光電技術(shù)_08圖像信息的光電變換

1、第第8 8章章 圖像信息的光電變換圖像信息的光電變換 8.1 圖像傳感器簡(jiǎn)介 1. 圖像傳感器的發(fā)展歷史圖像傳感器的發(fā)展歷史 1934年，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(yīng)用受到限制。 1947年，超正析像管（Imaige Orthico），照度仍要求在2 000lx以上。 1954年，視像管（Vidicon），靈敏度高，分辨率高，成本低，體積小，慣性大，不能用于高速運(yùn)動(dòng)圖像的測(cè)量 1965年，氧化鉛視像管(Plumbicon)，成功地取代了超正析像管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分辨率高

2、，靈敏度高，體積小，慣性小，廣泛應(yīng)用于彩色電視攝像機(jī) 1976年，硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon） 靈敏度更高，成本更低 1970年，電荷耦合器件（CCD）， 體積更小，靈敏度更高，應(yīng)用更靈活更方便（1）最早：雷達(dá)掃描，用于偵查，是真0空器件；（2）1934-1985年：?jiǎn)喂苷婵漳成珨z像管，靠線圈偏轉(zhuǎn)，線性失真；（3）1970年：CCD，位置信息很強(qiáng)，主要用于測(cè)量2. 圖像傳感器的分類 圖像傳感器掃描型直視型真空電子束掃描固體自掃描：CCD變像管（完成圖像光 譜的變化）像增強(qiáng)管（完成圖像 強(qiáng)度的變化）紅外變像管紫外變像管X射線變像管光電型熱電型：熱釋電攝像管光電發(fā)射式攝像管光

3、電導(dǎo)式攝像管由像敏面、電子透鏡顯像面構(gòu)成串聯(lián)式級(jí)聯(lián)是微通道板式電子親和勢(shì)陰極制式:規(guī)則(手機(jī)、CCD、CMOS)（電視攝像管）工作過(guò)程掃描型： 電子束掃描或自掃描方式將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成一維時(shí)序信號(hào)（視頻信號(hào)）輸出 （1） 信號(hào)放大和同步控制，通過(guò)顯示設(shè)備還原成二維光學(xué)圖像； （2）A/D轉(zhuǎn)換器輸出具有某種規(guī)范的數(shù)字圖像信號(hào)，經(jīng)數(shù)字傳輸，顯示設(shè)備還原成二維光學(xué)圖像。直視型：圖像傳感器用于圖像的轉(zhuǎn)換和增強(qiáng)。它的工作方式是將入射輻射圖像通過(guò)外光電轉(zhuǎn)化為電子圖像，再由電場(chǎng)或電磁場(chǎng)的加速與聚焦進(jìn)行能量的增強(qiáng)，并利用二次電子的發(fā)射作用進(jìn)行電子倍增，最后將增強(qiáng)的電子圖像激發(fā)熒光屏產(chǎn)生可見光圖像。8.2 光

4、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(jī))與圖像顯示系統(tǒng)兩部分。攝像系統(tǒng)由光學(xué)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(hào)。本節(jié)主要討論光電成像系統(tǒng)。 1.攝像機(jī)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(qiáng)分布的光學(xué)圖像。 完成將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成二維“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(xì)節(jié)信息

5、越豐富，圖像越清晰，圖像質(zhì)量越高。即將圖像分割得越細(xì)，圖像質(zhì)量越高。 高質(zhì)量的圖像來(lái)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 （1）分割：正析像管：電子束掃描光電陰極的方法分割像素；視像管：電阻海顆粒分割；面陣CCD、CMOS：用光敏單元分割。被分割后的電氣圖像經(jīng)掃描輸出一維時(shí)序信號(hào)。（2）掃描：面陣CCD：轉(zhuǎn)移脈沖方式將電荷包（像素信號(hào)）輸出一維時(shí)序信號(hào)；CMOS：順序開通行、列開關(guān)的方式完成像素信號(hào)的一維輸出。因此，有時(shí)也稱面陣CCD、CMOS圖像傳感器以自掃描的方式輸出一維時(shí)序電信號(hào)。監(jiān)視器或電視接收機(jī)：幾乎都是利用電磁場(chǎng)使電子束偏轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)行與場(chǎng)掃

6、描，因此，對(duì)于行、場(chǎng)掃描的速度、周期等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)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(shí)序信號(hào)，其縱坐標(biāo)為與亮度L有關(guān)的電壓U，橫坐標(biāo)為掃描時(shí)間t。若圖像的寬度為W，圖像在x方向的亮度分布為L(zhǎng)x，設(shè)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(shí)間頻率f應(yīng)為 hftWffx(8-1) 式中thf為行掃描周期，而W/thf應(yīng)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

7、的設(shè)計(jì)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(jī)）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(gè)規(guī)則被稱為電視制式。 電視制式的制定，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的科技發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)條件，考慮本國(guó)或本地區(qū)電網(wǎng)對(duì)電視系統(tǒng)的干擾情況，人眼對(duì)圖像的視覺感受和人們對(duì)電視圖像的要求等條件制定。 目前，正在應(yīng)用中的電視制式一般有三種： 其中，我國(guó)以及西歐各國(guó)的彩色電視制式，該電視制式確定的場(chǎng)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。 PAL電視制式中規(guī)定場(chǎng)周期為20ms,其中

8、場(chǎng)正程時(shí)間為18.4ms, 場(chǎng)逆 1. PAL彩色電視制式 程時(shí)間為1.6ms；行頻為15625 Hz，行周期為64s,行正程時(shí)間為52s,行逆程時(shí)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 （8-3） HW（2）幀頻與場(chǎng)頻 每秒中電視屏幕變化的數(shù)目稱為幀頻。 我國(guó)電網(wǎng)頻率為50Hz，因此，采用了50Hz場(chǎng)頻和25 Hz幀頻的隔行掃描的PAL電視制式。 2. 掃描方式 （3）掃描行數(shù)與行頻 幀頻與場(chǎng)頻確定后，電視掃描系統(tǒng)中還需要確定的參數(shù)是每場(chǎng)掃描的行數(shù)，或電子束掃描一行所需要的時(shí)間，又稱為行周期。行周期的倒數(shù)稱為行頻

9、。 綜合起來(lái)，我國(guó)現(xiàn)行電視制式（PAL制式）的主要參數(shù)為：寬高比=4/3；場(chǎng)頻fv=50 Hz；行頻fl=15 625 Hz；場(chǎng)周期T=20ms，其中場(chǎng)正程掃描時(shí)間為18.4ms，逆程掃描時(shí)間為1.6ms。行周期為64s，其中行正程掃描時(shí)間為52s，逆程掃描時(shí)間為12s。 （1）逐行掃描顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)線圈，線圈中分別流過(guò)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(chǎng)作用下同時(shí)進(jìn)行水平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn)，完成對(duì)顯像管熒光屏的掃描。 （2）隔行掃描 根據(jù)人眼對(duì)圖像分辨能力確定掃描的水平行數(shù)至少應(yīng)大于600行，這對(duì)于逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于29000Hz

10、才能保證人眼視覺對(duì)圖像的最低要求。這樣高的行掃描頻率，無(wú)論對(duì)攝像系統(tǒng)還是對(duì)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(duì)圖像分辨率及閃耀感的要求，早在20世紀(jì)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(chǎng)光柵均勻交錯(cuò)疊加是對(duì)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(gè)要求：第一，要求下一幀圖像的掃描起始點(diǎn)應(yīng)與上一幀起始點(diǎn)相同，確保各幀掃描光柵重疊；第二，要求相鄰兩場(chǎng)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(yīng)為整數(shù)，若在各場(chǎng)掃描電流都一樣的情況下，要滿足第二條要求，每幀均應(yīng)為奇數(shù)。那末，每場(chǎng)的掃

11、描行數(shù)就要出現(xiàn)半行的情況。8.4 電荷耦合器件 8.4.1 線陣CCD圖像傳感器 目前，我國(guó)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(chǎng)掃描行數(shù)為312.5行。 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(hào)電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面進(jìn)行轉(zhuǎn)移的器件，稱為表面溝道CCD（簡(jiǎn)稱為SCCD）器件；另一種為信號(hào)電荷包存儲(chǔ)在距離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)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(jiǎn)稱為BCCD）。下面以SCCD為例討論CCD的基本工作原理。 1.電荷存儲(chǔ) 構(gòu)成CCD的基本單元是M

12、OS（金屬-氧化物-半導(dǎo)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(dǎo)體中空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正電壓UG（此時(shí)UG小于等于p型半導(dǎo)體的閾值電壓Uth）時(shí)，p型半導(dǎo)體中的空穴將開始被排斥，并在半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)記為表面勢(shì)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

13、存在反型層電荷時(shí) ，表面勢(shì)s與柵極電壓UG的關(guān)系曲線。從表面勢(shì)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(shì)。表面勢(shì)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(shì)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(shì)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，很容易用半導(dǎo)體物理中的“勢(shì)阱”概念來(lái)描述。電子所以被加有柵極電壓的MOS結(jié)構(gòu)吸引到半導(dǎo)體與氧化層的交界面處，是因?yàn)槟抢锏膭?shì)能最低。在沒(méi)有反型層電荷時(shí)，勢(shì)阱的“深度”與柵極電壓UG的關(guān)系恰

14、如s與UG的關(guān)系，如圖8-18（a）空勢(shì)阱的情況。 Q=COXUG (8-6) 2. 2. 電荷耦合電荷耦合 3. CCD3. CCD的電極結(jié)構(gòu)的電極結(jié)構(gòu) 1.1.三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)三相單層鋁電極結(jié)構(gòu) 2. 2. 三相電阻海結(jié)構(gòu)三相電阻海結(jié)構(gòu) 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)CCD2v3. 3. 三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)v 4. 二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu) 5. . 階梯狀氧化物結(jié)構(gòu)階梯狀氧化物結(jié)構(gòu) 被測(cè)物被測(cè)物光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)2CCD2光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)1重疊部分重疊部分v6. 6. 四相四相CCDCCD 7. 7. 體溝道體溝道CCD CCD 模擬信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)4. 4. 電荷的注入和檢測(cè)電

15、荷的注入和檢測(cè) v（1 1）光注入）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(shí)間。 （2 2 ） 電注入電注入 (1) 電流注入法電流注入法 (2) 電壓注入法電壓注入法 1如圖8-21 （a）所示為電流注入法結(jié)構(gòu)如圖8-21 （b）所示為電壓注入法結(jié)構(gòu)2thiginoxg2UUUCLWIs2thiginoxg2UUUCLWQs(8-8)(8-9)（3 3）電荷的檢測(cè)）電荷的檢測(cè)( (輸出方式輸出方式) ) 輸出電流輸出電流I Id d與注入到二極管中的電荷量與注入到二極管中的電荷量Q QS S的

16、關(guān)系的關(guān)系 Q Qs s= =I Id dd dt t (8-10) (8-10) 5. CCD5. CCD的特性參數(shù)的特性參數(shù) （1 1） 電荷轉(zhuǎn)移效率電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率和電荷轉(zhuǎn)移損失率 )0()(1)0()()0(QtQQtQQ)0()(QtQ電荷轉(zhuǎn)移效率為 電荷轉(zhuǎn)移損失率為 電荷轉(zhuǎn)移效率與損失率的關(guān)系為 1（2 2） 驅(qū)動(dòng)頻率驅(qū)動(dòng)頻率 驅(qū)動(dòng)頻率的下限驅(qū)動(dòng)頻率的下限 電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所用的時(shí)間t ，少數(shù)載流子的平均壽命為i 則 驅(qū)動(dòng)頻率的上限驅(qū)動(dòng)頻率的上限 電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的固有時(shí)間為g 則 ii31fg31f6. 6. 線型線型CCDCCD攝像器件的

17、兩種基本形式攝像器件的兩種基本形式 v (1)(1)單溝道線陣單溝道線陣CCD CCD (2) 雙溝道線陣CCD 圖8-27為雙溝道線陣CCD攝像器件。它具有兩列CCD模擬移位寄存器A與B，分列在像敏陣列的兩邊。 8.4.2 面陣CCD圖像傳感器 (1) 幀轉(zhuǎn)移面陣幀轉(zhuǎn)移面陣CCD 由成像區(qū)(像敏區(qū))、暫存區(qū)和水平讀出寄存器等三部分構(gòu)成。 (2) (2) 隔列轉(zhuǎn)移型面陣隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD CCD (3)(3)線轉(zhuǎn)移型面陣線轉(zhuǎn)移型面陣CCD CCD 8.5.1 CMOS成像器件的結(jié)構(gòu)原理成像器件的結(jié)構(gòu)原理 1. CMOS成像器件的組成 它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場(chǎng)效應(yīng)管集成電路，而

18、且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列實(shí)際上是光電二極管陣列，它也有線陣和面陣之分。 8.5 CMOS8.5 CMOS圖像傳感器圖像傳感器 圖像信號(hào)的輸出過(guò)程可由（如圖8-32所示）圖像傳感器陣列原理圖更清楚地說(shuō)明。 2. CMOS成像器件的像敏單元結(jié)構(gòu) 兩種類型：被動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)和主動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)。主動(dòng)式像敏單元結(jié)構(gòu)：場(chǎng)效應(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管的負(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號(hào)線上，當(dāng)復(fù)位脈沖出現(xiàn)時(shí)，V1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時(shí)復(fù)位；而當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，V1截止，光電二極管開始積分光信號(hào)。 復(fù)位脈沖首先來(lái)到，V1導(dǎo)通，光電二極管復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，光電二極管進(jìn)行積分；8.5.2 典型CMOS圖像傳感器 （1） 成像器件的原理結(jié)構(gòu) SXGA型CMOS成像器件是CMOS圖像傳感器的主要部分，其原理結(jié)構(gòu)如圖8-37所示。 SXGA型CMOS成像器件像敏區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖8-38所示 。 該器件的像敏單元總數(shù)是1 2861 030個(gè)，其中在每行和每列的起始端及末尾端各有3個(gè)像元為虛設(shè)單元。 SXGA型CMOS成像器件的光譜特性如圖8-39所示。 （2） 輸出放大器 SXGA型CMOS成像器件的輸出特性如圖8-40所示。曲線的線性段的動(dòng)態(tài)范圍僅為66dB。若采用對(duì)數(shù)放大器，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到100dB。 圖8-41所示為SXGA型CMOS成像器件輸出放大器電路原理框圖，它