光電子第五章

?光源傳輸調(diào)制探測成像第5章光電成像系統(tǒng)

5.1固體攝像器件

5.2光電成像原理

5.3紅外成像光學系統(tǒng)5.4紅外成像中的信號處理5.5紅外成像系統(tǒng)的綜合特性

5.6微光像增強器件5.7纖維光學成像器件光電成像系統(tǒng)的基本組成

成像轉換過程有四個方面的問題需要研究：能量方面——物體、光學系統(tǒng)和接收器的光度學、輻射度學性質(zhì)，解決能否探測到目標的問題成像特性——能分辨的光信號在空間和時間方面的細致程度，對多光譜成像還包括它的光譜分辨率噪聲方面——決定接收到的信號不穩(wěn)定的程度或可靠性信息傳遞速率方面

成像特性、噪聲——信息傳遞問題，決定能被傳遞的信息量大小光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心5.1固體攝像器件固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息（可見光、紅外輻射等），轉換為按時序串行輸出的電信號——視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互補金屬氧化物半導體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（ChargeInjectionDevice，即CID）一、電荷耦合攝像器件貝爾實驗室的W.S.Boyle，G.E.Smith在探索磁泡器件的電模擬工作中，在1969年秋構思了電荷耦合器件的原理W.S.Boyle,G.E.Smith.Chargecoupledsemiconductordevices.BellSyst.Tech.Jour.,1970,49:587-593.G.F.Amelio,M.F.Tompsett,G.E.Smith.ExperimentverificationoftheChargecoupleddeviceconcept.BellSyst.Tech.Jour.,1970,49:593-600.他們首先提出的一種器件結構是采用相同的電極和三相時鐘系統(tǒng)，為隔離各個電荷包，最少需要三相時鐘緊密排列在半導體絕緣表面上的電容器可用來存儲和轉移電荷，按適當?shù)拇涡驅@些電極加上脈沖，它們就會產(chǎn)生攜帶一包一包少數(shù)載流子的運動勢阱電荷耦合器件（CCD）特點——以電荷作為信號CCD的基本功能——電荷存儲和電荷轉移CCD工作過程——信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測的過程1電荷耦合器件的基本原理表面溝道器件，即SCCD（SurfaceChannelCCD）——轉移溝道在界面的CCD器件體內(nèi)溝道（或埋溝道CCD），即BCCD（BulkorBuriedChannelCCD）——用離子注入方法改變轉移溝道的結構，從而使勢能極小值脫離界面而進入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)的轉移溝道，避免了表面態(tài)的影響，使得該種器件的轉移效率高達99.999％以上，工作頻率可高達100MHz，且能做成大規(guī)模器件以表面溝道CCD為例介紹CCD基本原理電荷存儲構成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導體)電容器電荷耦合器件工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)

電荷轉移123456電荷檢測以浮置擴散輸出為例信號電壓是在浮置電平基礎上的負電壓；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位期間的高電平脈沖；對CCD的輸出信號進行處理時，較多地采用了取樣技術，以去除浮置電平、復位高脈沖及抑制噪聲。CCD輸出信號的特點：2電荷耦合攝像器件的工作原理按結構可分為線陣CCD和面陣CCD按光譜可分為可見光CCD、紅外CCD、X光CCD和紫外CCD可見光CCD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCDCCD的電荷存儲、轉移的概念半導體的光電性質(zhì)CCD攝像器件SiO2N-Si-V10VAl電極耗盡層(a)勢阱的形成-V1*

-V2(c)少數(shù)載流子的轉移-V10V(b)少數(shù)載流子的捕獲光照0V-V2(d)轉移完成CCD攝像器件的工作原理：平面掃描CCD成像單元CCD移位寄存器輸出信號行間轉移方式幀轉移方式線陣CCD線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結構面陣CCD常見的面陣CCD攝像器件有兩種：行間轉移結構與幀轉移結構

彩色CCD目前主要有三片式和單片式兩種RCCDGCCDBCCD紅外濾光片變焦鏡頭分色棱鏡(a)三片式的棱鏡分光R/G/BCCD紅、綠、藍方格圖案濾光片紅外濾光片變焦鏡頭(b)單片式的方格圖案濾色片分光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)電荷包從一個柵轉移到下一個柵時，有部分的電荷轉移過去，余下部分沒有被轉移，稱轉移損失率ε

1轉移效率一個電荷量為Qo的電荷包，經(jīng)過n次轉移后的輸出電荷量應為：總效率為：2不均勻度(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，認為CCD是近似均勻的，即每次轉移的效率是一樣的。光敏元響應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重定義光敏元響應的均方根偏差對平均響應的比值為CCD的不均勻度：——第n

個光敏元原始響應的等效電壓——平均原始響應等效電壓N——線列CCD的總位數(shù)P是CCD的相數(shù)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)生復合中心的熱激發(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3暗電流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5光譜響應CCD的光譜響應是指等能量相對光譜響應，最大響應值歸一化為100%所對應的波長，稱峰值波長，通常將10%（或更低）的響應點所對應的波長稱截止波長。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范圍。6噪聲散粒噪聲、轉移噪聲和熱噪聲4靈敏度（響應度）在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號電壓（電流）7分辨率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ＭＴＦ（調(diào)制傳遞函數(shù)）來表示分辨率像元分辨率8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系是否成直線關系SONYICX429AKL三、CMOS攝像器件采用CMOS技術可以將光電攝像器件陣列、驅動和控制電路、信號處理電路、模／數(shù)轉換器、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-Chip1CMOS像素結構無源像素型（PPS）有源像素型（APS）無源像素結構無源像素單元具有結構簡單、像素填充率高及量子效率比較高的優(yōu)點。但是，由于傳輸線電容較大，CMOS無源像素傳感器的讀出噪聲較高，而且隨著像素數(shù)目增加，讀出速率加快，讀出噪聲變得更大。MOS攝像器件的工作原理：ΦY1ΦY2信號輸出Y移位寄存器X移位寄存器ΦX1φX2RLEMOS開關光電二極管A/D數(shù)字信號輸出有源像素結構光電二極管型有源像素（PP－APS）大多數(shù)中低性能的應用光柵型有源像素結構（PG－APS）成像質(zhì)量較高CMOS有源像素傳感器的功耗比較小。但與無源像素結構相比，有源像素結構的填充系數(shù)小，其設計填充系數(shù)典型值為20%-30%。在CMOS上制作微透鏡陣列，可以等效提高填充系數(shù)。外界光照射像素陣列，產(chǎn)生信號電荷，行選通邏輯單元根據(jù)需要，選通相應的行像素單元，行像素內(nèi)的信號電荷通過各自所在列的信號總線傳輸?shù)綄哪M信號處理器(ASP)及A/D變換器，轉換成相應的數(shù)字圖像信號輸出。行選通單元可以對像素陣列逐行掃描，也可以隔行掃描。隔行掃描可以提高圖像的場頻，但會降低圖像的清晰度。行選通邏輯單元和列選通邏輯單元配合，可以實現(xiàn)圖像的窗口提取功能，讀出感興趣窗口內(nèi)像元的圖像信息2CMOS攝像器件的總體結構CMOS攝像器件的結構：APS(ActivePixelStructure

)：由1990s中期NASA引入CMOS

圖像傳感器，解決了噪聲問題。像素尺寸減小后低光照下靈敏度迅速降低，采用微透鏡和濾色片組合以及CMOS工藝的優(yōu)勢，前景好于CCD。APS在顯微鏡下的結構APS原理框圖

PhotodiodeActive-PixelArchitecture微透鏡改善低光特性3CMOS與CCD器件的比較CCD攝像器件靈敏度高、噪聲低、像素面積小光敏元陣列難與驅動電路及信號處理電路單片集成，需要使用相對高的工作電壓，制造成本比較高CMOS攝像器件集成能力強、體積小、工作電壓單一、功耗低、動態(tài)范圍寬、抗輻射和制造成本低需進一步提高器件的信噪比和靈敏度四、紅外焦平面器件紅外焦平面器件（InfraredFocalPlaneArrays,IRFPA）5.2光電成像原理

景物反射外界的照明光經(jīng)光電成像系統(tǒng)的光學系統(tǒng)在像面上形成與景物相對應的圖像。置于像面上具有空間掃描功能的光電攝像器件將二維空間的圖像轉變成一維時序電信號電信號經(jīng)過放大和視頻信號處理后送至顯示器，在同步信號的參與下顯示出與景物相對應的圖像。一、光電成像系統(tǒng)的基本結構光機掃描方式電子束掃描方式固體自掃描方式接收系統(tǒng)對景物的分解方式?jīng)Q定了光電成像系統(tǒng)的類型?？梢苑譃槿N：光機掃描方式探測器相對總視場只有較小的接受范圍，而由光學部件做機械運動來實現(xiàn)對景物空間的分解。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光敏靶面對整個視場內(nèi)的景物輻射同時接收，而由電子束的偏轉運動實現(xiàn)對景物的分解。固體自掃描方式從目前情況看，光機掃描及固體自掃描方式的光電成像系統(tǒng)占主導地位面陣攝像器件對整個視場內(nèi)的景物輻射同時接收，而通過對陣列中各個單元器件的信號順序采樣實現(xiàn)對景物圖像的分解。二、光電成像系統(tǒng)的基本技術參數(shù)

光學系統(tǒng)的通光口徑D和焦距f/瞬時視場角α、β

觀察視場角WH、WV幀時Tf和幀速掃描效率η

滯留時間對光機掃描系統(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，探測器在觀察視場中對應的分辨單元數(shù)為：光電成像系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)是在以上各基本技術參數(shù)的基礎上作進一步的綜合分析得出的5.3紅外成像光學系統(tǒng)紅外成像光學系統(tǒng)應滿足以下幾方面的基本要求：物像共軛位置成像放大率一定的成像范圍（視場）在像平面上有一定的光能量反映物體細節(jié)的能力（即分辨率）一、理想光學系統(tǒng)模型共軸球面光學系統(tǒng)理想光學系統(tǒng)模型

理想光學系統(tǒng)的物像關系

牛頓公式

高斯公式

二、光學系統(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漸暈光闌三、紅外成像光學系統(tǒng)的主要參數(shù)

焦距f′

決定光學系統(tǒng)的軸向尺寸，f′越大，所成的像越大，光學系統(tǒng)一般也越大相對孔徑D/f′

相對孔徑定義為光學系統(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定紅外成像光學系統(tǒng)的衍射分辨率及像面上的輻照度衍射分辨率像面中心處的輻照度四、光學系統(tǒng)的像差光學系統(tǒng)近軸區(qū)具有理想光學系統(tǒng)的性質(zhì)，光學系統(tǒng)近軸區(qū)的成像被認為是理想像實際光學系統(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、畸變色差：軸向色差