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1、1光电成像概述2固体摄像器件分类及性能3红外成像技术4光学成像系统和光学传递函数光电成像系统光电成像系统1光电成像概述一、光电成像系统的分类：按照光电成像系统对应的光波长范围分类：可见光光电成像系统；紫外光光电成像系统；红外光光电成像系统；X光光电成像系统。二、光电成像系统要研究的问题光电成像涉及到一系列复杂的信号传递过程。有四个方面的问题需要研究：1、能量方面物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题。1光电成像概述3、噪声方面决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性。4、信息传递速率方面成像特性、噪声信息传递问题，决定能被传递的信息量大小。2、成像特性能分辨的光信号
2、在空间和时间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率。1光电成像概述三、光电成像系统基本组成的框图其中光电摄（成）像器件是光电成像系统的核心。1光电成像概述2固体摄像器件分类及性能固体摄像器件的功能：光学图像电信号把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号视频信号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。转换固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）电荷注入器件（ChargeInjenctionDevice，即CID）目前，前两种用得较多，我们这里主
3、要分析CCD一种。2固体摄像器件分类及性能CCDCCD图像传感器的优势图像传感器的优势具有固体器件所有优点；自扫描输出方式消除了电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真，体积、重量、功耗和制造成本是电子束摄像管无法达到的。CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为广泛应用图像传感器的新时代。2固体摄像器件分类及性能Fig.1贝尔实验室GeorgeSmith和WillardBoyle将可视电话和半导体存储技术结合发明了CCD原型2009年诺贝尔奖物理学奖得主2固体摄像器件分类及性能l瑞典皇家科学院6日宣布，美国科学家威拉德博伊尔和乔治史密斯因发明电荷耦合器件（CCD）图像传感器而与“光纤之父”
4、高锟一同获得2009年诺贝尔物理学奖。l评委会赞扬博伊尔与史密斯1969年第一次成功地发明了数字成像技术，工作于贝尔实验室的他们设计了一种影像传感器，可以将光在短时间内转化为像素，为摄影技术带来“革命化”变革。“没有CCD，数码相机的发展将更为缓慢。没有CCD，我们就不会看到哈勃太空望远镜拍摄的令人诧异的图片，也不会看到我们的邻居火星上的红色沙漠图像。”评委会说。112固体摄像器件分类及性能1969年，由美国的贝尔研究室所开发出来的。同年，日本的SONY公司也开始研究CCD。1973年1月，SONY中研所发表第一个以96个图素并以线性感知的二次元影像传感器8H8V(64图素)FT方式三相CCD
5、。1974年6月，彩色影像用的FT方式32H64VCCD研究成功了。1976年8月，完成实验室第一支摄影机的开发。1980年，SONY发表全世界第一个商品化的CCD摄影机(编号XC-1)。1981年，发表了28万个图素的CCD(电子式稳定摄影机MABIKA)。1983年，19万个图素的IT方式CCD量产成功。1984年，发表了低污点高分辨率的CCD。1987年，12inch25万图素的CCD，在市面上销售。同年，发表23inch38万图素的CCD，且在市面上销售。1990年7月，诞生了全世界第一台V8。CCD发展史2固体摄像器件分类及性能2.1电荷耦合摄像器件CCD（ChargeCoupled
6、Device）是70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。30多年来，CCD技术已广泛的应用于信号处理、数字存储及影像传感等领域。其中，CCD技术在影像传感中的应用最为广泛，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的领域之一。CCD的特点:以电荷作为信号。CCD的基本功能:电荷存储和电荷转移。CCD工作过程:信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。2.1电荷耦合摄像器件二、CCD的基本功能包括：电荷的产生、存储、转移和输出。l1、电荷的产生：电荷的产生方法主要分为：光注入和电注入。l（1）电注入：当CCD用作信息存贮或信息处理时，通过输入端注入与信号成正比的电荷。l（2）光注入：当C
7、CD用作拍摄光学图像时，把按照照度分布的光学图像通过光电转换成为电荷分布，然后由输入部分注入。CCD相机就是采用光注入。2.1电荷耦合摄像器件2、电荷存储以衬底为P型硅构成的MOS电容为为例。（1）当向栅极施加一定较小的正向电压时，P型硅中的空穴被排斥，产生耗尽区。（2）当栅极的正向电压大于半导体的域值电压时，半导体与绝缘体界面上的电势变高，以致于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成有一定宽度的可存储电子的势阱。2.1电荷耦合摄像器件3、电荷转移通过按照一定的时序在电极上施加高低电压，使电荷在相邻的势阱间进行转移。通常把CCD的电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。按
8、相数可分为：二相CCD、三相CCD、四相CCD等。对于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移，至少需要三相。这里以三相表面沟道CCD为例。2.1电荷耦合摄像器件二、电荷耦合摄像器件的工作原理CCD的电荷存储、转移的概念+半导体的光电性质CCD摄像器件按结构可分为线阵CCD和面阵CCD按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD2.1电荷耦合摄像器件（1）线阵CCD线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构。2.1电荷耦合摄像器件两种结构的工作原理相仿，但性能稍有差异。单沟道线阵转移次数多，效率低，只适用于像素单元较少
9、的成像器件。双沟道线阵转移次数减少一半，它的总转移效率也提高为原来的两倍。线阵每次扫描一条线，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。（2）面阵CCD分类：帧转移CCD和行间转移CCD.l目前比较常用的形式是帧转移结构。光敏区是由光敏阵列构成的，其作用是光电变换和在自扫描正程时间内进行光积分，暂存区是由遮光的构成的，它的位数和光敏区一一对应，其作用是在自扫描逆程时间内，迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移到它里面暂存起来，如图.所示。2.1电荷耦合摄像器件图.帧转移面阵l然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而暂存区则利用这个时间，将电荷包一次一行地转移给移位寄存器，变为串行信号输出
10、。当移位寄存器将其中的电荷包输出完了以后，暂存区里的电荷包再向下移动一行给移位寄存器。当暂存区中的电荷包全部转移完毕后，再进行第二帧转移，如图.所示。2.1电荷耦合摄像器件l帧转移面阵的优点是电极结构简单，感光区面积可以很小。缺点是需要面积较大的暂存区。l行间转移结构采用了光敏区域转移区相间排列的方式。它的结构相当于将若干个单沟道传输的线阵图像传感器按垂直方向并排，再在垂直阵列的尽头设置一条水平，水平的每一位与垂直列一一对应、相互衔接，如图.所示。2.1电荷耦合摄像器件l（）黑白与彩色。基于前述工艺的本质上为黑白，它无法确定入射到光敏元上的各个颜色的光的组成。若想获取被摄物体的色差信息，需要使
11、用彩色。l彩色目前主要有三片式和单片式两种。2.1电荷耦合摄像器件l单片式彩色摄像机结构简单、价格较低，是目前工业、家用摄影的主流。关键器件l是滤色器阵列。图.所示是两种常用的滤色器形式。2.1电荷耦合摄像器件l一般的彩色数码相机是在黑白上覆盖拜尔滤镜（），如图.（）所示。l每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色，一个过滤蓝色，两个过滤绿色。之所以选择两个绿色像素是因为相比较而言人眼对绿色最为敏感，因此绿色信息应最为精确。结果每个像素都接收到对应颜色的光强，单个像素是无法反映对应物体的色彩信息的，通过一定的去马赛克算法（）对这些像素的光强进行差分处理，可以最终获得彩色图像。2.1电荷耦合摄像
12、器件l由于一片同时完成亮度信号和色度信号的转换，使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平的要求。为了解决这个问题，便出现了摄像机。即一台摄像机使用了三片，分别用于接收光信号中的红(）、绿（）、蓝（）三种颜色并转换为电信号，然后经过电路处理后产生图像信号。2.1电荷耦合摄像器件271）转移效率和损耗率电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移有一个过程为了描述电荷包转移的不完全性，引入转移效率的概念。在一定的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为Q0，转移到下一个势阱时电荷包的电量为Q1，则转移效率定义为:=Q1Q0损耗率表示残留于原势阱中的电量与原电量之比，故=1-（-）2.2电荷耦合摄像器件的特性参
13、数.的特性参数28如果线阵列CCD共有n个极板，则总效率为n。引起电荷包转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获和时钟频率过高，所以表面沟道CCD在使用时，为了提高转移效率，常采用偏置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。这样，即使是零信息，势阱中也有一定量的电荷。因此，也称这种技术为“胖零（fatzero）”技术。2.2电荷耦合摄像器件的特性参数）不均匀度不均匀度包括光敏元的不均匀性与的不均匀性。本节讨论光敏元的不均匀性，认为是近似均匀的，即每次转移的效率是一样的。定义光敏元响应的均方根偏差对平均响应的比值为的不均匀度：式中，为第个光敏元原始响应
14、的等效电压；为平均原始响应等效电压；为线列的总位数。2.2电荷耦合摄像器件的特性参数）暗电流成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流。暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发。由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，中暗电流密度的分布是不均匀的。暗电流的危害有两个方面：限制器件的低频限，引起固定图像噪声。2.2电荷耦合摄像器件的特性参数314）光谱响应特性现在固件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为0.41.15m左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，峰值波长为0.650.9m左右。CCD的光谱特性曲线2.2电荷耦合摄像器件
15、的特性参数图6.23CCD的光谱特性曲线）动态范围与线性度线性度是指在动态范围内，输出信号与曝光量的关系是否成直线关系。）噪声的噪声可归纳为三类：散粒噪声、转移噪声和热噪声。2.2电荷耦合摄像器件的特性参数.摄像器件性能评估）分辨率的选择分辨率是摄像器件最重要的参数之一，它是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力。测试时用专门的测试卡。目前国际上一般用（调制传递函数）来表示分辨率。2.2电荷耦合摄像器件的特性参数）成像灵敏度成像灵敏度是指在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流）。）电子快门电子快门的时间在之间，摄像机的电子快门一般设置为自动电子快门方式，可根据环境的亮暗自动调节快门时间，得到清晰的图像。有些摄像机允许用户自行手动调节快门时间，以适应某些特殊应用场合。）外同步与外触发外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步，它可保证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧、行的起止时间。2.2电荷耦合摄像器件的特性参数）芯片的尺寸的成像尺寸指的是对角线长度，如图.所示。常用的有英寸、英寸等，成像尺寸越小的摄像机的体积可以做得更小些。图.芯片的尺寸示意图2.2电荷耦合摄像器件的特性参数2.2电荷耦合摄像器件的特性参数.的特性图像传感器可直接将光学信号转换为数
