CCD图像感器第3讲

1、第2章 光源 通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。但对光电技术领域来说，光辐射还包括红外、紫外等不可见波段的辐射。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前者被称为热辐射，后者称为激发辐射，激发辐射的光源常被称为冷光源。 从应用的角度简单地介绍各类光源的特性、发光光谱，并重点介绍各种电光源的发光机理和供电电路是本章的宗旨。 2.1光源的分类光源的分类 光源的种类很多，分类方式各异。总结光电传感器应用技术领域中所用的光源特征将其分为自然光源与电光源两大类。 2.1.1自然光源自然光源1.太阳太阳 太阳光是最典型和能量最强的自然光源，人类的

2、视觉观察活动几乎主要是在太阳的照明下进行的。我们是在地球上研究和利用太阳的辐射，必然受到地球公转与自转的影响引起所接收太阳光的时相变化。地球大气的状态变化以及观察者地理位置、纬度与海拔的不同，都将引起所接收太阳辐射量的差异。 图2-1 表示了太阳在大气层外和在海平面的光谱辐出度（照度）与波长的关系曲线。由图可以看出，在大气层外的光谱辐照度曲线很接近5900 K黑体的光谱辐出度曲线。大气中的H2O、CO2 和O3形成许多吸收峰，使得海平面上的辐照度大为降低。可以看出，大气在可见光谱范围内为一透明度较高的窗口。 在许多情况下，直接或间接利用太阳作光源时（例如地形、地貌勘测分析，空气质量监测等），都

3、必须考虑到天气变化对测量结果的影响。2.月亮、星光与天空月亮、星光与天空月亮、星光与天空也是一个重要的自然光源。 如图2-2所示，月亮、行星的最佳光谱辐射与波长的分布。除此之外，天空也是不可忽略的光源，它由黄道光（约占15）、银河光（约占5）、夜空光（约占40）、上述各光源的散射光（约占 10）、直射和散射星光（约占30）、以及银河系以外辐射（约占 1）构成。 表表2-1 白天和夜间各种条件下自然光源在地面上形成的照度白天和夜间各种条件下自然光源在地面上形成的照度510)3 . 11 (自然条件照度值（Lx）自然条件照度值（Lx）直射日光深黄昏1完全白天光 满月10-1白天（阴）103弦月10

4、-2很暗的白天102星光10-3黄昏（黎明）10星光（阴天）10-4410)21 (自然条件光亮度值（cd/m2）自然条件光亮度值（cd/m2）晴朗的白日104日落后1/2小时10-1白天（阴）103相当明亮的月光10-2白天（阴得很重）102无月（晴朗夜空）10-3日落时（阴天）10无月（阴天夜空）10-4日落后1/4小时（晴天）1表表2-2各种条件下接近地平线天空的光亮度值各种条件下接近地平线天空的光亮度值 2.2钨丝灯钨丝灯 为了给图像传感器创造良好、稳定的成像和测量条件，制造了许多种人工光源，辅助自然光源的各种不足，钨丝灯光源最古老、最普遍。本节主要介绍钨丝灯的发光特性及特性。钨丝灯种

5、类很多，将其归纳为两类钨丝白炽灯与卤钨灯。2.2.1 钨丝白炽灯钨丝白炽灯1. 普通钨丝白炽灯的结构普通钨丝白炽灯的结构2. 钨丝白炽灯的特性钨丝白炽灯的特性 发光光谱 钨丝白炽灯在电流作用下维持钨丝的温度而发生辐射，属于热辐射体。在低温时，热辐射体的发射系数较小，且随波长的增长而减少。当温度升高时，光谱发射系数随波长的变化减少，最后在温度很高时趋向于1，服从黑体辐射定律。 4TMTe（2-1） 如图2-4 所示为标准钨丝灯的相对光谱辐射功率随波长的分布特性曲线。从图中可以看出，波长在1.0m 处标准钨丝灯的光谱辐射出射度值最高，即标准钨丝灯光谱辐射出射度的波长为1.0m。 钨丝白炽灯的功率、

6、光通量和发光效率图2-5 为钨丝白炽灯的功函数与温度的关系曲线。 当钨丝白炽灯的供电电压变化时，对白炽灯的电流、光通量、灯的功率损耗、灯的寿命等都有很大影响。如果电压增加，则灯丝温度上升，光通量增加，发光效率提高。但是，灯丝温度太高时，则钨丝的蒸发加快、加剧，使灯丝的某些局部迅速变细，从而电阻值增大，局部功耗加大，并很快被烧断。 表表2-3不同温度下钨丝在真空中的蒸发率和寿命的关系不同温度下钨丝在真空中的蒸发率和寿命的关系 温度T（K）蒸发率rm(g/(cm2s)直径为0.1mm钨丝的寿命（h）rm2 0002 2002 4002 6002 8003 00015.522.413.841.78.

7、3310.51.041077.201041.111033.86101.90.1516.110-816.110-816.110-816.110-815.810-815.710-8 通过实验得到，灯的电压变化使灯的电流I、发光效率v、光通量v、寿命均发生变化。它们之间的关系为nNVVNVVNNNIIUU278. 02(2-2)对于真空白炽灯泡，发光效率v= 0.0769，对于充气灯泡，发光效率v0.0714。 白炽灯的色彩与调光特性 普通白炽灯可以调光，没有限制。调光使灯丝温度降低，从而使灯的色温降低，光效降低，但寿命延长。因此，长寿命是以牺牲光效率为代价的。当要求连续调整白炽灯的光照情况下，一般

8、采用功率较低的白炽灯为好。 当白炽灯工作在标称电压的50%以下时，灯几乎不发光。然而，此时的能量损耗依然不小。因此，当调光到这种程度时应该将它熄灭。 白炽灯的灯丝温度常在2800K，远比太阳表层的温度6000K低得多，因此，它的色温偏低，颜色偏红。 2.2.2 卤钨灯卤钨灯 卤钨灯是一种改进的钨丝白炽灯。钨丝在高温下蒸发使灯泡变黑，如果降低白炽灯的灯丝温度，则发光效率降低。在灯泡中充入6价元素氟、氯、溴或碘等卤族元素，使它们与蒸发在玻璃壳上的钨形成卤化物。当这些卤化物回到灯丝附近时，遇到高温便会分解，钨又回到钨丝上。这样，灯丝的温度可以大大提高，而玻璃壳也不会发黑。因此，灯丝发光亮度高、效率高

9、，使卤钨灯具有形体小，成本低的特点。 常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯。在光电传感器技术中应用最多的卤钨灯为溴钨灯。 图2-7所示为4种溴钨灯的外形尺寸图。 其中（a）与（c）型为低功率的溴钨仪器灯，（a）型灯为具有矩形灯丝的面光源灯，它基本能满足测量仪器对光源均匀性的要求。而（c）灯的灯丝很小，近似为“点”光源，用于要求光源发光面尽量小的测量仪器中。 表表2-5 仪器用国产卤钨灯仪器用国产卤钨灯H=37型 号规 格光通量(Lm)平均寿命(h)主要尺寸图号(V)(W)最大直径D全长L光中心高H灯丝尺寸dl或A B开档dLYQ5-405408001 0005010.54220+1135cLYQ6-1

10、56152702008.54214151.11.24aLYQ6-206203604002008.54211120.82.34aLYQ6-256255006005010.54530134.5cLYQ6-3063051057010010.54225136.5aLYQ12-5012501 26001 4005011.552361.51.66.5dLYQ12-7512752 0252 2505011.55236236.5dLYQ12-100121002 7003 0005011.552361.93.76.5dLYQ24-150241504 0504 50005012.554372.33.56.5dLY

11、Q24-250242506 7507 500501457382.55.56.5dLYQ55-5005550013 50015 00050155745586.5b2.3 气体放电灯 气体放电灯包含汞灯、钠灯、氙灯和铟灯等。它们是通过高压使气体电离放电产生很强的光辐射，而不象钨丝灯那样是通过加热灯丝使其发光，因而也称气体放电灯，它为冷光源。气体放电灯的共同特点是发出的光谱为线光谱或带状光谱，因为它们的发光机理属于等离子体发光。 2.3.1 气体放电气体放电 在紫外线或在宇宙射线作用下，会有少量气体分子被电离成正、负离子和自由电子 ，电压增高后将出现如图2-8所示的激发光现象。 在辉光放电时，将产生

12、明暗相间的区域，各区域的电势和光强分布如图2-9所示，弧光放电发出的光极其明亮，可用在电影放映和公共场所照明。无论辉光放电或弧光放电，都是气体的场致发光现象。在气体放电过程中，由于电场的作用使带电粒子动能增加到足以能电离其他气体分子时，气体分子吸收带电粒子的能量，使其电子处于激发状态。这种激发态是不稳定的，一般在10-8s以内。从激发态回到低能态或基态，以发光的形式放出能量。如钠蒸汽原子辐射出589010 -10 m、589610 -10 m的双黄光。 2.4 金属蒸气灯2.4.1 水银蒸气灯（汞灯）水银蒸气灯（汞灯） 汞灯是在石英玻璃管内充入汞，当灯点燃时，灯中汞被蒸发，汞蒸气压强增至几个大

13、气压，从而产生辉光放电。 如图2-13（a）所示为高压汞灯的基本结构图，它由灯座灯内支持架与内部发光室（那里汞蒸气被两电极间的电场所激发），由于汞灯是金属汞蒸气在高压下被激发产生汞光谱的多条特征谱线。这些谱线的强弱与光谱分布均与汞元素有关，常将其用作标定光谱仪器的已知光谱光源。 2.4.2 钠灯钠灯 在钠-钙玻璃内充入钠蒸汽，当钨丝点燃后，只发射589.0nm、589.6nm的双黄光，为此可用来校正光谱仪器或作其他用途。此外，还有氢灯、氘灯等光谱定标用灯。这里不再讨论，需要这方面内容时可查找“光学技术手册”。 2.5 半导体发光二极管光源半导体发光二极管光源 1907年首次发现半导体二极管在正

14、向偏置的情况下发光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。进十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。 2.5.1 发光二极管的发光机理 发光二极管（即LED）是一种注入电致发光器件，它由P型和 N型半导体组合而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光两种。 1. PN结注入发光结注入发光 PN结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带如图2-15 所示。当加正偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要发生在p区。2. 异质结注入发光异质结注入发光 为了提高载流子注入效率，可以采用异质结

15、。图2-16a表示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时小区的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就不断向n区扩散。 对n区电子，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，禁带宽的p区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区（图2-16b）。例如，禁带宽EG2=1.32eV 的p-GaAs与禁带宽EG10.7eV p-GaAs与禁带宽EG10.7eV的n-GaSb组成异质结后，n-GaAs的空穴注入n-GaAs区复合发光。 由于n区所发射的光子能量hv比EG2 小得多，它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去。2.5.2 发光强度电流特性在正向配置电压的作用下流过

16、发光二极管PN节的正向电流If使注入到PN结内的载流子在P区复合而发光，其发光强度IV为nIIvv式中v为发光二极管的发光效率。 图2-17所示为GaP（红色）发光二极管发光强度与电流密度If的关系曲线 可以看出，发光二极管发光强度基本与流过的电流If成正比。说明可以通过控制电流If对LED发出的光强IV进行控制。 由于发光二极管的正向伏安特性曲线在发光区呈现为I=I0exp（qU/nkT）指数形式，并且1n2较小，通常可以略，求出发光强度Iv与发光二极管两端电压U的关系为 ：)/exp()/exp(0vvvvvkTqUIkTqUIIInn(2-4) 2.7 光电传感器应用系统中光源与照度的匹

17、配光电传感器应用系统中光源与照度的匹配 2.7.1 光源的选择光源的选择 图像传感器的应用系统大致可分为图像传感、图像分析和图像检测三种类型。不同的应用类型对照明光源的要求也不相同，应该根据具体的需要选用不同的照明光源。 (1) 摄像（图像传感）应用系统摄像（图像传感）应用系统 摄像是为了真实地记录景物的结构、状态和颜色。根据色度学的基本常识，景物的颜色与照明光源的光谱功率分布有关。 直接选用太阳光照明或选用接近太阳光谱的闪灯为照明光源。（3）图像检测系统）图像检测系统 图像检测系统一般有两种：一种是通过测量被检测物体的像来测量被检测物体的某些特征参数；另一种是通过测量被检物体的空间频谱分布确

18、定被检物体的某些特征参数。 前者，只要选用白炽灯或卤钨灯作为照明光源就可以了；后者，应选用激光照明，因为它能满足单色性好、相干性好、光束准直精度高等特点。 （2）图像分析系统）图像分析系统 图像分析系统所用光源必须根据提取图像信息的有利因数采取必要的照明方式，问题的难度和复杂度都很高，其基本思路是从颜色、照明角度、照明方式上想办法突出被检测图像的信息。2.7.2 照度匹配照度匹配 半导体集成图像传感器大部分为光积分型的器件（如电荷耦合摄像器件），它的输出电流不但与光敏面上的照度有关，也和两次取样的间隔时间，即积分时间有关。若以Io代表它的输出电流信号，Ev代表光敏面上的照度，t代表两次取样的间

19、隔时间，则在正常工作范围内有 （2-11） vvokQtkEI式中，k为比例常数；Qv=Evt，称为曝光量，单位为lxs。 因为QvEvt，所以可通过适当选择CCD器件光敏面上照度Ev和两次采样间隔时间t来达到QvQsat。但是， t 一般由驱动器的转移脉冲周期TSH确定，当采用石英晶体振荡器为主时钟设计驱动器时，TSH可认为是常数。 调节曝光量通常是通过调节CCD光敏面上的光照度来实现的。要求光敏面上任何点的照度应满足 tQEsatv(2-12) 光敏面的照度也不能太低。如果某些点的照度低于CCD器件的灵敏阈，这些较暗部便无法测出，从而降低画面亮度的层次或产生测量误差。最好是把光敏面上的最大照度Emax调节为略低于，以充分利用器件的动态范围。 发光特性接近于余弦辐射体的物体经光学系统成像，其轴上像点的照度和轴外像点照度可分别用下列两式表示 ULKnnEo22sin（2-13） 4c