第6章-光電成像技術(shù)

1、第第6 章章 光電成像器件光電成像器件像管及其實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目像管及其實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目電荷耦合器件電荷耦合器件CCD 及其實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目及其實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 CMOS圖像傳感器及其實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目圖像傳感器及其實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目其他攝像器件及其實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目其他攝像器件及其實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目光電成像器件：利用光電效應(yīng)將可見或非可見的輻射圖像轉(zhuǎn)換或增強(qiáng)為可觀察、記錄、傳輸、存儲(chǔ)以及可進(jìn)行處理的圖像的器件系列的總稱。6.1 像管像管 【任務(wù)要求】通過對(duì)像管理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，掌握像管的基本工作原理和結(jié)構(gòu)，了解它的特性參數(shù)。6.1.1 像管的認(rèn)識(shí)像管的認(rèn)識(shí)像管包括變像管和像增強(qiáng)器。變像管是把非可見光，如紅外、紫外、X射線等圖像轉(zhuǎn)化成可見光圖像，如紅外變像管、紫外變像

2、管。像增強(qiáng)器，主要是指把微弱的可見光圖像增強(qiáng)亮度，變成人眼可以觀察到的圖像，也稱為微光管。6.1.2 像管的主要特性參數(shù)像管的主要特性參數(shù)1. 光譜響應(yīng)特性光譜響應(yīng)特性 像管的光譜響應(yīng)特性實(shí)際上就是第一光電陰極的光譜響應(yīng)特性，其光譜響應(yīng)曲線如圖6-4所示。2. 像管的增益特性像管的增益特性亮度增益與像管各參量的關(guān)系為在一定照度范圍內(nèi)，GL與透過率,陰極積分靈敏度R, 熒光屏的發(fā)光效率, 加速電壓U成正比，與電子光學(xué)系統(tǒng)的線倍率m2成反比。3. 像管的光傳遞特性像管的光傳遞特性像管的光傳遞特性是指輸出亮度隨入射照度的關(guān)系。4. 像管的背景特性像管的背景特性（1）暗背景（2）信號(hào)感生背景Lsb5.

3、 像管的傳像特性像管的傳像特性 6. 像管的時(shí)間響應(yīng)特性像管的時(shí)間響應(yīng)特性7. 空間分辨特性空間分辨特性6.2 像管的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目像管的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 【任務(wù)要求】通過不同的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)像管知識(shí)的理解。 2022-6-306.2.1 主動(dòng)紅外夜視儀的實(shí)訓(xùn)主動(dòng)紅外夜視儀的實(shí)訓(xùn)【實(shí)訓(xùn)目的】【實(shí)訓(xùn)目的】 1. 掌握紅外夜視儀的工作原理； 2. 對(duì)紅外夜視儀的應(yīng)用有一定的了解?！緦?shí)訓(xùn)器材】【實(shí)訓(xùn)器材】 多媒體教學(xué)系統(tǒng)，電子教案【實(shí)訓(xùn)內(nèi)容】【實(shí)訓(xùn)內(nèi)容】6.2.2 微光成像系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)微光成像系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)【實(shí)訓(xùn)目的】【實(shí)訓(xùn)目的】 1. 掌握微光成像系統(tǒng)的工作原理； 2. 對(duì)微光夜瞄鏡的應(yīng)用有一定的了解?！?/p>

4、實(shí)訓(xùn)器材】【實(shí)訓(xùn)器材】 多媒體教學(xué)系統(tǒng)，電子教案【實(shí)訓(xùn)內(nèi)容】【實(shí)訓(xùn)內(nèi)容】6.3 電荷耦合器件電荷耦合器件CCD 【任務(wù)要求】 通過對(duì)電荷耦合器件CCD理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，掌握電荷耦合器件CCD的基本知識(shí)，了解其特性參數(shù)。6.3.1 電荷耦合器件的認(rèn)識(shí)電荷耦合器件的認(rèn)識(shí) 1. CCD的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)在P型或N型硅單晶的襯底上生長一層厚度約為0.10.2m的SiO2層，為絕緣層，然后按一定次序沉積N個(gè)金屬電極作為柵極，柵極間的間隙約2.5m，電極的中心距離1520m，于是每個(gè)電極與其下方的SiO2和半導(dǎo)體間構(gòu)成了一個(gè)金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，即MOS結(jié)構(gòu)。2.CCD的工作原理的工作原理CCD工作過

5、程分為三部分：信號(hào)輸入、電荷轉(zhuǎn)移和信號(hào)輸出部分。1）信號(hào)輸入）信號(hào)輸入 輸入部分的作用是將信號(hào)電荷引入到CCD的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢阱中。引入的方式有兩種：光注入和電注入。2）電荷轉(zhuǎn)移）電荷轉(zhuǎn)移3）信號(hào)輸出）信號(hào)輸出 Qs = Iddt 3. 電荷耦合器件的分類電荷耦合器件的分類（1）線陣CCD線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對(duì)應(yīng)的構(gòu)成一個(gè)主體，在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵。（2）面陣CCD面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。4. CCD的應(yīng)用實(shí)例的應(yīng)用實(shí)例(1) 利用CCD測量幾何量；(2) 用于傳真技術(shù)，文字、圖象識(shí)別；(3) 自動(dòng)流水線裝置，機(jī)床

6、、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)監(jiān)視裝置、指紋機(jī)；(4) CCD固態(tài)圖像傳感器作為攝像機(jī)或像敏器件，取代攝像裝置的光學(xué)掃描系統(tǒng)（電子束掃描）；(5) 作為機(jī)器人視覺系統(tǒng)；(6) M2A攝影膠囊（Mouth anus）。6.3.2 電荷耦合器件的特性參數(shù)電荷耦合器件的特性參數(shù)1. 電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移效率是表征CCD器件性能好壞的一個(gè)重要參數(shù)。設(shè)原有的信號(hào)電荷為Q0，轉(zhuǎn)移到下一個(gè)電極下的信號(hào)電荷Q1，2022-6-30%01QQ=2. 暗電流暗電流CCD圖像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號(hào)稱為暗電流。3. CCD的噪聲源的噪聲源CCD的噪聲源可歸納為三類：散粒噪聲

7、、轉(zhuǎn)移噪聲及熱噪聲。4. 分辨能力分辨能力分辨能力是指圖像傳感器分辨圖像細(xì)節(jié)的能力，它是圖像傳感器的重要參數(shù)。2022-6-305. 動(dòng)態(tài)范圍與線性度動(dòng)態(tài)范圍與線性度 （1） 動(dòng)態(tài)范圍CCD圖像器件動(dòng)態(tài)范圍的上限為光敏單元滿阱信號(hào)容量；CCD圖像器件動(dòng)態(tài)范圍的下限為圖像器件能分辨的最小信號(hào)，即等效噪聲信號(hào)。（2）線性度線性度是指照射光強(qiáng)與產(chǎn)生的信號(hào)電荷之間的線性程度。CCD在用作光探測器時(shí)，線性度是一個(gè)很重要的性能指標(biāo)。6. 均勻性均勻性均勻性是指CCD各感光單元對(duì)光強(qiáng)度響應(yīng)的一致性。2022-6-306.4 電荷耦合器件實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目電荷耦合器件實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 【任務(wù)要求】通過不同的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，進(jìn)一步加強(qiáng)

8、學(xué)生對(duì)CCD傳感器的認(rèn)知，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。2022-6-306.4.1 實(shí)訓(xùn)一實(shí)訓(xùn)一 CCD應(yīng)用實(shí)例 【實(shí)訓(xùn)目的實(shí)訓(xùn)目的】 1.熟悉CCD檢測技術(shù)的應(yīng)用場合； 2.掌握CCD檢測系統(tǒng)組合及測試系統(tǒng)原理。 【實(shí)訓(xùn)器材實(shí)訓(xùn)器材】 電子教案，多媒體教學(xué)系統(tǒng) 【實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及步驟實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及步驟】2022-6-306.5 CMOS圖像傳感器圖像傳感器 【任務(wù)要求】通過對(duì)CMOS圖像傳感器理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，掌握CMOS圖像傳感器的基本知識(shí)，熟悉其特性參數(shù)。6.5.1 CMOS圖像傳感器的認(rèn)識(shí)圖像傳感器的認(rèn)識(shí) CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），即“互補(bǔ)

9、金屬氧化物半導(dǎo)體”，是電壓控制的一種放大器件，是組成CMOS數(shù)字集成電路的基本單元。1. CMOS成像器件的結(jié)構(gòu)原理成像器件的結(jié)構(gòu)原理 CMOS成像器件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。像敏單元陣列實(shí)際上是光電二極管陣列，它也有線陣和面陣之分。6.5.2 CMOS圖像傳感器的性能參數(shù)圖像傳感器的性能參數(shù)CMOS圖像傳感器的性能參數(shù)和CCD圖像傳感器的性能參數(shù)相似，主要是光譜響應(yīng)特性、量子效率、填充因子、輸出特性和動(dòng)態(tài)范圍，噪聲、空間傳遞函數(shù)，ISO感光度等。其中隨著輸出模式不同，有四種動(dòng)態(tài)范圍。2022-6-302022-6-306.5.3

10、CCD和和CMOS傳感器的比較傳感器的比較性能指標(biāo)CMOSCCDISO低高分辨率低高噪點(diǎn)高低暗電流10-10010電子大略小動(dòng)態(tài)范圍略小大響應(yīng)均勻性較差好讀出速度100010偏置、功耗小大工藝難度小大信號(hào)輸出方式X-Y 順序逐個(gè)像元輸出集成度高低應(yīng)用范圍低端，民用高端，軍用，科學(xué)研究性價(jià)比高略低6.6 其他攝像器件其他攝像器件 【任務(wù)要求】通過對(duì)有關(guān)攝像器件理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，了解其他攝像器件的工作原理和種類。2022-6-306.6.1 電真空攝像管電真空攝像管1. 認(rèn)識(shí)攝像管認(rèn)識(shí)攝像管攝像管是將按空間光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像記錄并轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)（電信號(hào)）的一種器件。電攝像管的的分類可分為按光電變換形

11、式和是否帶移像部分分。其中按光電變換形式可分為內(nèi)光電變換型(光電導(dǎo)型、PN結(jié)型)和外光電變換型(光電發(fā)射型)；按是否帶移像部分又可分為沒有移像部分和有移像部分。2022-6-302022-6-302. 電真空攝像管的結(jié)構(gòu)和工作原理電真空攝像管的結(jié)構(gòu)和工作原理 攝像管利用電子槍發(fā)射出來的電子束依次掃描靶面各像素，將靶面的電荷（或電勢）圖像有序地轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)輸出。3. 攝像管的性能參數(shù)攝像管的性能參數(shù)（1）靈敏度攝像管輸出的信號(hào)電流與入射在光敏面上的光通量（或照度）之比。（2）光電轉(zhuǎn)換特性 輸出信號(hào)與產(chǎn)生該信號(hào)的光敏面上的輻射照度的函數(shù)關(guān)系。（3）分辨率表征了攝像管的分辨本領(lǐng)，是描述一切成像器件

12、空間特性的重要指標(biāo)。其可分為垂直分辨率和水平分辨率。(4) 灰度按照一定標(biāo)準(zhǔn)劃分的亮度等級(jí)。(5) 輸出信噪比輸出信號(hào)電壓對(duì)于噪聲電壓的比值。(6) 動(dòng)態(tài)范圍攝像管的動(dòng)態(tài)范圍取決于暗電流和其飽和電流。6.6.2 紅外焦平面陣列器件紅外焦平面陣列器件1. 認(rèn)識(shí)紅外焦平面陣列器件認(rèn)識(shí)紅外焦平面陣列器件紅外焦平面陣列是獲取景物紅外輻射信息的重要光電器件，是紅外系統(tǒng)及熱成像器件的關(guān)鍵部件，是置于紅外光學(xué)系統(tǒng)焦平面上，可使整個(gè)視場內(nèi)景物的每一個(gè)像元與一個(gè)敏感元相對(duì)應(yīng)的多元平面陣列紅外探測器件。2022-6-30紅外焦平面陣列分類按以下五種形式： (1) 根據(jù)制冷方式劃分 (2) 依照光輻射與物質(zhì)相互作用

13、原理劃分 (3) 按照結(jié)構(gòu)形式劃分 (4) 按成像方式劃分 (5) 根據(jù)波長劃分2. 紅外焦平面陣列器件的特性參數(shù)紅外焦平面陣列器件的特性參數(shù)(1) 暗電流：指紅外焦平面陣列器件在反偏壓條件下,沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流。它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流。(2）讀出電路噪聲：主要包括讀出電路中所有器件的固定圖形噪聲、1/f噪聲，KTC噪聲。 (3) 響應(yīng)非均勻性：指的是紅外焦平面陣列(IRFPA)在外界同一均勻輻射場輸入時(shí)各單元之間響應(yīng)輸出的不一致性。6.7 其他攝像器件的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目其他攝像器件的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目【任務(wù)要求】通過不同的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)其他攝像器件的認(rèn)知，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。6.7.1 實(shí)訓(xùn)一實(shí)訓(xùn)一 紅外焦平面陣列的應(yīng)用紅外焦平面陣列的應(yīng)用 紅外熱像儀紅外熱像儀【實(shí)訓(xùn)目的實(shí)訓(xùn)目的】 1. 熟悉紅外熱像儀的基本結(jié)構(gòu)和工作原理； 2. 熟悉紅外熱像儀的應(yīng)用。 【實(shí)訓(xùn)器材實(shí)訓(xùn)器材】 多媒體教學(xué)系統(tǒng)，電子教案【實(shí)訓(xùn)內(nèi)容實(shí)訓(xùn)內(nèi)容】紅外熱像儀是利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對(duì)應(yīng)。紅外熱像儀主要由紅外鏡頭，焦平面探測器，后續(xù)電路和儀器中的圖像軟件構(gòu)成。本章習(xí)題1.根據(jù)像管的基本