CCD圖像感器第3講

1、第2章 光源 通常人們把物體向外發(fā)射出可見(jiàn)光的現(xiàn)象稱為發(fā)光。但對(duì)光電技術(shù)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，光輻射還包括紅外、紫外等不可見(jiàn)波段的輻射。發(fā)光常分為由物體溫度高于絕對(duì)零度而產(chǎn)生物體熱輻射和物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)的輻射。前者被稱為熱輻射，后者稱為激發(fā)輻射，激發(fā)輻射的光源常被稱為冷光源。 從應(yīng)用的角度簡(jiǎn)單地介紹各類光源的特性、發(fā)光光譜，并重點(diǎn)介紹各種電光源的發(fā)光機(jī)理和供電電路是本章的宗旨。 2.1光源的分類光源的分類 光源的種類很多，分類方式各異?？偨Y(jié)光電傳感器應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域中所用的光源特征將其分為自然光源與電光源兩大類。 2.1.1自然光源自然光源1.太陽(yáng)太陽(yáng) 太陽(yáng)光是最典型和能量最強(qiáng)的自然光源，人類的

2、視覺(jué)觀察活動(dòng)幾乎主要是在太陽(yáng)的照明下進(jìn)行的。我們是在地球上研究和利用太陽(yáng)的輻射，必然受到地球公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的影響引起所接收太陽(yáng)光的時(shí)相變化。地球大氣的狀態(tài)變化以及觀察者地理位置、緯度與海拔的不同，都將引起所接收太陽(yáng)輻射量的差異。 圖2-1 表示了太陽(yáng)在大氣層外和在海平面的光譜輻出度（照度）與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。由圖可以看出，在大氣層外的光譜輻照度曲線很接近5900 K黑體的光譜輻出度曲線。大氣中的H2O、CO2 和O3形成許多吸收峰，使得海平面上的輻照度大為降低?？梢钥闯?，大氣在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)為一透明度較高的窗口。 在許多情況下，直接或間接利用太陽(yáng)作光源時(shí)（例如地形、地貌勘測(cè)分析，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等），都

3、必須考慮到天氣變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。2.月亮、星光與天空月亮、星光與天空月亮、星光與天空也是一個(gè)重要的自然光源。 如圖2-2所示，月亮、行星的最佳光譜輻射與波長(zhǎng)的分布。除此之外，天空也是不可忽略的光源，它由黃道光（約占15）、銀河光（約占5）、夜空光（約占40）、上述各光源的散射光（約占 10）、直射和散射星光（約占30）、以及銀河系以外輻射（約占 1）構(gòu)成。 表表2-1 白天和夜間各種條件下自然光源在地面上形成的照度白天和夜間各種條件下自然光源在地面上形成的照度510)3 . 11 (自然條件照度值（Lx）自然條件照度值（Lx）直射日光深黃昏1完全白天光 滿月10-1白天（陰）103弦月10

4、-2很暗的白天102星光10-3黃昏（黎明）10星光（陰天）10-4410)21 (自然條件光亮度值（cd/m2）自然條件光亮度值（cd/m2）晴朗的白日104日落后1/2小時(shí)10-1白天（陰）103相當(dāng)明亮的月光10-2白天（陰得很重）102無(wú)月（晴朗夜空）10-3日落時(shí)（陰天）10無(wú)月（陰天夜空）10-4日落后1/4小時(shí)（晴天）1表表2-2各種條件下接近地平線天空的光亮度值各種條件下接近地平線天空的光亮度值 2.2鎢絲燈鎢絲燈 為了給圖像傳感器創(chuàng)造良好、穩(wěn)定的成像和測(cè)量條件，制造了許多種人工光源，輔助自然光源的各種不足，鎢絲燈光源最古老、最普遍。本節(jié)主要介紹鎢絲燈的發(fā)光特性及特性。鎢絲燈種

5、類很多，將其歸納為兩類鎢絲白熾燈與鹵鎢燈。2.2.1 鎢絲白熾燈鎢絲白熾燈1. 普通鎢絲白熾燈的結(jié)構(gòu)普通鎢絲白熾燈的結(jié)構(gòu)2. 鎢絲白熾燈的特性鎢絲白熾燈的特性 發(fā)光光譜 鎢絲白熾燈在電流作用下維持鎢絲的溫度而發(fā)生輻射，屬于熱輻射體。在低溫時(shí)，熱輻射體的發(fā)射系數(shù)較小，且隨波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而減少。當(dāng)溫度升高時(shí)，光譜發(fā)射系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化減少，最后在溫度很高時(shí)趨向于1，服從黑體輻射定律。 4TMTe（2-1） 如圖2-4 所示為標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的相對(duì)光譜輻射功率隨波長(zhǎng)的分布特性曲線。從圖中可以看出，波長(zhǎng)在1.0m 處標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的光譜輻射出射度值最高，即標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈光譜輻射出射度的波長(zhǎng)為1.0m。 鎢絲白熾燈的功率、

6、光通量和發(fā)光效率圖2-5 為鎢絲白熾燈的功函數(shù)與溫度的關(guān)系曲線。 當(dāng)鎢絲白熾燈的供電電壓變化時(shí)，對(duì)白熾燈的電流、光通量、燈的功率損耗、燈的壽命等都有很大影響。如果電壓增加，則燈絲溫度上升，光通量增加，發(fā)光效率提高。但是，燈絲溫度太高時(shí)，則鎢絲的蒸發(fā)加快、加劇，使燈絲的某些局部迅速變細(xì)，從而電阻值增大，局部功耗加大，并很快被燒斷。 表表2-3不同溫度下鎢絲在真空中的蒸發(fā)率和壽命的關(guān)系不同溫度下鎢絲在真空中的蒸發(fā)率和壽命的關(guān)系 溫度T（K）蒸發(fā)率rm(g/(cm2s)直徑為0.1mm鎢絲的壽命（h）rm2 0002 2002 4002 6002 8003 00015.522.413.841.78.

7、3310.51.041077.201041.111033.86101.90.1516.110-816.110-816.110-816.110-815.810-815.710-8 通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到，燈的電壓變化使燈的電流I、發(fā)光效率v、光通量v、壽命均發(fā)生變化。它們之間的關(guān)系為nNVVNVVNNNIIUU278. 02(2-2)對(duì)于真空白熾燈泡，發(fā)光效率v= 0.0769，對(duì)于充氣燈泡，發(fā)光效率v0.0714。 白熾燈的色彩與調(diào)光特性 普通白熾燈可以調(diào)光，沒(méi)有限制。調(diào)光使燈絲溫度降低，從而使燈的色溫降低，光效降低，但壽命延長(zhǎng)。因此，長(zhǎng)壽命是以犧牲光效率為代價(jià)的。當(dāng)要求連續(xù)調(diào)整白熾燈的光照情況下，一般

8、采用功率較低的白熾燈為好。 當(dāng)白熾燈工作在標(biāo)稱電壓的50%以下時(shí)，燈幾乎不發(fā)光。然而，此時(shí)的能量損耗依然不小。因此，當(dāng)調(diào)光到這種程度時(shí)應(yīng)該將它熄滅。 白熾燈的燈絲溫度常在2800K，遠(yuǎn)比太陽(yáng)表層的溫度6000K低得多，因此，它的色溫偏低，顏色偏紅。 2.2.2 鹵鎢燈鹵鎢燈 鹵鎢燈是一種改進(jìn)的鎢絲白熾燈。鎢絲在高溫下蒸發(fā)使燈泡變黑，如果降低白熾燈的燈絲溫度，則發(fā)光效率降低。在燈泡中充入6價(jià)元素氟、氯、溴或碘等鹵族元素，使它們與蒸發(fā)在玻璃殼上的鎢形成鹵化物。當(dāng)這些鹵化物回到燈絲附近時(shí)，遇到高溫便會(huì)分解，鎢又回到鎢絲上。這樣，燈絲的溫度可以大大提高，而玻璃殼也不會(huì)發(fā)黑。因此，燈絲發(fā)光亮度高、效率高

9、，使鹵鎢燈具有形體小，成本低的特點(diǎn)。 常用的鹵鎢燈有碘鎢燈和溴鎢燈。在光電傳感器技術(shù)中應(yīng)用最多的鹵鎢燈為溴鎢燈。 圖2-7所示為4種溴鎢燈的外形尺寸圖。 其中（a）與（c）型為低功率的溴鎢儀器燈，（a）型燈為具有矩形燈絲的面光源燈，它基本能滿足測(cè)量?jī)x器對(duì)光源均勻性的要求。而（c）燈的燈絲很小，近似為“點(diǎn)”光源，用于要求光源發(fā)光面盡量小的測(cè)量?jī)x器中。 表表2-5 儀器用國(guó)產(chǎn)鹵鎢燈儀器用國(guó)產(chǎn)鹵鎢燈H=37型 號(hào)規(guī) 格光通量(Lm)平均壽命(h)主要尺寸圖號(hào)(V)(W)最大直徑D全長(zhǎng)L光中心高H燈絲尺寸dl或A B開(kāi)檔dLYQ5-405408001 0005010.54220+1135cLYQ6-1

10、56152702008.54214151.11.24aLYQ6-206203604002008.54211120.82.34aLYQ6-256255006005010.54530134.5cLYQ6-3063051057010010.54225136.5aLYQ12-5012501 26001 4005011.552361.51.66.5dLYQ12-7512752 0252 2505011.55236236.5dLYQ12-100121002 7003 0005011.552361.93.76.5dLYQ24-150241504 0504 50005012.554372.33.56.5dLY

11、Q24-250242506 7507 500501457382.55.56.5dLYQ55-5005550013 50015 00050155745586.5b2.3 氣體放電燈 氣體放電燈包含汞燈、鈉燈、氙燈和銦燈等。它們是通過(guò)高壓使氣體電離放電產(chǎn)生很強(qiáng)的光輻射，而不象鎢絲燈那樣是通過(guò)加熱燈絲使其發(fā)光，因而也稱氣體放電燈，它為冷光源。氣體放電燈的共同特點(diǎn)是發(fā)出的光譜為線光譜或帶狀光譜，因?yàn)樗鼈兊陌l(fā)光機(jī)理屬于等離子體發(fā)光。 2.3.1 氣體放電氣體放電 在紫外線或在宇宙射線作用下，會(huì)有少量氣體分子被電離成正、負(fù)離子和自由電子 ，電壓增高后將出現(xiàn)如圖2-8所示的激發(fā)光現(xiàn)象。 在輝光放電時(shí)，將產(chǎn)生

12、明暗相間的區(qū)域，各區(qū)域的電勢(shì)和光強(qiáng)分布如圖2-9所示，弧光放電發(fā)出的光極其明亮，可用在電影放映和公共場(chǎng)所照明。無(wú)論輝光放電或弧光放電，都是氣體的場(chǎng)致發(fā)光現(xiàn)象。在氣體放電過(guò)程中，由于電場(chǎng)的作用使帶電粒子動(dòng)能增加到足以能電離其他氣體分子時(shí)，氣體分子吸收帶電粒子的能量，使其電子處于激發(fā)狀態(tài)。這種激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，一般在10-8s以內(nèi)。從激發(fā)態(tài)回到低能態(tài)或基態(tài)，以發(fā)光的形式放出能量。如鈉蒸汽原子輻射出589010 -10 m、589610 -10 m的雙黃光。 2.4 金屬蒸氣燈2.4.1 水銀蒸氣燈（汞燈）水銀蒸氣燈（汞燈） 汞燈是在石英玻璃管內(nèi)充入汞，當(dāng)燈點(diǎn)燃時(shí)，燈中汞被蒸發(fā)，汞蒸氣壓強(qiáng)增至幾個(gè)大

13、氣壓，從而產(chǎn)生輝光放電。 如圖2-13（a）所示為高壓汞燈的基本結(jié)構(gòu)圖，它由燈座燈內(nèi)支持架與內(nèi)部發(fā)光室（那里汞蒸氣被兩電極間的電場(chǎng)所激發(fā)），由于汞燈是金屬汞蒸氣在高壓下被激發(fā)產(chǎn)生汞光譜的多條特征譜線。這些譜線的強(qiáng)弱與光譜分布均與汞元素有關(guān)，常將其用作標(biāo)定光譜儀器的已知光譜光源。 2.4.2 鈉燈鈉燈 在鈉-鈣玻璃內(nèi)充入鈉蒸汽，當(dāng)鎢絲點(diǎn)燃后，只發(fā)射589.0nm、589.6nm的雙黃光，為此可用來(lái)校正光譜儀器或作其他用途。此外，還有氫燈、氘燈等光譜定標(biāo)用燈。這里不再討論，需要這方面內(nèi)容時(shí)可查找“光學(xué)技術(shù)手冊(cè)”。 2.5 半導(dǎo)體發(fā)光二極管光源半導(dǎo)體發(fā)光二極管光源 1907年首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體二極管在正

14、向偏置的情況下發(fā)光。70年代末，人們開(kāi)始用發(fā)光二極管作為數(shù)碼顯示器和圖像顯示器。進(jìn)十年來(lái)，發(fā)光二極管的發(fā)光效率及發(fā)光光譜都有了很大的提高，用發(fā)光二極管作光源有許多優(yōu)點(diǎn)。 2.5.1 發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)理 發(fā)光二極管（即LED）是一種注入電致發(fā)光器件，它由P型和 N型半導(dǎo)體組合而成。其發(fā)光機(jī)理常分為PN結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光兩種。 1. PN結(jié)注入發(fā)光結(jié)注入發(fā)光 PN結(jié)處于平衡時(shí)，存在一定的勢(shì)壘區(qū)，其能帶如圖2-15 所示。當(dāng)加正偏壓時(shí)，PN結(jié)區(qū)勢(shì)壘降低，從擴(kuò)散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，并主要發(fā)生在p區(qū)。2. 異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光 為了提高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)

15、。圖2-16a表示理想的異質(zhì)結(jié)能帶圖。由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不相等，當(dāng)加上正向電壓時(shí)小區(qū)的勢(shì)壘降低，兩區(qū)的價(jià)帶幾乎相同，空穴就不斷向n區(qū)擴(kuò)散。 對(duì)n區(qū)電子，勢(shì)壘仍然較高，不能注入p區(qū)。這樣，禁帶寬的p區(qū)成為注入源，禁帶窄的n區(qū)成為載流子復(fù)合發(fā)光的發(fā)光區(qū)（圖2-16b）。例如，禁帶寬EG2=1.32eV 的p-GaAs與禁帶寬EG10.7eV p-GaAs與禁帶寬EG10.7eV的n-GaSb組成異質(zhì)結(jié)后，n-GaAs的空穴注入n-GaAs區(qū)復(fù)合發(fā)光。 由于n區(qū)所發(fā)射的光子能量hv比EG2 小得多，它進(jìn)入p區(qū)不會(huì)引起本征吸收而直接透射出去。2.5.2 發(fā)光強(qiáng)度電流特性在正向配置電壓的作用下流過(guò)

16、發(fā)光二極管PN節(jié)的正向電流If使注入到PN結(jié)內(nèi)的載流子在P區(qū)復(fù)合而發(fā)光，其發(fā)光強(qiáng)度IV為nIIvv式中v為發(fā)光二極管的發(fā)光效率。 圖2-17所示為GaP（紅色）發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度與電流密度If的關(guān)系曲線 可以看出，發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度基本與流過(guò)的電流If成正比。說(shuō)明可以通過(guò)控制電流If對(duì)LED發(fā)出的光強(qiáng)IV進(jìn)行控制。 由于發(fā)光二極管的正向伏安特性曲線在發(fā)光區(qū)呈現(xiàn)為I=I0exp（qU/nkT）指數(shù)形式，并且1n2較小，通?？梢月?，求出發(fā)光強(qiáng)度Iv與發(fā)光二極管兩端電壓U的關(guān)系為 ：)/exp()/exp(0vvvvvkTqUIkTqUIIInn(2-4) 2.7 光電傳感器應(yīng)用系統(tǒng)中光源與照度的匹

17、配光電傳感器應(yīng)用系統(tǒng)中光源與照度的匹配 2.7.1 光源的選擇光源的選擇 圖像傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)大致可分為圖像傳感、圖像分析和圖像檢測(cè)三種類型。不同的應(yīng)用類型對(duì)照明光源的要求也不相同，應(yīng)該根據(jù)具體的需要選用不同的照明光源。 (1) 攝像（圖像傳感）應(yīng)用系統(tǒng)攝像（圖像傳感）應(yīng)用系統(tǒng) 攝像是為了真實(shí)地記錄景物的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和顏色。根據(jù)色度學(xué)的基本常識(shí)，景物的顏色與照明光源的光譜功率分布有關(guān)。 直接選用太陽(yáng)光照明或選用接近太陽(yáng)光譜的閃燈為照明光源。（3）圖像檢測(cè)系統(tǒng)）圖像檢測(cè)系統(tǒng) 圖像檢測(cè)系統(tǒng)一般有兩種：一種是通過(guò)測(cè)量被檢測(cè)物體的像來(lái)測(cè)量被檢測(cè)物體的某些特征參數(shù)；另一種是通過(guò)測(cè)量被檢物體的空間頻譜分布確

18、定被檢物體的某些特征參數(shù)。 前者，只要選用白熾燈或鹵鎢燈作為照明光源就可以了；后者，應(yīng)選用激光照明，因?yàn)樗軡M足單色性好、相干性好、光束準(zhǔn)直精度高等特點(diǎn)。 （2）圖像分析系統(tǒng)）圖像分析系統(tǒng) 圖像分析系統(tǒng)所用光源必須根據(jù)提取圖像信息的有利因數(shù)采取必要的照明方式，問(wèn)題的難度和復(fù)雜度都很高，其基本思路是從顏色、照明角度、照明方式上想辦法突出被檢測(cè)圖像的信息。2.7.2 照度匹配照度匹配 半導(dǎo)體集成圖像傳感器大部分為光積分型的器件（如電荷耦合攝像器件），它的輸出電流不但與光敏面上的照度有關(guān)，也和兩次取樣的間隔時(shí)間，即積分時(shí)間有關(guān)。若以Io代表它的輸出電流信號(hào)，Ev代表光敏面上的照度，t代表兩次取樣的間

19、隔時(shí)間，則在正常工作范圍內(nèi)有 （2-11） vvokQtkEI式中，k為比例常數(shù)；Qv=Evt，稱為曝光量，單位為lxs。 因?yàn)镼vEvt，所以可通過(guò)適當(dāng)選擇CCD器件光敏面上照度Ev和兩次采樣間隔時(shí)間t來(lái)達(dá)到QvQsat。但是， t 一般由驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)移脈沖周期TSH確定，當(dāng)采用石英晶體振蕩器為主時(shí)鐘設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，TSH可認(rèn)為是常數(shù)。 調(diào)節(jié)曝光量通常是通過(guò)調(diào)節(jié)CCD光敏面上的光照度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。要求光敏面上任何點(diǎn)的照度應(yīng)滿足 tQEsatv(2-12) 光敏面的照度也不能太低。如果某些點(diǎn)的照度低于CCD器件的靈敏閾，這些較暗部便無(wú)法測(cè)出，從而降低畫(huà)面亮度的層次或產(chǎn)生測(cè)量誤差。最好是把光敏面上的最大照度Emax調(diào)節(jié)為略低于，以充分利用器件的動(dòng)態(tài)范圍。 發(fā)光特性接近于余弦輻射體的物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，其軸上像點(diǎn)的照度和軸外像點(diǎn)照度可分別用下列兩式表示 ULKnnEo22sin（2-13） 4c