光电成像技术课件.ppt

1、第6 章 光电成像系统光电子技术基础将美丽将美丽留驻？留驻？实物实物图像图像?图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上如何准确地描述一幅图像？第6 章 光电成像系统 6.1 光电成像概述光电成像概述6.2 固体摄像器件分类及性能固体摄像器件分类及性能 6.3 红外成像技术红外成像技术 6.4 光学成像系统和光学传递函数光学成像系统和光学传递函数第6 章 光电成像系统6.1 光电成像概述光电成像概述一、光电成像系统的分类：一、光电成像系统的分类： 按照光电成像系统对应的按照光电成像系统对应的光波长范围光波长范围分类分类： 可见光可见光光电成像系统光电成像系统；紫外光紫

2、外光光电成像系统光电成像系统；红外光红外光光电成像系统；光电成像系统； X光光 光电成像系统。光电成像系统。 二、光电成像系统要研究的问题二、光电成像系统要研究的问题 光电成像涉及到一系列复杂的信号传递过光电成像涉及到一系列复杂的信号传递过程。程。 有四个方面的问题需要研究：有四个方面的问题需要研究：1、能量方面、能量方面物体、光学系统和接收器的物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题的问题 。6.1 光电成像概述光电成像概述3、噪声方面、噪声方面决定接收到的信号不稳定的决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性。程度或可靠性。4

3、、信息传递速率方面、信息传递速率方面 成像特性、噪声成像特性、噪声信息传递问题，决定能被传递的信息量大小。信息传递问题，决定能被传递的信息量大小。2、成像特性、成像特性能分辨的光信号在空间和时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间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率的光谱分辨率 。6.1 光电成像概述光电成像概述三、光电成像系统基本组成的框图三、光电成像系统基本组成的框图物体(信号源)传输介质光学系统(信号分析器)光电摄像器件(信号变换器)显示器人眼光源光信号光信号光信号信号信号背景噪声背景噪声噪声噪声 其中其中光电摄（成）像器件光电摄（成）像器件是光电成

4、像系统的核心。是光电成像系统的核心。 6.1 光电成像概述光电成像概述景物景物同步扫描同步扫描视频信号视频信号光学成像光学成像光电变换光电变换图像分割图像分割传送传送同步扫描同步扫描视频解调视频解调图像再现图像再现摄像部分摄像部分显像部分显像部分光电成像系统原理方框图光电成像系统原理方框图6.2 固体摄像器件分类及性能固体摄像器件分类及性能固体摄像器件的功能：固体摄像器件的功能： 光学图像光学图像 电信号电信号 把入射到传感器光敏面上按空间分布把入射到传感器光敏面上按空间分布的的光强信息光强信息（可见光、红外辐射等），转（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号换为按时序串行输出的电

5、信号 视频信视频信号号。其视频信号能。其视频信号能再现入射的光辐射图像再现入射的光辐射图像。 转换转换固体摄像器件主要有三大类：固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器（即（即CMOS）电荷注入器件电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即即CID） 目前，目前，前两种前两种用得较多，我们这里主要分析用得较多，我们这里主要分析 CCD一种。一种。注：注：CCD是集成在半导体单晶材料上，而是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属

6、氧化物的半导体材是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上料上 ,工作原理上没有区别。工作原理上没有区别。6.2 固体摄像器件分类及性能固体摄像器件分类及性能具有固体器件所有优点；具有固体器件所有优点；自扫自扫描输出方式描输出方式消除了电子束扫描消除了电子束扫描造成的图像光电转换的非线性造成的图像光电转换的非线性失真，体积、重量、功耗和制失真，体积、重量、功耗和制造成本是电子束摄像管无法达造成本是电子束摄像管无法达到的。到的。CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为广泛应用图像传感器的新时代。广泛应用图像传感器的新时代。6.2 固体摄像器件分类及性能固体摄

7、像器件分类及性能Fig.1贝尔实验室贝尔实验室George Smith和和Willard Boyle将可视将可视电话和半导体存储技术结合电话和半导体存储技术结合发明了发明了CCD原型原型2009年诺贝尔奖物理学奖得主年诺贝尔奖物理学奖得主6.2 固体摄像器件分类及性能固体摄像器件分类及性能l瑞典皇家科学院瑞典皇家科学院6日宣布，美国科学家威拉德日宣布，美国科学家威拉德博伊尔和乔治博伊尔和乔治史密斯因史密斯因发明电荷耦合器件（发明电荷耦合器件（CCD）图像传感器而与）图像传感器而与“光纤之父光纤之父”高锟一同获高锟一同获得得2009年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。l评委会赞扬博伊尔与史密斯评

8、委会赞扬博伊尔与史密斯1969年第一次成功地发明了数字成像技术，年第一次成功地发明了数字成像技术，工作于贝尔实验室的他们设计了一种影像传感器，可以将光在短时间工作于贝尔实验室的他们设计了一种影像传感器，可以将光在短时间内转化为像素，为摄影技术带来内转化为像素，为摄影技术带来“革命化革命化”变革。变革。“没有没有CCD，数码，数码相机的发展将更为缓慢。没有相机的发展将更为缓慢。没有CCD，我们就不会看到哈勃太空望远镜，我们就不会看到哈勃太空望远镜拍摄的令人诧异的图片，也不会看到我们的邻居火星上的红色沙漠图拍摄的令人诧异的图片，也不会看到我们的邻居火星上的红色沙漠图像。像。”评委会说。评委会说。1

9、66.2 固体摄像器件分类及性能固体摄像器件分类及性能19691969年，由美国的贝尔研究室所开发出来的。年，由美国的贝尔研究室所开发出来的。同年，日本的同年，日本的SONYSONY公司也公司也开始研究开始研究CCDCCD。19731973年年1 1月，月，SONYSONY中研所发表第一个以中研所发表第一个以9696个图素并以线性感知的二次元个图素并以线性感知的二次元影像传感器影像传感器8H8H* *8V (648V (64图素图素) FT) FT方式三相方式三相CCDCCD。19741974年年6 6月，彩色影像用的月，彩色影像用的FTFT方式方式32H32H* *64V CCD64V CC

10、D研究成功了。研究成功了。19761976年年8 8月，完成实验室第一支摄影机的开发。月，完成实验室第一支摄影机的开发。19801980年，年，SONY SONY 发表全世界第一个商品化的发表全世界第一个商品化的CCDCCD摄影机摄影机 ( (编号编号XC-1) XC-1) 。19811981年，发表了年，发表了2828万个图素的万个图素的 CCD (CCD (电子式稳定摄影机电子式稳定摄影机MABIKA)MABIKA)。19831983年，年，1919万个图素的万个图素的ITIT方式方式CCDCCD量产成功。量产成功。19841984年，发表了低污点高分辨率的年，发表了低污点高分辨率的CCD

11、CCD。19871987年，年，1/2 inch 251/2 inch 25万图素的万图素的 CCDCCD，在市面上销售。，在市面上销售。同年，发表同年，发表2/3 inch 382/3 inch 38万图素的万图素的CCDCCD，且在市面上销售。，且在市面上销售。19901990年年7 7月，诞生了全世界第一台月，诞生了全世界第一台 V8V8。CCDCCD发展史发展史6.2 固体摄像器件分类及性能固体摄像器件分类及性能6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 CCDCCD（Charge Coupled DeviceCharge Coupled Device）, ,是是7070年代初发展起

12、来的新型半导体光电成像器件年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。 30多年来，多年来， CCD技术已广泛的应用于技术已广泛的应用于信号处理、数字存储及影像传感等领域。信号处理、数字存储及影像传感等领域。 其中，其中，CCD技术在技术在影像传感影像传感中的应用最为广中的应用最为广泛，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、泛，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的领域之一。最富有成果的领域之一。CCD的的特点特点: 以以电荷电荷作为信号作为信号。CCD的的基本功能基本功能: 电荷电荷存储存储和电荷和电荷转移转移。CCD工作过程工作过程: 信号电荷的信号电荷的产生产生、存储存储、传传输

13、输和和检测检测的过程的过程。 6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 1、CCD的基本结构：的基本结构： （1）输入部分：输入部分： 输入二极管（输入二极管（ID / Input diaode）、）、 输入栅（输入栅（IG / Input Grid）一、电荷耦合器件的基本原理一、电荷耦合器件的基本原理 6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 （2）MOSMOS结构部分：结构部分： a. 以以P型或型或N型硅半导体为型硅半导体为衬底衬底。 （本文以（本文以P型硅型硅为例）为例） b. 在衬底上生长一层厚度为零点几个微米的在衬底上生长一层厚

14、度为零点几个微米的二二氧化硅层氧化硅层。 c. 然后按一定的次序沉淀然后按一定的次序沉淀N个金属电极或多晶个金属电极或多晶硅电极，作为硅电极，作为栅极栅极。（。（栅极间的间距为2.5个微米，中心距离为15-20个微米） 于是，每个电极与其下方的二氧化硅和半导体之间就构成了一个 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体（Metal - Oxide - Semiconductor ）结构, 即MOS结构。(3) 输出部分输出部分：将电荷信号转换为电压或电流信号l 输出栅（OG/ Output diaode）l 输出二极管 （OD / Output Grid）6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件

15、 输入栅输入栅输 入 二 极输 入 二 极管管输出栅输出二极管图6.3 CCD的结构简图栅栅 极极金属 M氧化物 O半导体 SP- Si / N Si 6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 l）的输入部分（）电注入：当用于信息存储或信息处理时，通过输入端注入与信号成正比的电荷。有两种方式，电流注入法和电压注入法。如图.（） 所示为电流注入法结构，如图.（）所示为电压注入法结构。6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 l（）光注入：当用于拍摄光学图像时，把按照照度分布的光学图像通过光电转换转化为电荷分布，然后由输入部分注入。l相机采用的就是光注入，如图.所示。6.2.1 电荷耦合摄

16、像器件电荷耦合摄像器件 l式中，为材料的量子效率；为电子电荷量；为入射光的光子流速率；为光敏单元的受光面积；为光的注入时间。图6.6 MOS的基本结构6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 ）结构部分）结构部分电容器是构成的最基本单元，它是金属氧化物半导体（）器件中结构最为简单的。以衬底为型硅构成的电容为例。在半导体型硅为衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度为的二氧化硅（），再在二氧化硅表面蒸镀一层金属（如铝），在衬底和金属电极间加上偏置电压，就构成了一个电容器。结构如图.所示。三、三、CCD的基本功能的基本功能 包括：电荷的产生、存储、转移和输出。l1、电荷的产生电荷的产生： 电荷的产

17、生方法主要分为：光注入和电注入。l（1）电注入电注入：当当CCDCCD用作信息存贮或信息处理时用作信息存贮或信息处理时，通过输入端注入与信号成正比的电荷。l（2）光注入光注入：当当CCDCCD用作拍摄光学图像时用作拍摄光学图像时，把按照照度分布的光学图像通过光电转换成为电荷分布，然后由输入部分注入。 CCD相机就是采用光注入。6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 1、电荷的产生电荷的产生：信号电荷的产生（示意图）金属电极氧化物半导体e-e-e-e-e-e-e-光生电子入射光MOSMOS电容器电容器2 2、电荷存储、电荷存储 以衬底为以衬底为P型硅构成的型硅构成的MOS电容为为例。电容为

18、为例。 （1）当向栅极施加一定当向栅极施加一定较小较小的的正向电压正向电压时时， P型硅中的空穴被排斥，产生型硅中的空穴被排斥，产生耗尽区耗尽区。 （2）当栅极的正向电压大于半导体的域值电压时，当栅极的正向电压大于半导体的域值电压时， 半导体与绝缘体界面上的电势变高，以致于将半导体与绝缘体界面上的电势变高，以致于将半导体体内的半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面电子（少数载流子）吸引到表面，形成，形成有一定宽度的可存储电子的有一定宽度的可存储电子的势阱势阱。6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 v 当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子

19、而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获）。2 2、电荷存储、电荷存储 电极上所加的电压越高，势阱越深，电荷留在阱内量越多。只要电压存在，电子就能储存在势阱里。由于绝缘氧化物层使得电子不能穿过而到达电极，因此存贮在势阱里的电子形成了电荷包，其电荷量的多少与光照强度及照射时间成正比，于是所有电极下的电荷包就组成了与景物相对应的电荷像。 信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱势阱入射光MOSMOS电容器电容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe- e-势阱势阱入射光MOSMOS电容器电容器+UGe-e

20、-e- e-e-e-+UthUG Uth 时光滴光滴小桶小桶光敏元光敏元CCD 的工作过程的工作过程1. 有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转化为有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转化为电荷。电荷。CCD 的工作过程的工作过程2. 这些电荷可以被储存起来。这些电荷可以被储存起来。这一过程存在着以下问题： 当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出 溢出的电荷会跑到相临的像素势阱里去。这样电量 就不能如实反映原物。要避免这种情况发生的方法：A 把桶做大些 B 减少测量时间C 把满的水倒出一些D 做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他 桶里 对应的方法：对应的

21、方法：l由此可见，增大像素尺寸是最简单有效的做法。水桶水桶CCD芯片芯片缺点缺点把桶做大增大单位像素尺寸减少测量时间缩短曝光时间对于暗的部分曝光不足把满的水桶到出一些间歇开关时钟电压降低速度做个导流管溢出沟道和溢出门制作复杂，且还有缺陷 当一个CCD芯片感光完毕后，每个像素所转换的电荷包就按照一行的方向转移出CCD感光区域，以为下一次感光释放空间。3、电荷转移、电荷转移6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 为实现信号电荷的转换： 1、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2、控制相邻MOS电容栅极电压高低调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅处流向

22、势阱深处。3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。 CCD 的工作过程的工作过程3. 电荷可以被有秩序地转移出感光区域。电荷可以被有秩序地转移出感光区域。3、电荷转移、电荷转移 通过按照一定的时序在电极上施加高低电压，使通过按照一定的时序在电极上施加高低电压，使电荷在相邻的势阱间进行转移。电荷在相邻的势阱间进行转移。 通常把通常把CCD的的电极分为几组电极分为几组，每一组称为一相，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。并施加同样的时钟脉冲。 按相数可分为：二相按相数可分为：二相CCD、三相、三相CCD、四相、四相CCD等。等。 对于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向对于单层金属化电极结

23、构，为了保证电荷的定向转移，至少需要三相。这里以转移，至少需要三相。这里以三相表面沟道三相表面沟道CCD为例。为例。6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 3、电荷转移、电荷转移6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 表面沟道器件，即表面沟道器件，即 SCCD（Surface Channel CCD）转移沟道在界面的转移沟道在界面的CCD器件。器件。 6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 lt1： 时钟驱动线1为高电平，由外界注入的信号电荷被存储于 1电极下表面的势阱中；lt 4：时钟驱动线 1为低电平，时钟驱动线 2为高电平，

24、信号电荷被存储于 2电极下表面的势阱中 l从而使信号电荷可控地一位一位地按顺序传输，这就是所谓的电荷藕荷。6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 如何实现电荷定向转移呢？如何实现电荷定向转移呢？下面以三相控制方式为下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。例说明控制电荷定向转移的过程。 P1 P1 P2 P2 P3 P3t P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3(b)电荷转移过程电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t30电荷包转移驱动脉冲 像元Pn 转移方向 像元Pn+1像元Pn+26.2.1

25、 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出极的电荷转化为电流或者电压的过程。 输出类型，主要有以下三种： 1）电流输出 2）浮置栅放大器输出 3）浮置扩散放大器输出 （4 4）信号电荷的检测）信号电荷的检测 CCD 的工作过程的工作过程4. 信号电荷输出，转化成电流或电压信号。信号电荷输出，转化成电流或电压信号。背照明光输入背照明光输入1电荷生成电荷生成2电荷存储电荷存储3电荷转移电荷转移复位输出4电荷检测电荷检测半导体半导体 CCD传感器传感器二、电荷耦合摄像器件的工作原理二、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

26、光电性质 CCD摄像器件 6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 电荷耦合器件有多种分类方法：电荷耦合器件有多种分类方法： 按结构分线阵CCD和面阵CCD； 按光谱分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD。 可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD 。 按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵和面阵两大类。 （1）线阵）线阵CCD 线阵CCD分为双沟道传输与单沟道传输两种结构，两种结构的工作原理相仿，但性能略有差别。 单沟道传输单沟道传输用于低位数CCD传感器。它的光敏单元与CCD移位寄存器SR分开，用转移栅控制光生信号电荷向移位寄存器转移，转移栅关闭时，光

27、敏单元势阱收集光信号电荷，经过一定的积分时间，形成与空间分布的光强信号对应的信号电荷图形。积分周期结束时，转移栅打开，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器SR的响应单元内。转移栅关闭后，光敏单元开始对下一行图像信号进行积分。而已转移到移位寄存器的上一行信号电荷，通过移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。(a)单沟道传输结构单沟道传输结构 （1）线阵）线阵CCD 线阵CCD分为双沟道传输与单沟道传输两种结构，两种结构的工作原理相仿，但性能略有差别。 双沟道传输双沟道传输结构光敏单元在中间，其奇偶单元的信号电荷分别传送到上、下两列移位寄存器后串行输出，最后合二为一，恢复信号电荷的原

28、有顺序。这种方案的优点是光敏单元有较高的封装密度，转移次数减少一半，可提高转移效率，改善图像传感器性能。 转移次数多、效率低。只适用于像素单元较少的成像器件。 转移次数减少一半，它的总转移效率也提高为原来的两倍。转移栅像敏单元CCD移位寄存器像敏单元转移栅转移栅 单沟道线阵单沟道线阵CCDCCD 双沟道线阵双沟道线阵CCD CCD 线阵CCD每次扫描一条线为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。（2）面阵）面阵CCD 按照一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄作器排列成二维阵列。就可以构成二维面阵CCD。6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 面阵CCD同时曝光整个

29、图像常见的面阵CCD摄像器件有两种：行间转移结构 与 帧转移结构。 Full frame transfer（全帧转移）芯片的每一个像素都感光。传输时，每一列向单行串行寄存器上相对应的位置转移。同时，串行寄存器向阵列的出口转移。转移方式转移方式Serial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameSerial RegisterOutput NodeActive ArrayFull FrameS

30、erial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayADCFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayADCFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameADCSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFu

31、ll FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameADCSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array彩色的形成彩色的形成 利用BAYER滤光片，让相临四个像素分别只能接收一色光。每个像素输出的信息只是相应色光的灰度值，之后通过软件合成为彩色。每四个像素形成一个单元，一个负责每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤

32、过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色（因为人眼对绿色比较敏感）绿色（因为人眼对绿色比较敏感） 6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 彩色CCD显微照片（放大7000倍）6.2.1 电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 751）转移效率和损耗率 电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移有一个过程,为了描述电荷包转移的不完全性，引入转移效率的概念。在一定的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为Q0，转移到下一个势阱时电荷包的电量为Q1，则转移效率定义为: =Q1/Q0损耗率表示残留于原势阱中的电量与原电量之比，故 =1- （-）6.2.2 电荷耦合摄像器件的特性参数电荷耦合摄像器件的特性参数 .的特性参

33、数的特性参数76 如果线阵列CCD共有n个极板，则总效率为n。 引起电荷包转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获和时钟频率过高，所以表面沟道CCD在使用时，为了提高转移效率，常采用偏置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。这样，即使是零信息，势阱中也有一定量的电荷。因此，也称这种技术为“胖零（fat zero）”技术。6.2.2 电荷耦合摄像器件的特性参数电荷耦合摄像器件的特性参数 ）不均匀度 不均匀度包括光敏元的不均匀性与的不均匀性。 本节讨论光敏元的不均匀性，认为是近似均匀的，即每次转移的效率是一样的。 定义光敏元响应的均方根偏差对平均响应的

34、比值为的不均匀度： 式中，为第个光敏元原始响应的等效电压；为平均原始响应等效电压；为线列的总位数。6.2.2 电荷耦合摄像器件的特性参数电荷耦合摄像器件的特性参数 l由于转移损失的存在，的输出信号与它所对应的光敏元的原始响应并不相等。l根据总损失公式，在测得后，可求出：式中，是的相数。6.2.2 电荷耦合摄像器件的特性参数电荷耦合摄像器件的特性参数 ）暗电流 成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流。暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发。由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，中暗电流密度的分布是不均匀的。暗电流的危害有两个方面：限制器件的低频限，引起固定

35、图像噪声。6.2.2 电荷耦合摄像器件的特性参数电荷耦合摄像器件的特性参数 80 4）光谱响应特性 现在固件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为0.41.15m左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，峰值波长为0.650.9m左右。 CCD的光谱特性曲线6.2.2 电荷耦合摄像器件的特性参数电荷耦合摄像器件的特性参数 图6.23 CCD 的光谱特性曲线）动态范围与线性度 线性度是指在动态范围内，输出信号与曝光量的关系是否成直线关系。6.2.2 电荷耦合摄像器件的特性参数电荷耦合摄像器件的特性参数 ）噪声）噪声 的噪声可归纳为三类：散粒的噪声可归纳为三类：散粒噪

36、声、转移噪声和热噪声。噪声、转移噪声和热噪声。l(1) 散粒噪声 在CCD中，无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数总有一定的不确定性，也就是围绕平均值上下变化，形成噪声。这种噪声常被称为散粒噪声，它与频率无关，是一种白噪声。l (2) 转移噪声 转移噪声主要是由转移损失及表面态俘获引起的噪声，这种噪声具有积累性和相关性。积累性是指转移噪声是在转移过程中逐次积累起来的，与转移次数成正比；相关性是指相邻电荷包的转移噪声是相关的，因为电荷包在转移过程中，每当有Q电荷转移到下一个势阱时，必然在原来势阱中留下一减量Q电荷，这份减量电荷叠加到下一个电荷包中，所以电荷包每次转移要引进两份噪声。

37、这两份噪声分别与前、后相邻同期的电荷包的转移噪声相关，l (3) 热噪声 热噪声是由于固体中载流子的无规则热运动引起的，在OK以上，无论其中有无外加电流通过，都有热噪声，对信号电荷注入及输出影响最大。 以上3种噪声源独立无关，所以CCD的总噪声功率是它们的均方和。 .的特性 图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。 其显著特点是： 体积小，重量轻； 功耗小，工作电压低，抗冲击与振动，性能稳定，寿 命长； 灵敏度高，噪声低，动态范围大； 响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像； 应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度 高，尺寸精确，商品化生

38、产成本低。6.2.2 电荷耦合摄像器件的特性参数电荷耦合摄像器件的特性参数 我国的CCD研制工作起步较晚，目前整体落后于日欧美等国，但是发展潜力很大。 嫦娥二号携带的CCD立体摄像机 提高分辨率与单纯增加像素数之间存在着一种矛盾。富士公司对人类视觉进行了全面研究，研制出了超级CCD ( Super CCD) 。（4）特殊）特殊CCD的发展的发展1.超级超级CCD 传统传统CCD CCD 超级超级CCD CCD 6.2.2 电荷耦合摄像器件的特性参数电荷耦合摄像器件的特性参数 由于地球引力等因素影响，图像信息空间频率的功率主要聚集于水平轴和垂直轴，而45对角线上功率最低。 根据富士公司发表的技术

39、资料，超级CCD的这种排列方式，感光时可以达到传统CCD两倍的分辨力。 八角形光电二极管以及45度排列阵列45 排列结构排列结构 用八角形像素单元取代传统矩形单元，使像素空间效率显著提高、密度达到最大，从而可以使光吸收效率得到显著提高。正八角形的像素外形超级超级CCD的性能提升的性能提升1.分辨力 独特的45蜂窝状像素排列，其分辨力比传统CCD 高60%。2.感光度、信噪比、动态范围 像敏元光吸收效率的提高使这些指标明显改善，在300 万像素时提升达130% 。3.彩色还原 由于信噪比提高，且采用专门LSI 信号处理器， 彩色还原能力提高50%。 截止2009年2月4日，日本富士公司已研发了8

40、代超级 CCD。Super CCD EXR传统三原色CCDSony发布的四色感应CCD-ICX456 新增的这个颜色加强了对自然风景的解色能力，让绿色这个层次能够创造出更多的变化。1. 组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。自动焦点等。2. 用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真技术。用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真技术。光学文字识别技术光学文字识别技术(OCR)与图像识别技术、光谱测与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等。量及空间遥感技术、机器人视觉技术等。3. 作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可

41、用于作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车及自动监视装置机床、自动售货机、自动搬运车及自动监视装置等。等。6.2.2 电荷耦合摄像器件的应用电荷耦合摄像器件的应用 基于CCD光电耦器件的设备：数字相机、平板扫描仪、指纹机CMOS摄像器件摄像器件 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。6.2.3 互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS1）CMOS 图像传感器的基本原理图像传感器的基本原理 CMOS 图像传感器的光电转换

42、原理与CCD 基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。而信号的读出方法却与CCD 不同，每个CMOS 源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出。CMOS 图像传感器的像素由感光元件和读出电路组成，感光元件是将光信号转变成电信号，读出电路是将这些电荷信号转变为更容易读取，更方便传输的电压信号。 CMOS 图像传感器的像素阵列是由大量相同的像素单元组成，这些相同的像素单元是传感器的关键部分。6.2.3 互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器CMOSlCMOS 图像传感器通常也是以像素的不同类型为标准进行分类的，一般来说CMOS 图像传感器中的像素可分为

43、无源像素(Passive Pixel sensor，简称PPS)有源像素传感器(Active Pixel sensor，简称APS)。l近年来又出现了新型的像素，数字像素(Digital Pixel Sensor 简称DPS)。6.2.3 互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS2）CMOS 的像素结构（1）无源像素 无源像素由一个反向偏置的光电二极管和一个选通管构成。每列像素有各自的电压积分放大器读出电路，它可以保持读出时列信号电压保持不变。它的工作原理是当选通管开启时，通过列线为光电二极管复位。复位结束后，选通管关闭。在曝光时间内，光电荷在光电二极管的寄生电容上

44、积分。当曝光结束后选通管打开，光电二极管与垂直的列线连通，与此同时，与光信号成正比的电荷由每列底部的电荷积分放大器转换为电荷输出，于是光电二极管存储的信号电荷被读出。6.2.3 互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS 由于无源像素的结构简单，像素内只有一个选择（通）管，所以其填充因子，即有效光敏面积和单元面积之比）很大，这使得量子效率很高。 但是这种结构存在着两方面的不足：其一，各像元中开关管的导通阈值难以完全匹配，所以即使器件所接收的入射光线完全均匀一致，其输出信号仍会形成某种相对固定的特定图形，也就是所谓的“固定模式噪声” （ ，），致使的读出噪声很大，典型值

45、为个均方根电子，较大的固定模式噪声的存在是其致命的弱点；6.2.3 互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS 其二，光敏单元的驱动能量相对较弱，故而列线不宜过长以期减小其分布参数的影响。受多路传输线寄生电容及读出速率的限制，难以向大型阵列发展。6.2.3 互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS）有源像素 有源像素传感器就是在每个光敏像元内引入至少一个（一般为几个） 有源放大器，如图.所示。 它具有像元内信号放大和缓冲作用。在像元内设置放大元件，改善了像元结构的噪声性能。它的工作原理是首先复位管开启为光电二极管复位，在曝光周期内光电荷在反

46、偏结的寄生电容上积分，曝光结束选通管打开，光电二极管上的电压信号通过缓冲器缓冲后读出。有源像素在像素内使用电压跟随器以减小填充因子为代价来提高像素性能。6.2.3 互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS）数字像素 上面提到的无源像素传感器和有源像素传感器的像素读出都为模拟信号，于是它们又通称为模拟像素传感器。美国斯坦福大学最早提出了一种新的像素结构数字像素传感器（，），即它在像素单元里集成了模数转换器（） 和存储单元（），如图.所示。6.2.3 互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS.与器件的比较 和图像传感器在结构和工作方式上的差别

47、，使得它们在应用中也存在很大不同。主要有几个方面： ）电荷读出方式 ）集成度）读取速度）功耗）价格）工艺）访问灵活性）填充系数）灵敏度和动态范围6.2.3 互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS与图像传感器的性能比较如表.所示。 6.2.3 互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS CCD相机拍出的图片 CMOS相机拍出的片6.2.3 互补金属氧化物半导体图像传感器互补金属氧化物半导体图像传感器CMOSl红外焦平面器件（）就是将、技术引入红外波段所形成的新一代红外探测器，是现代红外成像系统的关键器件。建立在材料、探测器阵列、微电子、互连

48、、封装等多项技术基础之上。6.2.4 红外焦平面器件红外焦平面器件1）工作条件通常工作于、和的红外波段并多数探测背景中的目标。 2） 材料是目前最重要的红外探测器材料，研制与发展是目前的主攻方向。 由光伏探测器阵列和或读出电路通过铟柱互连而组成混合式结构。）硅肖特基势垒）非制冷A）多量子阱（）6.2.4 红外焦平面器件红外焦平面器件 6.3 红外成像技术红外成像技术l红外成像技术又称红外热成像技术，它是通过光学机械扫描系统，将物体发出的红外线辐射会聚在红外探测器上，形成红外热图像，用来测量物体表面温度分布状态的一种现代技术。由于红外成像技术具有无损、非接触、简便的特点，已广泛应用于各个领域。l

49、年，开始采用近红外进行摄影。l年，苛勒发明了银氧铯（）光阴极，开创了红外成像器件的先河。l世纪年代中期，荷兰、德国、美国各自独立研制成红外变像管，红外夜视系统应用于实战。l年，美国陆军制成第一台热像记录仪。l红外辐射的倍频程比可见光宽。l倍频程：若使每一频带的上限频率比下限频率高一倍，即频率之比为，这样划分的每l一个频程称为倍频程，简称倍频程。l可见光：.，一个倍频程；l红外线：.，商为，个倍频程。6.3 红外成像技术红外成像技术l自然界一切高于热力学零度（.） 的物体都具有一定的温度，并以电磁波的形l式向外辐射能量。根据普朗克热辐射定律，物体的热辐射是波长和温度的函数，温度越高，l辐射能量越

50、大，其辐射波长越短。在此主要讨论摄像管的结构和原理。l红外成像系统可分为主动式红外成像系统和被动式红外成像系统。6.3.1红外成像技术的基本原理红外成像技术的基本原理、主动式红外成像系统 主动式红外成像系统自身带有红外光源，是根据被成像物体对红外光源的不同反射率，以红外变像管作为光电成像器件的红外成像系统，如红外夜视仪。l优点：成像清晰，对比度高，不受环境光源影响。l缺点：易暴露，不利于军事应用。6.3.1红外成像技术的基本原理红外成像技术的基本原理）光学系统光学系统包括目镜组和物镜组。物镜组：物镜组：把目标成像于变像管的光阴极面上；目镜组：目镜组：把变像管荧光屏上的像放大，便于人眼观察。6.