光電成像與51522課件

1、第五章 光電成像與成像系統(tǒng) 楊曉占光電信息學院1. 光電成像系統(tǒng)概述; 2. 圖像探測器簡介; 3. 點擴展函數(shù)及基于點擴展函數(shù)的性能指標； 4. 光學傳遞函數(shù)； 5. 調(diào)制與調(diào)制傳遞函數(shù)；6. 光學系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)； 7.光電成像系統(tǒng)簡介；8. 非掃描光電成像系統(tǒng)性能的進一步描述；9. 掃描光電成像系統(tǒng)性能的進一步描述 5.1 光電成像系統(tǒng)概述一、光電成像器件的發(fā)展1934年，光電像管（Iconoscope），應用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。靈敏度非常低，需要10000lx的照度，達到圖像信噪比的要求；1947年，超正析像管（Image Orthicon），照度降低到2000lx；1954年，

2、視像管，靈敏度分辨率高，成本低，體積小，慣性大，不適用于高速運動圖像測量，不能取代超正析像管用于彩色廣播電視攝像機；1965年，氧化鉛管（Plumbicon），成功取代超正析像管，慣性小，廣泛應用于彩色電視攝像機，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，靈敏度分辨率都很高。1976年，硒靶管硅靶管，靈敏度進一步提高且成本更低；1970年后，CCD的出現(xiàn)使光電成像器件進入新的階段。體積更小，靈敏度更高，應用更靈活、更方便。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

3、管（圖像強度的變換）串聯(lián)式級聯(lián)式微通道板式負電子親和勢陰極常由像敏面，電子透鏡顯像面構(gòu)成光電導式攝像管三、光電成像系統(tǒng)要研究的問題光電成像涉及到一系列復雜信號的傳遞過程，有四個方面問題需要研究能量方面物體、光學系統(tǒng)和接收器的光度學和輻射度學性質(zhì)，解決能否探測到目標的問題。成像方面能分辨的光信號在空間和時間方面的細致程度，對多光譜成像還包括它的光譜分辨率。噪聲方面決定接收到的信號不穩(wěn)定的程度或可靠性。信息傳遞速率方面成像特性、噪聲信息傳遞問題，決定能被傳遞的信息量大小。光電成像系統(tǒng)基本組成景物同步掃描視頻信號光學成像光電變換圖像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

4、圖5.2 圖像探測器簡介特點：能夠輸出可視圖像信息真空成像器件固體成像器件光電成像器件像增強管光電導型攝像管光電發(fā)射型攝像管變像管像管直視型光電成像器件攝像型光電成像器件熱釋電型攝像管CMOS圖像傳感器電耦合器件（CCD）紅外焦面陣列器件（IRFPA）攝像管1. 真空成像器件像管結(jié)構(gòu)原理示意圖常見像管-變像管紅外變像管紅外變像管的應用紫外變像管選通式變像管常見像增強管級聯(lián)式像增強管微通道板像增強管第三代像增強器第二代微通道結(jié)構(gòu)配以負電子親和勢光電陰極，就構(gòu)成了第三代像增強器。X射線像增強器實質(zhì)：變像管作用：將不可見的X射線轉(zhuǎn)換成可見光圖像，并使圖像亮度增強攝 像 管作用：把按空間光強分布的光學

5、圖像記錄并轉(zhuǎn)換成視頻信號的成像裝置。分類（按光電轉(zhuǎn)換形式）光電發(fā)射型攝像管：利用外光電效應進行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，又稱攝像管。光電導型攝像管：利用內(nèi)光電效應進行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，又稱視像管。攝像管結(jié)構(gòu)原理圖視像管結(jié)構(gòu)原理圖攝像管的結(jié)構(gòu)和工作原理基本功能：光電轉(zhuǎn)換，光電信息的積累、儲存和掃描輸出。2. 固 體 成 像 器 件電荷耦合器件 (CCD，charge coupled device)、互補金屬氧化物半導體圖像傳感器CMOS、電荷注入器件（CID，charge injection device）和IRFPA都利用了自掃描技術(shù)，能完成光學圖像的轉(zhuǎn)換、信息的存儲和掃描輸出。 CCD圖像傳感器被廣

6、泛應用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。電荷耦合器件（CCD）特點）以電荷作為信號CCD的基本功能電荷存儲和電荷轉(zhuǎn)移優(yōu)點：集成度高、功耗小、分辨力高、動態(tài)范圍大等。CCD工作過程信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測的過程?；窘Y(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝槽結(jié)構(gòu)、信號輸入結(jié)構(gòu)、信號輸出結(jié)構(gòu)、信號檢測結(jié)構(gòu)。構(gòu)成CCD的基本單元：CMOS電容CCD類型：表面溝道CCD（SCCD）：電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏敚惑w溝道CCD（BCCD）：電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(nèi)沿一定方向傳輸。MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD光

7、敏元顯微照片CCD讀出移位寄存器的數(shù)據(jù)面顯微照片 彩色CCD顯微照片（放大7000倍）CCD的基本工作原理組成：光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路。 CCD工作時，在設定的積分時間內(nèi)，光敏元對光信號進行取樣，將光的強弱轉(zhuǎn)換為各光敏元的電荷量。取樣結(jié)束后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號驅(qū)動下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位寄存器相應單元中。移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號可接到示波器、圖象顯示器或其他信號存儲、處理設備中，可對信號再現(xiàn)或進行存儲處理。構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬氧化物半導體）結(jié)構(gòu)。當柵極G施加正偏壓UG之前（UG=0），P型半導體中的空

8、穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的；當柵極電壓加正向偏壓（UGUth時，半導體與絕緣體界面上的電勢（表面勢S）變得如此之高，以至于將半導體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）吸引到表面，形成電荷濃度極高的極薄反型層，反型層電荷的存在說明了MOS結(jié)構(gòu)具有存儲電荷的功能。一、電荷存儲柵電極G氧化層P型半導體耗盡區(qū)反型層uGuthuG1/3。（2）上限：當工作頻率升高時，若電荷本身從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所需的時間大于驅(qū)動脈沖使其轉(zhuǎn)移地時間T/3,那么信號電荷跟不上驅(qū)動脈沖的變化，使轉(zhuǎn)移效率大大降低。故tT/3，即f 1/3t。(t)驅(qū)動脈沖頻率fQ(0)/C=2V5V10V驅(qū)動脈沖頻率f實測三相多晶硅N溝道SC

9、CD的關(guān)系曲線10MHz五、電荷耦合攝像器件（ICCD）1、工作原理利用光學成像系統(tǒng)將景物圖像成在CCD地像敏面上。像敏面將照在每一像敏面的圖像照度信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)載流子數(shù)密度信號存儲于像敏單元（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)動脈沖的作用下順序地移出器件，成為視頻信號。2、類型（1）線型CCD攝像器件單溝道線型ICCD雙溝道線型ICCD（2）面陣ICCD幀轉(zhuǎn)移面陣ICCD隔列轉(zhuǎn)移型面陣ICCD線轉(zhuǎn)移型面陣ICCD線陣CCD外形 面陣CCD 面陣CCD能在x、y兩個方向都能實現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。 面陣CCD外形（續(xù)） 200萬和1600萬像

10、素的面陣CCD 面陣CCD外形（續(xù)） 面陣CCD外形（續(xù)） 3、ICCD的基本特性參數(shù)（1）光電轉(zhuǎn)換特性良好，光電轉(zhuǎn)換因子可達到99.7%。（2）光譜響應 ICCD常采用背面照射的受光方式，采用硅襯底的ICCD，其光譜響應范圍為0.41.1um，平均量子效率為25，絕對響應為0.10.2A*W-1。(3)動態(tài)范圍：由勢阱的最大電荷存儲量與噪聲電荷量之比決定。（4）噪聲：電荷注入噪聲；電荷量變化引起的噪聲（轉(zhuǎn)移噪聲）檢測時產(chǎn)生的噪聲（輸出噪聲）。（5）暗電流產(chǎn)生的主要原因：耗盡的硅襯底中電子自價帶至導帶的本征躍遷；少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴散；來自SiO2表面（硅中缺陷雜質(zhì)數(shù)目）引起的暗電流；Si

11、-SiO2界面表面的晶體缺陷玷污等；溫度，溫度越高，暗電流越大。（6）分辨力2856K白熾光源單色光源MTF頻率MTF頻率600nm700nm800nm1000nm 線陣CCD在掃描儀中的應用 六、CCD圖像傳感器的應用線陣CCD在圖像掃描中的應用 線陣CCD攝像機可用于彩色印刷中的套色工藝監(jiān)控 風云一號衛(wèi)星可以對 地球上空的云層分布 進行逐行掃描線陣CCD用于字符識別CCD數(shù)碼照相機 數(shù)碼相機簡稱DC，它采用CCD作為光電轉(zhuǎn)換器件，將被攝物體的圖像以數(shù)字形式記錄在存儲器中。數(shù)碼相機從外觀看，也有光學鏡頭、取景器、對焦系統(tǒng)、光圈、內(nèi)置電子閃光燈等，但比傳統(tǒng)相機多了液晶顯示器（LCD），內(nèi)部更有本質(zhì)的區(qū)別，其快門結(jié)構(gòu)也大不相同。 CCD用于圖像記錄數(shù)碼相機的外形三基色分離原理 CCD數(shù)碼照相機的結(jié)構(gòu)數(shù)碼相機的結(jié)構(gòu)解剖（索尼F828）CCDCCD數(shù)碼顯微鏡拍攝的金屬表面顯微照片CCD數(shù)碼攝像機 CMOS圖像傳感器是采用互補金屬-氧化物-半導體工藝制作的另一類圖像傳感器，簡稱CMOS?，F(xiàn)在市售的視頻攝像頭多使用CM