光电成像系统幻灯片

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1、 本章内容 电荷耦合摄像器件(CCD器件) CCD器件的性能参数 CCD器件的应用第5章 光电成像系统1 电荷耦合摄像器件(CCD器件)光电成像系统的基本组成 物体 (信号源)传输介质光学系统 (信号分析器)光电摄像器件 (信号变换器)显示器人眼光源光 信 号光 信 号光 信 号信 号信 号背 景 噪 声背 景 噪 声噪 声噪 声2n成像转换过程有四个方面的问题需要研究： n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n成像特性能分辨的光信号在空间和时间方面 的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨 率n噪声方面决定接收到的信号不稳定的程度或 可靠性n信息

2、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 光电成像器件是光电成像系统的核心3光电成像器件的发展n近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进行光学图像处理与图像测量已成 为现代光学仪器、现代测控技术的重要发展方向。它广泛应用于遥感、遥测技 术、图形图像测量技术和监控工程等，成为现代科学技术的重要组成部分。n1934年研制出光电像管，应用于室内外的广播电视摄像。它的灵敏度相当低， 要达到现在图像信噪比的要求，需要不低于10000 lx的照度，这使它的应用范 围受到很大限制。n1947年超正析摄像管面世，使最低照度降至2000 lx。n1954年灵敏度较高的视像管投入市场。

3、其成本低，体积小，灵敏度和分辨率都 较高，但不是适用于高速场合和彩色应用。n1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩 色电视广播摄像机的发展产生了一个飞跃。n1976年前后，又相继出现灵敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶管。n1970年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器件（CCD）原理，从此光电成像器件 的发展进入了一个新的阶段CCD固体摄像器件的发展阶段。4光电成像器件的发展n近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进行光学图像处理与图像测量已成 为现代光学仪器、现代测控技术的重要发展方向。它广泛应用于遥感、遥测技 术、图形图像测量技术和监控工程等，成为现代科学技术的

4、重要组成部分。n1934年研制出光电像管，应用于室内外的广播电视摄像。它的灵敏度相当低， 要达到现在图像信噪比的要求，需要不低于10000 lx的照度，这是它的应用范 围受到很大限制。n1947年超正析摄像管面世，使最低照度降至2000 lx。n1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成本低，体积小，灵敏度和分辨率都 较高，但不是适用于高速场合和彩色应用。n1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩 色电视广播摄像机的发展产生了一个飞跃。n1976年前后，又相继出现灵敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶管。n1970年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器件（CCD）原理，从

5、此光电成像器件 的发展进入了一个新的阶段CCD固体摄像器件的发展阶段。一般情况：夏日阳光下为100000LUX；阴天室外为 10000LUX；室内日光灯为100LUX；距60W台灯60cm 桌面为300LUX；电视台演播室为1000LUX；黄昏室 内为10LUX；夜间路灯为0.1LUX；烛光（20cm远处 ）1015LUX。 5n摄像器件分类：内光电导效应型内光电导效应型外光电效应型外光电效应型光电像管光电像管 IconoscopeIconoscope超光电像管超光电像管 super Iconoscopesuper Iconoscope 正析像管正析像管OrthiconOrthicon 超正析

6、像管超正析像管 supersuper OrthiconOrthicon 视像管视像管 VidconVidcon氧化铅管氧化铅管 PlumbiconPlumbicon 硒砷锑管硒砷锑管SaticonSaticon 硅靶管硅靶管 电子管电子管固体摄像器件固体摄像器件MOSMOS摄像器件摄像器件 CCDCCD摄像器件摄像器件( (吸收光发出吸收光发出 自由电子自由电子) )光电成像系统按波长还可分为可见光（含微光条件）、紫外光及红外光 光电成像系统。固体摄像器件：无须扫描和聚焦(按像素移位)、光谱响应宽、功耗低、 可集成处理电路、体积小，是图像传感器的主要发展方向。6电荷耦合器件的基本结构构成CCD

7、的基本单元是 MOS(金属-氧化物-半导 体)电容器电荷耦合器件（CCD）与其他器件相比，最突出的特点是以电荷为信号。 CCD的基本功能是电荷的存储和转移，CCD的工作过程就是电荷的产生、存储、 传输和检测的过程。71. 电荷耦合器件的基本原理(1) 电荷产生 光辐射81. 电荷耦合器件的基本原理构成CCD的基本单元是MOS电容器，MOS电容器能够存储电荷。表面势 耗尽层开启电压 深度耗尽状态(2) 电荷存储 9表面势 势阱1. 电荷耦合器件的基本原理(2) 电荷存储 10势阱的功能：存储信号电荷暗电流电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。演示1. 电荷耦合器件的基本原理(2

8、) 电荷存储 11典型的三相CCD结构,三相CCD是由每三个栅为一组的间隔紧密的MOS结构组 成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲；(3) 电荷转移 完成电荷转移的CCD主要有两类结构形式：三相CCD结构和两相CCD结构三相时钟脉冲的波形1. 电荷耦合器件的基本原理12在t1时刻，1高电位， 2 、3低电位。此时1电极下的表面势最大，势 阱最深。假设此时己有信号电荷（电子）注入则电荷就被存储在1电极下的 势阱中。(3) 电荷转移 在t2时刻 在t3时刻 在t4时刻三相CCD结构及电荷转移演示1. 电荷耦合器件的基本原理13图示为“阶梯氧化层”两相结构。每一相电极下的

9、绝缘层为阶梯状，由此 形成的势阱也为阶梯状。(3) 电荷转移 两相CCD结构及电荷转移两相时钟波形电荷包的转移过程在t1时刻 在t2时刻 在t3时刻表面沟道器件，SCCD(Surface Channel CCD) 体内沟道器件，BCCD(Bulk or Buried Channel CCD)1. 电荷耦合器件的基本原理14电荷输出结构有多种形式，如“电流输出”结构、“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构应用最广泛。“浮置扩散输出”原理结构: 输出结构包括输出栅OG、浮置扩散区FD、复位栅R、复位漏RD以及输出场效应管T等。所谓“浮置扩散”是指在p型硅衬底表面用V族杂

10、质扩散形成小块的n区域，当扩散区不被偏置，即处于浮置状态工作时，称作“浮置扩散区”。(4) 电荷检测 1. 电荷耦合器件的基本原理15t1时刻t2时刻t3时刻t4时刻t5时刻电荷包输出过程：FD区电位变化量：1. 电荷耦合器件的基本原理(4) 电荷检测 162. 电荷耦合摄像器件的工作原理将CCD电荷存储、电荷转移的概念与半导体的光电性质相结合，导致了CCD 摄像器件的出现。电荷耦合器件有多种分类方法：按结构分线阵CCD和面阵CCD；按光谱分为可见光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CCD17(1) 线阵CCD线阵CCD分为双沟道传输与

11、单沟道传输两种结构，两种结构的工作原理相仿，但性 能略有差别。单沟道传输用于低位数CCD传感器。它的光敏单元与CCD移位寄存器SR分开，用转 移栅控制光生信号电荷向移位寄存器转移，转移栅关闭时，光敏单元势阱收集光信号 电荷，经过一定的积分时间，形成与空间分布的光强信号对应的信号电荷图形。积分 周期结束时，转移栅打开，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器SR 的响应单元内。转移栅关闭后，光敏单元开始对下一行图像信号进行积分。而已转移 到移位寄存器的上一行信号电荷，通过移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。(a)单沟道传输结构演示2. 电荷耦合摄像器件的工作原理18线阵CCD分为双

12、沟道传输与单沟道传输两种结构，两种结构的工作原理相仿，但性 能略有差别。双沟道传输结构光敏单元在中间，其奇偶单元的信号电荷分别传送到上、下两列 移位寄存器后串行输出，最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。这种方案的优点 是光敏单元有较高的封装密度，转移次数减少一半，可提高转移效率，改善图像传感 器性能。(b)双沟道传输结构(1) 线阵CCD2. 电荷耦合摄像器件的工作原理19(1) 线阵CCD2. 电荷耦合摄像器件的工作原理20D13.D62 D63 S1 S2 S3光电 二极管转移栅 2转移栅 1S2158 S2159D64D73 D74S2160.CCD移位寄存器 2CCD 移位寄存器 1

13、D14D15信号 输出 缓冲级补偿 输出 缓冲级2122361921OSDOSODF1F 2SHSS21(2) 面阵CCD行间转移结构采用光敏区与转移 区相间排列方式，相当于将若干个单 沟道传输的线阵CCD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CCD，水平CCD的每一位与垂 直列CCD一一对应、相互衔接。在器件 工作时，每当水平CCD驱动一行信息读 完，就进入行消隐，在行消隐期间， 垂直CCD向上传输一次，即向水平CCD 转移一行信号电荷，然后，水平CCD又 开始新的一行信号读出，以此循环， 直至将整个一场信号读完，进入场消 隐。在场消隐期间，又将新的一场光 信号电荷从光

14、敏区转移到各自对应的 垂直CCD中。然后，又开始新一场信号 的逐行读出。 常见的面阵CCD摄像器件有两种：行间转移结构与帧转移结构。演示2. 电荷耦合摄像器件的工作原理22帧转移结构由三部对组成；光敏区、 存储区、水平读出区。这三部分都是CCD结 构，在存储区及水平区上面均由铝层涵盖 ，以实现光屏蔽；光敏区与存储区CCD的列 数及位数均相同，而且每一列是相互衔接 的。不同之处是光敏区面积略大于存储区 ，当光积分时间到后时钟A与B均以同一 速度快速驱动将光敏区的一场信息转移 到存储区。然后，光敏区重新开始另一场 的积分；时钟A停止驱动，一相停在高电平 ，另一相停在低电平。同时，转移到存储 区的光

15、信号逐行向水平CCD转移，再由水平 CCD快速读出。光信号由存储区到水平CCD 的转移过程与行间转移面阵CCD相同。演示(2) 面阵CCD2. 电荷耦合摄像器件的工作原理23(3) 彩色CCD为了形成彩色信号，彩色CCD摄像机目前主要有三片式和单片式两种； 薄膜分色原理只要选择合适的d、n1、n0等参 量使得入射光I1和反射光I2在某 些波长同相位，这些光被相加输出 ；另一些波长光相位相反，这些光 被抵消无输出。 2. 电荷耦合摄像器件的工作原理24为了形成彩色信号，彩色CCD摄像机目前主要有三片式和单片式两种； 三片式CCD是传统的摄像方式 ，该方式用分色棱镜将入射光分成 红（R）、绿（G）

16、、蓝（B）三基 色。然后由配置在后面的CCD器件 转换为电信号。三片式CCD成像质 量好，主要用于电视台等高质量的 摄像机。演示(3) 彩色CCD2. 电荷耦合摄像器件的工作原理三片式CCD 25单片式CCD彩色摄像机结构简单、价格较低，是目前工业、家用摄像机中占统治地 位的彩色摄像机。单片式彩色CCD的关键是滤色器阵列。图示是两种常用的滤色器形式，拜尔(Bayer)方式滤色器中，从色单元的数量看绿色信号占了一半，而红蓝色单元 则占另一半，在这种方式中亮度信号从绿色单元中取出。这种排列方式在行间转移CCD 器件和隔行读出的其他器件中，由于奇数场只能取出R、G信号，而偶数场只能取出G、 B信号，因此重现的彩色图像会引起红、蓝闪烁。行间排列的滤色器方式中，绿色单元的位置和数量均不变化，而使红、蓝色在各 行都有，显然这种方式可以克服拜尔方式滤色器的缺陷。(3) 彩色CCD2. 电荷耦合摄