《光电检测技术第二版》第五章光电成像检测器件-1-3节.ppt

第五章 光电电成像检测检测 器件 光光电电电电成像器件成像器件是指能够输够输 出图图像信息的一类类 器件，图图像是由空间变间变 化的光强信息所组组成 ，所以成像探测测器必须须能感受到空间间不同位 置的光强变变化，即成像。 本章内容及重点 本章内容 u光电成像器件的发展、类型特性 u光电成像原理与电视制式 u真空摄像管 u电荷耦合器件（CCD） u金属氧化物半导体型MOS传感器件(CMOS) 重点内容 u电荷耦合器件（CCD） 难点内容 u光电成像原理 u电荷耦合器件（CCD）/CMOS 5.1 概述 n一、光电成像器件的发展 1934年，光电像管（Iconoscope），应用于室内外的 广播电视摄像。灵敏度非常低，需要10000lx的照度 ，达到图像信噪比的要求； 1947年，超正析像管（Image Orthicon），照度降低 到2000lx； 1954年，视像管，灵敏度分辨率高，成本低，体积 小，惯性大，不适用于高速运动图像测量，不能取代 超正析像管用于彩色广播电视摄像机； 1965年，氧化铅管（Plumbicon），成功取代超正析 像管，惯性小，广泛应用于彩色电视摄像机，结构简单 ，体积小，灵敏度分辨率都很高。 1976年，硒靶管硅靶管，灵敏度进一步提高且成本 更低； 1970年后，CCD的出现使光电成像器件进入新的阶段 。体积更小，灵敏度更高，应用更灵活、更方便。 1980年后，CMOS集成了半导体芯片工艺，进一步提 高了分辨率 一、光电电成像器件的分类类（成像原理 ） 摄像器件 使光学图像变成视频信号 （扫描型） 真空管摄像器件-光电型、热电型 固体摄像器件 摄像器件 使光学图像增强或改变光谱 （非扫描型） 变像管-红外、紫外、X射线 像增强管-串联式、级联式、微通道板式 、 负电子亲和势像增强管 电电荷传输传输 型：CCD 金属氧化物半导导体型： MOS 二、电视扫 描技术 n摄摄像器件的功能是把光学图像信号转换为 电信号，即把入射到探测器光敏面上按空 间间分布的光强信号，转换为 按时时序串行输输 出的电电信号视频视频 信号，而视频 信号能再 现入射的光图像信号。 n把空间图 像信号转换为 按时序变化的电信 号的过程称为扫扫描。 n对于两维的像探测器水平方向扫描称为行扫扫 描；电子束从左到右称为行正程；回头返回 左叫行逆程；行周期的倒数为行频fh。 n扫完最后一行后再返回第 一行，这样 一行接一行地 自上至下扫完一遍，称为 场扫场扫 描。场周期的倒数为 场频 fv 。 像素 人眼对电视图像的要求 人眼对高于48HZ变化的图像的闪 动是不能分辨的。 人眼对电视图像的分辨能力所确定 的扫描的水平行数至少应大于600行， 因此对于逐行扫描方式，扫描频率必须 大于29000HZ才能保证人眼对视觉图像 的最低要求。 逐行扫描：电子枪 以连续的方式扫描 显示器而形成的画 面，这种方式比隔 行扫描好的图像稳 定，电脑显示器基 本上都是此类。 隔行扫描：电子束在扫 描形成画面时，先扫描 奇数线条，再扫描偶数 线条，这种扫描方式画 面较闪烁，容易引起视 觉疲劳，电视机一般是 这种扫描方式。 隔行扫描必须满足两个要求： n1、要求下一帧图像的扫描起始点应与 上一帧起始点相同，以确保各帧扫描 光栅重叠。 n2、要求相邻两场光栅必须均匀的镶嵌 ，以确保获得最高的清晰度。 我国的隔行扫描电视 制式，采 用每帧扫 描行数为625行，每 场扫 描行数为312.5行。 5.2 光电电成像原理 和电视电视 制式 光电成像系统示意图 同步扫描视频信号景物光学成像光电变换图像分割 传送同步扫描视频解调图像再现 摄像部分 显像部分 光电成像原理： 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，经光电成像 器件将二维光学图像转变成二维电气图像，然后进 行图像分割，并按照一定的规则将所分割的电气图 像转变成一维时序信号（视频信号），将视频信号 送入监视器，控制显像管电子枪的强度，显像管电 子枪与摄像管的电子枪作同步扫描，可将摄像管摄 取得图像显示出来。 我国电视制式及其参数 1、电视图像的高宽比 我国电视选用早期电影中所选定的画面宽 高比4:3，目前则为宽屏16:9（电影格式）。 2、帧频和场频 我国现行的电视标准中规定场频是50HZ， 帧频是25HZ，每秒内光栅重复50次。 3、扫描行数与行帧 我国电视每帧画面的扫描行数为625行， 行频为15625HZ，每帧画的水平分辨率为466 线，垂直分辨率为400线。 5.3 真空摄摄像管 一、光电电成像器件的分类类（成像原理 ） 摄像器件 使光学图像变成视频信号 （扫描型） 真空管摄像器件-光电型、热电型 固体摄像器件 摄像器件 使光学图像增强或改变光谱 （非扫描型） 变像管-红外、紫外、X射线 像增强管-串联式、级联式、微通道板式 、 负电子亲和势像增强管 电电荷传输传输 型：CCD 金属氧化物半导导体型： MOS 一、摄像管概述 n摄像管： 将按空间光强分布的光学图象记录并 转换为视频信号（电信号）的一种器件。 摄像管是景物发出的光线通过光学镜 头进入摄像机时所接触到的、整体电视发 送系统中的第一个部件。 n摄像管的基本任务： 将输入的光学图像信息转换成适合于处理和 传递的时间序列的一维电信号。 n 一般过程为： 输入的光学图象变成电荷(或电位)图像 对电荷图像进行存贮和积累 对电信号进行放大和增强 对存贮的电荷图像的各个像素进行顺序扫描， 输出与输入信息相一致的一维电信号。 摄像管的分类 v 按光电变 换形式分 内光电变换型(光电导型、PN结型) 外光电变换型(光电发射型) v 按是否带移像部分分 没有移像部分 有移像部分 n利用内光电效应将光学图像转变为电位起伏。 n当光学图像投射到光电导体靶面时，因各个像 素上照度的不同，导致电导率的差异，从而在 靶面产生电位起伏（电位图像）。然后，通过 扫描电子束的换接作用，产生视频信号。 n属于这一类型的摄像管，按照靶面（光电导体 ）材料的不同，有硫化锑管、氧化铅管、硅靶 管、异质结靶管等等。 内光电变换型（光电导型、PN结型）： n利用光电发射将光学图像转变为电位起伏。 n当光学图像投射到光电阴极时，因各个像素上照 度的不同，光电阴极上发射出相对应的、强弱不 同的电子流，后者轰击靶面，产生电位起伏（电 位图像）。然后，通过扫描电子束的换接作用， 产生视频信号。 n属于这一类型的摄像管，有超正析像管、分流管 、次级电子导电管（简称SEC管）、增强硅靶管 （简称SIT管或SEM管）等等。 外光电变换型（光电发射型）： 两种类型各自的优点 n光电导型的优点是体积小，调节使用方便 。 n光电发射型的优点是：可借助于电子加速 获得管内增益，从而使灵敏度大大提高， 超过光电导型。缺点是：光电阴极本身的 量子效率不及光电导体。 二、摄像管的基本组成和作用 n摄像管必须具有:写入、存贮、阅读、抹去等过程 。 光电变换与存贮部分 信号阅读部分 结构主要由两大部分组成结构主要由两大部分组成 光电发射型摄像管工作过程： 景物光学镜头形成光学图像成像 于光电阴极（光电发射体）上产生光电发 射（光电流大小与照度强弱对应）光电子 加速到达靶面使靶的另一面产生电位起伏 （电子图像）实现光电变换的功能。 n移像区与扫描区的划分 成像面扫描面 扫描区 移像区 靶 光电阴极 电子枪 移像的目的：通过加速增强光电子的 能量，在靶面上产生更多的电荷，获 得增益，提高灵敏度。 光电导型摄像管工作过程 景物形成的光学图像光学镜头成像于 靶面上靶上各像素的电导率增大(光电导效 应)空穴移向低电位,电子移向高电位移 动的结果使靶的扫描面电位升高电位高低 与照度相对应实现光电变换的功能。 n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由两部分来完成，彼此分 离，总称为移象区。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。电子枪部分二者基本相同。 n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。 n光电导式摄象管体积小，结构简单，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。 光电变换部分 作用：将光学图像变成电子图像 组成：由光敏元件组成 常用材料：光电发射体和光电导体 1、光电变换与存贮部分 视象管核心部件：光电导靶是将信号板与 光电导体做在一起。在靶上施加固定直流 电压，形成电场。 作用是取走 信号 作用：产生光电导效应， 起光电变换的功能， 又是电荷积累器 v 电荷存贮也称电荷积累 v 积累元件 既可是光电变换体本身，即光电变 换部分和存贮部分是为一体的 也可用单独存贮元件，使光电变换 和存贮部分分开 v光电变换所得到的瞬时信号很弱，故一般 要采用积累元件。 光电变换与存贮部分 电荷存储部分 信号板 电子束 光子 光电 导体 既是光电变换 器，又是电荷积 累器 积累过程 光照产生的正电荷向靶 的右表面转移，建立电位图 像。建立电位图像的过程就 是电荷的积累过程。当来自 右端电子枪的电子束不扫描 靶面时，该电位图像（电荷 积累的结果）将累积起来。 作用：从靶面将积累的信号取走。 2、信号阅读部分 发射系统（电子枪） 聚焦偏转系统 组成： 偏转线圈 聚焦线圈 光电导靶 电子枪 场网 聚焦偏转系统 n概括地说说，摄摄像管的工作原理：先 将输输入的光学图图像转换转换 成电电荷图图像 ，然后通过电过电 荷的积积累和存储储构成 电电位图图像，最后通过电过电 子束扫扫描把 电电位图图像读读出，形成视频视频 信号输输出 。 视频信号 的形成 等效电路 n4.26 三、光电导摄象管(视像管） n视象管的基本结构包括两大部分： n光电导靶和电子枪。 光学图像的光电 转换和信号电荷 的积累、存储 n光电靶由光窗、信号极和靶组成，靶面的 光敏层可进行光电转换。 n电子枪部分包括灯丝、热阴极、控制栅极 、各加速电极和聚焦电极、靶网电极和管 外的聚焦线圈、偏转线圈、校正线圈等， 它的作用是产生热电子，并使它聚焦成很 细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面 。 视频信号 靶 网电极 聚焦线圈 偏转线圈 校正线圈 聚焦极2 聚焦极1 阴极 控制栅极 加速极 RL VT 1硅靶摄象管 n 摄象管窗口玻璃内表面涂有一层很薄的既可透光也 可导电的SnO2膜，在它上面接有引线可同负载相连，称 为信号板。挨着信号板的是一块N型硅片，硅片表面生 成一层SiO2绝缘层，利用光刻技术在SiO2上光刻成几十 万个小孔，再通过 掺杂使每个小孔都 变成P-Si。最后在 SiO2和P型岛表面蒸 涂一层电阻率适当的 材料，即成为硅靶。 -形成PN型光电二极管 n 电路连接：信号板通过引线、负载电阻与靶电 源的正极相连。电子枪的热阴极接地，扫描电子束 即具有地的电位。当电子束扫描到每个P型岛时， P型岛的PN结即被反偏置，结电容被充电到靶电源 电压。 硅靶的光电变换 视频信号 电阻海 P型岛 SiO2 P P P n R2 N+ 工作时，在N+层加515伏 电压，当有光学图像输入时， N型硅吸收光子产生电子空穴 对，它们在电场的作用下作漂 移运动，空穴通过PN结移到P 型岛，此动作在一帧的周期内 连续进行，从而提高了P型岛 的电位，其电位的升高的数值 正比于该点的曝光量。因此， 靶面的P型岛上形成了积累的 电荷图像。这时通过电子束的 扫描，即可得到视频信号。 2氧化铅靶视象管 PbO管是目前广播电视和彩色电视中用得较多的一种摄象管。 nPbO靶结构 窗口玻璃内壁是一层 透明导电膜作为信号板， 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。 n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，相当于对PIN进行反偏置。 靶电源电压约40V左右。 四、摄像管的主要参数 1、 光电转换特性（特性） 定义：输出信号与产生该信号的光敏面 上的入射照度之间的关系。 四、摄像管的主要参数 2、 光谱响应特性 四、摄像管的主要参数 3、 时间响应特性（惰性） 器件产生惰性的原因：一种是光电导特 性；另一种是电容性特性。 4、 输出信噪比（暗电流和噪声） 5、 动态范围 摄像管的动态范围取决于暗电流和其饱 和电流。暗电流引