管 級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)管 微通道板式像增強(qiáng)管 負(fù)電子親和勢陰極攝像管光電成像器件二、光電成像器件的類型二、光電成像器件的類型光電成像器件（成像原理）掃描型非掃描型真空電子束掃描固體自掃描：CCD光電型熱電型：熱釋電攝像管光電發(fā)射式攝像管光電導(dǎo)式攝像管變像管（完成圖像光譜變換）紅外變像管紫外變像管X射線變像管像增強(qiáng)管（圖像強(qiáng)度的變換）串聯(lián)式級(jí)聯(lián)式微通道板式負(fù)電子親和勢陰極常由像敏面，

5、電子透鏡顯像面構(gòu)成三、光電成像器件的基本特征1、光譜響應(yīng) 光電成像器件的光譜響應(yīng)取決于光電轉(zhuǎn)換材料的光譜響應(yīng)，其短波限有時(shí)受窗口材料吸收特性影響。 外光電效應(yīng)攝像管由光陰極材料決定； 內(nèi)光電效應(yīng)的視像管由靶材料決定，CCD攝像器件由硅材料決定； 熱釋電攝像管基于材料的熱釋電效應(yīng)，它的光譜響應(yīng)特性近似直線。光電成像器件相對靈敏度波長1231多堿氧化物光陰極像管，屬于外光電效應(yīng)攝像管，光譜響應(yīng)由光陰極材料決定；2氧化鉛攝像管，屬于內(nèi)光電效應(yīng)的攝像管，光譜響應(yīng)由靶材料決定；3CCD攝像器件，光譜響應(yīng)由硅材料決定；另熱釋電攝像管基于材料的熱釋電效應(yīng)，光譜響應(yīng)特性近似直線。2、轉(zhuǎn)換特性（輸出物理量/輸入

6、物理量）輸入量：輻射量單位、光度量單位輸出量：光度量單位參量：靈敏度(或響應(yīng)度)、轉(zhuǎn)換系數(shù)、亮度增益等。變像管：轉(zhuǎn)換系數(shù)像增強(qiáng)管：亮度增益攝像器件：靈敏度 輸出量是電壓或電流 輸入量是輻射量和光度量光電成像器件變像管：轉(zhuǎn)換系數(shù)C表示evC光通量輻通量像增強(qiáng)管：亮度轉(zhuǎn)換增益GL來表示vvLEMG vvLMvvLELG(lm/W)光出射度光照度無量綱亮度（cd/lm）攝像器件：靈敏度S表示eEIS eISvEIS vIS電視系統(tǒng)：光電導(dǎo)材料的值來表示vEAIlnlnln視像管的信號(hào)電流常數(shù)視像管靶面照度1，弱光信號(hào)被提高灰度系數(shù)3、分辨率能夠分辨圖像中明暗細(xì)節(jié)的能力兩種方式來描述： 極限分辨率：像

7、管：每毫米線對數(shù) 攝像管：水平分辨率 垂直分辨率 調(diào)制傳遞函數(shù)： 輸出調(diào)制度/輸入調(diào)制度光電成像器件3、分辨率（表示能夠分辯圖像中明暗細(xì)節(jié)的能力）極限分辨率（主觀）：人眼觀察分辯專門測試卡成像在靶面上且在熒光屏上顯示出的最細(xì)線條數(shù)。調(diào)制傳遞函數(shù)（客觀）：簡稱MTF，輸出調(diào)制度與輸入調(diào)制度之比。iMMfT0)(MTF隨頻率增加而衰減，一般將MTF值為10所對應(yīng)的線數(shù)定為攝像管的極限分辨率。第二節(jié)：光電成像原理與電視攝像制式一、成像原理 光電成像系統(tǒng)由光學(xué)像系統(tǒng)、光電變換系統(tǒng)、圖像分割、同步掃描和控制系統(tǒng)、視頻信號(hào)處理系統(tǒng)、熒光屏顯示系統(tǒng)等構(gòu)成。光電成像器件同步掃描視頻信號(hào)景物光學(xué)成像光電變換圖像

8、分割傳送同步掃描視頻解調(diào)圖像再現(xiàn)攝像部分顯像部分光電成像系統(tǒng)原理方框圖 在外界照明光照射下或自身發(fā)光的景物經(jīng)成像物鏡成像到光電成像器件的像敏面上形成二維光學(xué)圖像。光電成像器件完成將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成二維“電氣”圖像的工作。這里的二維電氣圖像由所用的光電成像器件決定，超正析像管為電子圖像，視像管為電阻圖像或電勢圖像，面陣CCD為電荷圖像等。電氣圖像的電氣量在二維空間的分布與光學(xué)圖像的光強(qiáng)分布保持著線性對應(yīng)關(guān)系。組成一幅圖像的最小單元稱作像素，像素單元的大小或一幅圖像所含像素?cái)?shù)決定了圖像的清晰度。像素?cái)?shù)愈多，或像素幾何尺寸愈小，反映圖像的細(xì)節(jié)愈強(qiáng)，圖份愈清晰，圖像質(zhì)量愈高。這就是圖像的分割。光電成

9、像器件1、圖像的分割與掃描 圖像分割的目的是分割后的電氣圖像經(jīng)過掃描才能輸出一維時(shí)序信號(hào)。 分割的方法：超正析像管利用掃描光電陰極分割像素、攝像管由電阻海顆粒分割、面陣CCD和CMOS圖像傳感器用光敏單元分割。 掃描的方式：與圖像傳感器的性質(zhì)有關(guān)。真空攝像管采用電子束掃描方式輸出一維時(shí)序信號(hào)。 具有自掃描功能的：面陣CCD采用轉(zhuǎn)移脈沖方式將電荷包順序轉(zhuǎn)移出器件；CMOS圖像傳感器采用順序開同行、列開關(guān)的方式完成信號(hào)輸出。光電成像器件 傳統(tǒng)的掃描方式是基于電子束攝像管的電子束按從左到右、從上到下的掃描方式為場掃描。2、電視圖像的掃描方式 逐行掃描、隔行掃描，通過兩種掃描方式將景物分解成一維視頻信

10、號(hào)，圖像顯示器將一維視頻信號(hào)合成為電視圖像，攝像機(jī)與圖像顯示器必須采用同一種掃描方式。光電成像器件二、電視制式1、電視圖像的寬高比：4：3或16：92、楨頻與場頻：電影畫面重復(fù)頻率不得低于每秒48次。電影采用每秒投影24幅畫面，兩副之間用遮光閥檔一次。電視場采用隔行掃描，奇數(shù)場/偶數(shù)場，兩場合為一楨。即場頻50Hz，楨頻25Hz。3、掃描行數(shù)與行楨：組成每楨圖像的行數(shù)和行頻。 確定掃描行數(shù)，實(shí)際就是確定電子束在水平方向上的掃描速度，因?yàn)樵趫鲱l一定時(shí)，行數(shù)越多，掃描速度就越快。光電成像器件 我國現(xiàn)行電視制式（PAL制式），每楨畫面625行，行頻為15625行，行頻為15625Hz。行正程52us

11、，行逆程12us。此外還有NTSC制式和SECAM制式。光電成像器件第三節(jié)：真空攝像管按光敏面光電材料的光電效應(yīng)分 外光電效應(yīng)：析像管、超正析像管、分流管、二次電子導(dǎo)電攝像管 內(nèi)光電效應(yīng)：硫化銻視像管、氧化鉛視像管光電成像器件一、氧化鉛視像管結(jié)構(gòu) 光電導(dǎo)靶 掃描電子槍 管體1、原理 當(dāng)攝像管有光學(xué)圖像輸入時(shí)，則入射光子光電成像器件打到靶上。由于本征層占有靶厚的絕大部分，入射光子大部分被本征層吸收，產(chǎn)生光生載流子。且在強(qiáng)電場的作用下，光生載流子一旦產(chǎn)生，便被內(nèi)電場拉開光電成像器件電子拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)。這樣，若假定把曝光前本征型層兩端加有強(qiáng)電場看作是電容的充電，則此刻由于光生載流子的漂移運(yùn)

12、動(dòng)的結(jié)果相當(dāng)于電容的放電。其結(jié)果，在一幀的時(shí)間內(nèi)，在靶面上便獲得了與輸入圖像光照分布相對應(yīng)的電位分布，完成了圖像變換和紀(jì)錄的過程。2、靶結(jié)構(gòu) 靶是視像管的光電轉(zhuǎn)換元件。它安置在入射窗的內(nèi)表面上，光學(xué)圖像直接投射在靶面上。光電成像器件氧化鉛光導(dǎo)靶是半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)靶。在入射窗的內(nèi)表面首先蒸上一層極薄的SnO2透明導(dǎo)電膜，再蒸涂氧化鉛本征型層，然后，氧化處理形成P型層。由于氧化鉛與二氧化錫兩者的接觸面在交界面處形成n型薄層。這樣就構(gòu)成了NIP型異質(zhì)結(jié)靶。其反偏電壓主要加在本征層。 二、其他視像管的靶結(jié)構(gòu)簡介 圖5-7為硅靶的結(jié)構(gòu)示意圖。左邊是光的入射面，右邊是電子束掃描面，靶的基體是N型單晶硅薄片。

13、其上有大量微小的P型島。由P型小島與N型基底之間構(gòu)成密集的光敏二極管(PN結(jié))陣列。并在P型島之間的N型硅表面覆蓋高絕緣的二氧化硅薄膜。另外在N型基底的外表面上形成一層極薄的N+層。在P型島的外表面上形成一層半導(dǎo)體(如硫化鎘)層稱為電阻海。靶的總厚度約為20us。 光電成像器件 硅靶的N+層為輸出信號(hào)電極。工作時(shí)，其上加515v靶壓。這樣，硅光電二極管處于反向偏置工作狀態(tài)。無光照時(shí)，反壓將一直保持。當(dāng)有光學(xué)圖像輸入時(shí)，N型硅將吸收光子產(chǎn)生電子空穴對。它們將在電場的作用作漂移運(yùn)動(dòng)?？昭ㄍㄟ^PN結(jié)移到P島?？昭ǖ钠圃谝粠闹芷趦?nèi)連續(xù)進(jìn)行，從而提高了P型島的電位。其電位升高的數(shù)值正比于該點(diǎn)的曝光量

14、。因此，靶面的P型島上形成了積累的電荷圖像。這時(shí)通過電子束掃描，即可得到視頻信號(hào)。光電成像器件三、攝像管的性能參數(shù)1、光電轉(zhuǎn)換特性光電成像器件曲線的斜率為管子的灰度系數(shù)。超正析像管在高光照時(shí)輸出信號(hào)電流飽和，曲線彎曲。2、光譜響應(yīng)光電成像器件3、時(shí)間響應(yīng)特性光電成像器件 在攝像管輸入光照度突然截止后，取其第三場或第十二場衰減的輸出信號(hào)電流占未截止光照時(shí)的輸出信號(hào)電流的百分比值為表示攝像管滯后特性的指標(biāo)。4、輸出信噪比光電成像器件輸出信噪比取決于光陰極的量子噪聲，靶噪聲，掃描電子束噪聲，二次電子倍增器以及前置放大器的噪聲等。5、動(dòng)態(tài)范圍光電成像器件 其取決于攝像管的暗電流飽和電流。暗電流所引起的

15、噪聲決定了攝像管的最低輸入照度，飽和電流決定了攝像管的最高入射照度。而最高入射照度與最低輸入照度的比值為改攝像管的動(dòng)態(tài)范圍。6、圖像傳遞特性光電成像器件 它用輸出信號(hào)電流的調(diào)制度來表示。其取決于：移像區(qū)的電子光學(xué)系統(tǒng)的像差；靶的電荷圖像像差以及掃描電子束的彌散滯后等因素。四、各種視像管主要性能比較第四節(jié)：電荷耦合器件（CCD） 用電荷量來表示不同狀態(tài)的動(dòng)態(tài)移位寄存器，由時(shí)鐘脈沖電壓來產(chǎn)生和控制半導(dǎo)體勢阱的變化。實(shí)現(xiàn)電荷存儲(chǔ)和傳遞電荷信息的固體電子器件。 電荷耦合器件由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S博伊爾和G.E史密斯于1969年發(fā)明。它由一組規(guī)則排列的金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容器陣列和輸入、輸出電路構(gòu)成

16、。傳統(tǒng)的固體電子器件，信息的存在和表達(dá)方式，通常是電壓或電流，而在CCD中，則是用電荷。因此CCD對信息的表達(dá)靈敏度較高。光電成像器件用途：固體成像、信息處理、大容量存儲(chǔ)如：遙感、傳真、攝像等CCD的基本功能：電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移本節(jié)要點(diǎn)：電荷怎樣產(chǎn)生的？ 如何存儲(chǔ)？ 如何轉(zhuǎn)移（體內(nèi)傳輸）？ 如何體外傳輸（檢測）？CCD是一種電荷耦合器件(Charge Coupled Device)CCD的突出特點(diǎn)：是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。光電成像器件（型層）（型層）電極電極CCD讀出移位寄存器的讀出移位寄存器的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)面顯微照片面顯微照片 CCD的分類：表面溝道CC

17、D（SCCD） 電荷包存貯在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面進(jìn)行轉(zhuǎn)移的器件。體溝道或埋溝道CCD（BCCD） 信號(hào)電荷包存儲(chǔ)在距離半導(dǎo)體表面一定深度的半導(dǎo)體體內(nèi)，并在體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移的器件。光電成像器件勢阱： 就是電子的勢能圖像類似一個(gè)波的形狀，那么當(dāng)電子處于波谷，就好像處在一個(gè)井里，比較穩(wěn)定，很難跑出來。所以稱為勢阱。不單單是量子力學(xué)里有個(gè)勢阱，任何形式的勢只要具有這種樣子，我們都可以稱它為勢阱，比如重力勢阱。量子力學(xué)與經(jīng)典物理在這里有一個(gè)小小的差別，就是量子力學(xué)里，電子具有某些概率穿過勢阱跑出來，稱之為隧道效應(yīng)。隧道電子顯微鏡就是利用這個(gè)原理。光電成像器件CCD的基本工作原理一、電荷的

18、存儲(chǔ)圖a：加正向偏壓之前，載流子密度均勻分布。圖b：加正向偏壓，但UGUth，體內(nèi)電子被吸引到界面上，形成一定密度的反型層，然后表面勢有一定程度的下降。光電成像器件圖5-15，表明表面勢（半導(dǎo)體與絕緣體交面上的電勢）與柵極電壓近似成線性關(guān)系-空勢阱的情況。光電成像器件 圖5-16，柵極電壓不變時(shí)，表面勢與反型層電荷關(guān)系曲線。與圖5-15不同，隨著電荷密度的增大，表面勢越低=勢阱越深=電壓越高。勢阱越深，電荷從高勢向低勢流動(dòng)。光電成像器件圖5-17：MOS電容信號(hào)電荷容量公式：光電成像器件二、電荷耦合-CCD內(nèi)部電荷的轉(zhuǎn)移1、光電成像器件2、三相CCD 通過將一定能夠規(guī)則變化的電壓加到CCD各電

19、極上去，電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體表面按一定方向移動(dòng)，通常把CCD電極分成幾組，并施加同樣的時(shí)鐘脈沖。如圖f為三相時(shí)鐘脈沖，此種CCD成為三相CCD3、CCD電極間隙必須很小，否則被電極間的勢壘所間隔。4、產(chǎn)生完全耦合條件的最大間隙一般由具體電極結(jié)構(gòu)，表面態(tài)密度等因素決定。間隙長度應(yīng)小于3um。5、以電子為信號(hào)電荷的CCD稱為N型溝道CCD，而以空穴為信號(hào)電荷的CCD稱為P型溝道CCD。光電成像器件三、電荷的注入和檢測1、電荷的注入 光注入和電注入2、電荷的檢測（輸出方式） 電流輸出、浮置擴(kuò)散放大器輸出、浮置柵放大器輸出。 電流輸出：光電成像器件P-Si輸入柵輸入二極管輸出二極管輸出柵SiO2

20、材料的量子效率入射光的光子流速率0ATqQeonIP光敏電壓的受光面積光注入時(shí)間U+U+勢壘P-Si背面照射式光注入IDuINuIDN+IG1232PID為源極，IG為柵極,而2為漏極，當(dāng)它工作在飽和區(qū)時(shí)，輸入柵下溝道電流為：22UUUCLWIIGINGs經(jīng)過Tc時(shí)間注入后，其信號(hào)電荷量為：cIGINGsTUUUCLWQ22IDIG213231N+P-Si電壓注入法與電流注入法類似，但輸入柵極IG加與2同位相的選通脈沖，在選通脈沖作用下，電荷被注入到第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵極2下的勢阱里，直到阱的電位與N+區(qū)的電位相等時(shí)，注入電荷才停止。往下一級(jí)轉(zhuǎn)移前，由于選通脈沖的終止，IG的勢壘把2N+的勢阱分開。電

21、荷注入量與時(shí)鐘脈沖頻率無關(guān)。2、電荷的檢測信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時(shí)鐘脈沖無任何電容耦合，而在輸出端需選擇適當(dāng)?shù)剌敵鲭娐芬詼p小時(shí)鐘脈沖容性的饋入輸出電路的程度。（1）電流輸出：如圖a。由反向偏置二極管收集信號(hào)電荷來控制A點(diǎn)電位的變化，直流偏置的輸出柵極OG用來使漏擴(kuò)散時(shí)鐘脈沖之間退耦，由于二極管反向偏置，形成一個(gè)深陷落信號(hào)電荷的勢阱，轉(zhuǎn)移到2電極下的電荷包越過輸出柵極，流入到深勢阱中。UDRDRgAOG12放大P-Si圖aN+OG12浮置擴(kuò)散T1（復(fù)位管）T2（放大管）RgUDD(2)浮置擴(kuò)散放大器輸出：如圖b.圖b復(fù)位管在2下的勢阱未形成前，在RG端加復(fù)位脈沖，使復(fù)位管導(dǎo)通，把浮置擴(kuò)散區(qū)剩余電

22、荷抽走，復(fù)位到UDD，而當(dāng)電荷到來時(shí)，復(fù)位管截止，由浮置擴(kuò)散區(qū)收集的信號(hào)電荷來控制放大管柵極電位變化。（3）浮置柵放大器輸出：如下圖。浮柵T2UDD1321323T2的柵極不是直接與信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當(dāng)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道時(shí)，在浮置柵上感應(yīng)出鏡像電荷，以此來控制T2的柵極電位。 01QtQ1(t)Q(0)/C5MHz1MHz影響電荷轉(zhuǎn)移效率的主要因素為界面態(tài)對電荷的俘獲。為此，常采用“胖零”工作模式，即讓“零信號(hào)”也有一定的電荷。(t)Q(0)/C=2V5V10V實(shí)測三相多晶硅N溝道SCCD的關(guān)系曲線10MHz的類型面陣面陣CCDCCD芯片芯片五、

23、電荷耦合攝像器件1、工作原理 電荷耦合攝像器件是用于攝像或像敏的器件。簡稱為ICCD。它的功能是把二維光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S時(shí)序的視頻信號(hào)輸出。 它有兩大類型：線型和面型。二者都需要用光學(xué)成像系統(tǒng)將景物圖像成在CCD的像敏面上。像敏面將照在每一像敏單元上的圖像照度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)載流子數(shù)密度信號(hào)存儲(chǔ)于像敏單元(MOS電容)中。然后，再轉(zhuǎn)移到CCD的移位寄存器(轉(zhuǎn)移電極下的勢阱)中，在驅(qū)動(dòng)脈沖作用下順序地移出器件，成為視頻信號(hào)。光電成像器件線型ICCD攝像器件：單溝道線型ICCD光電成像器件雙溝道線型ICCD光電成像器件面陣ICCD幀轉(zhuǎn)移面陣ICCD光電成像器件隔列轉(zhuǎn)移型面陣ICCD光電成像器件線

24、轉(zhuǎn)移型面陣ICCD 光電成像器件 （6）分辨力MTFMTF2856K白熾光源單色光源頻率頻率600nm700nm800nm1000nm 風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星可以對風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星可以對 地球上空的云層分布地球上空的云層分布 進(jìn)行逐行掃描進(jìn)行逐行掃描 三基色分離原理三基色分離原理 CCD CMOS圖像傳感器出現(xiàn)于1969年,它是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件，這種器件的結(jié)構(gòu)簡單、處理功能多、成品率高和價(jià)格低廉，有著廣泛的應(yīng)用前景。 本節(jié)將介紹CMOS成像器件的組成、像敏單元結(jié)構(gòu)、工作流程和輔助電路，從中了解CM

25、OS器件的結(jié)構(gòu)與工作原理。 CMOS成像器件的組成原理框圖如圖所示，它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列由光電二極管陣列構(gòu)成。 如圖中所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個(gè)像敏單元都有它在X，Y各方向上的地址，并可分別由兩個(gè)方向的地址譯碼器進(jìn)行選擇；輸出信號(hào)送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)輸出。 圖像信號(hào)的輸出過程可由圖像傳感器陣列原理圖更清楚地說明。在Y方向地址譯碼器（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏單元上的模擬開關(guān)（圖中標(biāo)志的Si,j），信號(hào)將通過行開關(guān)傳送到列線上，再通過X方向地址譯

26、碼器（可以采用移位寄存器）的控制，輸送到放大器。 如圖所示圖像信號(hào)經(jīng)Y方向地址譯碼器依次序接通每行像敏單元上的模擬開關(guān)Si,j，信號(hào)將通過行開關(guān)傳送到列線上，再通過X方向地址譯碼器的控制，輸送到放大器。由于信號(hào)經(jīng)行與列開關(guān)輸出，因此，可以實(shí)現(xiàn)逐行掃描或隔行掃描的輸出方式。也可以只輸出某一行或某一列的信號(hào)。使其按著與線陣CCD相類似的方式工作。 還可以選中所希望觀測的某些點(diǎn)的信號(hào)輸出，如圖中所示的第i行、第j列的信號(hào)。 在CMOS圖像傳感器的同一芯片中，還可以設(shè)置其他數(shù)字處理電路。例如，可以進(jìn)行自動(dòng)曝光處理、非均勻性補(bǔ)償、白平衡處理、校正、黑電平控制等處理。甚至于將具有運(yùn)算和可編程功能的DSP器

27、件制作在一起形成多種功能的器件。 像敏單元結(jié)構(gòu)指每個(gè)成像單元的電路結(jié)構(gòu)，是CMOS圖像傳感器的核心組件。像敏單元結(jié)構(gòu)有兩種類型，即被動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)和主動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)。 被動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)只包含光電二極管和地址選通開關(guān)兩部分，如圖所示。其中像敏單元的圖像信號(hào)的讀出時(shí)序如圖所示。 被動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是固定圖案噪聲（FPN）大、圖像信號(hào)的信噪比較低。主動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)是當(dāng)前得到實(shí)際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。它與被動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)的最主要區(qū)別是，在每個(gè)像敏單元都經(jīng)過放大后，才通過場效應(yīng)管模擬開關(guān)傳輸，所以固定圖案噪聲大為降低，圖像信號(hào)的信噪比顯著提高。主動(dòng)式像敏單元結(jié)構(gòu)的基本電路如圖所示。從圖可以看出，場效應(yīng)管V1構(gòu)

28、成光電二極管的負(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號(hào)線上，當(dāng)復(fù)位脈沖到來時(shí)，V1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時(shí)復(fù)位；而當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，V1截止，光電二極管開始積分光信號(hào)。V2為源極跟隨器，它將光電二極管的高阻抗輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大。V3用做選址模擬開關(guān)，當(dāng)選通脈沖到來時(shí)，V3導(dǎo)通，使被放大的光電信號(hào)輸送到列總線上。 實(shí)際的主動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)形式很多，其主要差別是所用的MOS場效應(yīng)管的數(shù)量或像素放大器的形式不同。 按照應(yīng)用MOS場效應(yīng)管數(shù)量的不同，有3管、4管、5管或更多管等形式。 CMOS圖像傳感器的功能很多，組成也很復(fù)雜。由像敏單元，行列開關(guān)，地址譯碼器，A/D轉(zhuǎn)換器等許多部分組成較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。應(yīng)使諸多的組成

29、部分按一定的程序工作，以便協(xié)調(diào)各組成部分的工作。為了實(shí)施工作流程，還要設(shè)置時(shí)序脈沖，利用它的時(shí)序關(guān)系去控制各部分的運(yùn)行次序；并用它的電平或前后沿去適應(yīng)各組成部分的電氣性能。 圖所示為上述過程的時(shí)序圖，其中，復(fù)位脈沖首先來到，V1導(dǎo)通，光電二極管復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，光電二極管進(jìn)行積分；積分結(jié)束時(shí)，V3管導(dǎo)通，信號(hào)輸出。 CMOS圖像傳感器的典型工作流程圖如圖8-20所示。 （1）初始化初始化時(shí)要確定器件的工作模式，如：輸出偏壓、放大器的增益、取景器是否開通，并設(shè)定積分時(shí)間。（2）幀讀出（YR）移位寄存器初始化利用同步脈沖SYNC-YR，可以使YR移位寄存器初始化。SYNC-YR為行啟動(dòng)脈沖序列

30、，不過在它的第一行啟動(dòng)脈沖到來之前，有一消隱期間，在此期間內(nèi)要發(fā)送一個(gè)幀啟動(dòng)脈沖。 （3）啟動(dòng)行讀出 SYNC-YR指令可以啟動(dòng)行讀出，從第一行（Y0）開始，直至YYmax止；Ymax等于行的像敏單元減去積分時(shí)間所占去的像敏單元。（4）啟動(dòng)X移位寄存器 利用同步信號(hào)SYNC-X，啟動(dòng)X移位寄存器開始讀數(shù)，從X0起，至XXmax止；X移位寄存器存一幅圖像信號(hào)。（5）信號(hào)采集 A/D轉(zhuǎn)換器對一幅圖像信號(hào)進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采集。（6）啟動(dòng)下行讀數(shù) 讀完一行后，發(fā)出指令，接著進(jìn)行下一行讀數(shù)。（7）復(fù)位 幀復(fù)位是用同步信號(hào)SYNC-YL控制的，從SYNC-YL開始至SYNC-YR出現(xiàn)的時(shí)間間隔便是曝光時(shí)間。

31、為了不引起混亂，在讀出信號(hào)之前應(yīng)當(dāng)確定曝光時(shí)間。（8）輸出放大器復(fù)位 用于消除前一個(gè)像敏單元信號(hào)的影響，由脈沖信號(hào)SIN控制對輸出放大器的復(fù)位。（9）信號(hào)采樣/保持 為適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的工作，設(shè)置采樣/保持脈沖，該脈沖由脈沖信號(hào)SHY控制。 圖為CMOS圖像傳感器時(shí)序脈沖波形圖，它的工作過程如下。 3個(gè)同步脈沖SYNC-YL，SYNC-YR和SYNC-X分別對器件中的3個(gè)移位寄存器進(jìn)行初始化。其中SYNC-YL、SYNC-YR為分時(shí)操作的，由L/R信號(hào)的高、低電平控制。這些同步信號(hào)都是低電平有效。 時(shí)鐘信號(hào)CLCK-Y用于啟動(dòng)下一行，該信號(hào)為下降沿有效。 時(shí)鐘信號(hào)SIN用于使輸出放大器復(fù)位，它

32、是高電平有效的，在讀數(shù)結(jié)束時(shí)起作用，將輸出放大器復(fù)位。 復(fù)位以后，信號(hào)存儲(chǔ)在輸出放大器中，而后，SIN又重新回到低電平。 利用第一個(gè)復(fù)位脈沖使像敏單元復(fù)位。 SYNC-X啟動(dòng)，讀出信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)分別控制每個(gè)像敏單元信號(hào)的讀出；讀出結(jié)束后，SHY重新回到高電平。 時(shí)鐘信號(hào)SHY控制信號(hào)的采樣與保持，此信號(hào)為低電平時(shí)對信號(hào)進(jìn)行采集。 若要進(jìn)行曝光控制，則需要在行信號(hào)讀出期間對像敏單元進(jìn)行復(fù)位，采用第二個(gè)復(fù)位脈沖，幀初始至第二個(gè)復(fù)位脈沖的時(shí)間間隔便是曝光時(shí)間（光積分時(shí)間）。 CMOS成像器件的重要優(yōu)點(diǎn)是，在同一芯片可以集成很多電路，使得這種器件的功能多，但結(jié)構(gòu)卻很簡單。 （1）偏置非均勻性校正電路

33、在CMOS成像器件中，各像敏單元的偏置電壓是不均勻的，可以在芯片中設(shè)置非均勻性校正電路進(jìn)行校正，這對于弱信號(hào)場合特別有意義。例如，具有對數(shù)輸出特性的器件，輸出的每一數(shù)量級(jí)的電壓僅為50mV左右，這與像敏單元的偏置非均勻在同一范圍內(nèi)，所以必須對其進(jìn)行校正；而對于線性度要求高的場合，也要求校正非均勻性。 圖8-22所示為采用硬件方法校正非均勻性的電路。 設(shè)置了EPROM，在其中存了CMOS圖像傳感器的偏壓非均勻性數(shù)據(jù)，它經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸送到差分放大器中。圖像傳感器的輸出信號(hào)減去EPROM中存儲(chǔ)的信號(hào)，便消除了像敏單元偏置信號(hào)非均勻的影響。 （2）隨機(jī)選址電路 在光學(xué)檢測、機(jī)器人等許多應(yīng)用中，都可

34、能只需要采集部分圖像數(shù)據(jù)，以節(jié)省時(shí)間和減少數(shù)據(jù)處理量，因而要求能夠?qū)D像進(jìn)行隨機(jī)采樣。例如，成像器件的像素為1 0241 024，而有用圖像僅僅是其中隨機(jī)分布的200200小區(qū)，若能隨機(jī)采樣出該小區(qū)圖像，則有效數(shù)據(jù)量就只有總數(shù)據(jù)量的1/25，而幀頻卻可提高至25倍?？梢姶朔椒ㄒ饬x重大。 隨機(jī)采樣方法的原理如圖所示。其中的微處理器用于控制隨機(jī)采樣，它內(nèi)部包含有存儲(chǔ)器，用于儲(chǔ)存成像器件的地址和輸出的圖像數(shù)據(jù)；設(shè)有3個(gè)加法器，其中兩個(gè)用于混合選址信號(hào)，一個(gè)用于啟動(dòng)A/D，用地址總線或微處理器來控制選址和讀出數(shù)據(jù)。 （3）相關(guān)雙采樣電路 KTC噪聲是一種頻率較低的噪聲，它在一個(gè)像敏單元信號(hào)的讀出過程中

35、變化很小。消除KTC噪聲的常用方法是相關(guān)雙采樣（CDS）。它的工作原理如圖所示，由于光電二極管的輸出信號(hào)中既包含光電信號(hào)，也包含有復(fù)位脈沖電壓信號(hào)，若在光電信號(hào)的積分開始t1時(shí)刻和積分結(jié)束t2時(shí)刻，分別對輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，并只提取二者的信號(hào)差)()(12tUtUU且在t1t2期間復(fù)位電壓不變，式 中不再包含復(fù)位電壓，即消除了復(fù)位引起的噪聲。 )(tU下面給出這種電路的頻率特性，以便清晰地表明CDS有抑制低頻信號(hào)的作用。U（t）被采樣和保持后，其差值信號(hào)為 )rect()()()(TtnTttUtU)t (Un12tt )sinc()2(2 jexp(1)2()(nnfTnffnffFfFUnU

36、fTcffTsin2 jexp1)(式中， 、T為采樣信號(hào)的周期。對U（t）進(jìn)行傅里葉（Fourier）變換，即得的頻譜為 式中，fn是奈奎斯特頻率。上式說明，幾項(xiàng)頻譜疊加的結(jié)果會(huì)造成頻譜混淆現(xiàn)象，需要用一個(gè)矩形濾波器將n=1以上的頻譜濾掉。這樣CDS的傳遞函數(shù)T（f）便為 T（f）的曲線如圖所示，可見CDS對低頻適用。在期間內(nèi)，復(fù)位信號(hào)基本上不變，可作為直流信號(hào)。因此，將被CDS消除掉。另外，對于其他低頻噪聲，如1/f噪聲，也有抑制作用。 （4）對數(shù)特性的電路 當(dāng)信號(hào)光強(qiáng)變化很大時(shí)，可以采用具有對數(shù)特性的電路，以便滿足動(dòng)態(tài)范圍的要求。但是這種結(jié)構(gòu)對器件參數(shù)的變化很敏感，會(huì)因各像敏單元的偏置電

37、流不同而增減固定圖案噪聲（EPN）。為了清除這種EPN，需要采用校正電路。 如圖所示為一種具有對數(shù)運(yùn)算功能的輸出電路，它除具有一般主動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)外，還增加有校正電流電路與選通開關(guān)電路。 CMOS圖像傳感器的特性參數(shù)與CCD的特性參數(shù)基本趨于一致；近年來，CMOS成像器件取得重大進(jìn)展，已接近于CCD。 1光譜性能與量子效率 CMOS成像器件的光譜性能和量子效率取決于它的像敏單元（光電二極管）。圖所示為CMOS圖像傳感器的光譜響應(yīng)特性曲線。光譜范圍為3501 100nm，峰值響應(yīng)波長在700nm附近，峰值波長響應(yīng)度已達(dá)到0.4A/W。 2填充因子 填充因子是光敏面積對全部像敏面積之比，它對器件的

38、靈敏度、噪聲、時(shí)間響應(yīng)、模傳遞函數(shù)MTF等的影響很大。 因?yàn)镃MOS圖像傳感器包含有驅(qū)動(dòng)、放大和處理電路，它將占據(jù)一定的表面面積，因而降低了器件的填充因子。被動(dòng)像元結(jié)構(gòu)的器件具有的附加電路少，填充因子會(huì)大些；大面積的圖像傳感器結(jié)構(gòu)，光敏面積所占比例大一些。提高填充因子使光敏面積占據(jù)更大的表面面積是充分利用半導(dǎo)體制造大光敏面圖像傳感器的關(guān)鍵。一般來說，提高填充因子的方法有以下兩種。 （1）采用微透鏡法 如圖所示，CMOS成像器件的上方安裝一層矩形的面陣微透鏡，它將入射到像敏單元的光線會(huì)聚到各個(gè)面積很小的光敏單元，使填充因子能提高到90%。 （2）采用特殊的像元結(jié)構(gòu) 圖所示為一種填充因子較高的CM

39、OS像敏單元結(jié)構(gòu)，它的表面為光電二極管和其他電路，二者是隔離的。在光電二極管的N+區(qū)下面增加了N區(qū)，用于接收擴(kuò)散的光電子；而在N+的下面設(shè)置P+靜電阻擋層，用于阻擋光電子進(jìn)入其他電路。 圖所示為像元兩個(gè)截面的電位分布圖。兩個(gè)截面電位分布的差別主要在A截面的P+區(qū)和B截面對應(yīng)的N區(qū)，前者的電位很低，將阻擋光電子進(jìn)入，而后者的電位很高，對光電子有吸引作用。 在種結(jié)構(gòu)的像元上，表層光電二極管、電路及其阻擋層均很薄，且透明，入射光透過后到達(dá)外延的光敏層，所產(chǎn)生的光電子幾乎可以全部擴(kuò)散到光電二極管中。盡管光電二極管表面積不大，但收集光的面積卻為整個(gè)像元的表面積，因此，等效填充因子接近100%。 3 輸出

40、特性與動(dòng)態(tài)范圍 CMOS器件有4種輸出模式：線性模式、雙斜率模式、對數(shù)特性模式和校正模式。它們的動(dòng)態(tài)范圍相差很大，特性也有較大的區(qū)別。圖所示為4種輸出模式的曲線。 （1）線性輸出模式 線性輸出模式的輸出與光強(qiáng)成正比，適用于要求進(jìn)行連續(xù)測量的場合。它的動(dòng)態(tài)范圍最小，而且在線性范圍的最高端信噪比最大。在小信號(hào)時(shí)，因噪聲的影響增大，信噪比很低。 （2）雙斜率輸出模式 雙斜率輸出模式是一種擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍的方法。它采用兩種曝光時(shí)間，當(dāng)信號(hào)很弱時(shí)采用長時(shí)間曝光，輸出信號(hào)曲線的斜率很大；而當(dāng)信號(hào)很強(qiáng)后，用短時(shí)間曝光，曲線斜率便會(huì)降低，從而擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。為了改善輸出的平滑性，采用多種曝光時(shí)間模式，使輸出曲線是由

41、多段直線擬合而成，會(huì)平滑得多。 （3）對數(shù)輸出模式 對數(shù)輸出模式的動(dòng)態(tài)范圍更大，可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，無需對相機(jī)的曝光時(shí)間進(jìn)行控制，也無需對鏡頭的光圈進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，在CMOS器件中，很容易設(shè)計(jì)出具有對數(shù)響應(yīng)的電路。另外，因?yàn)槿搜蹖獾捻憫?yīng)也接近對數(shù)關(guān)系，故，該模式具有良好的使用性能。 EkUe（4）校正模式 校正模式的輸出規(guī)律如下：式中，U為信號(hào)輸出電壓，E是輸入光強(qiáng)，k為常數(shù)，而為校正因子。為小于1的系數(shù)，顯然，它也使輸出信號(hào)的增長速度逐漸減緩。 4噪聲 CMOS圖像傳感器的噪聲來源于光電二極管、放大器用的場效應(yīng)管以及行、列選擇等開關(guān)場效應(yīng)管。這些噪聲既有相似之處也有很大差別。 5. 空間傳遞函

42、數(shù)bf21N 利用像素尺寸b和像素間隔S等參數(shù)，很容易推導(dǎo)出CMOS成像器件的理論空間傳遞函數(shù)，即 bffTsinc式中，f是空間頻率。T（f）=0的空間頻率稱為奈奎斯特（Nyquis）頻率fN。從上式中可求得 bf21N上式的曲線如圖所示。由于CMOS成像器件中存在空間噪聲和竄音，它實(shí)際的空間傳遞函數(shù)要降低些。 6CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的比較 這兩種器件都采用硅（Si）材料制造，它們的光譜響應(yīng)特性和量子效率等基本相同；二者的像敏單元尺寸和電荷的存儲(chǔ)容量也相近。但是，由于二者的結(jié)構(gòu)和工藝方法不同，二者的其他性能也有所差別。這兩種圖像傳感器的性能差別如表所示。 參 數(shù)CMOS成像器

43、件CCD1填充率接近100% 2暗電流（PA/M2）10100103噪聲電子數(shù)20504FPN（%）可在邏輯電路中校正15DRNU（%）101106工藝難度小大7光探測技術(shù) 可優(yōu)化8像元放大器有無9信號(hào)輸出行、列開關(guān)控制，可隨機(jī)采樣CCD為逐個(gè)像元輸出，只能按規(guī)定的程序輸出10ADC在同一芯片中可設(shè)置ADC只能在器件外部設(shè)置ADC11邏輯電路芯片內(nèi)可設(shè)置若干邏輯電路只能在器件外設(shè)置12接口電路芯片內(nèi)可以設(shè)有接口電路只能在器件外設(shè)置13驅(qū)動(dòng)電路同一芯片內(nèi)設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路只能在器件外設(shè)置，很復(fù)雜表 CMOS與CCD圖像傳感器的性能比較 上表說明，CMOS成像器件的功能多，工藝方法簡單，成像質(zhì)量也與CCD接近。因此，CMOS將獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用。 帶紅外帶紅外LED照明的照明的CMOS視頻攝像頭視頻攝像頭 第五節(jié)：變像管和像增強(qiáng)管變像管： 把各種不可見圖像（包括紅外圖像，紫外圖像及x射線圖像）轉(zhuǎn)換成可見圖像的器件稱為變像管。像增強(qiáng)管： 把強(qiáng)度低于視覺閾值的圖像增強(qiáng)到可以觀察程度的光電成像器件稱為像增強(qiáng)管。光電成像器件一、典型結(jié)構(gòu)與工作原理 在抽真空的玻璃外殼(現(xiàn)常用金屬外殼)內(nèi)的一個(gè)端面上涂以半透明的光電陰極，在另一端面的內(nèi)側(cè)涂以熒光粉，另外管中安置了如圖所示的陽極A。光電成像器件 目標(biāo)物所發(fā)出某波長范圍的幅射通過物鏡在半透明光電陰極上