第6章-光电成像技术

1、第第6 章章 光电成像器件光电成像器件像管及其实训项目像管及其实训项目电荷耦合器件电荷耦合器件CCD 及其实训项目及其实训项目 CMOS图像传感器及其实训项目图像传感器及其实训项目其他摄像器件及其实训项目其他摄像器件及其实训项目光电成像器件：利用光电效应将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可观察、记录、传输、存储以及可进行处理的图像的器件系列的总称。6.1 像管像管 【任务要求】通过对像管理论知识的学习，掌握像管的基本工作原理和结构，了解它的特性参数。6.1.1 像管的认识像管的认识像管包括变像管和像增强器。变像管是把非可见光，如红外、紫外、X射线等图像转化成可见光图像，如红外变像管、紫外变像

2、管。像增强器，主要是指把微弱的可见光图像增强亮度，变成人眼可以观察到的图像，也称为微光管。6.1.2 像管的主要特性参数像管的主要特性参数1. 光谱响应特性光谱响应特性 像管的光谱响应特性实际上就是第一光电阴极的光谱响应特性，其光谱响应曲线如图6-4所示。2. 像管的增益特性像管的增益特性亮度增益与像管各参量的关系为在一定照度范围内，GL与透过率,阴极积分灵敏度R, 荧光屏的发光效率, 加速电压U成正比，与电子光学系统的线倍率m2成反比。3. 像管的光传递特性像管的光传递特性像管的光传递特性是指输出亮度随入射照度的关系。4. 像管的背景特性像管的背景特性（1）暗背景（2）信号感生背景Lsb5.

3、 像管的传像特性像管的传像特性 6. 像管的时间响应特性像管的时间响应特性7. 空间分辨特性空间分辨特性6.2 像管的实训项目像管的实训项目 【任务要求】通过不同的实训项目，进一步加强学生对像管知识的理解。 2021-12-16.2.1 主动红外夜视仪的实训主动红外夜视仪的实训【实训目的】【实训目的】 1. 掌握红外夜视仪的工作原理； 2. 对红外夜视仪的应用有一定的了解。【实训器材】【实训器材】 多媒体教学系统，电子教案【实训内容】【实训内容】6.2.2 微光成像系统的实训微光成像系统的实训【实训目的】【实训目的】 1. 掌握微光成像系统的工作原理； 2. 对微光夜瞄镜的应用有一定的了解。【

4、实训器材】【实训器材】 多媒体教学系统，电子教案【实训内容】【实训内容】6.3 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD 【任务要求】 通过对电荷耦合器件CCD理论知识的学习，掌握电荷耦合器件CCD的基本知识，了解其特性参数。6.3.1 电荷耦合器件的认识电荷耦合器件的认识 1. CCD的基本结构的基本结构在P型或N型硅单晶的衬底上生长一层厚度约为0.10.2m的SiO2层，为绝缘层，然后按一定次序沉积N个金属电极作为栅极，栅极间的间隙约2.5m，电极的中心距离1520m，于是每个电极与其下方的SiO2和半导体间构成了一个金属-氧化物-半导体结构，即MOS结构。2.CCD的工作原理的工作原理CCD工作过

5、程分为三部分：信号输入、电荷转移和信号输出部分。1）信号输入）信号输入 输入部分的作用是将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。引入的方式有两种：光注入和电注入。2）电荷转移）电荷转移3）信号输出）信号输出 Qs = Iddt 3. 电荷耦合器件的分类电荷耦合器件的分类（1）线阵CCD线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体，在它们之间设有一个转移控制栅。（2）面阵CCD面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。4. CCD的应用实例的应用实例(1) 利用CCD测量几何量；(2) 用于传真技术，文字、图象识别；(3) 自动流水线装置，机床

6、、自动售货机、自动监视装置、指纹机；(4) CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描）；(5) 作为机器人视觉系统；(6) M2A摄影胶囊（Mouth anus）。6.3.2 电荷耦合器件的特性参数电荷耦合器件的特性参数1. 电荷转移效率和转移损失率电荷转移效率和转移损失率电荷转移效率是表征CCD器件性能好坏的一个重要参数。设原有的信号电荷为Q0，转移到下一个电极下的信号电荷Q1，2021-12-1%01QQ=2. 暗电流暗电流CCD图像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称为暗电流。3. CCD的噪声源的噪声源CCD的噪声源可归纳为三类：散粒噪声

7、、转移噪声及热噪声。4. 分辨能力分辨能力分辨能力是指图像传感器分辨图像细节的能力，它是图像传感器的重要参数。2021-12-15. 动态范围与线性度动态范围与线性度 （1） 动态范围CCD图像器件动态范围的上限为光敏单元满阱信号容量；CCD图像器件动态范围的下限为图像器件能分辨的最小信号，即等效噪声信号。（2）线性度线性度是指照射光强与产生的信号电荷之间的线性程度。CCD在用作光探测器时，线性度是一个很重要的性能指标。6. 均匀性均匀性均匀性是指CCD各感光单元对光强度响应的一致性。2021-12-16.4 电荷耦合器件实训项目电荷耦合器件实训项目 【任务要求】通过不同的实训项目，进一步加强

8、学生对CCD传感器的认知，提高学生的实践能力。2021-12-16.4.1 实训一实训一 CCD应用实例 【实训目的实训目的】 1.熟悉CCD检测技术的应用场合； 2.掌握CCD检测系统组合及测试系统原理。 【实训器材实训器材】 电子教案，多媒体教学系统 【实训内容及步骤实训内容及步骤】2021-12-16.5 CMOS图像传感器图像传感器 【任务要求】通过对CMOS图像传感器理论知识的学习，掌握CMOS图像传感器的基本知识，熟悉其特性参数。6.5.1 CMOS图像传感器的认识图像传感器的认识 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），即“互补

9、金属氧化物半导体”，是电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。1. CMOS成像器件的结构原理成像器件的结构原理 CMOS成像器件主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列实际上是光电二极管阵列，它也有线阵和面阵之分。6.5.2 CMOS图像传感器的性能参数图像传感器的性能参数CMOS图像传感器的性能参数和CCD图像传感器的性能参数相似，主要是光谱响应特性、量子效率、填充因子、输出特性和动态范围，噪声、空间传递函数，ISO感光度等。其中随着输出模式不同，有四种动态范围。2021-12-12021-12-16.5.3

10、CCD和和CMOS传感器的比较传感器的比较性能指标CMOSCCDISO低高分辨率低高噪点高低暗电流10-10010电子大略小动态范围略小大响应均匀性较差好读出速度100010偏置、功耗小大工艺难度小大信号输出方式X-Y 顺序逐个像元输出集成度高低应用范围低端，民用高端，军用，科学研究性价比高略低6.6 其他摄像器件其他摄像器件 【任务要求】通过对有关摄像器件理论知识的学习，了解其他摄像器件的工作原理和种类。2021-12-16.6.1 电真空摄像管电真空摄像管1. 认识摄像管认识摄像管摄像管是将按空间光强分布的光学图像记录并转换为视频信号（电信号）的一种器件。电摄像管的的分类可分为按光电变换形

11、式和是否带移像部分分。其中按光电变换形式可分为内光电变换型(光电导型、PN结型)和外光电变换型(光电发射型)；按是否带移像部分又可分为没有移像部分和有移像部分。2021-12-12021-12-12. 电真空摄像管的结构和工作原理电真空摄像管的结构和工作原理 摄像管利用电子枪发射出来的电子束依次扫描靶面各像素，将靶面的电荷（或电势）图像有序地转变成视频信号输出。3. 摄像管的性能参数摄像管的性能参数（1）灵敏度摄像管输出的信号电流与入射在光敏面上的光通量（或照度）之比。（2）光电转换特性 输出信号与产生该信号的光敏面上的辐射照度的函数关系。（3）分辨率表征了摄像管的分辨本领，是描述一切成像器件

12、空间特性的重要指标。其可分为垂直分辨率和水平分辨率。(4) 灰度按照一定标准划分的亮度等级。(5) 输出信噪比输出信号电压对于噪声电压的比值。(6) 动态范围摄像管的动态范围取决于暗电流和其饱和电流。6.6.2 红外焦平面阵列器件红外焦平面阵列器件1. 认识红外焦平面阵列器件认识红外焦平面阵列器件红外焦平面阵列是获取景物红外辐射信息的重要光电器件，是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件。2021-12-1红外焦平面阵列分类按以下五种形式： (1) 根据制冷方式划分 (2) 依照光辐射与物质相互作用

13、原理划分 (3) 按照结构形式划分 (4) 按成像方式划分 (5) 根据波长划分2. 红外焦平面阵列器件的特性参数红外焦平面阵列器件的特性参数(1) 暗电流：指红外焦平面阵列器件在反偏压条件下,没有入射光时产生的反向直流电流。它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流。(2）读出电路噪声：主要包括读出电路中所有器件的固定图形噪声、1/f噪声，KTC噪声。 (3) 响应非均匀性：指的是红外焦平面阵列(IRFPA)在外界同一均匀辐射场输入时各单元之间响应输出的不一致性。6.7 其他摄像器件的实训项目其他摄像器件的实训项目【任务要求】通过不同的实训项目，进一步加强学生对其他摄像器件的认知，提高学生的实践能力。6.7.1 实训一实训一 红外焦平面阵列的应用红外焦平面阵列的应用 红外热像仪红外热像仪【实训目的实训目的】 1. 熟悉红外热像仪的基本结构和工作原理； 2. 熟悉红外热像仪的应用。 【实训器材实训器材】 多媒体教学系统，电子教案【实训内容实训内容】红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。红外热像仪主要由红外镜头，焦平面探测器，后续电路和仪器中的图像软件构成。本章习题1.根据像管的基本