第5章光電成像系統(tǒng)

1、第第5 5章章 光電成像系統(tǒng)光電成像系統(tǒng) 光電成像系統(tǒng)的基本組成 成像轉(zhuǎn)換過程有四個方面的問題需要研究： 1 1 固體攝像器件固體攝像器件一、電荷耦合攝像器件一、電荷耦合攝像器件 貝爾實驗室的，在探索磁泡器件的電模擬工作中，在1969年秋構(gòu)思了電荷耦合器件的原理 W. S. Boyle, G. E. Smith. Charge coupled semiconductor devices. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 587-593. G. F. Amelio, M. F. Tompsett, G. E. Smith. Experiment verific

2、ation of the Charge coupled device concept. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 593-600. 構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體) 電荷耦合器件工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài) (a)輸出二極管電流法 (b)浮置柵MOS放大器電壓法 (c)輸出級原理電路 以浮置擴(kuò)散輸出為例CQVFDA 信號電壓是在浮置電平基礎(chǔ)上的負(fù)電壓； 每個電荷包的輸出占有一定的時間長度To； 在輸出信號中疊加有復(fù)位期間的高電平脈沖； 對CCD的輸出信號進(jìn)行處理時，較多地采用了取樣技術(shù)，以去除浮置電平、復(fù)位高脈沖及抑制噪聲。 CCD輸出

3、信號的特點輸出信號的特點：2 電荷耦合攝像器件的工作原理電荷耦合攝像器件的工作原理 積分積分空間積分空間積分時間積分時間積分線陣CCD 線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu) 面陣CCD 常見的面陣CCD攝像器件有兩種： 行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)與幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu) 彩色CCD 目前主要有三片式和單片式兩種三片式CCD 拜爾方式濾色器 行間排列的濾色器 二、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)二、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù) 電荷包從一個柵轉(zhuǎn)移到下一個柵時，有 部分的電荷轉(zhuǎn)移過去，余下 部分沒有被轉(zhuǎn)移，稱轉(zhuǎn)移損失率 1 轉(zhuǎn)移效率轉(zhuǎn)移效率 1 一個電荷量為Qo的電荷包，經(jīng)過n次轉(zhuǎn)移后的輸出電荷量應(yīng)為： nonQQ 總效

4、率為：nonQQ/2 2 不均勻度不均勻度( (非均勻性非均勻性) ) 光敏元的不均勻 CCD的不均勻 本節(jié)討論光敏元的不均勻性，認(rèn)為CCD是近似均勻的，即每次轉(zhuǎn)移的效率是一樣的。 光敏元響應(yīng)的不均勻是工藝過程及材料不均勻性引起的，大規(guī)模器件的均勻性問題嚴(yán)重 定義光敏元響應(yīng)的均方根偏差對平均響應(yīng)的比值為CCD的不均勻度 ：21)(11oNnonoVVNVNnonoVNV11onV 第n 個光敏元原始響應(yīng)的等效電壓 oV 平均原始響應(yīng)等效電壓N 線列CCD的總位數(shù) 3 3 暗電流暗電流 CCD成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱暗信號，即暗電流 暗電流的根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合中心

5、的熱激發(fā) 由于工藝過程不完善及材料不均勻等因素的影響，CCD中暗電流密度的分布是不均勻的 npnonVVP是CCD的相數(shù) 暗電流的危害有兩個方面： 限制器件的低頻限 引起固定圖像噪聲4 4 靈敏度（響應(yīng)度）靈敏度（響應(yīng)度） 在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號電壓（電流）5 5 光譜響應(yīng)光譜響應(yīng) CCD的光譜響應(yīng)是指等能量相對光譜響應(yīng)，最大響應(yīng)值歸一化為100%所對應(yīng)的波長，稱峰值波長，通常將10%（或更低）的響應(yīng)點所對應(yīng)的波長稱截止波長。有長波端的截止波長與短波端的截止波長，兩截止波長之間所包括的波長范圍稱光譜響應(yīng)范圍。 6 6 噪聲噪聲 散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲 7 7 分辨率分辨率

6、分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它是指攝像器件對物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力，測試時用專門的測試卡 目前國際上一般用（調(diào)制傳遞函數(shù)）來表示分辨率 像元分辨率 8 8 動態(tài)范圍與線性度動態(tài)范圍與線性度 動態(tài)范圍 線性度是指在動態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號與曝光量的關(guān)系是否成直線關(guān)系 等效噪聲信號光敏元滿阱信號 SONY ICX429AKL圖像傳感器尺寸CCD尺寸(inch)對角線(mm)寬高(mm)1/1/364.83.61/286.43.61/5.32/3118.86.611612.89.64/322.51813.5三、三、CMOSCMOS攝像器件攝像器件 采用CMO

7、S技術(shù)可以將光電攝像器件陣列、驅(qū)動和控制電路、信號處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可以實現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng) Camera-On-A-Chip1 CMOS1 CMOS像素結(jié)構(gòu)像素結(jié)構(gòu) 無源像素型（PPS） 有源像素型（APS） 無源像素結(jié)構(gòu)無源像素結(jié)構(gòu)有源像素結(jié)構(gòu)有源像素結(jié)構(gòu) 光電二極管型有源像素（PPAPS） 大多數(shù)中低性能的應(yīng)用 光柵型有源像素結(jié)構(gòu)（PGAPS） 成像質(zhì)量較高 2 CMOS攝像器件的總體結(jié)構(gòu)攝像器件的總體結(jié)構(gòu)3 CMOS3 CMOS與與CCDCCD器件的比較器件的比較 Eric R. Fossum. CMOS Image Sensors: Electron

8、ic Camera-On-A-Chip. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONIC DEVICES, 1997,44(10): 1689-1698四、紅外焦平面器件四、紅外焦平面器件 用普朗克定律計算的各個紅外波段300K背景的光譜輻射光子密度 13m波段 代表材料HgCdTe碲鎘汞 35m波段 代表材料HgCdTe、InSb銻化銦、 PtSi硅化鉑 812m 波段 代表材料HgCdTe 單片式單片式IRFPA 本征單片式IRFPA 肖特基勢壘單片式IRFPA 混合式混合式IRFPA 探測器陣列與轉(zhuǎn)移部分的連接大多采用倒裝式 4 4 典型的典型的IRFPAIRFPA Hg

9、CdTe IRFPA http:/硅肖特基勢壘硅肖特基勢壘IRFPA 非制冷非制冷IRFPAIRFPA E.MOTTIN, A.BAIN, JL.MARTIN, et al. Uncooled amorphous silicon technology enhancement for 25m pixel pitch achievement. SPIE,2002,4820:200-207Bruno Fieque, Arnaud Crastes, Jean-Luc Tissot, et al. 320 x240 uncooled microbolometer 2D array for radiome

10、tric and process control applications.SPIE, 2004, 5251:114-120 http:/www.ulis-www.ulis-www.ulis-多量子阱（多量子阱（MQW）IRFPA 類AlGaAs/GaAs超晶格材料 SPRITE (Signal processing in The Element)探測器掃積型探測器2 2 光電成像原理光電成像原理 光機(jī)掃描方式光機(jī)掃描方式 串聯(lián)掃描并聯(lián)掃描串并聯(lián)混合掃描電子束掃描方式電子束掃描方式 固體自掃描方式固體自掃描方式 二、光電成像系統(tǒng)的基本技術(shù)參數(shù)二、光電成像系統(tǒng)的基本技術(shù)參數(shù) FffovTT 滯留

11、時間滯留時間 d 對光機(jī)掃描系統(tǒng)而言，物空間一點掃過單對光機(jī)掃描系統(tǒng)而言，物空間一點掃過單元探測器所經(jīng)歷的時間稱為滯留時間，探元探測器所經(jīng)歷的時間稱為滯留時間，探測器在觀察視場中對應(yīng)的分辨單元數(shù)為：測器在觀察視場中對應(yīng)的分辨單元數(shù)為： VHWWn FWWnTVHfd 光電成像系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)是在以上各光電成像系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)是在以上各基本技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的綜合分基本技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的綜合分析得出的析得出的3 3 紅外成像光學(xué)系統(tǒng)紅外成像光學(xué)系統(tǒng)一、理想光學(xué)系統(tǒng)模型一、理想光學(xué)系統(tǒng)模型共軸球面光學(xué)系統(tǒng)理想光學(xué)系統(tǒng)模型 理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系 牛頓公式牛頓公式 ffxx/fxx

12、fyy高斯公式高斯公式 /111fllll/二、光學(xué)系統(tǒng)中的光闌二、光學(xué)系統(tǒng)中的光闌 孔徑光闌、漸暈光闌、 視場光闌、消雜光光闌 孔徑光闌孔徑光闌漸暈光闌 三、紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)三、紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù) 焦距焦距f 決定光學(xué)系統(tǒng)的軸向尺寸，f越大，所成的像越大，光學(xué)系統(tǒng)一般也越大 相對孔徑相對孔徑D/f 相對孔徑定義為光學(xué)系統(tǒng)的入瞳直徑D與焦距f之比，相對孔徑的倒數(shù)叫F數(shù) 焦距f、相對孔徑D/f、視場 相對孔徑?jīng)Q定紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的衍射分辨率及像面上的輻照度 衍射分辨率/22. 183. 3fDDf像面中心處的輻照度22/2/sinnnULKE四、光學(xué)系統(tǒng)的像差四、光學(xué)系統(tǒng)的像差

13、 光學(xué)系統(tǒng)近軸區(qū)具有理想光學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)，光學(xué)系統(tǒng)近軸區(qū)的成像被認(rèn)為是理想像 實際光學(xué)系統(tǒng)所成的像和近軸區(qū)所成的像的差異即為像差 單色像差：球差、彗差、像散、場曲、畸變球差、彗差、像散、場曲、畸變 色差：軸向色差、倍率色差軸向色差、倍率色差 五、紅外光學(xué)系統(tǒng)的特點五、紅外光學(xué)系統(tǒng)的特點 反射式和折反射式光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用較多 為了探測遠(yuǎn)距離的微弱目標(biāo)，紅外光學(xué)系統(tǒng)的孔徑一般比較大 在紅外光學(xué)系統(tǒng)中廣泛使用各類掃描器，如平面反射鏡、多面反射鏡、折射棱鏡及光楔等。 8至14m波段的紅外光學(xué)系統(tǒng)必須考慮衍射效應(yīng)的影響。 在各種氣象條件下或在抖動和振動條件下，具有穩(wěn)定的光學(xué)性能 六、典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)六、典型

14、的紅外光學(xué)系統(tǒng)透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)反射式紅外光學(xué)系統(tǒng) 牛頓光學(xué)系統(tǒng) 卡塞格倫系統(tǒng) 格利高利系統(tǒng) 折反射組合式光學(xué)系統(tǒng) 施密特系統(tǒng) 馬克蘇托夫系統(tǒng) 紅外探測器掃描系統(tǒng)反射鏡鼓行掃描、擺鏡場掃描 折射棱鏡場掃描、反射鏡鼓行掃描例：用凝視型紅外成像系統(tǒng)觀察30公里遠(yuǎn)，10米10米的目標(biāo)，若紅外焦平面器件的像元大小是50m50m，假設(shè)目標(biāo)像占4個像元，則紅外光學(xué)系統(tǒng)的焦距應(yīng)為多少？若紅外焦平面器件是128128元，則該紅外成像系統(tǒng)的視場角是多大？ 水平及垂直視場角： /3321050103010fmmf300/0322. 1)30021281050arctan(2)2arctan(2fNapixH最大視

15、場角： 0max73. 1)22arctan(2fNapix4 4 紅外成像系統(tǒng)的綜合特性紅外成像系統(tǒng)的綜合特性 MTFModulation Transfer Function PTFPhase Transfer Function NETDNoise Equivalent Temperature Difference MRTDMinimum Resolvable Temperature Difference MDTDMinimum Detectable Temperature Difference一、調(diào)制傳遞函數(shù)（一、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTFMTF） 1 1 基本概念基本概念 空間頻率空間頻率定義

16、為周期量在單位空間上變化的周期數(shù)：Tx線性周期觀察距離R(m)觀察點xOxxTf/1xxxTRf/1線對/毫米，lp/mmoobbM1b1b0IxooixMMfMTF)(2 紅外成像過程中各個環(huán)節(jié)的調(diào)制傳遞函數(shù) 光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF0 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)MTF eyeommedoMTFMTFMTFMTFMTFMTFMTF026. 05 . 095. 05 . 09 . 05 . 0oMTF24. 0oMTF二、噪聲等效溫差（二、噪聲等效溫差（NETD） NETD的定義的定義 NETD測試圖案 WHWWVWTTTB NETD的表達(dá)式及物理意義的表達(dá)式及物理意義 21)()()(2/23dTT

17、MDAFWWfNETDBoVH)(D探測器的歸一化探測度（比探測率）)(TM目標(biāo)的光譜輻射出射度 NETDFFNETD NETD的局限性三、最小可分辨溫差（三、最小可分辨溫差（MRTD） TTTBfx=f1fx=f2fx=f3fx=f4fxMTFo1MRTD(Co)四、最小可探測溫差（四、最小可探測溫差（MDTD） 5 5 微光像增強(qiáng)器件微光像增強(qiáng)器件 一、微光像增強(qiáng)器一、微光像增強(qiáng)器1 基本原理基本原理 輸入圖像輸出圖像輸入光纖面板輸出光纖面板電極光電陰極熒光屏電子軌跡2 微光像增強(qiáng)器的性能參數(shù)微光像增強(qiáng)器的性能參數(shù) %100ccrrD熒光屏輸光出亮度光電陰極輸入光照度MOB工作范圍3 三代

18、像增強(qiáng)器三代像增強(qiáng)器 第一代像增強(qiáng)器 光纖面板光電陰極光纖面板熒光屏 一代管的典型性能為： 光靈敏度為300 輻射靈敏度(0.85 )為20 亮度增益為 分辨率為35 一代管具有增益高、成像清晰的優(yōu)點，但重量大，防強(qiáng)光能力差 1lmAm1WmA1244103102lxmcd至1mmlp 第二代像增強(qiáng)器 常用二代近貼管有1818，2525 性能典型值為： 亮度增益約 （18/18）、 （25/25） 分辨率約30 二代倒像管有1818，2525，2030，性能上較近貼管好些，但重量較大 123105lxmcd124107 . 1lxmcd1mmlp 第三代像增強(qiáng)器 SiO2鈍化膜AlGaAs窗層GaAs激活層AlGaAs反應(yīng)中止層SiO2鈍化膜Si3