華中科技大學(xué)《光電探測(cè)》7.1光電成像器件

華中科技大學(xué)《光電探測(cè)》7.1光電成像器件第一頁，共36頁。光輻射探測(cè)器按所含探測(cè)單元的數(shù)目分類：?jiǎn)卧綔y(cè)器雙元探測(cè)器四元探測(cè)器線陣探測(cè)器面陣探測(cè)器多元探測(cè)器第二頁，共36頁。

7光電成像器件

完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電成像器件，也稱為：光電圖像傳感器、圖像傳感器、圖像探測(cè)器。

7.1光電成像器件概述第三頁，共36頁。光電成像器件的功能：將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成二維“電氣”圖像。第四頁，共36頁。7.1.1光電成像器件分類光電成像器件直視型掃描型按工作方式可分為：直視型和掃描型兩大類。像管：變像管像增強(qiáng)器真空攝像器件固體成像器件光電發(fā)射型攝像管光電導(dǎo)型攝像管熱釋電攝像管電荷耦合器件CCDCMOS圖像傳感器紅外焦平面陣列IRFPA第五頁，共36頁。直視型圖像傳感器將入射輻射圖像通過外光電轉(zhuǎn)化為電子圖像，再由電場(chǎng)或電磁場(chǎng)的加速與聚焦進(jìn)行能量的增強(qiáng)，并利用二次電子的發(fā)射作用進(jìn)行電子倍增，最后將增強(qiáng)的電子圖像激發(fā)熒光屏產(chǎn)生可見光圖像。主要用于圖像的轉(zhuǎn)換和增強(qiáng)。第六頁，共36頁。掃描型圖像傳感器件：通過電子束掃描或數(shù)字電路的自掃描方式將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成一維時(shí)序信號(hào)輸出。這種代表圖像信息的一維信號(hào)稱為視頻信號(hào)。視頻信號(hào)可通過信號(hào)放大和同步控制等處理后，通過相應(yīng)的顯示設(shè)備（如監(jiān)視器）還原成二維光學(xué)圖像信號(hào)。

固體圖像傳感器

第七頁，共36頁。掃描型圖像傳感器輸出的視頻信號(hào)可經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并在軟件的支持下完成圖像處理、存儲(chǔ)、傳輸、顯示及分析等功能。因此，掃描型圖像傳感器的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過直視型圖像傳感器的應(yīng)用范圍。主要討論CCD和CMOS圖像傳感器的基本原理和應(yīng)用。

第八頁，共36頁。1934年：成功地研制出光電攝像管。用于廣播電視攝像。靈敏度低，信噪比低，需要高于10000lx的照度才能獲得較為清晰的圖像，應(yīng)用受到限制。1947年：研制出超正析像管，靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。1954年：高靈敏視像管——廣播電視和工業(yè)電視基本具有了成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

7.1.2光電成像器件的發(fā)展歷史第九頁，共36頁。1965年：氧化鉛視像管發(fā)展了彩色電視攝像機(jī)，誕生了1英寸，1/2英寸，1/3英寸。氧化鉛視像管抗強(qiáng)光的能力低，余輝效應(yīng)影響了采樣速率。1969年：CMOS圖像傳感器：NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL1970年：電荷耦合器件（CCD）美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室，使圖像傳感器從真空電子束掃描方式發(fā)展成為固體自掃描輸出方式。1976年，硒靶管和硅靶管，靈敏度更高，成本更低的。第十頁，共36頁。具有固體器件的所有優(yōu)點(diǎn)，

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，即CCD/CMOS圖像傳感器的輸出信號(hào)能夠不失真地將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成視頻電視圖像。體積、重量、功耗和制造成本是電子束攝像管無法達(dá)到的。CCD/CMOS圖像傳感器的誕生和發(fā)展使人們進(jìn)入了更為廣泛應(yīng)用圖像傳感器的新時(shí)代。CCD/CMOS圖像傳感器的特點(diǎn)第十一頁，共36頁。目前，CCD/CMOS圖像傳感器已經(jīng)成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品,CCD/CMOS圖像傳感器及其應(yīng)用研究成為當(dāng)今高新技術(shù)的重要課題。主要應(yīng)用：

廣播電視、工業(yè)電視、醫(yī)用電視 軍用電視、微光與紅外電視技術(shù) 機(jī)器視覺 公安刑偵、 交通指揮、 安全監(jiān)控。

第十二頁，共36頁。7.2光電成像原理與電視制式

光電成像原理

——模擬光電成像系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：

攝像系統(tǒng)+圖像顯示系統(tǒng)攝像系統(tǒng)由光學(xué)成像系統(tǒng)（成像物鏡）、光電變換系統(tǒng)、同步掃描和圖像編碼等部分構(gòu)成，輸出全電視視頻信號(hào)。第十三頁，共36頁。1.攝像機(jī)的基本原理

景物經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在物鏡的像面(光電圖像傳感器的像面)上，形成二維空間光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像。第十四頁，共36頁。

攝像機(jī)的基本原理

光電圖像傳感器：將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成二維“電氣”

圖像

組成一幅圖像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，圖像的細(xì)節(jié)信息越豐富，圖像越清晰，圖像質(zhì)量越高。即將圖像分割得越細(xì)，圖像質(zhì)量越高。

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和高性能的光學(xué)鏡頭。

第十五頁，共36頁。2.圖像的分割

將一幅圖像分割成若干像素的方法有很多，超正析像管：利用電子束掃描光電陰極的方法分割像素；視像管：由電阻海顆粒分割；面陣CCD、CMOS圖像傳感器：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(shí)序信號(hào)，掃描的方式也與圖像傳感器的性質(zhì)有關(guān)。面陣CCD采用轉(zhuǎn)移脈沖方式將電荷包（像素信號(hào)）輸出一維時(shí)序信號(hào)；

CMOS圖像傳感器采用順序開通行、列開關(guān)的方式完成像素信號(hào)的一維輸出。第十六頁，共36頁。光電成像的基本原理

第十七頁，共36頁。

圖像的顯示：監(jiān)視器或電視接收機(jī)的顯像管：利用電磁場(chǎng)使電子束偏轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)行與場(chǎng)掃描，因此，對(duì)于行、場(chǎng)掃描的速度、周期等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定，以便顯像管顯示理想的圖像。

攝像掃描與顯示掃描必須匹配第十八頁，共36頁。3.掃描方式

（1）逐行掃描顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個(gè)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(chǎng)作用下同時(shí)進(jìn)行水平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn)，完成對(duì)顯像管熒光屏的掃描。

第十九頁，共36頁。（2）隔行掃描根據(jù)人眼對(duì)圖像分辨能力，掃描的水平行數(shù)至少應(yīng)大于600行，這對(duì)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(duì)圖像的最低要求。要求隔行掃描必須滿足下面兩個(gè)要求：第一，要求下一幀圖像的掃描起始點(diǎn)應(yīng)與上一幀起始點(diǎn)相同，確保各幀掃描光柵重疊；在20世紀(jì)初，這樣高的行掃描頻率，無論對(duì)攝像系統(tǒng)還是對(duì)顯示系統(tǒng)都提出了更高的要求。為了降低行掃描頻率，又能保證人眼視覺對(duì)圖像分辨率及閃耀感的要求，人們就提出了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法。第二十頁，共36頁。第二，要求相鄰兩場(chǎng)光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最高的清晰度。目前，我國(guó)現(xiàn)行的隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數(shù)為625行，一幀由二場(chǎng)構(gòu)成，每場(chǎng)掃描行數(shù)為312.5行。第二十一頁，共36頁。（3）掃描行頻電子束掃描一行所需要的時(shí)間，又稱為行周期。行周期的倒數(shù)稱為行頻。

我國(guó)現(xiàn)行電視制式（PAL制式）的主要參數(shù)為：寬高比α=4/3；場(chǎng)頻fv=50Hz；行頻fl=15625Hz；場(chǎng)周期T=20ms，其中場(chǎng)正程掃描時(shí)間為18.4ms，逆程掃描時(shí)間為1.6ms。行周期為64μs，其中行正程掃描時(shí)間為52μs，逆程掃描時(shí)間為12μs。

第二十二頁，共36頁。4.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(jī)）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。這個(gè)規(guī)則被稱為電視制式。

目前，正在應(yīng)用中的電視制式一般有三種。

PAL彩色電視制式： 場(chǎng)頻為50Hz， 隔行掃描每幀掃描行數(shù)為625行， 伴音、圖像載頻帶寬為6.5MHz。中國(guó)以及西歐各國(guó)第二十三頁，共36頁。

光電成像的基本原理

成像顯示第二十四頁，共36頁。7.3電荷耦合器件原理

電荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevices）主要有兩種基本類型:表面溝道器件：信號(hào)電荷包存儲(chǔ)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，簡(jiǎn)稱SCCD；體溝道或埋溝道CCD器件：信號(hào)電荷包存儲(chǔ)在距離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移的器件，簡(jiǎn)稱BCCD下面以SCCD為例討論CCD的基本工作原理。

信號(hào)的輸入、存貯、轉(zhuǎn)移、輸出。信號(hào)為電荷第二十五頁，共36頁。1.電荷存儲(chǔ)

構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。在柵極G施加電壓UG之前P型半導(dǎo)體中空穴的分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正電壓UG（此時(shí)UG小于等于P型半導(dǎo)體的閾值電壓Uth）時(shí)，p型半導(dǎo)體中的空穴將開始被排斥，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生耗盡區(qū)。電壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將繼續(xù)向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸，圖（c）。UG大于Uth后，耗盡區(qū)的深度與UG成正比。第二十六頁，共36頁。用半導(dǎo)體物理中的“勢(shì)阱”概念來描述。電子所以被加有柵極電壓的MOS結(jié)構(gòu)吸引到半導(dǎo)體與氧化層的交界面處，是因?yàn)槟抢锏膭?shì)能最低。結(jié)果：加有柵極電壓的MOS結(jié)構(gòu)能夠存儲(chǔ)電荷。第二十七頁，共36頁。2.電荷耦合—傳輸?shù)诙隧?，?6頁。tttΦ1Φ2Φ3三相CCD驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖第二十九頁，共36頁。CCD的電極結(jié)構(gòu)

三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)第三十頁，共36頁。三相電阻海結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)CCD2第三十一頁，共36頁。二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)

第三十二頁，共36頁。ttΦ1Φ2二相CCD驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖第三十三頁，共36頁。3.光信號(hào)的輸入

Qin=ηqNeoAtcη為材料的量子效率；q為電子電荷量；

Neo為入射光的光子流速