第四章 光电成像器件课件

1、4.1 4.1 摄像管摄像管可分为两大类：可分为两大类： * *光电发射型摄像管光电发射型摄像管 利用外光电效应利用外光电效应 * *视像管视像管 利用内光电效应利用内光电效应摄像管是能够输出视频信摄像管是能够输出视频信号的真空光电管号的真空光电管光电发射型摄像管光电发射型摄像管视像管视像管 视像管基本结构视像管基本结构 ： 光电靶光电靶 完成光电转换完成光电转换、信号信号存储存储 电子枪电子枪 完成信号扫描输出完成信号扫描输出氧化铅视像管结构与工作原理氧化铅视像管结构与工作原理管子结构管子结构氧化铅氧化铅PIN靶靶PIN光电靶光电靶 ：反向偏置反向偏置，扫描面形成正电位图像扫描面形成正电位图

2、像电子枪电子枪 ： 发射电子束发射电子束，按电视制式扫描正电按电视制式扫描正电 位图像位图像，输出视频信号输出视频信号像素：像素：组成图像的组成图像的最小单元。摄像管最小单元。摄像管像素大小由电子束像素大小由电子束截面积决定。截面积决定。 在电子束扫描某一像素的瞬间，该像在电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电源正极和阴极结成通路。这个像素素与电源正极和阴极结成通路。这个像素的光电流由的光电流由PN，流过负载，流过负载RL, ,产生负极产生负极性图像信号输出。同时，扫描电子束使性图像信号输出。同时，扫描电子束使P层电位降至阴极电位（图像擦除）。层电位降至阴极电位（图像擦除）。4.2 4.2 摄像

3、器件的性能参数摄像器件的性能参数一一. .灵敏度灵敏度S S 在在2856K2856K色温标准光源单位光功率色温标准光源单位光功率照射下照射下, ,由器件输出信号电流大小来由器件输出信号电流大小来衡量。单位衡量。单位: :A/lmA/lm；mA/WmA/W。实际实际常用能产生正常电视图像所需最低常用能产生正常电视图像所需最低光照度光照度L Lminmin来表征。来表征。二二. .光电转换特性光电转换特性特性特性 kLIP1 I IP P 与与L L 成线性关系，成线性关系， 是最理想情况。是最理想情况。1 低照度下灵敏度相对低照度下灵敏度相对 增加。增加。1 图像对比度提高。图像对比度提高。

4、* * 关于伽玛关于伽玛校正电路校正电路三三. .分辨率分辨率 能够分辨图像中明暗细节的能力能够分辨图像中明暗细节的能力 有两种表示方法有两种表示方法: : 极限分辨率：极限分辨率：用在图像（光栅）范用在图像（光栅）范围内能分辨的等宽黑白线条数表示（如：水围内能分辨的等宽黑白线条数表示（如：水平平800800线、垂直线、垂直500500线）；也用线）；也用线对线对/mm/mm表示。表示。 调制传递函数调制传递函数MTF：能客观地测能客观地测试器件对不同空间频率信号的传递能力试器件对不同空间频率信号的传递能力调制度调制度M：调制传递函数调制传递函数MTF：MTF随着测试卡线条空间频率的增加而降低

5、。随着测试卡线条空间频率的增加而降低。0minmaxminmaxAAAAAAMm%100ioMMMTF四四. .惰性惰性 指输出信号的变化相对于光指输出信号的变化相对于光 照度的变化有一定的滞后照度的变化有一定的滞后 影响摄像管惰性的原因是靶面光电导影响摄像管惰性的原因是靶面光电导 张驰过程和电容电荷释放惰性。张驰过程和电容电荷释放惰性。五五. .视频信噪比（视频信噪比（S/NS/N） 六六. .动态范围动态范围 Lmax : : Lmin = 10n : : 1)(lg20)(dBiSNSdm4.3 4.3 电荷耦合器件电荷耦合器件CCDCCD图像传感器主要特点：图像传感器主要特点：l固体化

6、摄像器件固体化摄像器件l很高的空间分辨率很高的空间分辨率l很高的光电灵敏度和大的动态范围很高的光电灵敏度和大的动态范围l光敏元间距位置精确光敏元间距位置精确, ,可获得很高的可获得很高的l 定位和测量精度定位和测量精度信号与微机接口容易信号与微机接口容易CCD(Charge Coupled Devices)一一.CCD.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理 关于线阵关于线阵CCDCCD 关于面阵关于面阵CCDCCD CCDCCD的基本功能的基本功能: : 信号电荷的产生、存储、传输和检测信号电荷的产生、存储、传输和检测 以以双列两相线阵双列两相线阵CCDCCD为例介绍其工作原理为例介绍其工作

7、原理光敏区光敏区: :光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。转移栅转移栅: :MOSMOS电容构成电容构成, ,蔽光蔽光; ;控制光生电荷向移位寄存器转移。控制光生电荷向移位寄存器转移。移位寄存器移位寄存器: :MOSMOS电容构成电容构成, ,蔽光蔽光; ;控制光生电荷扫描移向输出端。控制光生电荷扫描移向输出端。输出端输出端: :将光生电荷包转换为视频信号输出。将光生电荷包转换为视频信号输出。MOS基本结构：基本结构：P型型Si单晶的衬底上生长单晶的衬底上生长SiO2（0.1-0.2m），再在），再在SiO2上面淀上面淀积金属铝（或多晶硅）电极积金属铝（

8、或多晶硅）电极(电极电极间隙约间隙约2.5m) 。MOSMOS电荷电荷存贮功能存贮功能a). 不加电压，不加电压，P型中空穴均匀分布。型中空穴均匀分布。b). 加正偏压，电场排斥空穴形成耗尽区。加正偏压，电场排斥空穴形成耗尽区。c). 加更高电压，耗尽区进一步向体内延伸，并将加更高电压，耗尽区进一步向体内延伸，并将P型半导体内的少子型半导体内的少子电子吸引，产生反型层。电子吸引，产生反型层。耗尽区对电子来说象一个耗尽区对电子来说象一个“阱阱”，称为势阱，能收集，称为势阱，能收集电子。电子。偏压越大，势阱就越深，存贮电子能力越大偏压越大，势阱就越深，存贮电子能力越大。这就是这就是MOS的电荷存贮

9、功能。的电荷存贮功能。光生电荷光生电荷并行转移并行转移光敏区是一行光敏区是一行N P扩散光电二极管，以积分方式工作。扩散光电二极管，以积分方式工作。光电栅极光电栅极PG上加一定正电压，下面形成一势阱，收上加一定正电压，下面形成一势阱，收集并存储光生电子（与入射光强成正比）。集并存储光生电子（与入射光强成正比）。光积分一定时间后，光积分一定时间后，SH变为高电平（比变为高电平（比PG高一倍），高一倍），有较深的势阱；这时有较深的势阱；这时 1已是高电平，下面比已是高电平，下面比SH有更有更深的势阱，这样就使光敏区与移位寄存器连通。电深的势阱，这样就使光敏区与移位寄存器连通。电路设计使得偶数光敏元

10、的电荷转向路设计使得偶数光敏元的电荷转向CCDA，奇数光，奇数光敏元电荷转向敏元电荷转向CCDB。移位寄存器上移位寄存器上 1、 2交替变化，信号电荷就沿着确定交替变化，信号电荷就沿着确定的方向从左到右传输，移向输出端。的方向从左到右传输，移向输出端。转移到移位寄存器的转移到移位寄存器的信号电荷串行输出信号电荷串行输出。 OG加正电压加正电压,将信号电荷输送到输出二极管的将信号电荷输送到输出二极管的N端。端。当当RS为低电平时，为低电平时，N端的信号电荷控制端的信号电荷控制T2，使，使OS输出一个信号脉冲。当输出一个信号脉冲。当RS为高电平时，为高电平时， N端的信端的信号电荷被抽走，腾出空间

11、准备容纳下一个电荷包。号电荷被抽走，腾出空间准备容纳下一个电荷包。输出端输出端：输出二极管输出二极管复位管复位管T1T1输出管输出管T2T2输出栅输出栅OGOG；浮置扩散放大器浮置扩散放大器：这样在这样在OG、RS的作用下，的作用下，OS端相继输出与光信端相继输出与光信号成正比的离散脉冲序列。号成正比的离散脉冲序列。故线阵故线阵CCD在正确的在正确的SH、 1 、 2 、RS信信号驱动下，才能正常工作。号驱动下，才能正常工作。 驱动信号的关系：驱动信号的关系：像敏区像敏区存储区存储区水平移位寄存器水平移位寄存器输出端输出端信号通道放大器信号通道放大器OSOS补偿放大器补偿放大器OSOS 面阵面

12、阵CCDCCD二二. .电荷耦合器件的性能参数电荷耦合器件的性能参数1.1.电荷转移效率电荷转移效率 电荷转移效率电荷转移效率 转移损失率转移损失率 电荷传输效率电荷传输效率 )() 1(nQnQ1)() 1()(nQnQnQnQnQ)0()(2.2.工作频率工作频率 控制控制CCDCCD中信号电荷在移位寄存器中中信号电荷在移位寄存器中 转移的时钟脉冲频率转移的时钟脉冲频率f=1/f=1/T对于二相对于二相CCD,CCD,3.3.光谱特性光谱特性CCDCCD积分灵敏度积分灵敏度 S=US=Uo o/H/H 单位单位:V:Vcmcm2 2/J/J曝光量曝光量H=LH=LL:L:光照度光照度 :

13、:曝光时间曝光时间( (光积分光积分T TSHSH) ) H H的单位的单位:J/cm:J/cm2 2 ;lx;lxs s02121tf 通常通常：ZZMHfkH1100 4. 4.分辨率分辨率l 线阵线阵CCDCCD：极限分辨率为极限分辨率为 1/d (1/d (线对线对/mm)/mm)l 面阵面阵CCD: CCD: 像元数越多，分辨率越高。像元数越多，分辨率越高。更多更多l 用水平方向、垂直方向各自的线数来表示。用水平方向、垂直方向各自的线数来表示。 因而由像元的尺寸可确定极限分辨率。因而由像元的尺寸可确定极限分辨率。5.5.光电特性光电特性 CCDCCD是低照度器件，光电靶是低照度器件，

14、光电靶可达可达9999.7%.7%， 摄像头常带有摄像头常带有选择。选择。CCDCCD所能分辨的最小间距就是像元间距所能分辨的最小间距就是像元间距d d，6.6.动态范围动态范围 CCD CCD像元的饱和输出电压与它在暗场下像元的饱和输出电压与它在暗场下 的峰的峰- -峰噪声电压的比值峰噪声电压的比值 U Usatsat/U/Udn dn 。 U Usatsat决定于势阱中可存储的最大电荷量决定于势阱中可存储的最大电荷量, , 一般为数百一般为数百mvmv数数v v； CCDCCD是低噪声器件，可用于微光成像是低噪声器件，可用于微光成像, , U Udndn一般为数一般为数mvmv以下。以下。

15、 普通普通CCDCCD的动态范围的动态范围1000:11000:1左右。左右。 7.7.暗电流暗电流 CCDCCD器件可控制在器件可控制在1nA/cm1nA/cm2 2。三三. .线阵线阵CCDCCD驱动电路的设计驱动电路的设计 线阵线阵CCDCCD驱动电路就是要产生正确的驱动电路就是要产生正确的SHSH、 1 1、 2 2、RS RS 信号，它是信号，它是CCDCCD芯片赖以芯片赖以正常工作的基础。正常工作的基础。 介绍介绍TCD1200DTCD1200D线阵线阵CCDCCD驱动电路的设计：驱动电路的设计： TCD1200DTCD1200D有有21602160个光敏单元，其前后各有个光敏单元

16、，其前后各有6464及及1212个哑单元。因此：个哑单元。因此： T TSHSH 2236T2236TRS RS , , f fRS RS =1MHz=1MHz， f f11、22=0.5MHz=0.5MHzTCD1200DTCD1200D管脚图和驱动电压管脚图和驱动电压驱动电路由单片机驱动电路由单片机(AT89C2051)(AT89C2051)、可编、可编程门阵列芯片（程门阵列芯片（GAL16V8GAL16V8）构成。）构成。AT89C2051AT89C2051是带是带2K2K字节可编字节可编程电擦除程电擦除EPROMEPROM的的CMOS 8CMOS 8位位 单片机。具有单片机。具有803

17、18031单片机的单片机的功能，可输出功能，可输出20MHz20MHz时钟。时钟。 GAL16V8 GAL16V8是一种可编辑是一种可编辑 器件器件。图示中未标的管脚图示中未标的管脚 可自由定义，通过编程，可自由定义，通过编程，形成所需的逻辑关系。形成所需的逻辑关系。 15 Q25 QRSQQQ234SHSH信号信号的产生：的产生：3545QQQQQ将将Q Q信号送往单片机信号送往单片机P1.7P1.7口，口，单片机查询后由单片机查询后由P3.7P3.7口输出口输出 P P信号。信号。SHQP4 4路驱动信号路驱动信号SHSH、 1 1、 2 2、RS RS 都由都由GALGAL器件产生。器件

18、产生。单片机除协同产生单片机除协同产生SHSH外，可充分外，可充分用于用于CCDCCD数据测量工作。数据测量工作。以上介绍的设计思想可用于以上介绍的设计思想可用于任何型号的线阵任何型号的线阵CCDCCD。 GALGAL芯片有足够的驱动能力，管脚可自芯片有足够的驱动能力，管脚可自由定义，使由定义，使驱动电路紧凑、连线简单。驱动电路紧凑、连线简单。四四.CCD.CCD像感器的应用像感器的应用 面阵面阵CCDCCD组成电视摄像机、数码照相机，组成电视摄像机、数码照相机，用途极其广泛。用途极其广泛。 线阵线阵CCDCCD是行图像传感器件，大量应用是行图像传感器件，大量应用于扫描仪、光谱仪、传真机中，以

19、及目标于扫描仪、光谱仪、传真机中，以及目标定位、精密图像传感和工件尺寸的无接触定位、精密图像传感和工件尺寸的无接触在线测量。在线测量。 成像法成像法在线测量线材直径：在线测量线材直径：测量电路和观测点波形图测量电路和观测点波形图4.4 CMOS4.4 CMOS图像传感器图像传感器CCDCCD图像传感器的不足：图像传感器的不足：驱动电路与信号处理电路难与驱动电路与信号处理电路难与CCDCCD单片集单片集 成，图像系统为多芯片系统；成，图像系统为多芯片系统；电荷耦合方式对转移效率要求近乎苛刻；电荷耦合方式对转移效率要求近乎苛刻；时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压；时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压

20、；图像信息不能随机读取图像信息不能随机读取。 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）采用标准采用标准 CMOS工艺的固体摄像器件工艺的固体摄像器件 CMOS图像传感器的特色图像传感器的特色是单芯片成像系统。是单芯片成像系统。这种片上摄像机用标准逻辑电源电压工作，这种片上摄像机用标准逻辑电源电压工作，仅消耗几十毫瓦功率，功耗极低。仅消耗几十毫瓦功率，功耗极低。可实现随机读取图像信息。可实现随机读取图像信息。一一.CMOS.CMOS图像传感器结构图像传感器结构总体结构框图总体结构框图像元结构像元结构 ：无源像素无源像素(PPS)(PPS)结构结构

21、有源像素有源像素(APS)(APS)结构结构PPSPPS的致命弱点是读出噪声的致命弱点是读出噪声大大, ,主要是固定图形噪声，主要是固定图形噪声，一般有一般有250250个均方根电子。个均方根电子。光电二极管型光电二极管型(PD-APS(PD-APS）：）：读出噪声典型值为读出噪声典型值为(75(75100)100)个均方根电子。适用个均方根电子。适用于大多数中低性能成像。于大多数中低性能成像。光栅型（光栅型（PG-APSPG-APS）：）：读出噪声小，目前已读出噪声小，目前已达到达到5 5个均方根电子。个均方根电子。用于高性能科学成像用于高性能科学成像和低光照成像。和低光照成像。二二.CMO

22、S.CMOS摄像机的应用摄像机的应用 由于由于CMOSCMOS摄像机节能、高度集成、成本低摄像机节能、高度集成、成本低等独特优点，使等独特优点，使CMOSCMOS摄像机具有很多应用领域摄像机具有很多应用领域: :移动通信移动通信:与手机集成与手机集成,成为移动可视电话成为移动可视电话；视频通信视频通信: :视频聊天视频聊天、可视电话可视电话、视频会议；视频会议；保安监控保安监控: :大量安装的电子眼大量安装的电子眼, ,且且CMOSCMOS摄摄 像机可做到纽扣大小像机可做到纽扣大小, ,用于隐型摄像用于隐型摄像; ;作数码相机作数码相机;用于游戏市场用于游戏市场;用在汽车上用在汽车上, ,如可设计成汽车自动防撞系统、如可设计成汽车自动防撞系统、 防出轨系统防出轨系统, ,大大提高汽车运行的安全性大大提高汽车运行的安全性; ;用于生物特征识别，如指纹识别仪等；用于生物特征识别，如指纹识别仪等；CMOSCMOS摄像机在医学领域有很好的发展空间，摄像机在医学领域有很好的发展空间， 如可以在患者身体安装小如可以在患者身体安装小“硅眼硅眼”，应用药，应用药 丸式摄像机等；丸式摄像机等；用于需要高速更新的影像应用领域：航用于需要高速更新的影像应用领域：航 天天、核试验核试验、快速运动快速运动、瞬态过程等。瞬态过程等。三三. .发展趋势发展趋势 早期早期CMOSCMOS比比CCDCCD成像质量