3-6-1图像传感器资料

光电探测与信号处理3.6图像传感器3.6.1图像传感器发展历史完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。光电图像传感器的发展历史悠久，种类很多。1934年：成功地研制出光电摄像管。用于广播电视摄像。灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10000lx的照度才能获得较为清晰的图像，应用受到限制。1947年：研制出超正析像管，灵敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。1954年：高灵敏视像管基本具有了成本低，体积小，结构简单的特点，使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。1965年：氧化铅视像管发展了彩色电视摄像机，诞生了1英寸，1/2英寸，1/3英寸。氧化铅视像管抗强光的能力低，余辉效应影响了采样速率。1970年：电荷耦合器件（CCD）美国贝尔电话实验室，使图像传感器从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。1976年，硒靶管和硅靶管，灵敏度更高，成本更低的。具有固体器件的所有优点，自扫描输出方式消除了电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真，即CCD图像传感器的输出信号能够不失真地将光学图像转换成视频电视图像。它的体积、重量、功耗和制造成本是电子束摄像管无法达到的。CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为广泛应用图像传感器的新时代。CCD图像传感器的特点CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题。主要应用：广播电视、工业电视、医用电视、军用电视、微光与红外电视技术机器视觉，公安刑侦、交通指挥、安全监控。3.6.2图像传感器的分类按其工作方式可分为：扫描型和直视型两类。扫描型图像传感器件：通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像转换成一维时序信号输出出来。这种代表图像信息的一维信号称为视频信号。视频信号可通过信号放大和同步控制等处理后，通过相应的显示设备（如监视器）还原成二维光学图像信号。为了能真实地重现原图像，视频信号在产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则，这种规则称为制式。例如：广播电视系统中遵循的规则被称为电视制式。直视型图像传感器：将入射辐射图像通过外光电转化为电子图像，再由电场或电磁场的加速与聚焦进行能量的增强，并利用二次电子的发射作用进行电子倍增，最后将增强的电子图像激发荧光屏产生可见光图像。主要用于图像的转换和增强。扫描型图像传感器输出的视频信号可经A/D转换为数字信号，存入计算机系统，并在软件的支持下完成图像处理、存储、传输、显示及分析等功能。因此，扫描型图像传感器的应用范围远远超过直视型图像传感器的应用范围。本节主要讨论CCD图像传感器的基本工作原理和典型应用问题。3.6.3光电成像原理与电视制式光电成像原理光电成像系统由两部分构成：摄像系统(摄像机)与图像显示系统。摄像系统由光学成像系统（成像物镜）、光电变换系统、同步扫描和图像编码等部分构成，输出全电视视频信号。1.摄像机的基本原理景物经光学系统成像在物镜的像面(光电图像传感器的像面)上，形成二维空间光强分布的光学图像。光电图像传感器：将光学图像转变成二维“电气”图像的工作。组成一幅图像的最小单元称为像素或像元，像元的大小或一幅图像所包含的像元数决定了图像的分辨率，分辨率越高，图像的细节信息越丰富，图像越清晰，图像质量越高。即将图像分割得越细，图像质量越高。高质量的图像来源于高质量的摄像系统，其中主要是高质量的光电图像传感器。2.图像的分割将一幅图像分割成若干像素的方法有很多，超正析像管：利用电子束扫描光电阴极的方法分割像素；视像管：由电阻海颗粒分割；面阵CCD、CMOS图像传感器：用光敏单元分割。被分割后的电气图像经扫描才能输出一维时序信号，扫描的方式也与图像传感器的性质有关。面阵CCD采用转移脉冲方式将电荷包（像素信号）输出一维时序信号；CMOS图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式完成像素信号的一维输出。图像的显示：监视器或电视接收机的显像管：利用电磁场使电子束偏转而实现行与场扫描，因此，对于行、场扫描的速度、周期等参数进行严格的规定，以便显像管显示理想的图像。3.扫描方式（1）逐行扫描显像管的电子枪装有水平与垂直两个方向的偏转线圈，线圈中分别流过锯齿波电流，电子束在偏转线圈形成的磁场作用下同时进行水平方向和垂直方向的偏转，完成对显像管荧光屏的扫描。（2）隔行扫描根据人眼对图像分辨能力，扫描的水平行数至少应大于600行，这对于逐行扫描方式，行扫描频率必须大于29000Hz才能保证人眼视觉对图像的最低要求。这样高的行扫描频率，无论对摄像系统还是对显示系统都提出了更高的要求。为了降低行扫描频率，又能保证人眼视觉对图像分辨率及闪耀感的要求，早在20世纪初，人们就提出了隔行扫描分解图像和显示图像的方法。要求隔行扫描必须满足下面两个要求：第一，要求下一帧图像的扫描起始点应与上一帧起始点相同，确保各帧扫描光栅重叠；第二，要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌，确保获得最高的清晰度。目前，我国现行的隔行扫描电视制式就是每帧扫描行数为625行，一帧由二场构成，每场扫描行数为312.5行。（3）扫描行频电子束扫描一行所需要的时间，又称为行周期。行周期的倒数称为行频。我国现行电视制式（PAL制式）的主要参数为：宽高比α=4/3；场频fv=50Hz；行频fl=15625Hz；场周期T=20ms，其中场正程扫描时间为18.4ms，逆程扫描时间为1.6ms。行周期为64μs，其中行正程扫描时间为52μs，逆程扫描时间为12μs。4.电视制式电视的图像发送与接收系统中，图像的采集（摄像机）与图像显示器必需遵守同样的分割规则才能获得理想的图像传输。这个规则被称为电视制式。目前，正在应用中的电视制式一般有三种。PAL彩色电视制式：场频为50Hz，隔行扫描每帧扫描行数为625行，伴音、图像载频带宽为6.5MHz。我国以及西欧各国3.6.4电荷耦合器件电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevices）图像传感器主要有两种基本类型:表面沟道器件：信号电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面进行转移的器件，简称SCCD；体沟道或埋沟道CCD器件：信号电荷包存储在距离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向转移的器件，简称BCCD。下面以SCCD为例讨论CCD的基本工作原理。信号的输入、存贮、转移、输出。1.电荷存储构成CCD的基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）结构。在栅极G施加电压UG之前P型半导体中空穴的分布是均匀的。当栅极施加正电压UG（此时UG小于等于P型半导体的阈值电压Uth）时，p型半导体中的空穴将开始被排斥，并在半导体中产生所示耗尽区。电压继续增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸，图（c）。UG大于Uth后，耗尽区的深度与UG成正比。将半导体与绝缘体界面上的电势记为表面势Φs，Φs将随栅极电压UG的增加而增加，在掺杂为1021cm-3，氧化层厚度为0.1μm、0.3μm、0.4μm和0.6μm情况下，不存在反型层电荷时，表面势Φs与栅极电压UG的关系曲线。从表面势Φs与栅极电压UG的关系曲线可以看出氧化层的厚度越薄曲线的直线性越好；在同样的栅极电压UG作用下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势。表面势Φs表征了耗尽区的深度。图为栅极电压UG不变的情况下，表面势Φs与反型层电荷密度Qinv之间的关系。由图可以看出，表面势Φs随反型层电荷密度Qinv的增加而线性减小。用半导体物理中的“势阱”概念来描述。电子所以被加有栅极电压的MOS结构吸引到半导体与氧化层的交界面处，是因为那里的势能最低。2.电荷耦合—传输tttΦ1Φ2Φ3三相CCD驱动脉冲波形图CCD的电极结构三相单层铝电极结构三相电阻海结构光学系统CCD2二相硅-铝交叠栅结构ttΦ1Φ2二相CCD驱动脉冲波形图3.光信号的输入Qin=ηqNeoAtcη为材料的量子效率；q为电子电荷量；Neo为入射光的光子流速；A为光敏单元的受光面积；tc为光的注入时间。4.电荷的检测采用电流输出方式：检测二极管、偏置电阻R、源极输出放大器和复位场效应管。Id的大小与电荷的变化量成正比，A点电位变化。复位场效应管：放掉剩余的电荷