光電技術(shù) 第5版 課件 第8章8.1節(jié) 圖像傳感器簡(jiǎn)介

第8章

圖像信息的光電變換

8.1圖像傳感器簡(jiǎn)介8.1.1圖像傳感器發(fā)展歷史完成圖像信息光電變換的功能器件稱(chēng)為光電圖像傳感器。光電圖像傳感器的發(fā)展歷史悠久，種類(lèi)很多。早在1934年就成功地研制出光電攝像管（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10000lx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年制出的超正析像管（ImaigeOrthico），的靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。1954年投放市場(chǎng)的高靈敏視像管（Vidicon）基本具有了成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，使廣播電視事業(yè)和工業(yè)電視事業(yè)有了更大的發(fā)展。

1965年推出的氧化鉛視像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，發(fā)展了彩色電視攝像機(jī)，使彩色廣播電視攝像機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。誕生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色攝像機(jī)。然而，氧化鉛視像管抗強(qiáng)光的能力低，余輝效應(yīng)影響了它的采樣速率。

1976年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。不斷滿(mǎn)足人們對(duì)圖像傳感器日益增長(zhǎng)的需要。

1970年，美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（CCD）的原理使圖像傳感器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。CCD圖像傳感器不但具有固體器件的所有優(yōu)點(diǎn)，它自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像的非線性失真。CCD圖像傳感器的誕生和發(fā)展使人們進(jìn)入了更為廣泛應(yīng)用圖像傳感器的新時(shí)代。利用CCD圖像傳感器人們可以近距離的實(shí)地觀測(cè)星球表面的圖像，可以觀察腸、胃耳、鼻、喉等器官內(nèi)部的病變圖像信息，可以觀察人們不能直接觀測(cè)的圖像。CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。CCD圖像傳感器的應(yīng)用研究成為當(dāng)今高新技術(shù)的主流課題。

它推動(dòng)了廣播電視、工業(yè)電視、醫(yī)用電視、軍用電視、微光與紅外電視技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展，促進(jìn)了公安刑偵、交通指揮、安全保衛(wèi)等事業(yè)的發(fā)展。

8.1.2圖像傳感器的分類(lèi)

按工作方式分圖像傳感器有兩類(lèi)掃描型和直視型。通過(guò)電子束掃描或數(shù)字電路的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)輸出出來(lái)。代表圖像信息的一維信號(hào)稱(chēng)為視頻信號(hào)。視頻信號(hào)可通過(guò)信號(hào)放大和同步控制等處理后，通過(guò)相應(yīng)的顯示設(shè)備還原成二維光學(xué)圖像信號(hào)。

視頻信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸與還原過(guò)程中都要遵守一定的規(guī)則才能保證圖像信息不產(chǎn)生失真，這種規(guī)則稱(chēng)為制式。

如廣播電視系統(tǒng)中遵循的規(guī)則被稱(chēng)為電視制式。數(shù)字圖像傳輸與處理過(guò)程中根據(jù)計(jì)算機(jī)接口方式的不同也規(guī)定了許多制式。

掃描型圖像傳感器輸出的視頻信號(hào)可經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，存入計(jì)算機(jī)，并在軟件的支持下完成圖像處理、存儲(chǔ)、傳輸、顯示及分析等功能。

掃描型圖像傳感器的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)直視型圖像傳感器的應(yīng)用范圍。直視型圖像傳感器用于圖像的轉(zhuǎn)換和增強(qiáng)。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(jiàn)光圖像。本章主要討論從光學(xué)圖像到視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理，即圖像傳感器的基本工作原理和典型應(yīng)用問(wèn)題。

8.2光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。光電成像系統(tǒng)常被分成攝像系統(tǒng)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)、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)。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上，形成二維空間光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像。

光電圖像傳感器完成將光學(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(chēng)為像元，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)信息越豐富，圖像越清晰，圖像質(zhì)量越高。

即圖像分割得越細(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.圖像的分割與掃描分割圖像的方法有很多，超正析像管利用電子束掃描光電陰極方法分割像元；面陣CCD、CMOS圖像傳感器用光敏單元分割。被分割后的電氣圖像經(jīng)掃描輸出一維時(shí)序信號(hào)，掃描的方式也與圖像傳感器的性質(zhì)有關(guān)。面陣CCD采用轉(zhuǎn)移脈沖方式將電荷包輸出一維時(shí)序信號(hào)；CMOS圖像傳感器采用順序開(kāi)通行、列開(kāi)關(guān)的方式完成像元信號(hào)的一維輸出。面陣CCD、CMOS圖像傳感器以自掃描方式輸出電信號(hào)。CRT監(jiān)視器或電視接收機(jī)的顯像管是利用電磁場(chǎng)使電子束偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)行與場(chǎng)掃描，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，才能顯示理想的圖像。

如圖8-2（a）所示為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）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

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(xiě)為

f=fx·vhfCCD與CMOS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電視制式電視圖像發(fā)送與接收系統(tǒng)中，圖像的采集與圖像顯示器必需遵守同樣的規(guī)則才有理想圖像的傳輸。該規(guī)則被稱(chēng)為電視制式。

電視制式根據(jù)當(dāng)時(shí)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)的干擾情況及人眼的視覺(jué)感受和人們對(duì)圖像的要求等條件制定。

目前，世界正在應(yīng)用的電視制式一般有三種：

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50Hz，隔行掃描每幀掃描行數(shù)為625行，伴音、圖像載頻帶寬為6.5MHz。也稱(chēng)為PAL彩色電視制式。PAL電視制式規(guī)定場(chǎng)周期為20ms,其中場(chǎng)正程時(shí)間為18.4ms,場(chǎng)逆程時(shí)間為1.6ms；行頻為15625Hz，行周期為64μs,行正程時(shí)間為52μs,行逆程時(shí)間為12μs。1.PAL彩色電視制式（1）電視圖像的寬高比若用W和H表示電視顯示圖像的寬度和高度，二者之比稱(chēng)為圖像的寬高比，用α表示（2）幀頻與場(chǎng)頻每秒中電視屏幕變化的數(shù)目稱(chēng)為幀頻。我國(guó)電網(wǎng)頻率為50Hz，因此，采用了50Hz場(chǎng)頻和25Hz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(chēng)為行周期。行周期的倒數(shù)稱(chēng)為行頻。

我國(guó)現(xiàn)行電視制式（PAL制式）的主要參數(shù)為：寬高比α=4/3；場(chǎng)頻fv=50Hz；行頻fl=15625Hz；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64μs，行正程掃描時(shí)間為52μs，逆程掃描時(shí)間為12μs。

（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，完成對(duì)熒光屏的掃描。

電子束掃描軌跡如圖8-4所示，使圖像逐行顯示出來(lái)。

逐行掃描圖像清晰度高，但是電子束必須在一幀時(shí)間內(nèi)掃完，速度必然很快。（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才能保證人眼視覺(jué)對(duì)圖像的最低要求。高行掃描頻率，無(wú)論對(duì)攝像系統(tǒng)還是對(duì)顯示系統(tǒng)都提出更高的要求。為降低行掃描頻率，又保證人眼視覺(jué)對(duì)圖像分辨率及閃耀感的要求，早在上世紀(jì)初，人們就提出了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法。如圖8-5所示，將兩場(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。隔行掃描必須滿(mǎn)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(mǎn)足第二條要求，每幀均應(yīng)為奇數(shù)。那末，每場(chǎng)的掃描行數(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圖像傳感器我國(guó)現(xiàn)行的隔行掃描電視制式是每幀掃描行數(shù)為625行，每場(chǎng)掃描行數(shù)為312.5行。CCD（ChargeCoupledDevices，）圖像傳感器主要有兩種基本類(lèi)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(chēng)為表面溝道CCD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(chēng)為體溝道或埋溝道器件（簡(jiǎn)稱(chēng)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的基本單元是如圖8-6（a）MOS結(jié)構(gòu)。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)體中的空穴將被排斥，并在半導(dǎo)體中產(chǎn)生如圖8-15（b）所示耗盡區(qū)。

UG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8-6（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)Φs，Φs將隨柵極電壓UG的增加而增加，他們的關(guān)系曲線如圖8-7所示。圖8-7描述了在摻雜為1021cm-3，氧化層厚度為0.1μm、0.3μm、0.4μm和0.6μm情況下，不存在反型層電荷時(shí)

，表面勢(shì)Φs與柵極電壓UG的關(guān)系曲線。Φs與UG的關(guān)系曲線可以看出厚度越薄曲線的直線性越好；在同樣?xùn)艠O電壓UG作用下，不同厚度氧化層有著不同的表面勢(shì)。表面勢(shì)Φs表征了耗盡區(qū)的深度。

圖8-8為UG不變的情況下，Φs與Qinv之間的關(guān)系?？梢?jiàn)，Φs隨Qinv的增加而線性減小。依據(jù)圖8-7與圖8-8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)吸引到交界面處，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”

UG的關(guān)系恰如Φs與UG的關(guān)系，如圖8-9（a）空勢(shì)阱的情況。

Q=COXUG

2.電荷耦合本節(jié)以三相CCD電極在三相驅(qū)動(dòng)脈沖作用下如何通過(guò)變化的勢(shì)阱驅(qū)使電荷做定向轉(zhuǎn)移的。3.CCD的電極結(jié)構(gòu)圖8-11二相電極結(jié)構(gòu)圖8-12四相電極結(jié)構(gòu)目前所采取的轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)通常為如圖8-11與圖8-12所示的二相與四相電極結(jié)構(gòu)，靠電極結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性形成非對(duì)稱(chēng)勢(shì)阱驅(qū)使電荷定向轉(zhuǎn)移。數(shù)字信號(hào)4.電荷的注入和檢測(cè)

當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，多數(shù)載流子被柵極電壓排斥，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。光注入方式又可分為正面照射式與背面照射式。圖8-13所示為背面照射式光注入的示意圖。CCD攝像器件的光敏單元為光注入方式。光注入電荷（1）光注入圖8-13

背光照射式光注入示意圖Qin=ηqNeoAtcη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）電注入

(1)電流注入法

(2)電壓注入法

如圖8-14（a）所示為電流注入法結(jié)構(gòu)如圖8-14（b）所示為電壓注入法結(jié)構(gòu)（3）電荷的檢測(cè)(輸出方式)輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS的關(guān)系