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1、第五章 光电成像与成像系统,杨晓占光电信息学院,1.光电成像系统概述;2.图像探测器简介;3.点扩展函数及基于点扩展函数的性能指标；4.光学传递函数；5.调制与调制传递函数；6.光学系统的调制传递函数；7.光电成像系统简介；8.非扫描光电成像系统性能的进一步描述；9.扫描光电成像系统性能的进一步描述,5.1 光电成像系统概述,一、光电成像器件的发展,1934年，光电像管（Iconoscope），应用于室内外的广播电视摄像。灵敏度非常低，需要10000lx的照度，达到图像信噪比的要求；1947年，超正析像管（Image Orthicon），照度降低到2000lx；1954年，视像管，灵敏度分辨率
2、高，成本低，体积小，惯性大，不适用于高速运动图像测量，不能取代超正析像管用于彩色广播电视摄像机；,1965年，氧化铅管（Plumbicon），成功取代超正析像管，惯性小，广泛应用于彩色电视摄像机，结构简单，体积小，灵敏度分辨率都很高。1976年，硒靶管硅靶管，灵敏度进一步提高且成本更低；1970年后，CCD的出现使光电成像器件进入新的阶段。体积更小，灵敏度更高，应用更灵活、更方便。,二、光电成像器件的类型,光电成像器件（成像原理）,扫描型,非扫描型,真空电子束扫描,固体自扫描：CCD,光电型,热电型：热释电摄像管,光电发射式摄像管,变像管（完成图像光谱变换）,红外变像管,紫外变像管,X射线变像
3、管,像增强管（图像强度的变换）,串联式,级联式,微通道板式,负电子亲和势阴极,常由像敏面，电子透镜显像面构成,光电导式摄像管,三、光电成像系统要研究的问题,光电成像涉及到一系列复杂信号的传递过程，有四个方面问题需要研究能量方面物体、光学系统和接收器的光度学和辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题。成像方面能分辨的光信号在空间和时间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率。,噪声方面决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性。信息传递速率方面成像特性、噪声信息传递问题，决定能被传递的信息量大小。,光电成像系统基本组成,景物,光电成像系统原理方框图,5.2 图像探测器简介,特点：能够输出可视图像
4、信息,真空成像器件,固体成像器件,光电成像器件,像增强管,光电导型摄像管,光电发射型摄像管,变像管,像管,直视型光电成像器件,摄像型光电成像器件,热释电型摄像管,CMOS图像传感器,电耦合器件（CCD）,红外焦面阵列器件（IRFPA）,摄像管,1.真空成像器件,像管结构原理示意图,常见像管-变像管,红外变像管,红外变像管的应用,紫外变像管,选通式变像管,常见像增强管,级联式像增强管,微通道板像增强管,第三代像增强器第二代微通道结构配以负电子亲和势光电阴极，就构成了第三代像增强器。X射线像增强器实质：变像管作用：将不可见的X射线转换成可见光图像，并使图像亮度增强,摄 像 管,作用：把按空间光强分
5、布的光学图像记录并转换成视频信号的成像装置。分类（按光电转换形式）光电发射型摄像管：利用外光电效应进行光电转换的摄像管，又称摄像管。光电导型摄像管：利用内光电效应进行光电转换的摄像管，又称视像管。,摄像管结构原理图,视像管结构原理图,摄像管的结构和工作原理,基本功能：光电转换，光电信息的积累、储存和扫描输出。,2.固 体 成 像 器 件,电荷耦合器件(CCD，charge coupled device)、互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS、电荷注入器件（CID，charge injection device）和IRFPA都利用了自扫描技术，能完成光学图像的转换、信息的存储和扫描输出。CCD
6、图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。,电荷耦合器件（CCD）特点）以电荷作为信号CCD的基本功能电荷存储和电荷转移优点：集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等。CCD工作过程信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。,基本结构：转移电极结构、转移沟槽结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单元：CMOS电容CCD类型：表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输；体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输。,MOS电容器组成的光敏元及数据
7、面的显微照片,CCD光敏元显微照片,CCD读出移位寄存器的数据面显微照片,彩色CCD显微照片（放大7000倍）,CCD的基本工作原理,组成：光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路。CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。,构成CCD的基本单元是MOS（金属氧化物半导体）结构。当栅极G施加正偏压UG之前（
8、UG=0），P型半导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的；当栅极电压加正向偏压（UGUth时，半导体与绝缘体界面上的电势（表面势S）变得如此之高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层，反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储电荷的功能。,一、电荷存储,栅电极G,氧化层,P型半导体,耗尽区,反型层,uGuth,uGuth,uG=0,S,UG,P型硅杂质浓度Nd=1021m-3,反型层电荷QINV=0,1.0V 1.4VUth=2.2V 3.0V,dox=0.1um,0.3,0.4,0.6,表面势与栅极电压的关系,S,QINV,dox=0.1um,dox
9、=0.2um,UG=15V,UG=10V,表面势与反型层电荷密度的关系,曲线的直线特性好，说明两者有着良好的反比例线性关系。可以“势阱”的概念来解释。,u0,10V,10V,UG=5V,UG=10V,UG=15V,空势阱,填充1/3势阱,全满势阱,电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低的氧化层与半导体地交界面处。,MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=CoxUGA,二、电荷耦合,假定开始有一些电荷存储在偏压为20V的第二个电极下面的势阱里，其他电极上均加有大于阈值得较低电压（例如2V）。设a图为零时刻，经过一段时间后，各电极的电压发生变化，第二个电极仍保持10V，第三个电极上的电压由2V变
10、为10V，因这两个电极靠的很近（几个微米），它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。如图bc。若此后第二个电极上的电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下的势阱中，如图e。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。,a,存有电荷的势阱,b,2V,10V,2V10V,2V,2V,10V,10V,2V,2V,10V2V,10V,2V,2V,2V,10V,2V,c,d,e,f,1,2,3,通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，并施加同样的时
11、钟脉冲。如图f，为三相时钟脉冲，此种CCD称为三相CCD。CCD电极间隙必须很小，否则被电极间的势垒所间隔。产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构，表面态密度等因素决定。间隙长度应小于3um。以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD（工作频率高）,而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD。,三、电荷的注入检测,1、电荷的注入（1）光注入当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。它有可分为正面照射式背面照射式。其光注入电荷：,材料的量子效率,入射光的光子流速率,光敏电压的受光面积,光注入时间,背面照
12、射式光注入,（2）电注入：CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。电流注入法,ID,uIN,uID,N+,IG,P,ID为源极，IG为栅极,而,为漏极，当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为：,经过Tc时间注入后，其信号电荷量为：,2,电压注入法,与电流注入法类似，但输入栅极IG加与2同位相的选通脉冲，在选通脉冲作用下，电荷被注入到第一个转移栅极2下的势阱里，直到阱的电位与N+区的电位相等时，注入电荷才停止。往下一级转移前，由于选通脉冲的终止，IG的势垒把2N+的势阱分开。,电荷注入量与时钟脉冲频率无关。,2、电荷的检测,信号电荷在转移过程中与时钟脉冲无任何
13、电容耦合，而在输出端需选择适当地输出电路以减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的程度。,由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化，直流偏置的输出栅极OG用来使漏扩散时钟脉冲之间退耦，由于二极管反向偏置，形成一个深陷落信号电荷的势阱，转移到2电极下的电荷包越过输出栅极，流入到深势阱中。,电流输出：如图a。,(2)浮置扩散放大器输出,复位管在2下的势阱未形成前，在RG端加复位脉冲，使复位管导通，把浮置扩散区剩余电荷抽走，复位到UDD，而当电荷到来时，复位管截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管栅极电位变化。,（3）浮置栅放大器输出：如下图。,T2的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接，而
14、是与沟道上面的浮置栅相连。当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅上感应出镜像电荷，以此来控制T2的栅极电位。,四、CCD的特性参数,1、转移效率转移损失率转移效率：一次转移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比。,转移损失率：,影响电荷转移效率的主要因素为界面态对电荷的俘获。为此，常采用“胖零”工作模式，即让“零信号”也有一定的电荷。,2、工作频率f（1）下限：为避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须小于少数载流子的平均寿命，对于三相CCD,t 为：t=T/3=1/3f,故，f1/3。（2）上限：当工作频率升高时，若电荷本身
15、从一个电极转移到另一个电极所需的时间大于驱动脉冲使其转移地时间T/3,那么信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，使转移效率大大降低。故tT/3，即f 1/3t。,五、电荷耦合摄像器件（ICCD）,1、工作原理利用光学成像系统将景物图像成在CCD地像敏面上。像敏面将照在每一像敏面的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元（MOS电容）中，然后，再转移到CCD的移位寄存器（转移电极下的势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。,2、类型（1）线型CCD摄像器件单沟道线型ICCD双沟道线型ICCD（2）面阵ICCD帧转移面阵ICCD隔列转移型面阵ICCD线转移型面阵ICCD,线阵
16、CCD外形,面阵CCD,面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。,面阵CCD外形（续）,200万和1600万像素的面阵CCD,面阵CCD外形（续）,面阵CCD外形（续）,3、ICCD的基本特性参数（1）光电转换特性良好，光电转换因子可达到99.7%。（2）光谱响应 ICCD常采用背面照射的受光方式，采用硅衬底的ICCD，其光谱响应范围为0.41.1um，平均量子效率为25，绝对响应为0.10.2A*W-1。(3)动态范围：由势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比决定。,（4）噪声：电荷注入噪声；电荷量变化引起的噪声（转移噪声）检测时产生的噪声（输出噪声）。（5）暗电流产
17、生的主要原因：耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁；少数载流子在中性体内的扩散；来自SiO2表面（硅中缺陷杂质数目）引起的暗电流；Si-SiO2界面表面的晶体缺陷玷污等；温度，温度越高，暗电流越大。,（6）分辨力,2856K白炽光源,单色光源,线阵CCD在扫描仪中的应用,六、CCD图像传感器的应用,线阵CCD在图像扫描中的应用,线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控,风云一号卫星可以对 地球上空的云层分布 进行逐行扫描,线阵CCD用于字符识别,CCD数码照相机,数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。数码相机从外观看，也有光学镜头、
18、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。,CCD用于图像记录,数码相机的外形,三基色分离原理,CCD数码照相机的结构,数码相机的结构解剖（索尼F828）,CCD,CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片,CCD数码摄像机,CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，CMOS的各项技术指标有望超过CCD，它在图像传感器中的应用也将日趋广泛。,七、CMOS图像传感器,CMOS视频摄像头,带红外LED照明的CMOS视频摄像头,CMOS视频摄像头的外部结构,CMOS视频摄像头的外形及内部结构,
