1、第八章 光电成像器件,8.1 摄像管 8.2 摄像器件的性能参数 8.3 电荷耦合器件 8.4 CMOS图像传感器 8.5 图像增强器,摄像机video camera 摄像机种类繁多，其工作的基本原理都是一样的：把光学图象信号转变为电信号，以便于存储或者传输。当我们拍摄一个物体时，此物体上反射的光被摄像机镜头收集，使其聚焦在摄像器件的受光面（例如摄像管的靶面）上，再通过摄像器件把光转变为电能，即得到了“视频信号”。,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 CMOS图像传感器 像管 使光学图像增强或改变光谱 像增强器 变像管,8.1 摄像
2、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,PIN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
3、位（图像擦除）。,8.2 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
4、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。,用一个能量正弦分布的物体来看一下调制（对比）传递函数的情况，有一个物体的能量分布如下图所示，能量为正弦分布，平均能量b0,能量起伏为b1,则我们称这物体的调制度（对比度）为：,物体调制度反映了物体的对比情况， 若物体的调制度M0=1，表示b1= b0， 此时物体有最大的调制度；若物体的调制度M0=0，表示b1=0， 即能量没有起伏，物体有最小的调制度；,如果物体经成像系统成像后的 调制度为Mi，则成像系统对某 一频率的调制传递函数MTF为：,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
5、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 = 10n : 1,固体摄像器件,固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号 视频信号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。,8.3 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),固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件（Charge
6、Coupled Device，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）电荷注入器件（Charge Injection Device， 即CID） 目前，前两种用得较多，我们这里只分析CCD一种。,一、电荷耦合摄像器件,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。CCD工作过程信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。,（1）、 CCD的基本结构包括：转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单元是MOS电容。,1、电荷耦合器件的基本原理,一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或
7、N型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。,（2）、电荷存储,以衬底为P型硅构成的MOS电容为例。,当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2界面处的电势发生变化，附近的P型硅中的多数载流子-空穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过MOS晶体管,的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度耗尽状态，电子在那里势能较低-形成了一个势阱。如有信号电子，将聚集在表面，实现电荷的存储。此时耗尽层变薄。势阱的深浅决定存储电荷能力的大小。,（3）、电荷转移,CCD的转移电极相数有二相、三相、四相等。对于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移
8、，至少需要三相。这里以三相表面沟道CCD为例。,表面沟道器件，即 SCCD（Surface Channel CCD）转移沟道在界面的CCD器件。,表面沟道器件的特点：工艺简单，动态范围大，但信号电荷的转移受表面态的影响，转移速度和转移效率底，工作频率一般在10MHz以下。,体内沟道（或埋沟道CCD）：BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达99.999以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件。,（4）、光信号的注入,CC
9、D的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传来的光信号，即采用光注入CCD。,当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。,光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。,（5）、电荷检测 （输出）,CCD输出结构是将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。,电荷输出结构有多种形式，如电流输出结构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构等。浮置扩散输出结构应用最广。,OG：输出
10、控制栅，FD：浮置扩散区，R:复位控制栅，RD:复位漏,T:输出场效应管。,浮置栅是指在P型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的n+区域，当扩散区不被偏置，其处于浮置状态。,电荷包的输出过程：VOG为一定值的正电压，在OG电极下形成耗尽层，使3与FD之间建立导电沟道。在3高电位期间，电荷包存储在3电极下面。随后复位栅R加正复位脉冲R ，使FD 区与RD区沟通。因V RD为正十几伏的直流偏置电压，则FD区的电荷被RD区抽走。复位正脉冲过去后， FD 区与RD区呈夹断状态， FD 区具有一定的浮置。之后3转变为低电位， 3电极下面的电荷包通过OG下的沟道转移到FD 区。,对CCD的输出信号进行处理时
11、，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。,浮置 栅CCD放大输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度T；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。,彩色CCD的组成结构分图,CCD 的三层结构：上：增光镜片、中：色块网格 下：感应线路 由微型镜头、马赛克分色网格，及垫于最底层的电子线路矩阵所组成,彩色CCD运行图,2、电荷耦合摄像器件的工作原理,CCD的电荷存储、转移的概念 + 半导体的光电性质CCD摄像器件按结构可分为线阵CCD和面阵CCD按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD可见光CCD又可分为黑白C
12、CD、彩色CCD和微光CCD,一.CCD的结构与工作原理, 关于线阵CCD 关于面阵CCDCCD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,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;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。,（1）线阵CCD线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构。下图(a)为单沟道，(b)为双沟道。,光积分光
13、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,像敏区 存储区 水平移位寄存器 输出端 信号通道放大器OS 补偿放大器OS,面阵CCD,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=L L: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
14、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 Usat/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
15、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
16、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、连线简单。,四.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、传真机中，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：,实例：,由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃
17、管成像 的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间 亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的 壁厚像。 成像物镜的放大倍率为，CCD相元尺寸为t， 上壁厚、下壁厚分别为n1、n2 ，外径尺寸的脉冲 数（即像元个数）为N，测量结果有：,分别为上壁厚、 下壁厚，外径尺寸。,测量电路和观测点波形图,1、CMOS图像传感器的组成？2、CMOS图像传感器的像元结构哪两种？被动式和主动式3、CCD与CMOS的区别有哪些？,8.4 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
18、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。 可实现随机读取图像信息。,一.CMOS图像传感器结构,总体结构框图,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。,光
19、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。,二.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；,保安监控: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
20、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。,三.发展趋势,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!,8.5 图像增强器,变像管是把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10
21、5,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,三.第三代图像增强器 NEA光电阴极MCP,四.图像增强器与摄像器件的耦合微光摄像机,三、CMOS摄像器件,采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统Camera-On-A-Chip,1 CMOS像素结构,无源像素型（PPS） 有源像素型（APS）,无源像素结
22、构,无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。,MOS 摄像器件的工作原理：,有源像素结构,光电二极管型有源像素（PDAPS）,大多数中低性能的应用,光栅型有源像素结构（PGAPS）,成像质量较高,CMOS有源像素传感器的功耗比较小。但与无源像素结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系数典型值为20%-30%。在CMOS上制作微透镜阵列，可以等效提高填充系数。,外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元，行像素内的
23、信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。行选通单元可以对像素阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息,2 CMOS摄像器件的总体结构,CMOS摄像器件的结构：,APS(Active Pixel Structure )： 由1990s中期NASA引入CMOS 图像传感器，解决了噪声问题。 像素尺寸减小后低光照下灵敏 度迅速降低，采用微透镜和滤色 片组合以及CMOS工艺的优势， 前景好于CCD
24、。,3 CMOS与CCD器件的比较,CCD摄像器件 灵敏度高、噪声低、像素面积小 难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用相对高的工作电压，制造成本比较高,CMOS摄像器件 集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低 需进一步提高器件的信噪比和灵敏度,Eric R. Fossum. CMOS Image Sensors: Electronic Camera-On-A-Chip. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONIC DEVICES, 1997,44(10): 1689-1698,作业：请查资料，编写PPT平板显示器介绍请于下周六（8日）之前发至邮箱： 邮件名为：姓名+班级+学号每人必须完成，下次课抽查请同学上讲台讲解。,
