第四章 光電成像器件

第四章光電成像器件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4.4CMOS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圖像變成視頻信號

·攝像管

·電荷耦合器件

·CMOS圖像傳感器像管使光學圖像增強或改變光譜·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

*視像管利用內光電效應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

視像管基本結構：

光電靶完成光電轉換、信號存儲

電子槍完成信號掃描輸出氧化鉛視像管結構與工作原理管子結構氧化鉛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成通路。這個像素的光電流由P→N，流過負載RL,產生負極性圖像信號輸出。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色溫標準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。實際常用能產生正常電視圖像所需最低光照度Lmin來表征。二.光電轉換特性－γ特性

γ＝1IP與L成線性關系，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。

*關于伽瑪γ校正電路三.分辨率

能夠分辨圖像中明暗細節(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制度M：調制傳遞函數(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的結構與工作原理

※關于線陣CCD※關于面陣CCD

CCD的基本功能:信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測以雙列兩相線陣CCD為例介紹其工作原理光敏區(qū):光敏二極管陣列，每個光敏元是一個像素。轉移柵:MOS電容構成,蔽光;控制光生電荷向移位寄存器轉移。移位寄存器:MOS電容構成,蔽光;控制光生電荷掃描移向輸出端。輸出端:將光生電荷包轉換為視頻信號輸出。MOS基本結構：P型Si單晶的襯底上生長SiO2（0.1-0.2μm），再在SiO2上面淀積金屬鋁（或多晶硅）電極(電極間隙約2.5μm)。MOS電荷存貯功能a).不加電壓，P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)。c).加更高電壓，耗盡區(qū)進一步向體內延伸，并將P型半導體內的少子——電子吸引，產生反型層。耗盡區(qū)對電子來說象一個“阱”，稱為勢阱，能收集電子。偏壓越大，勢阱就越深，存貯電子能力越大。這就是MOS的電荷存貯功能。光生電荷并行轉移光敏區(qū)是一行NP擴散光電二極管，以積分方式工作。光電柵極PG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）。光積分一定時間后，SH變?yōu)楦唠娖剑ū萈G高一倍），有較深的勢阱；這時1已是高電平，下面比SH有更深的勢阱，這樣就使光敏區(qū)與移位寄存器連通。電路設計使得偶數(shù)光敏元的電荷轉向CCDA，奇數(shù)光敏元電荷轉向CCDB。移位寄存器上1、2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。轉移到移位寄存器的信號電荷串行輸出。OG加正電壓,將信號電荷輸送到輸出二極管的N端。當RS為低電平時，N端的信號電荷控制T2，使OS輸出一個信號脈沖。當RS為高電平時，N端的信號電荷被抽走，騰出空間準備容納下一個電荷包。輸出端：輸出二極管復位管T1輸出管T2｛輸出柵OG；浮置擴散放大器：這樣在OG、RS的作用下，OS端相繼輸出與光信號成正比的離散脈沖序列。故線陣CCD在正確的SH、1、2、RS信號驅動下，才能正常工作。驅動信號的關系：像敏區(qū)存儲區(qū)水平移位寄存器輸出端信號通道放大器→OS補償放大器→OS'面陣CCD二.電荷耦合器件的性能參數(shù)

1.電荷轉移效率

電荷轉移效率η

轉移損失率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:Vcm2/μJ曝光量H=LτL:光照度

τ:曝光時間(光積分TSH)H的單位:μJ/cm2;lxs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驅動電路的設計

線陣CCD驅動電路就是要產生正確的SH、1、2、RS信號，它是CCD芯片賴以正常工作的基礎。

介紹TCD1200D線陣CCD驅動電路的設計：

TCD1200D有2160個光敏單元，其前后各有64及12個啞單元。因此：TSH2236TRS,

fRS=1MHz，fφ1、φ2=0.5MHzTCD1200D管腳圖和驅動電壓驅動電路由單片機(AT89C2051)、可編程門陣列芯片（GAL16V8）構成。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是一種可編輯器件。圖示中未標的管腳可自由定義，通過編程，形成所需的邏輯關系。

SH信號的產生：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路驅動信號－SH、1、2、RS都由GAL器件產生。單片機除協(xié)同產生SH外，可充分用于CCD數(shù)據(jù)測量工作。以上介紹的設計思想可用于任何型號的線陣CCD。

GAL芯片有足夠的驅動能力，管腳可自由定義，使驅動電路緊湊、連線簡單。四.CCD像感器的應用

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，大量應用于掃描儀、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電荷耦合方式對轉移效率要求近乎苛刻；⒊時鐘脈沖復雜，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）采用標準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準邏輯電源電壓工作，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圖像傳感器結構總體結構框圖像元結構：無源像素(PPS)結構有源像素(APS)結構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，目前已達到5個均方根電子。用于高性能科學成像和低光照成像。二.CMOS攝像機的應用

由于CMOS攝像機節(jié)能、高度集成、成本低等獨特優(yōu)點，使CMOS攝像機具有很多應用領域: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；保安監(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)學領域有很好的發(fā)展空間，如可以在患者身體安裝小“硅眼”，應用藥丸式攝像機等；用于需要高速更新的影像應用領域：航天、核試驗、快速運動、瞬態(tài)過程等。三.發(fā)展趨勢

早期CMOS比CCD成像質量差，響應速度慢，人們主要采用CCD攝像機。近年來，采用有源像素結構等一系列技術措施,使CMOS的成像質量與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!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圖像增強到足夠亮度的真空光電管。圖像增強器變像管