光電技術(shù)：第8章 圖像信息的光電變換 第1節(jié)

1、第8章 圖像信息的光電變換,8.1 圖像傳感器簡介,8.1.1 圖像傳感器發(fā)展歷史 完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。光電圖像傳感器的發(fā)展歷史悠久，種類很多。 早在1934年就成功地研制出光電攝像管（Iconoscope），用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。但是，它的靈敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000lx的照度才能獲得較為清晰的圖像。使它的應用受到限制。 1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico），的靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2 000lx以上,1954年投放市場的高靈敏視像管（Vidicon）基本具有了成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡單的特點，使廣播電視事業(yè)

2、和工業(yè)電視事業(yè)有了更大的發(fā)展。 1965年推出的氧化鉛視像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，發(fā)展了彩色電視攝像機，使彩色廣播電視攝像機的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。誕生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色攝像機。然而，氧化鉛視像管抗強光的能力低，余輝效應影響了它的采樣速率。 1976年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。不斷滿足人們對圖像傳感器日益增長的需要。 1970年，美國貝爾電話實驗室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（CCD）的原理使圖像傳感器的發(fā)展進入了一個全新的階段，使圖像傳感器,從真空電子束掃描方式發(fā)展成為固體自掃描輸

3、出方式,CCD圖像傳感器不但具有固體器件的所有優(yōu)點，而且它的自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性失真。即CCD圖像傳感器的輸出信號能夠不失真地將光學圖像轉(zhuǎn)換成視頻電視圖像。而且，它的體積、重量、功耗和制造成本是電子束攝像管根本無法達到的。CCD圖像傳感器的誕生和發(fā)展使人們進入了更為廣泛應用圖像傳感器的新時代。利用CCD圖像傳感器人們可以近距離的實地觀測星球表面的圖像，可以觀察腸、胃耳、鼻、喉等器官內(nèi)部的病變圖像信息，可以觀察人們不能直接觀測的圖像（如放射環(huán)境的圖像，敵方陣地圖像等）。CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。CCD圖像傳感器的應用研究成為當今高新技術(shù)

4、的主流課題,8.1.2 圖像傳感器的分類,CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。CCD圖像傳感器的應用研究成為當今高新技術(shù)的主流課題。它的發(fā)展推動了廣播電視、工業(yè)電視、醫(yī)用電視、軍用電視、微光與紅外電視技術(shù)的發(fā)展，帶動了機器視覺的發(fā)展，促進了公安刑偵、交通指揮、安全保衛(wèi)等事業(yè)的發(fā)展,圖像傳感器按其工作方式可分為掃描型兩類和直視型。掃描型圖像傳感器件通過電子束掃描或數(shù)字電路的自掃描方式將二維光學圖像轉(zhuǎn)換成一維時序信號輸出出來。這種代表圖像信息的一維信號稱為視頻信號。視頻信號可通過信號放大和同步控制等處理后，通過相應的顯示設備（如監(jiān)視器）還原成二維光學圖像信號,視頻信號的產(chǎn)生、傳輸與還

5、原過程中都要遵守一定的規(guī)則才能保證圖像信息不產(chǎn)生失真，這種規(guī)則稱為制式,例如廣播電視系統(tǒng)中遵循的規(guī)則被稱為電視制式。數(shù)字圖像傳輸與處理過程中根據(jù)計算機接口方式的不同也規(guī)定了許多種類的制式,掃描型圖像傳感器輸出的視頻信號可經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（或稱其為數(shù)字圖像信號），存入計算機系統(tǒng)，并在軟件的支持下完成圖像處理、存儲、傳輸、顯示及分析等功能。因此，掃描型圖像傳感器的應用范圍遠遠超過直視型圖像傳感器的應用范圍。 直視型圖像傳感器用于圖像的轉(zhuǎn)換和增強。它的工作方式是將入射輻射圖像通過外光電轉(zhuǎn)化為電子圖像，再由電場或電磁場的加速與聚焦進行能量的增強，并利用二次電子的發(fā)射作用進行電子倍增，最后將增強的

6、電子圖像激發(fā)熒光屏產(chǎn)生可見光圖像。 本章主要討論從光學圖像到視頻信號的轉(zhuǎn)換原理，即圖像傳感器的基本工作原理和典型應用問題,8.2 光電成像原理與電視制式,8.2.1 光電成像原理,如圖8-1所示為光電成像系統(tǒng)的基本原理方框圖?？梢钥闯龉怆姵上裣到y(tǒng)常被分成攝像系統(tǒng)(攝像機)與圖像顯示系統(tǒng)兩部分。攝像系統(tǒng)由光學成像系統(tǒng)（成像物鏡）、光電變換系統(tǒng)、同步掃描和圖像編碼等部分構(gòu)成，輸出全電視視頻信號。本節(jié)主要討論光電成像系統(tǒng),1.攝像機的基本原理,在外界照明光照射下或自身發(fā)光的景物經(jīng)成像物鏡成像在物鏡的像面(光電圖像傳感器的像面)上，形成二維空間光強分布的光學圖像。 光電圖像傳感器完成將光學圖像轉(zhuǎn)變成二

7、維“電氣” 圖像的工作,組成一幅圖像的最小單元稱為像素或像元，像元的大小或一幅圖像所包含的像元數(shù)決定了圖像的分辨率，分辨率越高，圖像的細節(jié)信息越豐富，圖像越清晰，圖像質(zhì)量越高。即將圖像分割得越細，圖像質(zhì)量越高,高質(zhì)量的圖像來源于高質(zhì)量的攝像系統(tǒng)，其中主要是高質(zhì)量的光電圖像傳感器,2. 圖像的分割與掃描,將一幅圖像分割成若干像素的方法有很多，超正析像管利用電子束掃描光電陰極的方法分割像素；視像管由電阻海顆粒分割；面陣CCD、CMOS圖像傳感器用光敏單元分割。被分割后的電氣圖像經(jīng)掃描才能輸出一維時序信號，掃描的方式也與圖像傳感器的性質(zhì)有關(guān)。 面陣CCD采用轉(zhuǎn)移脈沖方式將電荷包（像素信號）輸出一維時

8、序信號；CMOS圖像傳感器采用順序開通行、列開關(guān)的方式完成像素信號的一維輸出。因此，有時也稱面陣CCD、CMOS圖像傳感器以自掃描的方式輸出一維時序電信號。 監(jiān)視器或電視接收機的顯像管幾乎都是利用電磁場使電子束偏轉(zhuǎn)而實現(xiàn)行與場掃描，因此，對于行、場掃描的速度、周期等參數(shù)進行嚴格的規(guī)定，以便顯像管顯示理想的圖像,如圖8-2（a）所示的亮度按正弦分布的光柵圖像，電子束掃描一行將輸出如圖8-2（b）所示正弦時序信號，其縱坐標為與亮度L有關(guān)的電壓U，橫坐標為掃描時間t。若圖像的寬度為W，圖像在x方向的亮度分布為Lx，設正弦光柵圖像的空間頻率為fx。電子束從左向右掃描（正程掃描）的時間頻率f應為,8-1

9、,式中thf為行掃描周期，而W/thf應為電子束的行掃描速度，記為vhf，式可改寫為 f=fxvhf （8-2,CCD與CMOS等圖像傳感器只有遵守上述的掃描方式才能替代電子束攝像管，因此,CCD與CMOS的設計者均使其自掃描制式與電子束攝像管相同,8.2.2 電視制式,電視的圖像發(fā)送與接收系統(tǒng)中，圖像的采集（攝像機）與圖像顯示器必需遵守同樣的分割規(guī)則才能獲得理想的圖像傳輸。這個規(guī)則被稱為電視制式。 電視制式的制定，應根據(jù)當時的科技發(fā)展狀況和技術(shù)條件，考慮本國或本地區(qū)電網(wǎng)對電視系統(tǒng)的干擾情況，人眼對圖像的視覺感受和人們對電視圖像的要求等條件制定。 目前，正在應用中的電視制式一般有三種： 其中，

10、我國以及西歐各國的彩色電視制式，該電視制式確定的場頻為50 Hz，隔行掃描每幀掃描行數(shù)為625行，伴音、圖像載頻帶寬為6.5 MHz。也稱為PAL彩色電視制式,1. PAL彩色電視制式,PAL電視制式中規(guī)定場周期為20ms,其中場正程時間為18.4ms, 場逆程時間為1.6ms；行頻為15625 Hz，行周期為64s,行正程時間為52s,行逆程時間為12s,1）電視圖像的寬高比 若用W和H分別代表電視屏幕上顯示圖像的寬度和高度，二者之比稱為圖像的寬高比，用表示,2) 幀頻與場頻 每秒中電視屏幕變化的數(shù)目稱為幀頻。 我國電網(wǎng)頻率為50Hz，因此，采用了50Hz場頻和25 Hz幀頻的隔行掃描的PA

11、L電視制式,8-3,2. 掃描方式,3）掃描行數(shù)與行頻 幀頻與場頻確定后，電視掃描系統(tǒng)中還需要確定的參數(shù)是每場掃描的行數(shù)，或電子束掃描一行所需要的時間，又稱為行周期。行周期的倒數(shù)稱為行頻,綜合起來，我國現(xiàn)行電視制式（PAL制式）的主要參數(shù)為：寬高比=4/3；場頻fv=50 Hz；行頻fl=15 625 Hz；場周期T=20ms，其中場正程掃描時間為18.4ms，逆程掃描時間為1.6ms。行周期為64s，其中行正程掃描時間為52s，逆程掃描時間為12s,1）逐行掃描 顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個方向的偏轉(zhuǎn)線圈，線圈中分別流過如圖8-3所示的鋸齒波電流，電子束在偏轉(zhuǎn)線圈形成的磁場,作用下同時進

12、行水平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn)，完成對顯像管熒光屏的掃描,2）隔行掃描 根據(jù)人眼對圖像分辨能力確定掃描的水平行數(shù)至少應大于600行，這對于逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于29000Hz才能保證人眼視覺對圖像的最低要求。這樣高的行掃描頻率，無論對攝像系統(tǒng)還是對顯示系統(tǒng)都提出了更高的要求。為了降低行掃描頻率，又,能保證人眼視覺對圖像分辨率及閃耀感的要求，早在20世紀初，人們就提出了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法,兩場光柵均勻交錯疊加是對隔行掃描方式的基本要求，否則圖像的質(zhì)量將大為降低。因此要求隔行掃描必須滿足下面兩個要求： 第一，要求下一幀圖像的掃描起始點應與上一幀起始點相同，確保各幀掃描光柵重疊,

13、第二，要求相鄰兩場光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最高的清晰度。 從第一條要求考慮，每幀掃描的行數(shù)應為整數(shù)，若在各場掃描電流都一樣的情況下，要滿足第二條要求，每幀均應為奇數(shù)。那末，每場的掃描行數(shù)就要出現(xiàn)半行的情況。 目前，我國現(xiàn)行的隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數(shù)為625行，每場掃描行數(shù)為312.5行,8.4 電荷耦合器件,8.4.1 線陣CCD圖像傳感器,CCD（Charge Coupled Devices，電荷耦合器件）圖像傳感器主要有兩種基本類型，一種為信號電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面進行轉(zhuǎn)移的器件，稱為表面溝道CCD（簡稱為SCCD）器件；另一種為信號電荷包存儲在距離半導

14、體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移的器件，稱為體溝道或埋溝道器件（簡稱為BCCD）。 下面以SCCD為例討論CCD的基本工作原理,1.電荷存儲,構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導體）結(jié)構(gòu)。如圖8-15（a）所示，在柵極G施加電壓UG之前p型半導體中空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的。當柵極施加正電壓UG（此時UG小于等于p型半導體的閾值電壓Uth）時，p型半導體中的空穴將開始被排斥，并在半導體中產(chǎn)生如圖8-15（b）所示耗盡區(qū),電壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將繼續(xù)向半導體體內(nèi)延伸，如圖8-15（c）所示。UG大于Uth后，耗盡區(qū)的深度與UG成正比,將半導體與絕緣體界面上的電勢

15、記為表面勢s，s將隨柵極電壓UG的增加而增加，他們的關(guān)系曲線如圖8-16所示,圖8-16描述了在摻雜為1021 cm-3，氧化層厚度為0.1m、0.3m、0.4m和0.6m情況下，不存在反型層電荷時 ，表面勢s與柵極電壓UG的關(guān)系曲線。從表面勢s與柵極電壓UG的關(guān)系曲線可以看出氧化層的厚度越薄曲線的直線性越好；在同樣的柵極電壓UG作用下，不同厚度的氧化層有著不同的表面勢。表面勢s表征了耗盡區(qū)的深度,圖8-17為柵極電壓UG不變的情況下，表面勢s與反型層電荷密度Qinv之間的關(guān)系。由圖8-17可以看出，表面勢s隨反型層電荷密度Qinv的增加而線性減小。依據(jù)圖8-16與圖8-17的關(guān)系曲線，很容易

16、用半導體物理中的“勢阱”概念來描述。電子所以被加有柵極電壓的MOS結(jié)構(gòu)吸引到半導體與氧化層的交界面處，是因為那里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與柵極電壓UG的關(guān)系恰如s與UG的關(guān)系，如圖8-18（a）空勢阱的情況,Q=COXUG (8-6,2. 電荷耦合,3. CCD的電極結(jié)構(gòu),1.三相單層鋁電極結(jié)構(gòu),2. 三相電阻海結(jié)構(gòu),光學系統(tǒng),CCD2,3. 三相交疊硅柵結(jié)構(gòu),4. 二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu),5. 階梯狀氧化物結(jié)構(gòu),被測物,光學系統(tǒng)2,CCD2,光學系統(tǒng)1,重疊部分,6. 四相CCD,7. 體溝道CCD,模擬信號,數(shù)字信號,4. 電荷的注入和檢測,1）光注入,Qin=qNeoAtc,式中：為材料的量子效率；q為電子電荷量； Neo為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；tc為光的注入時間,2 ） 電注入 (1) 電流注入法 (2)