第四章 光電成像器件

第四章光電成像器件4.1攝像管4.2攝像器件的性能參數(shù)4.3電荷耦合器件4.4CMOS圖像傳感器4.5圖像增強(qiáng)器光電成像器件是能夠輸出圖像信息的一類(lèi)器件攝像器件使光學(xué)圖像變成視頻信號(hào)

·攝像管

·電荷耦合器件

·CMOS圖像傳感器像管使光學(xué)圖像增強(qiáng)或改變光譜·像增強(qiáng)器

·變像管4.1攝像管可分為兩大類(lèi)：

*光電發(fā)射型攝像管利用外光電效應(yīng)

*視像管利用內(nèi)光電效應(yīng)攝像管是能夠輸出視頻信號(hào)的真空光電管光電發(fā)射型攝像管視像管

視像管基本結(jié)構(gòu)：

光電靶完成光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)存儲(chǔ)

電子槍完成信號(hào)掃描輸出氧化鉛視像管結(jié)構(gòu)與工作原理管子結(jié)構(gòu)氧化鉛PIN靶PIN光電靶：反向偏置，掃描面形成正電位圖像電子槍?zhuān)?/p>

發(fā)射電子束，按電視制式掃描正電位圖像，輸出視頻信號(hào)像素：組成圖像的最小單元。攝像管像素大小由電子束截面積決定。

在電子束掃描某一像素的瞬間，該像素與電源正極和陰極結(jié)成通路。這個(gè)像素的光電流由P→N，流過(guò)負(fù)載RL,產(chǎn)生負(fù)極性圖像信號(hào)輸出。同時(shí)，掃描電子束使P層電位降至陰極電位（圖像擦除）。4.2攝像器件的性能參數(shù)一.靈敏度S

在2856K色溫標(biāo)準(zhǔn)光源單位光功率照射下,由器件輸出信號(hào)電流大小來(lái)衡量。單位:μA/lm；mA/W。實(shí)際常用能產(chǎn)生正常電視圖像所需最低光照度Lmin來(lái)表征。二.光電轉(zhuǎn)換特性－γ特性

γ＝1IP與L成線(xiàn)性關(guān)系，是最理想情況。γ＜1低照度下靈敏度相對(duì)增加。γ＞1圖像對(duì)比度提高。

*關(guān)于伽瑪γ校正電路三.分辨率

能夠分辨圖像中明暗細(xì)節(jié)的能力有兩種表示方法:

⑴極限分辨率：用在圖像（光柵）范圍內(nèi)能分辨的等寬黑白線(xiàn)條數(shù)表示（如：水平800線(xiàn)、垂直500線(xiàn)）；也用～線(xiàn)對(duì)/mm表示。⑵調(diào)制傳遞函數(shù)MTF：能客觀(guān)地測(cè)試器件對(duì)不同空間頻率信號(hào)的傳遞能力調(diào)制度M：調(diào)制傳遞函數(shù)MTF：MTF隨著測(cè)試卡線(xiàn)條空間頻率的增加而降低。四.惰性

指輸出信號(hào)的變化相對(duì)于光照度的變化有一定的滯后

影響攝像管惰性的原因是靶面光電導(dǎo)張馳過(guò)程和電容電荷釋放惰性。五.視頻信噪比（S/N）

六.動(dòng)態(tài)范圍

Lmax:Lmin=10n:14.3電荷耦合器件CCD圖像傳感器主要特點(diǎn)：固體化攝像器件很高的空間分辨率很高的光電靈敏度和大的動(dòng)態(tài)范圍光敏元間距位置精確,可獲得很高的定位和測(cè)量精度信號(hào)與微機(jī)接口容易CCD(ChargeCoupledDevices)一.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理

※關(guān)于線(xiàn)陣CCD※關(guān)于面陣CCD

CCD的基本功能:信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)以雙列兩相線(xiàn)陣CCD為例介紹其工作原理光敏區(qū):光敏二極管陣列，每個(gè)光敏元是一個(gè)像素。轉(zhuǎn)移柵:MOS電容構(gòu)成,蔽光;控制光生電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移。移位寄存器:MOS電容構(gòu)成,蔽光;控制光生電荷掃描移向輸出端。輸出端:將光生電荷包轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)輸出。MOS基本結(jié)構(gòu)：P型Si單晶的襯底上生長(zhǎng)SiO2（0.1-0.2μm），再在SiO2上面淀積金屬鋁（或多晶硅）電極(電極間隙約2.5μm)。MOS電荷存貯功能a).不加電壓，P型中空穴均勻分布。b).加正偏壓，電場(chǎng)排斥空穴形成耗盡區(qū)。c).加更高電壓，耗盡區(qū)進(jìn)一步向體內(nèi)延伸，并將P型半導(dǎo)體內(nèi)的少子——電子吸引，產(chǎn)生反型層。耗盡區(qū)對(duì)電子來(lái)說(shuō)象一個(gè)“阱”，稱(chēng)為勢(shì)阱，能收集電子。偏壓越大，勢(shì)阱就越深，存貯電子能力越大。這就是MOS的電荷存貯功能。光生電荷并行轉(zhuǎn)移光敏區(qū)是一行NP擴(kuò)散光電二極管，以積分方式工作。光電柵極PG上加一定正電壓，下面形成一勢(shì)阱，收集并存儲(chǔ)光生電子（與入射光強(qiáng)成正比）。光積分一定時(shí)間后，SH變?yōu)楦唠娖剑ū萈G高一倍），有較深的勢(shì)阱；這時(shí)1已是高電平，下面比SH有更深的勢(shì)阱，這樣就使光敏區(qū)與移位寄存器連通。電路設(shè)計(jì)使得偶數(shù)光敏元的電荷轉(zhuǎn)向CCDA，奇數(shù)光敏元電荷轉(zhuǎn)向CCDB。移位寄存器上1、2交替變化，信號(hào)電荷就沿著確定的方向從左到右傳輸，移向輸出端。轉(zhuǎn)移到移位寄存器的信號(hào)電荷串行輸出。OG加正電壓,將信號(hào)電荷輸送到輸出二極管的N端。當(dāng)RS為低電平時(shí)，N端的信號(hào)電荷控制T2，使OS輸出一個(gè)信號(hào)脈沖。當(dāng)RS為高電平時(shí)，N端的信號(hào)電荷被抽走，騰出空間準(zhǔn)備容納下一個(gè)電荷包。輸出端：輸出二極管復(fù)位管T1輸出管T2｛輸出柵OG；浮置擴(kuò)散放大器：這樣在OG、RS的作用下，OS端相繼輸出與光信號(hào)成正比的離散脈沖序列。故線(xiàn)陣CCD在正確的SH、1、2、RS信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，才能正常工作。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)系：像敏區(qū)存儲(chǔ)區(qū)水平移位寄存器輸出端信號(hào)通道放大器→OS補(bǔ)償放大器→OS'面陣CCD二.電荷耦合器件的性能參數(shù)

1.電荷轉(zhuǎn)移效率

電荷轉(zhuǎn)移效率η

轉(zhuǎn)移損失率ε電荷傳輸效率η'2.工作頻率

控制CCD中信號(hào)電荷在移位寄存器中轉(zhuǎn)移的時(shí)鐘脈沖頻率f=1/T對(duì)于二相CCD,3.光譜特性CCD積分靈敏度S=Uo/H

單位:Vcm2/μJ曝光量H=LτL:光照度

τ:曝光時(shí)間(光積分TSH)H的單位:μJ/cm2;lxs通常：4.分辨率

線(xiàn)陣CCD：極限分辨率為

1/d(線(xiàn)對(duì)/mm)

面陣CCD:像元數(shù)越多，分辨率越高。更多用水平方向、垂直方向各自的線(xiàn)數(shù)來(lái)表示。

因而由像元的尺寸可確定極限分辨率。5.光電特性

CCD是低照度器件，光電靶γ可達(dá)99.7%，

攝像頭常帶有γ選擇。CCD所能分辨的最小間距就是像元間距d，6.動(dòng)態(tài)范圍CCD像元的飽和輸出電壓與它在暗場(chǎng)下的峰-峰噪聲電壓的比值Usat/Udn。

Usat決定于勢(shì)阱中可存儲(chǔ)的最大電荷量,一般為數(shù)百mv～數(shù)v；CCD是低噪聲器件，可用于微光成像,

Udn一般為數(shù)mv以下。

普通CCD的動(dòng)態(tài)范圍1000:1左右。7.暗電流

CCD器件可控制在1nA/cm2。三.線(xiàn)陣CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

線(xiàn)陣CCD驅(qū)動(dòng)電路就是要產(chǎn)生正確的SH、1、2、RS信號(hào)，它是CCD芯片賴(lài)以正常工作的基礎(chǔ)。

介紹TCD1200D線(xiàn)陣CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)：

TCD1200D有2160個(gè)光敏單元，其前后各有64及12個(gè)啞單元。因此：TSH2236TRS,

fRS=1MHz，fφ1、φ2=0.5MHzTCD1200D管腳圖和驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)電路由單片機(jī)(AT89C2051)、可編程門(mén)陣列芯片（GAL16V8）構(gòu)成。AT89C2051是帶2K字節(jié)可編程電擦除EPROM的CMOS8位單片機(jī)。具有8031單片機(jī)的功能，可輸出20MHz時(shí)鐘。GAL16V8是一種可編輯器件。圖示中未標(biāo)的管腳可自由定義，通過(guò)編程，形成所需的邏輯關(guān)系。

SH信號(hào)的產(chǎn)生：將Q信號(hào)送往單片機(jī)P1.7口，單片機(jī)查詢(xún)后由P3.7口輸出P信號(hào)。4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)－SH、1、2、RS都由GAL器件產(chǎn)生。單片機(jī)除協(xié)同產(chǎn)生SH外，可充分用于CCD數(shù)據(jù)測(cè)量工作。以上介紹的設(shè)計(jì)思想可用于任何型號(hào)的線(xiàn)陣CCD。

GAL芯片有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，管腳可自由定義，使驅(qū)動(dòng)電路緊湊、連線(xiàn)簡(jiǎn)單。四.CCD像感器的應(yīng)用

面陣CCD組成電視攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)，用途極其廣泛。

線(xiàn)陣CCD是行圖像傳感器件，大量應(yīng)用于掃描儀、光譜儀、傳真機(jī)中，以及目標(biāo)定位、精密圖像傳感和工件尺寸的無(wú)接觸在線(xiàn)測(cè)量。

成像法在線(xiàn)測(cè)量線(xiàn)材直徑：測(cè)量電路和觀(guān)測(cè)點(diǎn)波形圖4.4CMOS圖像傳感器

CCD圖像傳感器的不足：⒈驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)處理電路難與CCD單片集成，圖像系統(tǒng)為多芯片系統(tǒng)；⒉電荷耦合方式對(duì)轉(zhuǎn)移效率要求近乎苛刻；⒊時(shí)鐘脈沖復(fù)雜，需要相對(duì)高的工作電壓；⒋圖像信息不能隨機(jī)讀取。

CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的固體攝像器件CMOS圖像傳感器的特色

⒈是單芯片成像系統(tǒng)。⒉這種片上攝像機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電源電壓工作，僅消耗幾十毫瓦功率，功耗極低。⒊可實(shí)現(xiàn)隨機(jī)讀取圖像信息。一.CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)框圖像元結(jié)構(gòu)：無(wú)源像素(PPS)結(jié)構(gòu)有源像素(APS)結(jié)構(gòu)PPS的致命弱點(diǎn)是讀出噪聲大,主要是固定圖形噪聲，一般有250個(gè)均方根電子。光電二極管型(PD-APS）：讀出噪聲典型值為(75～100)個(gè)均方根電子。適用于大多數(shù)中低性能成像。｛光柵型（PG-APS）：讀出噪聲小，目前已達(dá)到5個(gè)均方根電子。用于高性能科學(xué)成像和低光照成像。二.CMOS攝像機(jī)的應(yīng)用

由于CMOS攝像機(jī)節(jié)能、高度集成、成本低等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使CMOS攝像機(jī)具有很多應(yīng)用領(lǐng)域:移動(dòng)通信:與手機(jī)集成,成為移動(dòng)可視電話(huà)；視頻通信:視頻聊天、可視電話(huà)、視頻會(huì)議；保安監(jiān)控:大量安裝的電子眼,且CMOS攝像機(jī)可做到紐扣大小,用于隱型攝像;作數(shù)碼相機(jī);用于游戲市場(chǎng);用在汽車(chē)上,如可設(shè)計(jì)成汽車(chē)自動(dòng)防撞系統(tǒng)、防出軌系統(tǒng),大大提高汽車(chē)運(yùn)行的安全性;用于生物特征識(shí)別，如指紋識(shí)別儀等；CMOS攝像機(jī)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很好的發(fā)展空間，如可以在患者身體安裝小“硅眼”，應(yīng)用藥丸式攝像機(jī)等；用于需要高速更新的影像應(yīng)用領(lǐng)域：航天、核試驗(yàn)、快速運(yùn)動(dòng)、瞬態(tài)過(guò)程等。三.發(fā)展趨勢(shì)

早期CMOS比CCD成像質(zhì)量差，響應(yīng)速度慢，人們主要采用CCD攝像機(jī)。近年來(lái)，采用有源像素結(jié)構(gòu)等一系列技術(shù)措施,使CMOS的成像質(zhì)量與CCD相接近，而在功能、功耗、尺寸和價(jià)格等方面優(yōu)于CCD。CMOS圖像傳感器必將成為攝像器件的主流!4.5圖像增強(qiáng)器

變像管是把不可見(jiàn)光圖像變?yōu)榭梢?jiàn)光圖像的真空光電管。圖像增強(qiáng)器是把亮度很低的光學(xué)圖像增強(qiáng)到足夠亮度的真空光電管。圖像增強(qiáng)器變像管