第四章 光電成像器件課件

1、4.1 4.1 攝像管攝像管可分為兩大類：可分為兩大類： * *光電發(fā)射型攝像管光電發(fā)射型攝像管 利用外光電效應(yīng)利用外光電效應(yīng) * *視像管視像管 利用內(nèi)光電效應(yīng)利用內(nèi)光電效應(yīng)攝像管是能夠輸出視頻信攝像管是能夠輸出視頻信號的真空光電管號的真空光電管光電發(fā)射型攝像管光電發(fā)射型攝像管視像管視像管 視像管基本結(jié)構(gòu)視像管基本結(jié)構(gòu) ： 光電靶光電靶 完成光電轉(zhuǎn)換完成光電轉(zhuǎn)換、信號信號存儲存儲 電子槍電子槍 完成信號掃描輸出完成信號掃描輸出氧化鉛視像管結(jié)構(gòu)與工作原理氧化鉛視像管結(jié)構(gòu)與工作原理管子結(jié)構(gòu)管子結(jié)構(gòu)氧化鉛氧化鉛PIN靶靶PIN光電靶光電靶 ：反向偏置反向偏置，掃描面形成正電位圖像掃描面形成正電位圖

2、像電子槍電子槍 ： 發(fā)射電子束發(fā)射電子束，按電視制式掃描正電按電視制式掃描正電 位圖像位圖像，輸出視頻信號輸出視頻信號像素：像素：組成圖像的組成圖像的最小單元。攝像管最小單元。攝像管像素大小由電子束像素大小由電子束截面積決定。截面積決定。 在電子束掃描某一像素的瞬間，該像在電子束掃描某一像素的瞬間，該像素與電源正極和陰極結(jié)成通路。這個像素素與電源正極和陰極結(jié)成通路。這個像素的光電流由的光電流由PN，流過負載，流過負載RL, ,產(chǎn)生負極產(chǎn)生負極性圖像信號輸出。同時，掃描電子束使性圖像信號輸出。同時，掃描電子束使P層電位降至陰極電位（圖像擦除）。層電位降至陰極電位（圖像擦除）。4.2 4.2 攝像

3、器件的性能參數(shù)攝像器件的性能參數(shù)一一. .靈敏度靈敏度S S 在在2856K2856K色溫標準光源單位光功率色溫標準光源單位光功率照射下照射下, ,由器件輸出信號電流大小來由器件輸出信號電流大小來衡量。單位衡量。單位: :A/lmA/lm；mA/WmA/W。實際實際常用能產(chǎn)生正常電視圖像所需最低常用能產(chǎn)生正常電視圖像所需最低光照度光照度L Lminmin來表征。來表征。二二. .光電轉(zhuǎn)換特性光電轉(zhuǎn)換特性特性特性 kLIP1 I IP P 與與L L 成線性關(guān)系，成線性關(guān)系， 是最理想情況。是最理想情況。1 低照度下靈敏度相對低照度下靈敏度相對 增加。增加。1 圖像對比度提高。圖像對比度提高。

4、* * 關(guān)于伽瑪關(guān)于伽瑪校正電路校正電路三三. .分辨率分辨率 能夠分辨圖像中明暗細節(jié)的能力能夠分辨圖像中明暗細節(jié)的能力 有兩種表示方法有兩種表示方法: : 極限分辨率：極限分辨率：用在圖像（光柵）范用在圖像（光柵）范圍內(nèi)能分辨的等寬黑白線條數(shù)表示（如：水圍內(nèi)能分辨的等寬黑白線條數(shù)表示（如：水平平800800線、垂直線、垂直500500線）；也用線）；也用線對線對/mm/mm表示。表示。 調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF：能客觀地測能客觀地測試器件對不同空間頻率信號的傳遞能力試器件對不同空間頻率信號的傳遞能力調(diào)制度調(diào)制度M：調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF：MTF隨著測試卡線條空間頻率的增加而降低

5、。隨著測試卡線條空間頻率的增加而降低。0minmaxminmaxAAAAAAMm%100ioMMMTF四四. .惰性惰性 指輸出信號的變化相對于光指輸出信號的變化相對于光 照度的變化有一定的滯后照度的變化有一定的滯后 影響攝像管惰性的原因是靶面光電導影響攝像管惰性的原因是靶面光電導 張馳過程和電容電荷釋放惰性。張馳過程和電容電荷釋放惰性。五五. .視頻信噪比（視頻信噪比（S/NS/N） 六六. .動態(tài)范圍動態(tài)范圍 Lmax : : Lmin = 10n : : 1)(lg20)(dBiSNSdm4.3 4.3 電荷耦合器件電荷耦合器件CCDCCD圖像傳感器主要特點：圖像傳感器主要特點：l固體化

6、攝像器件固體化攝像器件l很高的空間分辨率很高的空間分辨率l很高的光電靈敏度和大的動態(tài)范圍很高的光電靈敏度和大的動態(tài)范圍l光敏元間距位置精確光敏元間距位置精確, ,可獲得很高的可獲得很高的l 定位和測量精度定位和測量精度信號與微機接口容易信號與微機接口容易CCD(Charge Coupled Devices)一一.CCD.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理 關(guān)于線陣關(guān)于線陣CCDCCD 關(guān)于面陣關(guān)于面陣CCDCCD CCDCCD的基本功能的基本功能: : 信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測 以以雙列兩相線陣雙列兩相線陣CCDCCD為例介紹其工作原理為例介紹其工作

7、原理光敏區(qū)光敏區(qū): :光敏二極管陣列，每個光敏元是一個像素。光敏二極管陣列，每個光敏元是一個像素。轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵: :MOSMOS電容構(gòu)成電容構(gòu)成, ,蔽光蔽光; ;控制光生電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移?？刂乒馍姾上蛞莆患拇嫫鬓D(zhuǎn)移。移位寄存器移位寄存器: :MOSMOS電容構(gòu)成電容構(gòu)成, ,蔽光蔽光; ;控制光生電荷掃描移向輸出端?？刂乒馍姾蓲呙枰葡蜉敵龆?。輸出端輸出端: :將光生電荷包轉(zhuǎn)換為視頻信號輸出。將光生電荷包轉(zhuǎn)換為視頻信號輸出。MOS基本結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)：P型型Si單晶的襯底上生長單晶的襯底上生長SiO2（0.1-0.2m），再在），再在SiO2上面淀上面淀積金屬鋁（或多晶硅）電極積金屬鋁（

8、或多晶硅）電極(電極電極間隙約間隙約2.5m) 。MOSMOS電荷電荷存貯功能存貯功能a). 不加電壓，不加電壓，P型中空穴均勻分布。型中空穴均勻分布。b). 加正偏壓，電場排斥空穴形成耗盡區(qū)。加正偏壓，電場排斥空穴形成耗盡區(qū)。c). 加更高電壓，耗盡區(qū)進一步向體內(nèi)延伸，并將加更高電壓，耗盡區(qū)進一步向體內(nèi)延伸，并將P型半導體內(nèi)的少子型半導體內(nèi)的少子電子吸引，產(chǎn)生反型層。電子吸引，產(chǎn)生反型層。耗盡區(qū)對電子來說象一個耗盡區(qū)對電子來說象一個“阱阱”，稱為勢阱，能收集，稱為勢阱，能收集電子。電子。偏壓越大，勢阱就越深，存貯電子能力越大偏壓越大，勢阱就越深，存貯電子能力越大。這就是這就是MOS的電荷存貯

9、功能。的電荷存貯功能。光生電荷光生電荷并行轉(zhuǎn)移并行轉(zhuǎn)移光敏區(qū)是一行光敏區(qū)是一行N P擴散光電二極管，以積分方式工作。擴散光電二極管，以積分方式工作。光電柵極光電柵極PG上加一定正電壓，下面形成一勢阱，收上加一定正電壓，下面形成一勢阱，收集并存儲光生電子（與入射光強成正比）。集并存儲光生電子（與入射光強成正比）。光積分一定時間后，光積分一定時間后，SH變?yōu)楦唠娖剑ū茸優(yōu)楦唠娖剑ū萈G高一倍），高一倍），有較深的勢阱；這時有較深的勢阱；這時 1已是高電平，下面比已是高電平，下面比SH有更有更深的勢阱，這樣就使光敏區(qū)與移位寄存器連通。電深的勢阱，這樣就使光敏區(qū)與移位寄存器連通。電路設(shè)計使得偶數(shù)光敏元

10、的電荷轉(zhuǎn)向路設(shè)計使得偶數(shù)光敏元的電荷轉(zhuǎn)向CCDA，奇數(shù)光，奇數(shù)光敏元電荷轉(zhuǎn)向敏元電荷轉(zhuǎn)向CCDB。移位寄存器上移位寄存器上 1、 2交替變化，信號電荷就沿著確定交替變化，信號電荷就沿著確定的方向從左到右傳輸，移向輸出端。的方向從左到右傳輸，移向輸出端。轉(zhuǎn)移到移位寄存器的轉(zhuǎn)移到移位寄存器的信號電荷串行輸出信號電荷串行輸出。 OG加正電壓加正電壓,將信號電荷輸送到輸出二極管的將信號電荷輸送到輸出二極管的N端。端。當當RS為低電平時，為低電平時，N端的信號電荷控制端的信號電荷控制T2，使，使OS輸出一個信號脈沖。當輸出一個信號脈沖。當RS為高電平時，為高電平時， N端的信端的信號電荷被抽走，騰出空間

11、準備容納下一個電荷包。號電荷被抽走，騰出空間準備容納下一個電荷包。輸出端輸出端：輸出二極管輸出二極管復位管復位管T1T1輸出管輸出管T2T2輸出柵輸出柵OGOG；浮置擴散放大器浮置擴散放大器：這樣在這樣在OG、RS的作用下，的作用下，OS端相繼輸出與光信端相繼輸出與光信號成正比的離散脈沖序列。號成正比的離散脈沖序列。故線陣故線陣CCD在正確的在正確的SH、 1 、 2 、RS信信號驅(qū)動下，才能正常工作。號驅(qū)動下，才能正常工作。 驅(qū)動信號的關(guān)系：驅(qū)動信號的關(guān)系：像敏區(qū)像敏區(qū)存儲區(qū)存儲區(qū)水平移位寄存器水平移位寄存器輸出端輸出端信號通道放大器信號通道放大器OSOS補償放大器補償放大器OSOS 面陣面

12、陣CCDCCD二二. .電荷耦合器件的性能參數(shù)電荷耦合器件的性能參數(shù)1.1.電荷轉(zhuǎn)移效率電荷轉(zhuǎn)移效率 電荷轉(zhuǎn)移效率電荷轉(zhuǎn)移效率 轉(zhuǎn)移損失率轉(zhuǎn)移損失率 電荷傳輸效率電荷傳輸效率 )() 1(nQnQ1)() 1()(nQnQnQnQnQ)0()(2.2.工作頻率工作頻率 控制控制CCDCCD中信號電荷在移位寄存器中中信號電荷在移位寄存器中 轉(zhuǎn)移的時鐘脈沖頻率轉(zhuǎn)移的時鐘脈沖頻率f=1/f=1/T對于二相對于二相CCD,CCD,3.3.光譜特性光譜特性CCDCCD積分靈敏度積分靈敏度 S=US=Uo o/H/H 單位單位:V:Vcmcm2 2/J/J曝光量曝光量H=LH=LL:L:光照度光照度 :

13、:曝光時間曝光時間( (光積分光積分T TSHSH) ) H H的單位的單位:J/cm:J/cm2 2 ;lx;lxs s02121tf 通常通常：ZZMHfkH1100 4. 4.分辨率分辨率l 線陣線陣CCDCCD：極限分辨率為極限分辨率為 1/d (1/d (線對線對/mm)/mm)l 面陣面陣CCD: CCD: 像元數(shù)越多，分辨率越高。像元數(shù)越多，分辨率越高。更多更多l(xiāng) 用水平方向、垂直方向各自的線數(shù)來表示。用水平方向、垂直方向各自的線數(shù)來表示。 因而由像元的尺寸可確定極限分辨率。因而由像元的尺寸可確定極限分辨率。5.5.光電特性光電特性 CCDCCD是低照度器件，光電靶是低照度器件，

14、光電靶可達可達9999.7%.7%， 攝像頭常帶有攝像頭常帶有選擇。選擇。CCDCCD所能分辨的最小間距就是像元間距所能分辨的最小間距就是像元間距d d，6.6.動態(tài)范圍動態(tài)范圍 CCD CCD像元的飽和輸出電壓與它在暗場下像元的飽和輸出電壓與它在暗場下 的峰的峰- -峰噪聲電壓的比值峰噪聲電壓的比值 U Usatsat/U/Udn dn 。 U Usatsat決定于勢阱中可存儲的最大電荷量決定于勢阱中可存儲的最大電荷量, , 一般為數(shù)百一般為數(shù)百mvmv數(shù)數(shù)v v； CCDCCD是低噪聲器件，可用于微光成像是低噪聲器件，可用于微光成像, , U Udndn一般為數(shù)一般為數(shù)mvmv以下。以下。

15、 普通普通CCDCCD的動態(tài)范圍的動態(tài)范圍1000:11000:1左右。左右。 7.7.暗電流暗電流 CCDCCD器件可控制在器件可控制在1nA/cm1nA/cm2 2。三三. .線陣線陣CCDCCD驅(qū)動電路的設(shè)計驅(qū)動電路的設(shè)計 線陣線陣CCDCCD驅(qū)動電路就是要產(chǎn)生正確的驅(qū)動電路就是要產(chǎn)生正確的SHSH、 1 1、 2 2、RS RS 信號，它是信號，它是CCDCCD芯片賴以芯片賴以正常工作的基礎(chǔ)。正常工作的基礎(chǔ)。 介紹介紹TCD1200DTCD1200D線陣線陣CCDCCD驅(qū)動電路的設(shè)計：驅(qū)動電路的設(shè)計： TCD1200DTCD1200D有有21602160個光敏單元，其前后各有個光敏單元

16、，其前后各有6464及及1212個啞單元。因此：個啞單元。因此： T TSHSH 2236T2236TRS RS , , f fRS RS =1MHz=1MHz， f f11、22=0.5MHz=0.5MHzTCD1200DTCD1200D管腳圖和驅(qū)動電壓管腳圖和驅(qū)動電壓驅(qū)動電路由單片機驅(qū)動電路由單片機(AT89C2051)(AT89C2051)、可編、可編程門陣列芯片（程門陣列芯片（GAL16V8GAL16V8）構(gòu)成。）構(gòu)成。AT89C2051AT89C2051是帶是帶2K2K字節(jié)可編字節(jié)可編程電擦除程電擦除EPROMEPROM的的CMOS 8CMOS 8位位 單片機。具有單片機。具有803

17、18031單片機的單片機的功能，可輸出功能，可輸出20MHz20MHz時鐘。時鐘。 GAL16V8 GAL16V8是一種可編輯是一種可編輯 器件器件。圖示中未標的管腳圖示中未標的管腳 可自由定義，通過編程，可自由定義，通過編程，形成所需的邏輯關(guān)系。形成所需的邏輯關(guān)系。 15 Q25 QRSQQQ234SHSH信號信號的產(chǎn)生：的產(chǎn)生：3545QQQQQ將將Q Q信號送往單片機信號送往單片機P1.7P1.7口，口，單片機查詢后由單片機查詢后由P3.7P3.7口輸出口輸出 P P信號。信號。SHQP4 4路驅(qū)動信號路驅(qū)動信號SHSH、 1 1、 2 2、RS RS 都由都由GALGAL器件產(chǎn)生。器件

18、產(chǎn)生。單片機除協(xié)同產(chǎn)生單片機除協(xié)同產(chǎn)生SHSH外，可充分外，可充分用于用于CCDCCD數(shù)據(jù)測量工作。數(shù)據(jù)測量工作。以上介紹的設(shè)計思想可用于以上介紹的設(shè)計思想可用于任何型號的線陣任何型號的線陣CCDCCD。 GALGAL芯片有足夠的驅(qū)動能力，管腳可自芯片有足夠的驅(qū)動能力，管腳可自由定義，使由定義，使驅(qū)動電路緊湊、連線簡單。驅(qū)動電路緊湊、連線簡單。四四.CCD.CCD像感器的應(yīng)用像感器的應(yīng)用 面陣面陣CCDCCD組成電視攝像機、數(shù)碼照相機，組成電視攝像機、數(shù)碼照相機，用途極其廣泛。用途極其廣泛。 線陣線陣CCDCCD是行圖像傳感器件，大量應(yīng)用是行圖像傳感器件，大量應(yīng)用于掃描儀、光譜儀、傳真機中，以

19、及目標于掃描儀、光譜儀、傳真機中，以及目標定位、精密圖像傳感和工件尺寸的無接觸定位、精密圖像傳感和工件尺寸的無接觸在線測量。在線測量。 成像法成像法在線測量線材直徑：在線測量線材直徑：測量電路和觀測點波形圖測量電路和觀測點波形圖4.4 CMOS4.4 CMOS圖像傳感器圖像傳感器CCDCCD圖像傳感器的不足：圖像傳感器的不足：驅(qū)動電路與信號處理電路難與驅(qū)動電路與信號處理電路難與CCDCCD單片集單片集 成，圖像系統(tǒng)為多芯片系統(tǒng)；成，圖像系統(tǒng)為多芯片系統(tǒng)；電荷耦合方式對轉(zhuǎn)移效率要求近乎苛刻；電荷耦合方式對轉(zhuǎn)移效率要求近乎苛刻；時鐘脈沖復雜，需要相對高的工作電壓；時鐘脈沖復雜，需要相對高的工作電壓

20、；圖像信息不能隨機讀取圖像信息不能隨機讀取。 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）采用標準采用標準 CMOS工藝的固體攝像器件工藝的固體攝像器件 CMOS圖像傳感器的特色圖像傳感器的特色是單芯片成像系統(tǒng)。是單芯片成像系統(tǒng)。這種片上攝像機用標準邏輯電源電壓工作，這種片上攝像機用標準邏輯電源電壓工作，僅消耗幾十毫瓦功率，功耗極低。僅消耗幾十毫瓦功率，功耗極低。可實現(xiàn)隨機讀取圖像信息?？蓪崿F(xiàn)隨機讀取圖像信息。一一.CMOS.CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)圖像傳感器結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)框圖總體結(jié)構(gòu)框圖像元結(jié)構(gòu)像元結(jié)構(gòu) ：無源像素無源像素(PPS)(PPS)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)

21、有源像素有源像素(APS)(APS)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)PPSPPS的致命弱點是讀出噪聲的致命弱點是讀出噪聲大大, ,主要是固定圖形噪聲，主要是固定圖形噪聲，一般有一般有250250個均方根電子。個均方根電子。光電二極管型光電二極管型(PD-APS(PD-APS）：）：讀出噪聲典型值為讀出噪聲典型值為(75(75100)100)個均方根電子。適用個均方根電子。適用于大多數(shù)中低性能成像。于大多數(shù)中低性能成像。光柵型（光柵型（PG-APSPG-APS）：）：讀出噪聲小，目前已讀出噪聲小，目前已達到達到5 5個均方根電子。個均方根電子。用于高性能科學成像用于高性能科學成像和低光照成像。和低光照成像。二二.CMO

22、S.CMOS攝像機的應(yīng)用攝像機的應(yīng)用 由于由于CMOSCMOS攝像機節(jié)能、高度集成、成本低攝像機節(jié)能、高度集成、成本低等獨特優(yōu)點，使等獨特優(yōu)點，使CMOSCMOS攝像機具有很多應(yīng)用領(lǐng)域攝像機具有很多應(yīng)用領(lǐng)域: :移動通信移動通信:與手機集成與手機集成,成為移動可視電話成為移動可視電話；視頻通信視頻通信: :視頻聊天視頻聊天、可視電話可視電話、視頻會議；視頻會議；保安監(jiān)控保安監(jiān)控: :大量安裝的電子眼大量安裝的電子眼, ,且且CMOSCMOS攝攝 像機可做到紐扣大小像機可做到紐扣大小, ,用于隱型攝像用于隱型攝像; ;作數(shù)碼相機作數(shù)碼相機;用于游戲市場用于游戲市場;用在汽車上用在汽車上, ,如可設(shè)計成汽車自動防撞系統(tǒng)、如可設(shè)計成汽車自動防撞系統(tǒng)、 防出軌系統(tǒng)防出軌系統(tǒng), ,大大提高汽車運行的安全性大大提高汽車運行的安全性; ;用于生物特征識別，如指紋識別儀等；用于生物特征識別，如指紋識別儀等；CMOSCMOS攝像機在醫(yī)學領(lǐng)域有很好的發(fā)展空間，攝像機在醫(yī)學領(lǐng)域有很好的發(fā)展空間， 如可以在患者身體安裝小如可以在患者身體安裝小“硅眼硅眼”，應(yīng)用藥，應(yīng)用藥 丸式攝像機等；丸式攝像機等；用于需要高速更新的影像應(yīng)用領(lǐng)域：航用于需要高速更新的影像應(yīng)用領(lǐng)域：航 天天、核試驗核試驗、快速運動快速運動、瞬態(tài)過程等。瞬態(tài)過程等。三三. .發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 早期早期CMOSCMOS比比CCDCCD成像質(zhì)量