光电成像器件讲解课件

第八章光电成像器件8.1摄像管8.2摄像器件的性能参数8.3电荷耦合器件8.4CMOS图像传感器8.5图像增强器第八章光电成像器件8.1摄像管1摄像机videocamera摄像机种类繁多，其工作的基本原理都是一样的：把光学图象信号转变为电信号，以便于存储或者传输。当我们拍摄一个物体时，此物体上反射的光被摄像机镜头收集，使其聚焦在摄像器件的受光面（例如摄像管的靶面）上，再通过摄像器件把光转变为电能，即得到了“视频信号”。

摄像机videocamera2光电成像器件是能够输出图像信息的一类器件摄像器件使光学图像变成视频信号

·摄像管

·电荷耦合器件

·CMOS图像传感器像管使光学图像增强或改变光谱·像增强器

·

变像管光电成像器件是能够输出图像信息的一类器件摄像器件使光学38.1摄像管可分为两大类：*光电发射型摄像管利用外光电效应*视像管利用内光电效应摄像管是能够输出视频信号的真空光电管8.1摄像管可分为两大类：摄像管是能够输出视频信号的真空光4光电发射型摄像管视像管

视像管基本结构：

光电靶完成光电转换、信号存储

电子枪完成信号扫描输出光电发射型摄像管视像管视像管基本结构：5氧化铅视像管结构与工作原理管子结构氧化铅PIN靶PIN光电靶：反向偏置，扫描面形成正电位图像电子枪：

发射电子束，按电视制式扫描正电位图像，输出视频信号氧化铅视像管结构与工作原理管子结构氧化铅PIN靶PIN光电靶6像素：组成图像的最小单元。摄像管像素大小由电子束截面积决定。

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。这个像素的光电流由P→N，流过负载RL,产生负极性图像信号输出。同时，扫描电子束使P层电位降至阴极电位（图像擦除）。像素：组成图像的最小单元。摄像管像素大小由电子束截面积决定。78.2摄像器件的性能参数一.灵敏度S

在2856K色温标准光源单位光功率照射下,由器件输出信号电流大小来衡量。单位:μA/lm；mA/W。实际常用能产生正常电视图像所需最低光照度Lmin来表征。二.光电转换特性－γ特性

8.2摄像器件的性能参数一.灵敏度S8γ＝1IP与L成线性关系，是最理想情况。γ＜1低照度下灵敏度相对增加。γ＞1图像对比度提高。

*关于伽玛γ校正电路三.分辨率

能够分辨图像中明暗细节的能力有两种表示方法:

⑴极限分辨率：用在图像（光栅）范围内能分辨的等宽黑白线条数表示（如：水平800线、垂直500线）；也用～线对/mm表示。γ＝1IP与L成线性关系，三.分辨率能够分辨图像中9⑵调制传递函数MTF：能客观地测试器件对不同空间频率信号的传递能力调制度M：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。⑵调制传递函数MTF：能客观地测试器件对不同空10用一个能量正弦分布的物体来看一下调制（对比）传递函数的情况，有一个物体的能量分布如下图所示，能量为正弦分布，平均能量b0,能量起伏为b1,则我们称这物体的调制度（对比度）为：物体调制度反映了物体的对比情况，若物体的调制度M0=1，表示b1=b0，此时物体有最大的调制度；若物体的调制度M0=0，表示b1=0，即能量没有起伏，物体有最小的调制度；如果物体经成像系统成像后的调制度为Mi，则成像系统对某一频率的调制传递函数MTF为：用一个能量正弦分布的物体来看一下调制（对比）传递函数的情况，11四.惰性

指输出信号的变化相对于光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张驰过程和电容电荷释放惰性。五.视频信噪比（S/N）

六.动态范围

Lmax:Lmin=10n:1四.惰性指输出信号的变化相对于光五.视频信噪比（S/N）12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——视频信号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。

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138.3电荷耦合器件CCD图像传感器主要特点：固体化摄像器件很高的空间分辨率很高的光电灵敏度和大的动态范围光敏元间距位置精确,可获得很高的定位和测量精度信号与微机接口容易CCD(ChargeCoupledDevices)8.3电荷耦合器件CCD图像传感器主要特点：CCD(Cha14固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）电荷注入器件（ChargeInjectionDevice，即CID）

目前，前两种用得较多，我们这里只分析CCD一种。固体摄像器件主要有三大类：15一、电荷耦合摄像器件

电荷耦合器件（CCD）特点——以电荷作为信号。CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移。CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。

一、电荷耦合摄像器件电荷耦合器件（CCD）特点16（1）、CCD的基本结构包括：转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单元是MOS电容。1、电荷耦合器件的基本原理

（1）、CCD的基本结构包括：转移电极结构、转移沟道结构、17一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底18（2）、电荷存储以衬底为P型硅构成的MOS电容为例。当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2界面处的电势发生变化，附近的P型硅中的多数载流子-空穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度耗尽状态，电子在那里势能较低-形成了一个势阱。如有信号电子，将聚集在表面，实现电荷的存储。此时耗尽层变薄。势阱的深浅决定存储电荷能力的大小。（2）、电荷存储以衬底为P型硅构成的MOS电容为例。19（3）、电荷转移

CCD的转移电极相数有二相、三相、四相等。对于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移，至少需要三相。这里以三相表面沟道CCD为例。

表面沟道器件，即SCCD（SurfaceChannelCCD）——转移沟道在界面的CCD器件。

（3）、电荷转移CCD的转移电极相数有二相20光电成像器件讲解课件21表面沟道器件的特点：

工艺简单，动态范围大，但信号电荷的转移受表面态的影响，转移速度和转移效率底，工作频率一般在10MHz以下。表面沟道器件的特点：22体内沟道（或埋沟道CCD）：

BCCD（BulkorBuriedChannelCCD）——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99.999％以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件。

体内沟道（或埋沟道CCD）：23（4）、光信号的注入

CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种，在光纤系统中，CCD接收的信号是由光纤传来的光信号，即采用光注入CCD。

当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。（4）、光信号的注入CCD的电荷注入方式有电24（5）、电荷检测（输出）

CCD输出结构是将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。

电荷输出结构有多种形式，如电流输出结构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构等。浮置扩散输出结构应用最广。（5）、电荷检测（输出）CCD输出结构是将C25

OG：输出控制栅，FD：浮置扩散区，R:复位控制栅，RD:复位漏,T:输出场效应管。浮置栅是指在P型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的n+区域，当扩散区不被偏置，其处于浮置状态。OG：输出控制栅，FD：浮置扩散区，R:复位控制26电荷包的输出过程：VOG为一定值的正电压，在OG电极下形成耗尽层，使Φ3与FD之间建立导电沟道。在Φ3高电位期间，电荷包存储在Φ3电极下面。随后复位栅R加正复位脉冲ΦR，使FD区与RD区沟通。因VRD为正十几伏的直流偏置电压，则FD区的电荷被RD区抽走。复位正脉冲过去后，FD区与RD区呈夹断状态，FD区具有一定的浮置。之后Φ3转变为低电位，Φ3电极下面的电荷包通过OG下的沟道转移到FD区。电荷包的输出过程：VOG为一定值的正电压，在27

对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。

浮置栅CCD放大输出信号的特点是：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T；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取28彩色CCD的组成结构分图CCD的三层结构：上：增光镜片、中：色块网格下：感应线路由微型镜头、马赛克分色网格，及垫于最底层的电子线路矩阵所组成彩色CCD的组成结构分图CCD的三层结构：上：增光镜片、中29彩色CCD运行图彩色CCD运行图30光电成像器件讲解课件312、电荷耦合摄像器件的工作原理CCD的电荷存储、转移的概念+半导体的光电性质——CCD摄像器件按结构可分为线阵CCD和面阵CCD按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD2、电荷耦合摄像器件的工作原理CCD的电荷存储、32一.CCD的结构与工作原理

※关于线阵CCD

※关于面阵CCD

CCD的基本功能:信号电荷的产生、存储、传输和检测以双列两相线阵CCD为例介绍其工作原理一.CCD的结构与工作原理33光敏区:光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。转移栅:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷向移位寄存器转移。移位寄存器:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷扫描移向输出端。输出端:将光生电荷包转换为视频信号输出。加偏压的MOS电容的电荷存贮功能

在Al电极上加驱动信号，MOS阵列使光生电荷包自扫描输出。光敏区:光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。加偏压的MOS34SiO2N-Si-V10VAl电极耗尽层(a)势阱的形成-V1*

-V2(c)少数载流子的转移-V10V(b)少数载流子的捕获光照0V-V2(d)转移完成CCD成像单元CCD移位寄存器输出信号SiO2N-Si-V10VAl电极耗尽层(a)势阱的形成-35光电成像器件讲解课件36（1）线阵CCD

线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构。下图(a)为单沟道，(b)为双沟道。（1）线阵CCD37光积分→光生电荷并行转移光生电荷串行传输→输出端输出端：输出栅OG；浮置扩散放大器：输出二极管复位管T1输出管T2｛光积分→光生电荷并行转移光生电荷串行传输→输出端输出端：输出38双列两相线阵CCD驱动信号像敏区存储区水平移位寄存器输出端信号通道放大器→OS补偿放大器→OS'面阵CCD双列两相线阵CCD驱动信号像敏区面阵CCD39二.电荷耦合器件的性能参数

1.电荷转移效率

电荷转移效率η

转移损失率ε电荷传输效率η'2.工作频率

控制CCD中信号电荷在移位寄存器中转移的时钟脉冲频率f=1/T二.电荷耦合器件的性能参数

1.电荷转移效率2.工作频率40对于二相CCD,3.光谱特性CCD积分灵敏度S=Uo/H

单位:Vcm2/μJ曝光量H=LτL:光照度

τ:曝光时间(光积分TSH)H的单位:μJ/cm2;lxs通常：对于二相CCD,3.光谱特性CCD积分灵敏度S=Uo/H414.分辨率

线阵CCD：极限分辨率为

1/d(线对/mm)面阵CCD:像元数越多，分辨率越高。更多用水平方向、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。5.光电特性

CCD是低照度器件，光电靶γ可达99.7%，

摄像头常带有γ选择。CCD所能分辨的最小间距就是像元间距d，4.分辨率线阵CCD：极限分辨率为1/d(线对/426.动态范围CCD像元的饱和输出电压与它在暗场下的峰-峰噪声电压的比值Usat/Udn。

Usat决定于势阱中可存储的最大电荷量,一般为数百mv～数v；CCD是低噪声器件，可用于微光成像,

Udn一般为数mv以下。

普通CCD的动态范围1000:1左右。7.暗电流

CCD器件可控制在1nA/cm2。6.动态范围CCD像元的饱和输出电压与它在暗场下43三.线阵CCD驱动电路的设计

线阵CCD驱动电路就是要产生正确的SH、1、2、RS信号，它是CCD芯片赖以正常工作的基础。

介绍TCD1200D线阵CCD驱动电路的设计：

TCD1200D有2160个光敏单元，其前后各有64及12个哑单元。因此：TSH2236TRS,

fRS=1MHz，fφ1、φ2=0.5MHz三.线阵CCD驱动电路的设计

线阵CCD驱44TCD1200D管脚图和驱动电压驱动电路由单片机(AT89C2051)、可编程门阵列芯片（GAL16V8）构成。TCD1200D管脚图和驱动电压驱动电路由单片机(AT89C45AT89C2051是带2K字节可编程电擦除EPROM的CMOS8位单片机。具有8031单片机的功能，可输出20MHz时钟。GAL16V8是一种可编程逻辑器件。图示中未标的管脚可自由定义，经编程，形成所需的逻辑关系。AT89C2051是带2K字节可编程电擦除EPROM的CMO46

SH信号的产生：将Q信号送往单片机P1.7口，单片机查询后由P3.7口输出P信号。SH信号的产生：将Q信号送往单片机P1.7口，单片474路驱动信号－SH、1、2、RS都由GAL器件产生。单片机除协同产生SH外，可充分用于CCD数据测量工作。以上介绍的设计思想可用于任何型号的线阵CCD。

GAL芯片有足够的驱动能力，管脚可自由定义，使驱动电路紧凑、连线简单。4路驱动信号－SH、1、2、RS都由GAL器件产生。单48光电成像器件讲解课件49四.CCD像感器的应用

面阵CCD组成电视摄像机、数码照相机，用途极其广泛。

线阵CCD是行图像传感器件，大量应用于扫描仪、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在线测量。

成像法在线测量线材直径：四.CCD像感器的应用面阵CCD组成电视摄像机、数码50实例：

测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。玻璃管CCD视频信号实例：测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或51由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。成像物镜的放大倍率为β，CCD相元尺寸为t，上壁厚、下壁厚分别为n1、n2，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为N，测量结果有：

分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。

由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像分别52光电成像器件讲解课件53测量电路和观测点波形图测量电路和观测点波形图541、CMOS图像传感器的组成？2、CMOS图像传感器的像元结构哪两种？被动式和主动式3、CCD与CMOS的区别有哪些？1、CMOS图像传感器的组成？558.4CMOS图像传感器

CCD图像传感器的不足：⒈驱动电路与信号处理电路难与CCD单片集成，图像系统为多芯片系统；⒉电荷耦合方式对转移效率要求近乎苛刻；⒊时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压；⒋图像信息不能随机读取。

CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）采用标准CMOS工艺的固体摄像器件8.4CMOS图像传感器

CCD图像传感器的不足：CMO56CMOS图像传感器的特色

⒈是单芯片成像系统。⒉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。⒊可实现随机读取图像信息。CMOS图像传感器的特色

⒈是单芯片成像系统。57一.CMOS图像传感器结构总体结构框图一.CMOS图像传感器结构总体结构框图58像元结构：无源像素(PPS)结构有源像素(APS)结构PPS的致命弱点是读出噪声大,主要是固定图形噪声，一般有250个均方根电子。光电二极管型(PD-APS）：读出噪声典型值为(75～100)个均方根电子。适用于大多数中低性能成像。｛像元结构：无源像素(PPS)结构PPS的致命弱点是读出噪声59光栅型（PG-APS）：读出噪声小，目前已达到5个均方根电子。用于高性能科学成像和低光照成像。二.CMOS摄像机的应用

由于CMOS摄像机节能、高度集成、成本低等独特优点，使CMOS摄像机具有很多应用领域:移动通信:与手机集成,成为移动可视电话；视频通信:视频聊天、可视电话、视频会议；光栅型（PG-APS）：读出噪声小，目前已达到5个均方根电子60保安监控:大量安装的电子眼,且CMOS摄像机可做到纽扣大小,用于隐型摄像;作数码相机;用于游戏市场;用在汽车上,如可设计成汽车自动防撞系统、防出轨系统,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；CMOS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“硅眼”，应用药丸式摄像机等；保安监控:大量安装的电子眼,且CMOS摄像机可做61用于需要高速更新的影像应用领域：航天、核试验、快速运动、瞬态过程等。三.发展趋势

早期CMOS比CCD成像质量差，响应速度慢，人们主要采用CCD摄像机。近年来，采用有源像素结构等一系列技术措施,使CMOS的成像质量与CCD相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方面优于CCD。CMOS图像传感器必将成为摄像器件的主流!用于需要高速更新的影像应用领域：航三.发展趋势早期CMO628.5图像增强器

变像管是把不可见光图像变为可见光图像的真空光电管。图像增强器是把亮度很低的光学图像增强到足够亮度的真空光电管。图像增强器变像管｝→统称为像管像管内部没有扫描机构，且不能输出视频信号。8.5图像增强器

变像管是把不可见光图像变为可见光图像的真63一.像管荧光屏光谱一.像管荧光屏光谱64增益：单级<102三级～105像管型图像增强器是第一代图像增强器。二.第二代图像增强器-微通道板（Microchannelplates，MCP）是一种大面积微通道电子倍增器，可实现单级高增益图像增强。增益：单级<102像管型图像增强器是第一代图像增强器。二.65如加10kv电压，增益105～106。增益数千倍增益万倍以上如加10kv电压，增益105～106。增益数千倍增益万倍以上66三.第三代图像增强器

NEA光电阴极＋MCP四.图像增强器与摄像器件的耦合—微光摄像机三.第三代图像增强器

NEA光电阴极＋MCP四.67三、CMOS摄像器件

采用CMOS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在一起，可以实现单芯片成像系统——Camera-On-A-Chip三、CMOS摄像器件采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列681CMOS像素结构

无源像素型（PPS）有源像素型（APS）

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比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，CMOS无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。

1CMOS像素结构无源像素型（PPS）无源像素结构无源像69MOS摄像器件的工作原理：ΦY1ΦY2信号输出Y移位寄存器X移位寄存器ΦX1φX2RLEMOS开关光电二极管A/D数字信号输出MOS摄像器件的工作原理：ΦY1ΦY2信号输出YX移70有源像素结构光电二极管型有源像素（PD－APS）

大多数中低性能的应用

有源像素结构光电二极管型有源像素（PD－APS）大多数中71光栅型有源像素结构（PG－APS）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20%-30%。在CMOS上制作微透镜阵列，可以等效提高填充系数。光栅型有源像素结构（PG－APS）成像质量较高CMOS有源72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自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)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2CMOS摄像器件的总体结构外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑73CMOS摄像器件的结构：APS(ActivePixelStructure

)：由1990s中期NASA引入CMOS

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度迅速降低，采用微透镜和滤色片组合以及CMOS工艺的优势，前景好于CCD。APS在显微镜下的结构APS原理框图

微透镜改善低光特性CMOS摄像器件的结构：APS(ActivePixelS743CMOS与CCD器件的比较

CCD摄像器件灵敏度高、噪声低、像素面积小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CMOS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EricR.Fossum.CMOSImageSensors:ElectronicCamera-On-A-Chip.IEEETRANSACTIONSONELECTRONICDEVICES,1997,44(10):1689-16983CMOS与CCD器件的比较CCD摄像器件CMOS摄像器75作业：请查资料，编写PPT－《平板显示器介绍》请于下周六（8日）之前发至邮箱：

insidesun51@163.com邮件名为：姓名+班级+学号每人必须完成，下次课抽查请同学上讲台讲解。光电成像器件讲解课件76第八章光电成像器件8.1摄像管8.2摄像器件的性能参数8.3电荷耦合器件8.4CMOS图像传感器8.5图像增强器第八章光电成像器件8.1摄像管77摄像机videocamera摄像机种类繁多，其工作的基本原理都是一样的：把光学图象信号转变为电信号，以便于存储或者传输。当我们拍摄一个物体时，此物体上反射的光被摄像机镜头收集，使其聚焦在摄像器件的受光面（例如摄像管的靶面）上，再通过摄像器件把光转变为电能，即得到了“视频信号”。

摄像机videocamera78光电成像器件是能够输出图像信息的一类器件摄像器件使光学图像变成视频信号

·摄像管

·电荷耦合器件

·CMOS图像传感器像管使光学图像增强或改变光谱·像增强器

·

变像管光电成像器件是能够输出图像信息的一类器件摄像器件使光学798.1摄像管可分为两大类：*光电发射型摄像管利用外光电效应*视像管利用内光电效应摄像管是能够输出视频信号的真空光电管8.1摄像管可分为两大类：摄像管是能够输出视频信号的真空光80光电发射型摄像管视像管

视像管基本结构：

光电靶完成光电转换、信号存储

电子枪完成信号扫描输出光电发射型摄像管视像管视像管基本结构：81氧化铅视像管结构与工作原理管子结构氧化铅PIN靶PIN光电靶：反向偏置，扫描面形成正电位图像电子枪：

发射电子束，按电视制式扫描正电位图像，输出视频信号氧化铅视像管结构与工作原理管子结构氧化铅PIN靶PIN光电靶82像素：组成图像的最小单元。摄像管像素大小由电子束截面积决定。

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。这个像素的光电流由P→N，流过负载RL,产生负极性图像信号输出。同时，扫描电子束使P层电位降至阴极电位（图像擦除）。像素：组成图像的最小单元。摄像管像素大小由电子束截面积决定。838.2摄像器件的性能参数一.灵敏度S

在2856K色温标准光源单位光功率照射下,由器件输出信号电流大小来衡量。单位:μA/lm；mA/W。实际常用能产生正常电视图像所需最低光照度Lmin来表征。二.光电转换特性－γ特性

8.2摄像器件的性能参数一.灵敏度S84γ＝1IP与L成线性关系，是最理想情况。γ＜1低照度下灵敏度相对增加。γ＞1图像对比度提高。

*关于伽玛γ校正电路三.分辨率

能够分辨图像中明暗细节的能力有两种表示方法:

⑴极限分辨率：用在图像（光栅）范围内能分辨的等宽黑白线条数表示（如：水平800线、垂直500线）；也用～线对/mm表示。γ＝1IP与L成线性关系，三.分辨率能够分辨图像中85⑵调制传递函数MTF：能客观地测试器件对不同空间频率信号的传递能力调制度M：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。⑵调制传递函数MTF：能客观地测试器件对不同空86用一个能量正弦分布的物体来看一下调制（对比）传递函数的情况，有一个物体的能量分布如下图所示，能量为正弦分布，平均能量b0,能量起伏为b1,则我们称这物体的调制度（对比度）为：物体调制度反映了物体的对比情况，若物体的调制度M0=1，表示b1=b0，此时物体有最大的调制度；若物体的调制度M0=0，表示b1=0，即能量没有起伏，物体有最小的调制度；如果物体经成像系统成像后的调制度为Mi，则成像系统对某一频率的调制传递函数MTF为：用一个能量正弦分布的物体来看一下调制（对比）传递函数的情况，87四.惰性

指输出信号的变化相对于光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张驰过程和电容电荷释放惰性。五.视频信噪比（S/N）

六.动态范围

Lmax:Lmin=10n:1四.惰性指输出信号的变化相对于光五.视频信噪比（S/N）88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——视频信号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。

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898.3电荷耦合器件CCD图像传感器主要特点：固体化摄像器件很高的空间分辨率很高的光电灵敏度和大的动态范围光敏元间距位置精确,可获得很高的定位和测量精度信号与微机接口容易CCD(ChargeCoupledDevices)8.3电荷耦合器件CCD图像传感器主要特点：CCD(Cha90固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）电荷注入器件（ChargeInjectionDevice，即CID）

目前，前两种用得较多，我们这里只分析CCD一种。固体摄像器件主要有三大类：91一、电荷耦合摄像器件

电荷耦合器件（CCD）特点——以电荷作为信号。CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移。CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。

一、电荷耦合摄像器件电荷耦合器件（CCD）特点92（1）、CCD的基本结构包括：转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单元是MOS电容。1、电荷耦合器件的基本原理

（1）、CCD的基本结构包括：转移电极结构、转移沟道结构、93一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底94（2）、电荷存储以衬底为P型硅构成的MOS电容为例。当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2界面处的电势发生变化，附近的P型硅中的多数载流子-空穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度耗尽状态，电子在那里势能较低-形成了一个势阱。如有信号电子，将聚集在表面，实现电荷的存储。此时耗尽层变薄。势阱的深浅决定存储电荷能力的大小。（2）、电荷存储以衬底为P型硅构成的MOS电容为例。95（3）、电荷转移

CCD的转移电极相数有二相、三相、四相等。对于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移，至少需要三相。这里以三相表面沟道CCD为例。

表面沟道器件，即SCCD（SurfaceChannelCCD）——转移沟道在界面的CCD器件。

（3）、电荷转移CCD的转移电极相数有二相96光电成像器件讲解课件97表面沟道器件的特点：

工艺简单，动态范围大，但信号电荷的转移受表面态的影响，转移速度和转移效率底，工作频率一般在10MHz以下。表面沟道器件的特点：98体内沟道（或埋沟道CCD）：

BCCD（BulkorBuriedChannelCCD）——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99.999％以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件。

体内沟道（或埋沟道CCD）：99（4）、光信号的注入

CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种，在光纤系统中，CCD接收的信号是由光纤传来的光信号，即采用光注入CCD。

当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。（4）、光信号的注入CCD的电荷注入方式有电100（5）、电荷检测（输出）

CCD输出结构是将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。

电荷输出结构有多种形式，如电流输出结构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构等。浮置扩散输出结构应用最广。（5）、电荷检测（输出）CCD输出结构是将C101

OG：输出控制栅，FD：浮置扩散区，R:复位控制栅，RD:复位漏,T:输出场效应管。浮置栅是指在P型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的n+区域，当扩散区不被偏置，其处于浮置状态。OG：输出控制栅，FD：浮置扩散区，R:复位控制102电荷包的输出过程：VOG为一定值的正电压，在OG电极下形成耗尽层，使Φ3与FD之间建立导电沟道。在Φ3高电位期间，电荷包存储在Φ3电极下面。随后复位栅R加正复位脉冲ΦR，使FD区与RD区沟通。因VRD为正十几伏的直流偏置电压，则FD区的电荷被RD区抽走。复位正脉冲过去后，FD区与RD区呈夹断状态，FD区具有一定的浮置。之后Φ3转变为低电位，Φ3电极下面的电荷包通过OG下的沟道转移到FD区。电荷包的输出过程：VOG为一定值的正电压，在103

对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。

浮置栅CCD放大输出信号的特点是：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T；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取104彩色CCD的组成结构分图CCD的三层结构：上：增光镜片、中：色块网格下：感应线路由微型镜头、马赛克分色网格，及垫于最底层的电子线路矩阵所组成彩色CCD的组成结构分图CCD的三层结构：上：增光镜片、中105彩色CCD运行图彩色CCD运行图106光电成像器件讲解课件1072、电荷耦合摄像器件的工作原理CCD的电荷存储、转移的概念+半导体的光电性质——CCD摄像器件按结构可分为线阵CCD和面阵CCD按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD2、电荷耦合摄像器件的工作原理CCD的电荷存储、108一.CCD的结构与工作原理

※关于线阵CCD

※关于面阵CCD

CCD的基本功能:信号电荷的产生、存储、传输和检测以双列两相线阵CCD为例介绍其工作原理一.CCD的结构与工作原理109光敏区:光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。转移栅:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷向移位寄存器转移。移位寄存器:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷扫描移向输出端。输出端:将光生电荷包转换为视频信号输出。加偏压的MOS电容的电荷存贮功能

在Al电极上加驱动信号，MOS阵列使光生电荷包自扫描输出。光敏区:光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。加偏压的MOS110SiO2N-Si-V10VAl电极耗尽层(a)势阱的形成-V1*

-V2(c)少数载流子的转移-V10V(b)少数载流子的捕获光照0V-V2(d)转移完成CCD成像单元CCD移位寄存器输出信号SiO2N-Si-V10VAl电极耗尽层(a)势阱的形成-111光电成像器件讲解课件112（1）线阵CCD

线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构。下图(a)为单沟道，(b)为双沟道。（1）线阵CCD113光积分→光生电荷并行转移光生电荷串行传输→输出端输出端：输出栅OG；浮置扩散放大器：输出二极管复位管T1输出管T2｛光积分→光生电荷并行转移光生电荷串行传输→输出端输出端：输出114双列两相线阵CCD驱动信号像敏区存储区水平移位寄存器输出端信号通道放大器→OS补偿放大器→OS'面阵CCD双列两相线阵CCD驱动信号像敏区面阵CCD115二.电荷耦合器件的性能参数

1.电荷转移效率

电荷转移效率η

转移损失率ε电荷传输效率η'2.工作频率

控制CCD中信号电荷在移位寄存器中转移的时钟脉冲频率f=1/T二.电荷耦合器件的性能参数

1.电荷转移效率2.工作频率116对于二相CCD,3.光谱特性CCD积分灵敏度S=Uo/H

单位:Vcm2/μJ曝光量H=LτL:光照度

τ:曝光时间(光积分TSH)H的单位:μJ/cm2;lxs通常：对于二相CCD,3.光谱特性CCD积分灵敏度S=Uo/H1174.分辨率

线阵CCD：极限分辨率为

1/d(线对/mm)面阵CCD:像元数越多，分辨率越高。更多用水平方向、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。5.光电特性

CCD是低照度器件，光电靶γ可达99.7%，

摄像头常带有γ选择。CCD所能分辨的最小间距就是像元间距d，4.分辨率线阵CCD：极限分辨率为1/d(线对/1186.动态范围CCD像元的饱和输出电压与它在暗场下的峰-峰噪声电压的比值Usat/Udn。

Usat决定于势阱中可存储的最大电荷量,一般为数百mv～数v；CCD是低噪声器件，可用于微光成像,

Udn一般为数mv以下。

普通CCD的动态范围1000:1左右。7.暗电流

CCD器件可控制在1nA/cm2。6.动态范围CCD像元的饱和输出电压与它在暗场下119三.线阵CCD驱动电路的设计

线阵CCD驱动电路就是要产生正确的SH、1、2、RS信号，它是CCD芯片赖以正常工作的基础。

介绍TCD1200D线阵CCD驱动电路的设计：

TCD1200D有2160个光敏单元，其前后各有64及12个哑单元。因此：TSH2236TRS,

fRS=1MHz，fφ1、φ2=0.5MHz三.线阵CCD驱动电路的设计

线阵CCD驱120TCD1200D管脚图和驱动电压驱动电路由单片机(AT89C2051)、可编程门阵列芯片（GAL16V8）构成。TCD1200D管脚图和驱动电压驱动电路由单片机(AT89C121AT89C2051是带2K字节可编程电擦除EPROM的CMOS8位单片机。具有8031单片机的功能，可输出20MHz时钟。GAL16V8是一种可编程逻辑器件。图示中未标的管脚可自由定义，经编程，形成所需的逻辑关系。AT89C2051是带2K字节可编程电擦除EPROM的CMO122

SH信号的产生：将Q信号送往单片机P1.7口，单片机查询后由P3.7口输出P信号。SH信号的产生：将Q信号送往单片机P1.7口，单片1234路驱动信号－SH、1、2、RS都由GAL器件产生。单片机除协同产生SH外，可充分用于CCD数据测量工作。以上介绍的设计思想可用于任何型号的线阵CCD。

GAL芯片有足够的驱动能力，管脚可自由定义，使驱动电路紧凑、连线简单。4路驱动信号－SH、1、2、RS都由GAL器件产生。单124光电成像器件讲解课件125四.CCD像感器的应用

面阵CCD组成电视摄像机、数码照相机，用途极其广泛。

线阵CCD是行图像传感器件，大量应用于扫描仪、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在线测量。

成像法在线测量线材直径：四.CCD像感器的应用面阵CCD组成电视摄像机、数码126实例：

测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。玻璃管CCD视频信号实例：测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或127由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。成像物镜的放大倍率为β，CCD相元尺寸为t，上壁厚、下壁厚分别为n1、n2，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为N，测量结果有：

分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。

由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像分别128光电成像器件讲解课件129测量电路和观测点波形图测量电路和观测点波形图1301、CMOS图像传感器的组成？2、CMOS图像传感器的像元结构哪两种？被动式和主动式3、CCD与CMOS的区别有哪些？1、CMOS图像传感器的组成？1318.4CMOS图像传感器

CCD图像传感器的不足：⒈驱动电路与信号处理电路难与CCD单片集成，图像系统为多芯片系统；⒉电荷耦合方式对转移效率要求近乎苛刻；⒊时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压；⒋图像信息不能随机读取。

CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）采用标准CMOS工艺的固体摄像器件8.4CMOS图像传感器

CCD图像传感器的不足：CMO132CMOS图像传感器的特色

⒈是单芯片成像系统。⒉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。⒊可实现随机读取图像信息。CMOS图像传感器的特色

⒈是单芯片成像系统。133一.CMOS图像传感器结构总体结构框图一.CMOS图像传感器结构总体结构框图134像元结构：无源像素(PPS)结构有源像素(APS)结构PPS的致命弱点是读出噪声大,主要是固定图形噪声，一般有250个均方根电子。光电二极管型(PD-APS）：读出噪声典型值为(75～100)个均方根电子。适用于大多数中低性能成像。｛像元结构：无源像素(PPS)结构PPS的致命弱点是读出噪声135光栅型（PG-APS）：读出噪声小，目前已达到5个均方根电子。用于高性能科学成像和低光照成像。二.CMOS摄像机的应用

由于CMOS摄像机节能、高度集成、成本低等独特优点，使CMOS摄像机具有很多应用领域:移动通信:与手机集成,成为移动可视电话；视频通信:视频聊天、可视电话、视频会议；光栅型（PG-APS）：读出噪声小，目前已达到5个均方根电子136保安监控:大量安装的电子眼,且CMOS摄像机可做到纽扣大小,用于隐型摄像;作数码相机;用于游戏市场;用在汽车上,如可设计成汽车自动防撞系统、防出轨系统,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；CMOS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“硅眼”，应用药丸式摄像机等；保安监控:大量安装的电子眼,且CMOS摄像机可做137用于需要高速更新的影像应用领域：航天、核试验、快速运动、瞬态过程等