光电子第五章

1、光源光源传输传输调制调制探测探测成像成像第第5章章 光电成像系统光电成像系统 5.1 固体摄像器件固体摄像器件 5.2 光电成像原理光电成像原理 5.3 红外成像光学系统红外成像光学系统5.4 红外成像中的信号处理红外成像中的信号处理5.5 红外成像系统的综合特性红外成像系统的综合特性 5.6 微光像增强器件微光像增强器件5.7 纤维光学成像器件纤维光学成像器件物体(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光电成像系统的基本组成 成像转换过程有四个方面的问题需要研究：成像转换过程有四个方面的问题需要研究：

2、能量方面能量方面物体、光学系统和接收器的光度学、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辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题 成像特性成像特性能分辨的光信号在空间和时间方面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的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率率 噪声方面噪声方面决定接收到的信号不稳定的程度或决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性可靠性 信息传递速率方面信息传递速率方面 成像特性、噪声成像特性、噪声信息传递问题，决定能被传信息传递问题，决定能被传递的信息量大小递的信息量大小 光电成像器件是光电成像系统的核心光电成像器件是

3、光电成像系统的核心5.1 固体摄像器件固体摄像器件固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布固体摄像器件的功能：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出的电信号 视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像图像 固体摄像器件主要有三大类：固体摄像器件主要有三大类： 电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件

4、（电荷注入器件（Charge Injection Device，即，即CID）一、电荷耦合摄像器件一、电荷耦合摄像器件 贝尔实验室的贝尔实验室的W. S. Boyle，G. E. Smith在探索磁泡器件的在探索磁泡器件的电模拟工作中，在电模拟工作中，在1969年秋构思了电荷耦合器件的原理年秋构思了电荷耦合器件的原理 W. S. Boyle, G. E. Smith. Charge coupled semiconductor devices. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 587-593. G. F. Amelio, M. F. Tompsett, G.

5、E. Smith. Experiment verification of the Charge coupled device concept. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 593-600. 他们首先提出的一种器件结构是采用相同的电极和三相时他们首先提出的一种器件结构是采用相同的电极和三相时钟系统，为隔离各个电荷包，最少需要三相时钟钟系统，为隔离各个电荷包，最少需要三相时钟 紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器可用来存储和转移紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器可用来存储和转移电荷，按适当的次序对这些电极加上脉冲，它们就会产生电荷，按适当的次序对这些电极加上脉

6、冲，它们就会产生携带一包一包少数载流子的运动势阱携带一包一包少数载流子的运动势阱 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）特点）特点以以电荷电荷作为信号作为信号 CCD的基本功能的基本功能电荷存储电荷存储和和电荷转移电荷转移 CCD工作过程工作过程信号电荷的产生、存储、传输和检测的信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程过程1 电荷耦合器件的基本原理电荷耦合器件的基本原理 表面沟道器件表面沟道器件，即，即SCCD（Surface Channel CCD）转转移沟道在界面的移沟道在界面的CCD器件器件 体内沟道（或埋沟道体内沟道（或埋沟道CCD），），即即 BCCD（Bulk or Buried Ch

7、annel CCD）用离子注入方法改变转移沟道的结构，用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达率高达99.999以上，工作频率可高达以上，工作频率可高达100MHz，且能做，且能做成大规模器件成大规模器件 以表面沟道以表面沟道CCD为例介绍为例介绍CCD基本原理基本原理 电荷存储电荷存储 构成构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS(金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体)电容器电容器 电荷耦合器件

8、工作在电荷耦合器件工作在瞬态瞬态和和深度耗尽状态深度耗尽状态 电荷转移电荷转移123456 电荷检测电荷检测 以浮置扩散输出为例以浮置扩散输出为例 信号电压是在浮置电平基础上的负电压；信号电压是在浮置电平基础上的负电压； 每个电荷包的输出占有一定的时间长度每个电荷包的输出占有一定的时间长度To； 在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲； 对对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了的输出信号进行处理时，较多地采用了取样取样技术，以技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。 CCD输出信号的特点：输出信号的特点：2 电

9、荷耦合摄像器件的工作原理电荷耦合摄像器件的工作原理 按结构可分为线阵按结构可分为线阵CCD和面阵和面阵CCD 按光谱可分为可见光按光谱可分为可见光CCD、红外、红外CCD、X光光CCD和紫外和紫外CCD 可见光可见光CCD又可分为黑白又可分为黑白CCD、彩色、彩色CCD和微光和微光CCD CCD的电荷存储、转移的概念的电荷存储、转移的概念半导体的光电性质半导体的光电性质 CCD摄像器件摄像器件 CCD 摄像器件的工作原理：摄像器件的工作原理： 线阵线阵CCD 线阵线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构 面阵面阵CCD 常见的面阵常见的面阵CCD摄像器

10、件有两种：摄像器件有两种： 行间转移结构行间转移结构与与帧转移结构帧转移结构 彩色彩色CCD 目前主要有三片式和单片式两种目前主要有三片式和单片式两种R CCDG CCDB CCD(a)三片式的棱镜分光三片式的棱镜分光R/G/B CCD(b)单片式的方格图案滤色片分光单片式的方格图案滤色片分光拜尔方式滤色器拜尔方式滤色器 行间排列的滤色器行间排列的滤色器 二、电荷耦合摄像器件的特性参数二、电荷耦合摄像器件的特性参数 电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有部分的电荷转移过电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有部分的电荷转移过去，余下部分没有被转移，称转移损失率去，余下部分没有被转移，称转移损失率 1 转

11、移效率转移效率 1 一个电荷量为一个电荷量为Qo的电荷包，经过的电荷包，经过n次转移后的输出电荷量次转移后的输出电荷量应为：应为： nonQQ 总效率为：总效率为：nonQQ/2 不均匀度不均匀度(非均匀性非均匀性) 光敏元的不均匀光敏元的不均匀 CCD的不均匀的不均匀 本节讨论光敏元的不均匀性，认为本节讨论光敏元的不均匀性，认为CCD是近似均匀的，即是近似均匀的，即每次转移的效率是一样的。每次转移的效率是一样的。 光敏元响应的不均匀是工艺过程及材料不均匀性引起的，大光敏元响应的不均匀是工艺过程及材料不均匀性引起的，大规模器件的均匀性问题严重规模器件的均匀性问题严重 定义光敏元响应的均方根偏差

12、对平均响应的比值为定义光敏元响应的均方根偏差对平均响应的比值为CCD的的不均匀度不均匀度 ：21)(11oNnonoVVNVNnonoVNV11onV 第第n 个光敏元原始响应的等效电压个光敏元原始响应的等效电压 oV 平均原始响应等效电压平均原始响应等效电压N 线列线列CCD的总位数的总位数 npnonVVP是是CCD的相数的相数 CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称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

13、素的影响，由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，CCD中暗中暗电流密度的分布是不均匀的电流密度的分布是不均匀的 3 暗电流暗电流暗电流的危害暗电流的危害有两个方面：有两个方面： 限制器件的低频限限制器件的低频限 引起固定图像噪声引起固定图像噪声5 光谱响应光谱响应CCD的光谱响应是指等能量相对光谱响应，最大响应值归一的光谱响应是指等能量相对光谱响应，最大响应值归一化为化为100%所对应的波长，称所对应的波长，称峰值波长峰值波长，通常将，通常将10%（或更低）（或更低）的响应点所对应的波长称截止波长。有长波端的截止波长与的响应点所对应的波长称截止波长。有长波端的截止波长与短波端的截止波长，

14、两截止波长之间所包括的波长范围称光短波端的截止波长，两截止波长之间所包括的波长范围称光谱响应范围。谱响应范围。 6 噪声噪声 散粒噪声、转移噪声和热噪声散粒噪声、转移噪声和热噪声 4 灵敏度（响应度）灵敏度（响应度） 在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流）在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流）7 分辨率分辨率 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）来表示分辨率目前国际上一般用（调制传递

15、函数）来表示分辨率 像元分辨率像元分辨率 8 动态范围与线性度动态范围与线性度 动态范围动态范围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直线关系 等效噪声信号光敏元满阱信号 SONY ICX429AKL三、三、CMOS摄像器件摄像器件 采用采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、技术可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模数转换器、全数字接口电路等完全集成信号处理电路、模数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统在一起，可以实现单芯片成像系统 Camera-On-A-C

16、hip1 CMOS像素结构像素结构 无源像素型（无源像素型（PPS） 有源像素型（有源像素型（APS） 无源像素结构无源像素结构 无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，CMOS无无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。读出速率加快，读出噪声变得更大。 MOS 摄像器件的工作原理：摄像器件的工作原理：Y1 Y2信号输出Y移位寄存器X 移 位 寄 存 器X1X2RLEM

17、OS开关光电二极管A/D数字信号输出 有源像素结构有源像素结构 光电二极管型有源像素（光电二极管型有源像素（PPAPS） 大多数中低性能的应用大多数中低性能的应用 光栅型有源像素结构（光栅型有源像素结构（PGAPS） 成像质量较高成像质量较高 CMOS有源像素传感器的功耗比较小。但与无源像素结构有源像素传感器的功耗比较小。但与无源像素结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系数典型值相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系数典型值为为20%-30%。在。在CMOS上制作微透镜阵列，可以等效提高上制作微透镜阵列，可以等效提高填充系数。填充系数。 外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通

18、逻辑单元根外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元，行像素内的信号电荷通过各据需要，选通相应的行像素单元，行像素内的信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。行选通单元可以对变换器，转换成相应的数字图像信号输出。行选通单元可以对像素阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。隔行扫描可以提高图像像素阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻的场频，但会降低图像的清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻

19、辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息内像元的图像信息 2 CMOS摄像器件的总体结构摄像器件的总体结构CMOS摄像器件的结构：摄像器件的结构： APS(Active Pixel Structure )：由由1990s中期中期NASA引入引入CMOS 图像传感器，解决了噪声问题。图像传感器，解决了噪声问题。 像素尺寸减小后低光照下灵敏像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低，采用微透镜和滤色度迅速降低，采用微透镜和滤色片组合以及片组合以及CMOS工艺的优势，工艺的优势，前景好于前景好于CCD。APS 在显微镜下的

20、结构在显微镜下的结构APS 原理框图原理框图Photodiode Active-Pixel Architecture微透镜改善低光特性微透镜改善低光特性3 CMOS与与CCD器件的比较器件的比较 CCD摄像器件摄像器件 灵敏度高、噪声低、像素面积小灵敏度高、噪声低、像素面积小 光敏元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要光敏元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用相对高的工作电压，制造成本比较高使用相对高的工作电压，制造成本比较高 CMOS摄像器件摄像器件 集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低

21、宽、抗辐射和制造成本低 需进一步提高器件的信噪比和灵敏度需进一步提高器件的信噪比和灵敏度四、红外焦平面器件四、红外焦平面器件 红外焦平面器件（红外焦平面器件（Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA） 5.2 光电成像原理光电成像原理 景物反射外界的照明光经光电成像系统的光学系景物反射外界的照明光经光电成像系统的光学系统在像面上形成与景物相对应的图像。统在像面上形成与景物相对应的图像。 置于像面上具有空间扫描功能的光电摄像器件将置于像面上具有空间扫描功能的光电摄像器件将二维空间的图像转变成一维时序电信号二维空间的图像转变成一维时序电信号 电信号经过放大和视频信号处理

22、后送至显示器，电信号经过放大和视频信号处理后送至显示器，在同步信号的参与下显示出与景物相对应的图像。在同步信号的参与下显示出与景物相对应的图像。一、光电成像系统的基本结构一、光电成像系统的基本结构 光机扫描方式光机扫描方式 电子束扫描方式电子束扫描方式 固体自扫描方式固体自扫描方式 接收系统对景物的分解方式决定了光电成接收系统对景物的分解方式决定了光电成像系统的类型。可以分为三种：像系统的类型。可以分为三种： 光机扫描方式光机扫描方式 探测器相对总视场只有较小的接受范围，而由光探测器相对总视场只有较小的接受范围，而由光学部件做机械运动来实现对景物空间的分解。学部件做机械运动来实现对景物空间的分

23、解。串联扫描串联扫描并联扫描并联扫描串并联混合扫描串并联混合扫描 电子束扫描方式电子束扫描方式 光敏靶面对整个视场内的景物辐射同时接收，而光敏靶面对整个视场内的景物辐射同时接收，而由电子束的偏转运动实现对景物的分解。由电子束的偏转运动实现对景物的分解。 固体自扫描方式固体自扫描方式 从目前情况看，光机扫描及固体自扫描方式的光电成像系从目前情况看，光机扫描及固体自扫描方式的光电成像系统占主导地位统占主导地位 面阵摄像器件对整个视场内的景物辐射同时接收，而面阵摄像器件对整个视场内的景物辐射同时接收，而通过对阵列中各个单元器件的信号顺序采样实现对景通过对阵列中各个单元器件的信号顺序采样实现对景物图像

24、的分解。物图像的分解。二、光电成像系统的基本技术参数二、光电成像系统的基本技术参数 光学系统的通光口径光学系统的通光口径D和焦距和焦距f/ 瞬时视场角瞬时视场角、 观察视场角观察视场角WH、WV 帧时帧时Tf和帧速和帧速 扫描效率扫描效率 FffovTT滞留时间滞留时间 d对光机扫描系统而言，物空间一点扫过单元探测器对光机扫描系统而言，物空间一点扫过单元探测器所经历的时间称为滞留时间，探测器在观察视场中所经历的时间称为滞留时间，探测器在观察视场中对应的分辨单元数为：对应的分辨单元数为： VHWWn FWWnTVHfd光电成像系统的综合性能参数是在以上各基本技术光电成像系统的综合性能参数是在以上

25、各基本技术参数的基础上作进一步的综合分析得出的参数的基础上作进一步的综合分析得出的5.3 红外成像光学系统红外成像光学系统 红外成像光学系统应满足以下几方面的基本要求：红外成像光学系统应满足以下几方面的基本要求： 物像共轭位置物像共轭位置 成像放大率成像放大率 一定的成像范围（一定的成像范围（视场视场） 在像平面上有一定的在像平面上有一定的光能量光能量 反映物体细节的能力（即反映物体细节的能力（即分辨率分辨率）一、理想光学系统模型一、理想光学系统模型共轴球面光学系统共轴球面光学系统理想光学系统模型理想光学系统模型 理想光学系统的理想光学系统的物像关系物像关系 牛顿公式牛顿公式 ffxx/fxxfyy 高斯公式高斯公式 /111fllll/二、光学系统中的光阑二、光学系统中的光阑孔径光阑、渐晕光阑、视场光阑、消杂光光阑孔径光阑、渐晕光阑、视场光阑、消杂光光阑 孔径光阑孔径光阑 渐晕光阑渐晕光阑 三、红外成像光学系统的主要参数三、红外成像光学系统的主要参数 焦距焦距f 决定光学系统的轴向尺寸，决定光学系统的轴向尺寸，f越大，所成的像越越大，所成的像越大，光学系统一般也越大大，光学系统一般也越大 相对孔径相对孔径D/f 相对孔径定义为光学系统的入瞳直径相对孔径定义为光学系统的入瞳直径D与焦距与焦距f之比，之比，相对孔径的倒数叫相对孔径的倒