光電子技術(shù)-第4章-光電成像器件

第4章光電成像器件4.1攝像管4.2攝像器件的性能參數(shù)4.3電荷耦合器件CCD4.4CMOS圖像傳感器4.5圖像增強器光電成像器件是能夠輸出圖像信息的一類器件攝像器件使光學(xué)圖像變成視頻信號

·

攝像管

·電荷耦合器件CCD

·CMOS圖像傳感器像管使光學(xué)圖像增強或改變光譜

·圖像增強器

·

變像管4.1攝像管可分為兩大類：

*光電發(fā)射型攝像管利用外光電效應(yīng)

*視像管利用內(nèi)光電效應(yīng)攝像管是能夠輸出視頻信號的真空光電管光電發(fā)射型攝像管視像管

視像管基本結(jié)構(gòu)：

光電靶完成光電轉(zhuǎn)換、信號存儲

電子槍完成信號掃描輸出氧化鉛視像管結(jié)構(gòu)與工作原理管子結(jié)構(gòu)氧化鉛PIN靶PIN光電靶：反向偏置，掃描面形成正電位圖像電子槍：

發(fā)射電子束，按電視制式掃描正電位圖像，輸出視頻信號像素：組成圖像的最小單元。攝像管像素大小由電子束截面積決定。

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。這個像素的光電流由P→N，流過負(fù)載RL,產(chǎn)生負(fù)極性圖像信號輸出。同時，掃描電子束使P層電位降至陰極電位（圖像擦除）。4.2攝像器件的性能參數(shù)一.靈敏度S

在2856K色溫標(biāo)準(zhǔn)光源單位光功率照射下,由器件輸出信號電流大小來衡量。單位:μA/lm；mA/W。實際常用能產(chǎn)生正常電視圖像所需最低光照度Lmin來表征。二.光電轉(zhuǎn)換特性－γ特性

γ＝1IP與L成線性關(guān)系，是最理想情況。γ＜1低照度下靈敏度相對增加。γ＞1圖像對比度提高。

*

關(guān)于伽瑪γ校正電路三、分辨率

能夠分辨圖像中明暗細(xì)節(jié)的能力有兩種表示方法:

⑴極限分辨率：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：水平800線、垂直500線）；也用～線對/mm表示。⑵調(diào)制傳遞函數(shù)MTF：能客觀地測試器件對不同空間頻率信號的傳遞能力調(diào)制度M：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。四.惰性

指輸出信號的變化相對于光

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(dǎo)張馳過程和電容電荷釋放惰性。五.視頻信噪比（S/N）

六.動態(tài)范圍

Lmax

:

Lmin=10n:14.3電荷耦合器件CCD圖像傳感器主要特點：固體化攝像器件很高的空間分辨率很高的光電靈敏度和大的動態(tài)范圍光敏元間距位置精確,可獲得很高的定位和測量精度信號與微機接口容易CCD(ChargeCoupledDevices)一、CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理CCD的基本功能:

信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測以雙列兩相線陣CCD為例介紹其工作原理CCD的突出特點是以電荷作為信號。接收圖像、以光生電荷為信號的CCD稱為CCD像感器。CCD像感器分為：?線陣CCD?面陣CCD工作原理基本相同光敏區(qū):光敏二極管陣列，每個光敏元是一個像素。轉(zhuǎn)移柵:MOS電容構(gòu)成,蔽光;控制光生電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移。移位寄存器:MOS電容構(gòu)成,蔽光;控制光生電荷掃描移向輸出端。輸出端:將光生電荷包轉(zhuǎn)換為視頻信號輸出。

加偏壓的MOS電容的電荷存貯功能在Al電極上加驅(qū)動信號，MOS陣列使光生電荷包自掃描輸出。光積分→光生電荷并行轉(zhuǎn)移光生電荷串行傳輸→輸出端輸出端：輸出柵OG；浮置擴散放大器：輸出二極管復(fù)位管T1輸出管T2｛雙列兩相線陣CCD驅(qū)動信號輸出視頻信號OS面陣CCD在驅(qū)動信號作用下，像敏區(qū)電荷轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)，再逐行經(jīng)水平移位寄存器輸出。二、電荷耦合器件的性能參數(shù)

1.電荷轉(zhuǎn)移效率

電荷轉(zhuǎn)移效率η

轉(zhuǎn)移損失率ε

電荷傳輸效率η'2.工作頻率

控制CCD中信號電荷在移位寄存器中轉(zhuǎn)移的時鐘脈沖頻率f=1/T對于二相CCD,3.光譜特性CCD積分靈敏度S=Uo/H

單位:V

cm2/μJ曝光量H=LτL:光照度

τ:曝光時間(光積分TSH)H的單位:μJ/cm2;lx

s通常：

4.分辨率

線陣CCD：極限分辨率為

1/d(線對/mm)

面陣CCD:像元數(shù)越多，分辨率越高。更多用水平方向、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。5.光電特性

CCD是低照度器件，光電靶γ可達(dá)99.7%，

攝像頭常帶有γ選擇。CCD所能分辨的最小間距就是像元間距d，6.動態(tài)范圍

CCD像元的飽和輸出電壓與它在暗場下的峰-峰噪聲電壓的比值Usat/Udn

。

Usat決定于勢阱中可存儲的最大電荷量,

一般為數(shù)百mv～數(shù)v；

CCD是低噪聲器件，可用于微光成像,

Udn一般為數(shù)mv以下。

普通CCD的動態(tài)范圍1000:1左右。

7.暗電流

CCD器件可控制在1nA/cm2。三、線陣CCD驅(qū)動電路的設(shè)計

線陣CCD驅(qū)動電路就是要產(chǎn)生正確的SH、

1、

2、RS信號，它是CCD芯片賴以正常工作的基礎(chǔ)。

介紹TCD1200D線陣CCD驅(qū)動電路的設(shè)計：

TCD1200D有2160個光敏單元，其前后各有64及12個啞單元。因此：

TSH

2236TRS,

fRS

=1MHz，fφ1、φ2=0.5MHzTCD1200D管腳圖和驅(qū)動電壓驅(qū)動電路由單片機(AT89C2051)、可編程門陣列芯片（GAL16V8）構(gòu)成。AT89C2051是帶2K字節(jié)可編程電擦除EPROM的CMOS8位單片機。具有8031單片機的功能，可輸出20MHz時鐘。GAL16V8是一種可編程邏輯器件。圖示中未標(biāo)的管腳可自由定義，經(jīng)編程，形成所需的邏輯關(guān)系。

SH信號的產(chǎn)生將Q信號送往單片機P1.7口，單片機查詢后由P3.7口輸出P信號。4路驅(qū)動信號－SH、

1、

2、RS都由GAL器件產(chǎn)生。單片機除協(xié)同產(chǎn)生SH外，可充分用于CCD數(shù)據(jù)測量工作。以上介紹的設(shè)計思想可用于任何型號的線陣CCD。

GAL芯片有足夠的驅(qū)動能力，管腳可自由定義，使驅(qū)動電路緊湊、連線簡單。四、彩色面陣CCD在面陣CCD光敏面上加濾色器（ColorFilterArray，CFA），即構(gòu)成CFA單芯片圖像傳感器。

Bayer濾色器

三色濾色器在CCD光敏面上加CFA，工藝簡單，制造成本低。一些專業(yè)級相機中使用3CCD圖像傳感器，通過分光棱鏡把入射彩色圖像分解成紅、綠、藍(lán)三色圖像，分別由三個CCD接收。輸出的圖像還原質(zhì)量是最好的，但是用三個CCD價格比較昂貴。

線陣CCD也可以用濾色器成為彩色線陣CCD。五、CCD像感器的應(yīng)用

面陣CCD組成電視攝像機、數(shù)碼照相機，用途極其廣泛。

線陣CCD是行圖像傳感器件，大量應(yīng)用于掃描儀、光譜儀、復(fù)印機、傳真機中，多個線陣CCD拼接用于航天掃描成像；以及目標(biāo)定位、精密圖像傳感和工件尺寸的無接觸在線測量。

成像法在線測量線材直徑：測量電路和觀測點波形圖4.4CMOS圖像傳感器

CCD圖像傳感器的不足：⒈驅(qū)動電路與信號處理電路難與CCD單片集成，圖像系統(tǒng)為多芯片系統(tǒng)；⒉電荷耦合方式對轉(zhuǎn)移效率要求近乎苛刻；⒊時鐘脈沖復(fù)雜，需要相對高的工作電壓；⒋圖像信息不能隨機讀取。

CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）采用標(biāo)準(zhǔn)

CMOS工藝的固體攝像器件

CMOS圖像傳感器的特色

⒈是單芯片成像系統(tǒng)。⒉這種片上攝像機用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電源電壓工作，僅消耗幾十毫瓦功率，功耗極低。⒊可實現(xiàn)隨機讀取圖像信息。一、CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理框圖CMOS圖像傳感器由光敏二極管像元陣列、X-Y尋址邏輯、定時和控制電路、A/D及在片信號處理器(ASP)構(gòu)成，采用單一的5V電源。

CMOS圖像傳感器芯片上，還可以設(shè)置很多功能電路，形成具有多種功能的器件。

CMOS圖像傳感器程控工作，有幾種讀出模式：

整個陣列逐行掃描讀出窗口讀出模式跳躍讀出模式

像元結(jié)構(gòu)：無源像素(PPS)結(jié)構(gòu)有源像素(APS)結(jié)構(gòu)PPS的致命弱點是讀出噪聲大,主要是固定圖形噪聲，一般有250個均方根電子。光電二極管型(PD-APS）：讀出噪聲典型值為(75～100)個均方根電子。適用于大多數(shù)中低性能成像。｛光柵型（PG-APS）：讀出噪聲小，目前已達(dá)到5個均方根電子。用于高性能科學(xué)成像和低光照成像。三、彩色CMOS圖像傳感器

CMOS芯片也可以在光敏面上加濾色器構(gòu)成CFA單芯片圖像傳感器。更好的技術(shù)是FoveonX3：FoveonX3是根據(jù)硅對不同波長光線的吸收隨深度不同的效應(yīng)（波長較長的光波穿越深度較大）來達(dá)到一個像素感應(yīng)全部色彩信息的目的。

采用三層感光元件，每層只記錄一個顏色，每個像素提供完整的三基色信息。

FoveonX3是用單像素提供三基色的CMOS圖像傳感器技術(shù)，比同等像素的CFA單芯片CCD分辨率高兩倍，提供更豐富、更逼真的色彩還原度，不需要CFA技術(shù)必須要的彩色插值軟件處理。

四、CMOS攝像機的應(yīng)用由于CMOS攝像機節(jié)能、高度集成、成本低等獨特優(yōu)點，使CMOS攝像機具有很多應(yīng)用領(lǐng)域:移動通信:與手機集成,成為移動可視電話；視頻通信:視頻聊天、可視電話、視頻會議；?公安監(jiān)控:大量安裝的電子眼,且CMOS攝像機可做到紐扣大小,用于隱型攝像;作數(shù)碼相機;用于游戲市場;用在汽車上,如可設(shè)計成汽車自動防撞系統(tǒng)、防出軌系統(tǒng),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；CMOS攝像機在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很好的發(fā)展空間，如可以在患者身體安裝小“硅眼”，應(yīng)用藥丸式攝像機等；用于需要高速更新的影像應(yīng)用領(lǐng)域：航天、核試驗、快速運動、瞬態(tài)過程等。

M2A藥丸攝像機尺寸為11mm×24mm，重量<4克

1：光窗，2：透鏡支架，3：成像透鏡，4：LED（相機閃光燈），5：CMOS攝像芯片，6：兩節(jié)微型紐扣電池，7：發(fā)射器，8：天線。

早期CMOS比CCD成像質(zhì)量差，響應(yīng)速度慢，人們主要采用CCD攝像機。近年來，采用有源像素結(jié)構(gòu)等一系列技術(shù)措施,使CMOS的成像質(zhì)量與CCD相接近，而在功能、功耗、尺寸和價格等方面優(yōu)于CCD。CMOS圖像傳感器必將成為攝像器件的主流!病人服下此‘藥丸’，在體內(nèi)約8-12小時，可拍攝約60000幅照片。通過‘藥丸’的天線發(fā)射至外部接收裝置記錄。醫(yī)生通過軟件將照片制成視頻，診斷是否有異常狀況。

4.5圖像增強器

變像管是把不可見光圖像變?yōu)榭梢姽鈭D像的真空光電管。圖像增強器是把亮度很低的光學(xué)圖像增強到足夠亮度的真空光電管。圖像增強器變像管｝→統(tǒng)稱為像管像管內(nèi)部沒有掃描機構(gòu)，且不能輸出視頻信號。一.像管熒光屏光譜增益：