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1、第4章 光电成像器件,4.1 摄像管4.2 摄像器件的性能参数4.3 电荷耦合器件CCD4.4 CMOS图像传感器4.5 图像增强器,光电成像器件是能够输出图像信息的一类器件,摄像器件 使光学图像变成视频信号 摄像管 电荷耦合器件CCD CMOS图像传感器像管 使光学图像增强或改变光谱 图像增强器 变像管,4.1 摄像管,可分为两大类： *光电发射型摄像管 利用外光电效应 *视像管 利用内光电效应,摄像管是能够输出视频信号的真空光电管,光电发射型摄像管,视像管,视像管基本结构 ： 光电靶 完成光电转换、信号存储 电子枪 完成信号扫描输出,氧化铅视像管结构与工作原理,管子结构,氧化铅PIN靶,P
2、IN光电靶 ：反向偏置，扫描面形成正电位图像电子枪 ： 发射电子束，按电视制式扫描正电 位图像，输出视频信号,像素：组成图像的最小单元。摄像管像素大小由电子束截面积决定。,在电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电源正极和阴极结成通路。这个像素的光电流由PN，流过负载RL,产生负极性图像信号输出。同时，扫描电子束使P层电位降至阴极电位（图像擦除）。,4.2 摄像器件的性能参数,一.灵敏度S 在2856K色温标准光源单位光功率照射下,由器件输出信号电流大小来衡量。单位:A/lm；mA/W。实际常用能产生正常电视图像所需最低光照度Lmin来表征。二.光电转换特性特性,1 IP 与L 成线性关系， 是最
3、理想情况。1 低照度下灵敏度相对 增加。1 图像对比度提高。 * 关于伽玛校正电路,三、分辨率 能够分辨图像中明暗细节的能力 有两种表示方法: 极限分辨率：用在图像（光栅）范围内能分辨的等宽黑白线条数表示（如：水平800线、垂直500线）；也用线对/mm表示。, 调制传递函数MTF：能客观地测试器件对不同空间频率信号的传递能力,调制度M：,调制传递函数MTF：,MTF随着测试卡线条空间频率的增加而降低。,四.惰性 指输出信号的变化相对于光 照度的变化有一定的滞后 影响摄像管惰性的原因是靶面光电导 张驰过程和电容电荷释放惰性。,五.视频信噪比（S/N）,六.动态范围 Lmax : Lmin =
4、10n : 1,4.3 电荷耦合器件,CCD图像传感器主要特点：固体化摄像器件很高的空间分辨率很高的光电灵敏度和大的动态范围光敏元间距位置精确,可获得很高的 定位和测量精度信号与微机接口容易,CCD(Charge Coupled Devices),一、CCD的结构与工作原理,CCD的基本功能: 信号电荷的产生、存储、传输和检测 以双列两相线阵CCD为例介绍其工作原理,CCD的突出特点是以电荷作为信号。接收图像、以光生电荷为信号的CCD称为CCD像感器。,CCD像感器分为：, 线阵CCD, 面阵CCD,工作原理基本相同,光敏区:光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。转移栅:MOS电容构成,蔽光;
5、控制光生电荷向移位寄存器转移。移位寄存器:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷扫描移向输出端。输出端:将光生电荷包转换为视频信号输出。,加偏压的MOS电容的电荷存贮功能,在Al电极上加驱动信号，MOS阵列使光生电荷包自扫描输出。,光积分光生电荷并行转移,光生电荷串行传输输出端,输出端：输出栅OG； 浮置扩散放大器：,输出二极管复位管T1输出管T2,双列两相线阵CCD驱动信号,输出视频信号OS,面阵CCD,在驱动信号作用下，像敏区电荷转移到存储区，再逐行经水平移位寄存器输出。,二、电荷耦合器件的性能参数,1.电荷转移效率 电荷转移效率 转移损失率 电荷传输效率,2.工作频率 控制CCD中信号电荷在
6、移位寄存器中 转移的时钟脉冲频率f=1/T,对于二相CCD,3.光谱特性,CCD积分灵敏度 S=Uo/H 单位:Vcm2/J,曝光量H=LL:光照度 :曝光时间(光积分TSH) H的单位:J/cm2 ;lxs,通常：,4.分辨率,线阵CCD：极限分辨率为 1/d (线对/mm) 面阵CCD: 像元数越多，分辨率越高。更多 用水平方向、垂直方向各自的线数来表示。,因而由像元的尺寸可确定极限分辨率。,5.光电特性 CCD是低照度器件，光电靶可达99.7%， 摄像头常带有选择。,CCD所能分辨的最小间距就是像元间距d，,6.动态范围,CCD像元的饱和输出电压与它在暗场下 的峰-峰噪声电压的比值 Us
7、at/Udn 。 Usat决定于势阱中可存储的最大电荷量, 一般为数百mv数v； CCD是低噪声器件，可用于微光成像, Udn一般为数mv以下。 普通CCD的动态范围1000:1左右。 7.暗电流 CCD器件可控制在1nA/cm2。,三、线阵CCD驱动电路的设计,线阵CCD驱动电路就是要产生正确的SH、1、2、RS 信号，它是CCD芯片赖以正常工作的基础。 介绍TCD1200D线阵CCD驱动电路的设计： TCD1200D有2160个光敏单元，其前后各有64及12个哑单元。因此： TSH2236TRS , fRS =1MHz， f1、2=0.5MHz,TCD1200D管脚图和驱动电压,驱动电路由
8、单片机(AT89C2051)、可编程门阵列芯片（GAL16V8）构成。,AT89C2051是带2K字节可编程电擦除EPROM的CMOS 8位单片机。具有8031单片机的功能，可输出20MHz时钟。,GAL16V8是一种可编程逻辑器件。图示中未标的管脚 可自由定义，经编程，形成所需的逻辑关系。,SH信号的产生,将Q信号送往单片机P1.7口，单片机查询后由P3.7口输出P信号。,4路驱动信号SH、1、2、RS 都由GAL器件产生。,单片机除协同产生SH外，可充分用于CCD数据测量工作。,以上介绍的设计思想可用于任何型号的线阵CCD。,GAL芯片有足够的驱动能力，管脚可自由定义，使驱动电路紧凑、连线
9、简单。,四、彩色面阵CCD,在面阵CCD光敏面上加滤色器 （Color Filter Array，CFA），即构成CFA单芯片图像传感器。,Bayer滤色器,三色滤色器,在CCD光敏面上加CFA，工艺简单，制造成本低。,一些专业级相机中使用3CCD图像传感器，通过分光棱镜把入射彩色图像分解成红、绿、蓝三色图像，分别由三个CCD接收。输出的图像还原质量是最好的，但是用三个CCD价格比较昂贵。,线阵CCD也可以用滤色器成为彩色线阵CCD。,五、CCD像感器的应用,面阵CCD组成电视摄像机、数码照相机，用途极其广泛。 线阵CCD是行图像传感器件，大量应用于扫描仪、光谱仪、复印机、传真机中，多个线阵C
10、CD拼接用于航天扫描成像；以及目标定位、精密图像传感和工件尺寸的无接触在线测量。 成像法在线测量线材直径：,测量电路和观测点波形图,4.4 CMOS图像传感器,CCD图像传感器的不足：驱动电路与信号处理电路难与CCD单片集 成，图像系统为多芯片系统；电荷耦合方式对转移效率要求近乎苛刻；时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压；图像信息不能随机读取。,CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）,采用标准 CMOS工艺的固体摄像器件,CMOS图像传感器的特色,是单芯片成像系统。这种片上摄像机用标准逻辑电源电压工作，仅消耗几十毫瓦功率，功耗极低。可实现随机读
11、取图像信息。,一、CMOS图像传感器结构,结构原理框图,CMOS图像传感器由光敏二极管像元阵列、X-Y寻址逻辑、定时和控制电路、A/D及在片信号处理器(ASP)构成，采用单一的5V电源。,CMOS图像传感器芯片上，还可以设置很多功能电路，形成具有多种功能的器件。,CMOS图像传感器程控工作，有几种读出模式： 整个阵列逐行扫描读出 窗口读出模式 跳跃读出模式,像元结构 ：,无源像素(PPS)结构有源像素(APS)结构,PPS的致命弱点是读出噪声大,主要是固定图形噪声，一般有250个均方根电子。,光电二极管型(PD-APS）：读出噪声典型值为(75100)个均方根电子。适用于大多数中低性能成像。,
12、光栅型（PG-APS）：读出噪声小，目前已达到5个均方根电子。用于高性能科学成像和低光照成像。,三、彩色CMOS图像传感器,CMOS芯片也可以在光敏面上加滤色器构成CFA单芯片图像传感器。更好的技术是Foveon X3：,Foveon X3是根据硅对不同波长光线的吸收随深度不同的效应（波长较长的光波穿越深度较大）来达到一个像素感应全部色彩信息的目的。,采用三层感光元件，每层只记录一个颜色，每个像素提供完整的三基色信息。,Foveon X3是用单像素提供三基色的CMOS图像传感器技术，比同等像素的CFA单芯片CCD分辨率高两倍，提供更丰富、更逼真的色彩还原度，不需要CFA技术必须要的彩色插值软件
13、处理。,四、CMOS摄像机的应用,由于CMOS摄像机节能、高度集成、成本低等独特优点，使CMOS摄像机具有很多应用领域:,移动通信:与手机集成,成为移动可视电话；视频通信:视频聊天、可视电话、视频会议；公安监控:大量安装的电子眼,且CMOS摄像机可做到纽扣大小,用于隐型摄像;,作数码相机;,用于游戏市场;,用在汽车上,如可设计成汽车自动防撞系统、 防出轨系统,大大提高汽车运行的安全性;,用于生物特征识别，如指纹识别仪等；,CMOS摄像机在医学领域有很好的发展空间，如可以在患者身体安装小“硅眼”，应用药丸式摄像机等；,用于需要高速更新的影像应用领域：航天、核试验、快速运动、瞬态过程等。,M2A
14、药丸摄像机尺寸为11mm24mm，重量4克,1：光窗，2：透镜支架，3：成像透镜，4：LED（相机闪光灯），5：CMOS摄像芯片，6：两节微型纽扣电池，7：发射器，8：天线。,早期CMOS比CCD成像质量差，响应速度 慢，人们主要采用CCD摄像机。近年来，采用有源像素结构等一系列技术措施,使 CMOS的成像质量与CCD相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方面优于CCD。,CMOS图像传感器必将成为摄像器件的主流!,病人服下此药丸，在体内约8-12小时，可拍摄约60000幅照片。通过药丸的天线发射至外部接收装置记录。医生通过软件将照片制成视频，诊断是否有异常状况。,4.5 图像增强器,变像管是把
15、不可见光图像变为可见光图像的真空光电管。,图像增强器是把亮度很低的光学图像增强到足够亮度的真空光电管。,图像增强器变像管,统称为像管,像管内部没有扫描机构，且不能输出视频信号。,一.像管,荧光屏光谱,增益：,单级 102三级105,像管型图像增强器是第一代图像增强器。,二、第二代图像增强器-微通道板 （Microchannel plates，MCP）,是一种大面积微通道电子倍增器，可实现单级高增益图像增强。,如加10kv电压，增益105106。,增益数千倍,增益万倍以上,第三代图像增强器 NEA光电阴极MCP,三、图像增强器与摄像器件的耦合 微光摄像机,四、医用X光透视成像系统,X光透视是医学
16、上应用最广泛的诊断方法之一，传统的X光透视必须在暗室中进行。 新一代的X光透视机配上了X光摄像系统，暗室透视变为明室透视，是医学上有重大意义的进步。 X光摄像系统主要由X射线像增强器、高分辨率CCD摄像机、显示器及计算机组成。,弱X射线穿过人体，X光图像投射到X射线像增强器的光电阴极上，转换成电子图像；电子图像经过加速、聚焦，以很高的速度轰击荧光屏，在荧光屏上得到增强百倍以上的可见光图像；可见光图像被高灵敏度、高分辨率的CCD摄像机获取，在显示器上显示和送入计算机处理、存储。,显示器和计算机设在透视室外，医生可以免受伤害，还可多人同时在显示器上观察透视图像。用了X射线像增强器，X光剂量大大降低，利于透视人员，且在明室中检查，方便自如。,
