光电成像系统

光电成像系统[教学目的]1、掌握CCD的结构和工作原理、光电成像原理、光电成像光学系统；2、了解微光像增强器件和纤维光学成像原理。[教学重点与难点]重点：CCD的结构和工作原理、光电成像原理、光电成像光学系统的组成。难点：CCD的结构和工作原理、调制传递函数的分析。成像转换过程有四个方面的问题需要研究：能量方面——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成像特性——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率噪声方面——决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性信息传递速率方面（成像特性、噪声——信息传递问题，决定能被传递的信息量大小）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器件是光电成像系统的核心。§1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，而视频信号能再现入射的光辐射图像。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（ChargeInjenctionDevice，即CID）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1.电荷耦合器件的基本原理（1）电荷存储构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态（2）电荷转移以三相表面沟道CCD为例表面沟道器件，即SCCD（SurfaceChannelCCD）——转移沟道在界面的CCD器件体内沟道（或埋沟道CCD）即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（3）电荷检测浮置扩散输出CCD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，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。2.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CCD（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（2）面阵CCD常见的面阵CCD摄像器件有两种：行间转移结构与帧转移结构。二、电荷耦合摄像器件的特性参数1.转移效率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。1一个电荷量为oQ的电荷包，经过n次转移后的输出电荷量应为：nonQQ总效率为：nonQQ/2.不均匀度光敏元的不均匀与CCD的不均匀。本节讨论光敏元的不均匀性，认为CCD是近似均匀的，即每次转移的效率是一样的。光敏元响应的不均匀是由于工艺过程及材料不均匀引起的，越是大规模的器件，均匀性问题越是突出，这往往是成品率下降的重要原因。定义光敏元响应的均方根偏差对平均响应的比值为CCD的不均匀度：21)(11oNnonoVVNVNnonoVNV11式中onV为第n个光敏元原始响应的等效电压,oV为平均原始响应等效电压；N为线列CCD的总位数。由于转移损失的存在，CCD的输出信号nV与它所对应的光敏元的原始响应onV并不相等。根据总损失公式，在测得nV后，可求出onV：npnonVV式中P是CCD的相数3.暗电流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。由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，CCD中暗电流密度的分布是不均匀的。暗电流的危害有两个方面：限制器件的低频限、引起固定图像噪声4.灵敏度（响应度）它是指在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流）。5.光谱响应CCD的光谱响应是指等能量相对光谱响应，最大响应值归一化为100%所对应的波长，称峰值波长max，通常将10%（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。6.噪声CCD的噪声可归纳为三类：散粒噪声、转移噪声和热噪声。7.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ＭＴＦ（调制传递函数）来表示分辨率。8.动态范围与线性度动态范围＝等效噪声信号光敏元满阱信号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。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。1.CMOS像素结构无源像素型（PPS）、有源像素型(APS)（1）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。（2）有源像素结构光电二极管型有源像素（PP－APS）——大多数中低性能的应用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。2.CMOS摄像器件的总体结构工作过程：首先，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。3.CMOS与CCD器件的比较CCD摄像器件——有光照灵敏度高、噪声低、像素面积小等优点。但CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，不易处理一些模拟和数字功能；CCD阵列驱动脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成（VLSI）技术兼容，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等优点。目前CMOS单元像素的面积已与CCD相当，CMOS已可以达到较高的分辨率。如果能进一步提高CMOS器件的信噪比和灵敏度，那么CMOS器件有可能在中低档摄像机、数码相机等产品中取代CCD器件。§2光电成像原理一、光电成像系统的基本结构1.光机扫描方式串联扫描并联扫描串并联混合扫描2.电子束扫描方式3.固体自扫描方式上述的分类方法不是绝对的，有的光电成像系统是不同扫描方式的结合。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。二、光电成像系统的基本技术参数1.光学系统的通光口径D和焦距f/2.瞬时视场角α、β3.观察视场角WH、WV4.帧时Tf和帧速F5.扫描效率ηffovTT6.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所经历的时间称为滞留时间d，探测器在观察视场中对应的分辨单元数为：VHWWn由d的定义，有:FWWnTVHfd光电成像系统的综合性能参数是在以上各基本技术参数的基础上作进一步的综合分析得出的。§3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：物像共轭位置、成像放大率、一定的成像范围，以及在像平面上有一定的光能量和反映物体细节的能力（即分辨率）。一、理想光学系统模型牛顿公式：ffxx//，///fxxfyy高斯公式：//111fll，ll/二、光学系统中的光阑1.孔径光阑2.视场光阑3.渐晕光阑4.消杂光光阑三、红外成像光学系统的主要参数1.焦距f′决定光学系统的轴向尺寸，f′越大，所成的像越大，光学系统一般也越大。2.相对孔径D/f′相对孔径定义为光学系统的入瞳直径D与焦距f′之比，相对孔径的倒数叫F数，DfF/数。相对孔径决定红外成像光学系统的衍射分辨率及像面上的辐照度。衍射分辨率:///22.183.3fDDf像面中心处的辐照度计算公式为：22//2/sinnnULKE3.视场四、光学系统的像差光学系统近轴区具有理想光学系统的性质，光学系统近轴区的成像被认为是理想像。实际光学系统所成的像和近轴区所成的像的差异即为像差。光学系统对单色光成像时产生单色像差，分为五类：球面像差（球差）、彗形像差（彗差）、像散差（像散）、像面弯曲（场曲）和畸变。对多色光成像时，光学系统除对各单色光成分有单色像差外，还产生两种色差：轴向色差和垂轴色差（亦称倍率色差）。五、红外光学系统的特点由于红外辐射的特有性能，使得红外光学系统具有以下一些特点：（1）红外辐射源的辐射波段位于1μm以上的不可见光区，普通光学玻璃对2.5μm以上的光波不透明，而在所有有可能透过红外波段的材料中，只有几种材料有必需的机械性能，并能得到一定的尺寸，如锗、硅等，这就大大限制了透镜系统在红外光学系统设计中的应用，使反射式和折反射式光学系统占有比较重要的地位。（2）为了探测远距离的微弱目标，红外光学系统的孔径一般比较大。（3）在红外光学系统中广泛使用各类扫描器，如平面反射镜、多面反射镜、折射棱镜及光楔等。（4）8至14μm波段的红外光学系统必须考虑衍射效应的影响。（5）在各种气象条件下或在抖动和振动条件下，具有稳定的光学性能。鉴于上述特点，设计红外光学系统时，应遵循下列原则：（1）光学系统应对所工作的波段有良好的透过性能。（2）光学系统在尺寸、像质和加工工艺许可的范围内，应具有尽可能大的相对孔径，以保证系统有高的灵敏度。（3）光学系统应对背景噪声有较强的抑制能力，提高输入信噪比。（4）光学系统的形式和组成应有利于充分发挥探测器的效能，如合理利用光敏元面积，保证高的光斑均匀性等。（5）光学系统及组成元件力求简单。（6）合理选择扫描方式及扫描器的类型。六、典型的红外光学系统红外光学系统主要由红外物镜系统和扫描系统组成。1.红外物镜系统（1）透射式红外光学系统优点：无挡光，加工球面透镜较容易，通过光学设计易消除各种像差。缺点：光能损失较大，装配调整比较困难。（2）反射式红外光学系统由于红外辐射的波长较长，能透过它的材料很少，因而大都采用反射式红外光学系统。按反射镜截面的形状不同，反射系统有球面形、抛物面形、双曲面形或椭球面形等几种。牛顿光学系统：卡塞格伦系统：格利高利系统：（3）折反射组合式光学系统施密特系统：马克苏托夫系统：2.扫描系统平行光束扫描会聚光束扫描红外探测器§4红外成像系统的综合特性红外成像系统性能的综合量度指标——空间分辨率、温度分辨率空间分辨率——调制传递函数（MTF）温度分辨率——噪声等效温差（NETD）最小可分辨温差（MRTD）最小可探测温差（MDTD）一、调制传递函数（MTF）1.基本概念红外成像系统可以看作是一个低通线性滤波器，给红外成像系统输入一个正弦信号（即给出一个光强正弦分布的目标），输出仍然是同一频率的正弦信号（即目标成的像仍然是同一空间频率的正弦分布），只不过像的对比有所降低，位相发生移动。对比降低的程度和位相移动的大小是空间频率的函数，被称