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1、5 光电成像器件,光电成象器件是指能够输出图象信息的一类器件，例如使不可见光图象变为可见光图象的器件，使光学图象变为电视信号的器件等。,第一节、概述,1、光谱响应,光电成像器件的光谱响应取决于光电转换材料的光谱响应，其短波限有时受窗口材料的吸收特性影响。 在选用光电成像器件时，应当考虑器件的光谱响应与被测景物辐射光谱的匹配。,一、光电成像器件的基本特性,2、转换特性,光电成像器件的输出物理量与相对应的输入物理量的比值关系称为转换特性。转换特性的参量有灵敏度（或响应度）、转换系数及亮度增益等。,像管的输入量有辐射和光度两种度量单位，输出量常为光度量单位，它们的转换特性常用转换系数C表示：,像增强
2、管的输入量和输出量常常采用光度量单位，它们的转换特性常用亮度转换增益GL表示，它的定义为：像管荧光屏的光出射度与照射在光电阴极面上的光照度之比，即：,摄像器件的输入量为辐射量和光度量，输出量为信号电流（或电压），因此，摄像器件的灵敏度单位较多。,若摄像器件的输入量为辐射照度或辐射通量，则灵敏度为：,若摄像器件的输入量为光照度或光通量，则灵敏度为：,为了保证摄像器件的光电转换特性为线性，希望器件的灵敏度S在一定范围内为一恒定值。对于光电发射式或硅靶及CCD摄像器件，其光电转换的线性关系是较好的。,3、分辨率,分辨率是衡量成像器件与成像系统优劣的一个重要参数。分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细节
3、的能力。分辨率常用两种方式来描述：极限分辨率和调制传递函数。,极限分辨率是在一定的测试条件之下定义的。当以一定性质的鉴别率图案（有100%对比度的专门的测试卡）投射到CCD光敏面时，在输出端观察到的最小空间频率（即用眼睛分辨的最细黑白条纹对数）就是该器件的极限分辨率。,极限分辨率,各种分辨率测试卡图片,变像管与像增强管的极限分辨率用每毫米线对数（lp/mm）表示。摄像管的极限分辨率用在图像范围内所能分辨的等宽度黑白线条数来表示。摄像管的分辨率又有水平分辨率和垂直分辨率之分。,优点： 极限分辨率的表示方法有专门的测试卡测量而使用方便。,缺点： 极限分辨率的表示方法不客观科学。其原因是因为： 每个
4、人的视觉不一样，观测值带有主观性； 测试卡的对比度与几何尺寸以及观测时的照度不一样，观测的结果也会有不同。如当被摄图像对比度低于30%时，观测的分辨率值就会明显下降； 观测的分辨率值是系统的总体特性，而不能分摊到各个部件上。,调制传递函数,调制传递函数是光学系统传递对比度的能力。是输出调制度与输入调制度之比的百分数。或者说调制传递函数是调制度与空间频率的关系。当输入正弦光波（即一个确定的空间频率的物象投射在CCD上）时，CCD的输出也将是随时间变化的一种正弦波，设波峰为A，波谷为B，则调制传递函数为：,图象在传送过程中，调制度M是随空间频率的增大而减小的。如果把调制度的损失程度以百分数表示（以
5、零频时的调制度为100%），则调制度与空间频率的关系曲线，就是调制传递函数。MTF能够用仪器测量，因此它能客观地表示器件对不同空间频率目标的传递能力。,调制传递函数曲线,它广泛应用于夜视技术、电视技术、工件的图象测量、精密零件的微小尺寸测量、产品外观检测、应力应变场分析、机器人视觉、交通管理与指挥、定位、跟踪遥感、遥测技术和监控工程等，成为现代科学技术的重要组成部分。,二、光电成像器件的应用,第二节、光电成像原理,一、光电成像原理,光学成像：光学物镜将景物所反射出来的光成像到光电成像器件的像敏面上形成二维光学图像。,光电变换：光学成像器件将二维光学图像转变成二维“电气”图像的工作。,图像分割：
6、“电气”图像的电气量在二维空间的分布与光学图像的光强分布保持着线性对应关系。组成一幅图像的最小单元称作像素，像素单元的大小或一幅图像所含像素数决定了图像的清晰度。像素数愈多，或像素几何尺寸愈小，反映图像的细节愈强，图像愈清晰，图像质量愈高。这就是图像分割。,同步扫描：按着一定的规律将所分割的电气图像转变成一维时序信号，即将电气图像从左向右，又从上向下的规律输出即为扫描。从左向右的扫描称为行扫描，从上向下的扫描称为场扫描。为了保证图像中的任意一点的信息能够稳定的显示在荧光屏的某一确定点上，在进行、场扫描时还必须给出同步控制信号，常称为行、场同步脉冲。,视频信号：由于监视器的显象管几乎都是利用电子
7、束扫描荧光屏，荧光屏又具有一定的余辉效应，便可在显象管上获得可供观察的图像。行扫描：电子束在屏幕水平方向的扫描（从左到右的扫描称为正程，从右向左的扫描称为逆程）。 帧扫描（场扫描）：电子束在垂直方向的扫描（从上到下的扫描为正程，从下到上的扫描为逆程）。,目前，世界上主要使用的电视广播制式有PAL（正交平衡调幅逐行倒相制）、NTSC（正交平衡调幅制）、SECAM（行轮换调频制）三种。如中国、德国、英国及其它一些西北欧国家使用PAL制式。日本、韩国等东南地区及美国、加拿大等国家使用NTSC制式。法国、俄罗斯及一些东欧国家则使用SECAM制式。,二、电视制式,影响电视系统性能的因素：电视画面的宽高比
8、、帧频、场频、行频等等。,1、电视系统的宽高比,电视屏幕上显示出来的图像宽度W和图像高度H之比称为图像的宽高比，用表示。,早期电视选用了电影画面的宽高比(4:3)：当观察者坐在影院中心位置与银屏保持适当的距离，当画面的宽高比为4:3时，多数观众看电影时头不需要摆动，眼球也不需要上下或左右转动，感到轻松、舒适。,电脑及普通电视信号的宽高比为是4:3。电影及DVD和高清晰度电视的宽高比是16:9。当输入源图像的宽高比与显示设备支持的宽高比不一样时，就会有画面变形和缺失的情况出现。16:9的图像在4:3屏幕上显示时有3种方式：第一种是变形方式，在水平充满的情况下，垂直拉长，直到充满屏幕，这样图像看起
9、来比原来瘦；第二种方式是字符框-A方式， 16:9的图像保持其不失真，但在屏幕上下各留下一条黑条；第三种方式是字符框-B方式，是前两种方式的折中，水平方向两侧各超出屏幕一部分，垂直上下黑条也比第二种窄一些，图像的宽高比为14:9。目前的家用投影机为了迎合家庭影院的需求，通常屏幕宽高比为16:9 。,2、帧频与场频,帧频：也称刷新频率，是每秒钟电视屏幕变化的数目，即电视图像的重复频率。,电视荧光屏上的扫描频率（即帧频）有30Hz和25Hz两种，即电视每秒钟可传送30帧或25帧图像，30Hz和25Hz分别与相应国家电源的频率一致。,由于受信号带宽的限制，电视采用隔行扫描的方式满足这一要求。每帧分两
10、场扫描，每个场消隐期间荧光屏不发光，于是荧屏亮度每秒闪烁50次（25帧）和60次（30帧）。这就是电影和电视帧频不同的历史原因。但是电影的标准(48次24帧）在世界上是统一的。,红为奇数场，蓝为偶数场,现在，随着器件的发展，逐行系统也就应运而生了，因为它的一幅画面不需要第二次扫描，所以场的概念也就可以忽略了，同样是在单位时间内完成的事情，由于没有时间的滞后及插补的偏差，逐行的质量要好得多，这就是大家要求弃场的原因了，当然代价是，要求硬件（如电视）有双倍的带宽，和线性更加优良的器件，如行场锯齿波发生器及功率输出级部件，其特征频率必然至少要增加一倍。当然，由于逐行生成的信号源（碟片）具有先天优势，
11、所以同为隔行的电视播放，效果也是有显著的差异的。,3、扫描行数与行频,确定扫描行数，实际上就是确定电子束在水平方向上的扫描速度Vhf，因为在场频一定的情况下，行数越多，扫描速度就需要越快。由于图像信号的低频分量可以接近于零频，所以电视系统中直接用视频信号的上限频率fB来代表视频带宽。因此所传送图像的视频带宽与行数(扫描速度)之间需要折衷。选择时，应兼顾到图像的清晰度和电视设备的成本。,习题5-1,一、填空题 1、光电成像器件包括（ ）（ ）。 2、扫描型光电成像器件又称（ ）。 3、 分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力。分辨率常用两种方式来描述（ ）分辨率和（ ）函数。,第三节、真空
12、摄像管,按结构分，常把有移象区的摄象管称为光电发射式摄象管，它的光电变换部分和光信息存储部分是由两部分来完成的，彼此分离，总称为移象区。把没有移象区的摄象管称为光电导式摄象管或视象管，它的两部分功能全由一个靶来完成。,一、定义：,能够输出视频信号的一类真空光电管称为摄象管。,二、分类：,电子枪部分二者基本相同。光电发射式摄象管的光电变换部分和光信息存储部分是由两部分来完成的。光电导式摄象管光电变换部分和光信息存储部分是由一个靶来完成的。光电发射式摄象管历史最早，信号质量也最高，但体积大，结构复杂，调整麻烦，所以目前除特殊场合（微光摄象领域）外一般用得较少。光电导式摄象管比前者体积小，结构简单，
13、信号质量有的也接近于前者，所以电视领域中用得较为普遍。,摄象管示意图,光电发射式摄象管和光电导式摄象管的比较,发射式摄象管 光电导式摄象管,三、氧化铅视像管的结构,它是由光电导靶、扫描电子枪和管体组成。靶是视像管的光电转换元件。它安置在入射窗的内表面上，光学图像直接投射在靶面上。,窗口玻璃内壁是一层极薄的二氧化锡（SnO2）透明导电膜，称为信号板。接着就是PbO靶，靶的成象面一边为N-PbO，扫描面一边为P-PbO，两者之间夹着一层（相对）很厚的本征氧化铅I-PbO，因而具有PIN结构。,1、靶的结构,工作时，信号板通过负载和靶电源的正极相接，电子枪的热阴极接地，当扫描电子束扫描靶面时，相当于
14、对PIN进行反偏置。靶电源电压约45V左右。由于本征层的电阻率高，所以外加的反偏电压主要是施加在本征层上。,2、工作原理,当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。由于本征层占有靶厚的绝大部分，入射光子的大部分被本征层吸收，产生光生载流子。强电场的作用下，光生载流子被内电场拉开，电子拉向N区，空穴拉向P区。其结果，在一帧的时间内，在靶面上便获得了与输入图像光照分布相对应的电位分布，完成了图像变换和记录的过程。氧化铅摄像管的阅读同样是由扫描电子枪来实现。当扫描电子束扫描某个像元时，电子束将中和该像元的空穴形成电流，便在输出电阻上产生视频信号输出。,摄象管输出的光电流与入射的光照度之间的函数关
15、系。 常表示为其中 Ip：光电流; E：照度; ：光照指数; k：比例系数,四、摄像管的性能参数,1、光电转换特性,2、时间响应特性,摄象管的光电流输出滞后于光信息输入的一种现象。摄像管输入光照度突然截止后，取其第三场衰减的输出信号电流占未截止光照时的输出电流的百分比值来表示摄像管滞后特性的指标。这里所说的场，是指电视场，按我国的电视制式，场周期为20ms，三场后残余信号的百分比，即光信息变化60ms后的输出电信号，对于60ms前原输出电信号的百分比。,3、动态范围,摄象管的动态范围取决于摄像管的暗电流及其饱和电流。暗电流引起的噪声决定了摄像管的最低输入照度，饱和电流决定了摄像管的最高输入照度
16、。最高输入照度与最低输入照度之差称为该摄像管的动态范围。,第四节、电荷耦合器件,电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，其基本功能是电荷的存储和电荷的转移。CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输、检测。,1、电荷存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD(简称SCCD)。 2、电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输。这类器件称为体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。,CCD有两种基本类型：,CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS结构。栅极加电压之前，P型半导体的载流子的分布是均匀的。,一、CCD单元结构,二、电荷存储,如果衬底接地，给栅极加一个正的电压UG(UGUth时)，则金属极板和衬底之间就会产生一个电场(也称表面势)。这个电场就要迫使半导体表面部分的空穴离开表面入地，从而在表面附近形成一个带负电荷的耗尽区，这个耗尽区也称为表面势阱。表面势阱的深度，近似地与极板上所加的电压成正比。,
