光電子第五章

?光源傳輸調(diào)制探測成像第5章光電成像系統(tǒng)

5.1固體攝像器件

5.2光電成像原理

5.3紅外成像光學(xué)系統(tǒng)5.4紅外成像中的信號(hào)處理5.5紅外成像系統(tǒng)的綜合特性

5.6微光像增強(qiáng)器件5.7纖維光學(xué)成像器件光電成像系統(tǒng)的基本組成

成像轉(zhuǎn)換過程有四個(gè)方面的問題需要研究：能量方面——物體、光學(xué)系統(tǒng)和接收器的光度學(xué)、輻射度學(xué)性質(zhì)，解決能否探測到目標(biāo)的問題成像特性——能分辨的光信號(hào)在空間和時(shí)間方面的細(xì)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(hào)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器件是光電成像系統(tǒng)的核心5.1固體攝像器件固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息（可見光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)——視頻信號(hào)，而視頻信號(hào)能再現(xiàn)入射的光輻射圖像固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（ChargeInjectionDevice，即CID）一、電荷耦合攝像器件貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle，G.E.Smith在探索磁泡器件的電模擬工作中，在1969年秋構(gòu)思了電荷耦合器件的原理W.S.Boyle,G.E.Smith.Chargecoupledsemiconductordevices.BellSyst.Tech.Jour.,1970,49:587-593.G.F.Amelio,M.F.Tompsett,G.E.Smith.ExperimentverificationoftheChargecoupleddeviceconcept.BellSyst.Tech.Jour.,1970,49:593-600.他們首先提出的一種器件結(jié)構(gòu)是采用相同的電極和三相時(shí)鐘系統(tǒng)，為隔離各個(gè)電荷包，最少需要三相時(shí)鐘緊密排列在半導(dǎo)體絕緣表面上的電容器可用來存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷，按適當(dāng)?shù)拇涡驅(qū)@些電極加上脈沖，它們就會(huì)產(chǎn)生攜帶一包一包少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)勢阱電荷耦合器件（CCD）特點(diǎn)——以電荷作為信號(hào)CCD的基本功能——電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移CCD工作過程——信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測的過程1電荷耦合器件的基本原理表面溝道器件，即SCCD（SurfaceChannelCCD）——轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件體內(nèi)溝道（或埋溝道CCD），即BCCD（BulkorBuriedChannelCCD）——用離子注入方法改變轉(zhuǎn)移溝道的結(jié)構(gòu)，從而使勢能極小值脫離界面而進(jìn)入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)的轉(zhuǎn)移溝道，避免了表面態(tài)的影響，使得該種器件的轉(zhuǎn)移效率高達(dá)99.999％以上，工作頻率可高達(dá)100MHz，且能做成大規(guī)模器件以表面溝道CCD為例介紹CCD基本原理電荷存儲(chǔ)構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器電荷耦合器件工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)

電荷轉(zhuǎn)移123456電荷檢測以浮置擴(kuò)散輸出為例信號(hào)電壓是在浮置電平基礎(chǔ)上的負(fù)電壓；每個(gè)電荷包的輸出占有一定的時(shí)間長度To；在輸出信號(hào)中疊加有復(fù)位期間的高電平脈沖；對CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，較多地采用了取樣技術(shù)，以去除浮置電平、復(fù)位高脈沖及抑制噪聲。CCD輸出信號(hào)的特點(diǎn)：2電荷耦合攝像器件的工作原理按結(jié)構(gòu)可分為線陣CCD和面陣CCD按光譜可分為可見光CCD、紅外CCD、X光CCD和紫外CCD可見光CCD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCDCCD的電荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移的概念半導(dǎo)體的光電性質(zhì)CCD攝像器件SiO2N-Si-V10VAl電極耗盡層(a)勢阱的形成-V1*

-V2(c)少數(shù)載流子的轉(zhuǎn)移-V10V(b)少數(shù)載流子的捕獲光照0V-V2(d)轉(zhuǎn)移完成CCD攝像器件的工作原理：平面掃描CCD成像單元CCD移位寄存器輸出信號(hào)行間轉(zhuǎn)移方式幀轉(zhuǎn)移方式線陣CCD線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)面陣CCD常見的面陣CCD攝像器件有兩種：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)與幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)

彩色CCD目前主要有三片式和單片式兩種RCCDGCCDBCCD紅外濾光片變焦鏡頭分色棱鏡(a)三片式的棱鏡分光R/G/BCCD紅、綠、藍(lán)方格圖案濾光片紅外濾光片變焦鏡頭(b)單片式的方格圖案濾色片分光拜爾方式濾色器行間排列的濾色器二、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)電荷包從一個(gè)柵轉(zhuǎn)移到下一個(gè)柵時(shí)，有部分的電荷轉(zhuǎn)移過去，余下部分沒有被轉(zhuǎn)移，稱轉(zhuǎn)移損失率ε

1轉(zhuǎn)移效率一個(gè)電荷量為Qo的電荷包，經(jīng)過n次轉(zhuǎn)移后的輸出電荷量應(yīng)為：總效率為：2不均勻度(非均勻性)光敏元的不均勻CCD的不均勻本節(jié)討論光敏元的不均勻性，認(rèn)為CCD是近似均勻的，即每次轉(zhuǎn)移的效率是一樣的。光敏元響應(yīng)的不均勻是工藝過程及材料不均勻性引起的，大規(guī)模器件的均勻性問題嚴(yán)重定義光敏元響應(yīng)的均方根偏差對平均響應(yīng)的比值為CCD的不均勻度：——第n

個(gè)光敏元原始響應(yīng)的等效電壓——平均原始響應(yīng)等效電壓N——線列CCD的總位數(shù)P是CCD的相數(shù)CCD成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號(hào)稱暗信號(hào)，即暗電流暗電流的根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā)由于工藝過程不完善及材料不均勻等因素的影響，CCD中暗電流密度的分布是不均勻的3暗電流暗電流的危害有兩個(gè)方面：限制器件的低頻限引起固定圖像噪聲5光譜響應(yīng)CCD的光譜響應(yīng)是指等能量相對光譜響應(yīng)，最大響應(yīng)值歸一化為100%所對應(yīng)的波長，稱峰值波長，通常將10%（或更低）的響應(yīng)點(diǎn)所對應(yīng)的波長稱截止波長。有長波端的截止波長與短波端的截止波長，兩截止波長之間所包括的波長范圍稱光譜響應(yīng)范圍。6噪聲散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲4靈敏度（響應(yīng)度）在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號(hào)電壓（電流）7分辨率分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它是指攝像器件對物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力，測試時(shí)用專門的測試卡目前國際上一般用ＭＴＦ（調(diào)制傳遞函數(shù)）來表示分辨率像元分辨率8動(dòng)態(tài)范圍與線性度動(dòng)態(tài)范圍＝線性度是指在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號(hào)與曝光量的關(guān)系是否成直線關(guān)系SONYICX429AKL三、CMOS攝像器件采用CMOS技術(shù)可以將光電攝像器件陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、信號(hào)處理電路、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)

——Camera-On-A-Chip1CMOS像素結(jié)構(gòu)無源像素型（PPS）有源像素型（APS）無源像素結(jié)構(gòu)無源像素單元具有結(jié)構(gòu)簡單、像素填充率高及量子效率比較高的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于傳輸線電容較大，CMOS無源像素傳感器的讀出噪聲較高，而且隨著像素?cái)?shù)目增加，讀出速率加快，讀出噪聲變得更大。MOS攝像器件的工作原理：ΦY1ΦY2信號(hào)輸出Y移位寄存器X移位寄存器ΦX1φX2RLEMOS開關(guān)光電二極管A/D數(shù)字信號(hào)輸出有源像素結(jié)構(gòu)光電二極管型有源像素（PP－APS）大多數(shù)中低性能的應(yīng)用光柵型有源像素結(jié)構(gòu)（PG－APS）成像質(zhì)量較高CMOS有源像素傳感器的功耗比較小。但與無源像素結(jié)構(gòu)相比，有源像素結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)小，其設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為20%-30%。在CMOS上制作微透鏡陣列，可以等效提高填充系數(shù)。外界光照射像素陣列，產(chǎn)生信號(hào)電荷，行選通邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元，行像素內(nèi)的信號(hào)電荷通過各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號(hào)處理器(ASP)及A/D變換器，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字圖像信號(hào)輸出。行選通單元可以對像素陣列逐行掃描，也可以隔行掃描。隔行掃描可以提高圖像的場頻，但會(huì)降低圖像的清晰度。行選通邏輯單元和列選通邏輯單元配合，可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能，讀出感興趣窗口內(nèi)像元的圖像信息2CMOS攝像器件的總體結(jié)構(gòu)CMOS攝像器件的結(jié)構(gòu)：APS(ActivePixelStructure

)：由1990s中期NASA引入CMOS

圖像傳感器，解決了噪聲問題。像素尺寸減小后低光照下靈敏度迅速降低，采用微透鏡和濾色片組合以及CMOS工藝的優(yōu)勢，前景好于CCD。APS在顯微鏡下的結(jié)構(gòu)APS原理框圖

PhotodiodeActive-PixelArchitecture微透鏡改善低光特性3CMOS與CCD器件的比較CCD攝像器件靈敏度高、噪聲低、像素面積小光敏元陣列難與驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路單片集成，需要使用相對高的工作電壓，制造成本比較高CMOS攝像器件集成能力強(qiáng)、體積小、工作電壓單一、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍寬、抗輻射和制造成本低需進(jìn)一步提高器件的信噪比和靈敏度四、紅外焦平面器件紅外焦平面器件（InfraredFocalPlaneArrays,IRFPA）5.2光電成像原理

景物反射外界的照明光經(jīng)光電成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)在像面上形成與景物相對應(yīng)的圖像。置于像面上具有空間掃描功能的光電攝像器件將二維空間的圖像轉(zhuǎn)變成一維時(shí)序電信號(hào)電信號(hào)經(jīng)過放大和視頻信號(hào)處理后送至顯示器，在同步信號(hào)的參與下顯示出與景物相對應(yīng)的圖像。一、光電成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)光機(jī)掃描方式電子束掃描方式固體自掃描方式接收系統(tǒng)對景物的分解方式?jīng)Q定了光電成像系統(tǒng)的類型。可以分為三種：光機(jī)掃描方式探測器相對總視場只有較小的接受范圍，而由光學(xué)部件做機(jī)械運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對景物空間的分解。串聯(lián)掃描并聯(lián)掃描串并聯(lián)混合掃描電子束掃描方式光敏靶面對整個(gè)視場內(nèi)的景物輻射同時(shí)接收，而由電子束的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對景物的分解。固體自掃描方式從目前情況看，光機(jī)掃描及固體自掃描方式的光電成像系統(tǒng)占主導(dǎo)地位面陣攝像器件對整個(gè)視場內(nèi)的景物輻射同時(shí)接收，而通過對陣列中各個(gè)單元器件的信號(hào)順序采樣實(shí)現(xiàn)對景物圖像的分解。二、光電成像系統(tǒng)的基本技術(shù)參數(shù)

光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑D和焦距f/瞬時(shí)視場角α、β

觀察視場角WH、WV幀時(shí)Tf和幀速掃描效率η

滯留時(shí)間對光機(jī)掃描系統(tǒng)而言，物空間一點(diǎn)掃過單元探測器所經(jīng)歷的時(shí)間稱為滯留時(shí)間，探測器在觀察視場中對應(yīng)的分辨單元數(shù)為：光電成像系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)是在以上各基本技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的綜合分析得出的5.3紅外成像光學(xué)系統(tǒng)紅外成像光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下幾方面的基本要求：物像共軛位置成像放大率一定的成像范圍（視場）在像平面上有一定的光能量反映物體細(xì)節(jié)的能力（即分辨率）一、理想光學(xué)系統(tǒng)模型共軸球面光學(xué)系統(tǒng)理想光學(xué)系統(tǒng)模型

理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系

牛頓公式

高斯公式

二、光學(xué)系統(tǒng)中的光闌孔徑光闌、漸暈光闌、視場光闌、消雜光光闌孔徑光闌漸暈光闌三、紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)

焦距f′

決定光學(xué)系統(tǒng)的軸向尺寸，f′越大，所成的像越大，光學(xué)系統(tǒng)一般也越大相對孔徑D/f′

相對孔徑定義為光學(xué)系統(tǒng)的入瞳直徑D與焦距f′之比，相對孔徑的倒數(shù)叫F數(shù)焦距f′、相對孔徑D/f′、視場相對孔徑?jīng)Q定紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的衍射分辨率及像面上的輻照度衍射分辨率像面中心處的輻照度四、光學(xué)系統(tǒng)的像差光學(xué)系統(tǒng)近軸區(qū)具有理想光學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)，光學(xué)系統(tǒng)近軸區(qū)的成像被認(rèn)為是理想像實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)所成的像和近軸區(qū)所成的像的差異即為像差單色像差：球差、彗差、像散、場曲、畸變色差：軸向色差