第8章第1节

第8章图像信息的光电变换8.1图像传感器简介1、图像传感器发展历史早在1934年就成功地研制出光电摄像管（Iconoscope），用于室内外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10000lx的照度才能获得较为清晰的图像。使它的应用受到限制。1947年制出的超正析像管（ImaigeOrthico），的灵敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。1954年投放市场的高灵敏视像管（Vidicon）基本具有了成本低，体积小，结构简单的特点。1965年推出的氧化铅视像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，发展了彩色电视摄像机。1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。1970年，美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD）的原理使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段图像传感器的分类图像传感器真空成像图像传感器固体成像图像传感器CCD图像传感器CMOS图像传感器直视型扫描型按工作方式分8.2光电成像原理与电视制式•光电成像原理光电成像系统常被分成摄像系统(摄像机)与图像显示系统两部分。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•2.图像的分割与扫描1、将一幅图像分割成若干像素的方法有很多：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。2、扫描面阵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。因此，有时也称面阵CCD、CMOS图像传感器以自扫描的方式输出一维时序电信号。监视器或电视接收机的显像管几乎都是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。8.2.2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。正在应用中的电视制式一般有三种：1、NTSC彩色电视制式该电视制式确定的场频为50Hz，隔行扫描每帧扫描行数为625行，伴音、图像载频带宽为4.5MHz。2、PAL彩色电视制式该电视制式确定的场频为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。3、SECAM彩色电视制式该电视制式确定的场频为50Hz，隔行扫描每帧扫描行数为625行.•1.PAL彩色电视制式（1）电视图像的宽高比若用W和H分别代表电视屏幕上显示图像的宽度和高度，二者之比称为图像的宽高比，用α表示（2)帧频与场频每秒中电视屏幕变化的数目称为帧频。我国电网频率为50Hz，因此，采用了50Hz场频和25Hz帧频的隔行扫描的PAL电视制式。HW（3）扫描行数与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。•2.扫描方式（1）逐行扫描从屏幕左上角的第一行开始逐行进行，整个图像扫描一次完成。因此图像显示画面闪烁小，显示效果好。目前先进的显示器大都采用逐行扫描方式。把每一帧图像通过两场扫描完成则是隔行扫描，两场扫描中，第一场(奇数场)只扫描奇数行，依次扫描1、3、5…行，而第二场(偶数场)只扫描偶数行，依次扫描2、4、6…行。隔行扫描的行间闪烁比较明显（2）隔行扫描8.3真空摄像管(一)像管的结构及工作原理像管主要由三部分组成：光电阴极：实现光电转换电子透镜：对光电子图像聚焦成像荧光屏：将电子图像转变成可见的光学图像1、像管的工作原理光电阴极向真空中发射光电子，把入射辐射分布图像转换成电流分布图像电子图像在静电场或者电磁辐射场得作用下得到加速并聚焦到荧光屏上，电子图像的能量得到了增强。高速电子流轰击荧光屏，发光材料发射可见光，当象管中的电压一定时，光亮度正比于入射电流，电子图像被还原成光学图像。2、像管的分类一、按像管的工作方式分：变像管：工作于非可见光波段，把不可见的光图像转变为可见的光图像像增强器：工作于微弱可见光波段，把亮度很低的光学图像变为有足够亮度的的图像摄像管：能够输出视频信号的的真空光电管，称为真空摄像管二、摄像管（一）摄像管的基本组成及基本原理１.光电变换与电荷积累部分光电发射体:光电阴极：对入射图像进行光电转换，基于光电发射效用工作。光电导体：光敏面对入射信号进行光电转化，基于光电导效应工作。靶面：电荷积累元件在一帧图像的周期内连续积累光敏面产生的电量，达到存储和积累电荷的作用。２.信号读取部分在一帧的周期内完成全靶面的扫描，逐点扫描的电子束将靶面存储的电荷与负载回路接通，在输出回路中得到视频信号，实现了图像的读取。氧化铅靶摄象管PbO靶摄象管的结构和工作过程都与硅靶管类似，所不同的是，它的靶是由PbO材料制成的。PbO靶结构及能带图工作时，信号板通过负载和靶电源的正极相接，电子枪的热阴极接地，当扫描电子束扫描靶面时，相当于对PIN进行反偏置。窗口玻璃内壁是一层金属膜作为信号板，接着就是PbO靶靶的成象面一边为N-PbO，扫描面一边为P-PbO，两者之间夹着一层(相对)很厚的本征氧化铅I-PbO，因而具有PIN结构。硅靶结构图与硅靶摄象管简图每个P型岛与N型衬底之间即形成一个PN结(光电二极管)。最后再在SiO2和P型岛表面上蒸涂上一层电阻率适当的材料，即成为硅靶。信号板:硅靶摄象管窗口玻璃内表面涂有一层很薄的既可透光也可导电的金属膜，在它上面接有引线可同负载相连。N型硅片朝着电子枪一边的表面，先生成一层氧化层(SiO2)，接着利用光刻技术在SiO2上光刻成几十万个小孔，再通过掺杂使每个小孔都变成P-Si。许多个小的P-Si被SiO2隔离，称为P型岛CCD全称电荷耦合器件，它具备光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。8.4电荷耦合器件8.4.1线阵CCD图像传感器CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）结构。所谓MOS结构一般都以硅作为半导体衬底，在其上热生长一层二氧化硅(SiO2)，并在二氧化硅上面淀积具有一定形状的金属层。1.CCD的单元结构CCD（ChargeCoupledDevices，电荷耦合器件的类型：●一种为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，称为表面沟道CCD（简称为SCCD）器件；●另一种为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，称为体沟道或埋沟道器件（简称为BCCD）。下面以SCCD为例讨论CCD的基本工作原理。2.电荷存储在栅极G施加电压UG之前p型半导体中空穴（多数载流子）的分布是均匀的。当栅极施加正电压UG时将在半导体中产生如图所示耗尽区。电压继续增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸，所示。UG大于Uth后，耗尽区的深度与UG成正比。将半导体表面相对于体内有一个电势差，记为表面势Φs，Φs将随栅极电压UG的增加而增加，表面势Φs表征了耗尽区的深度表面势Φs与栅极电压UG的有关，还与氧化层的厚度，杂质浓度有关；从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。VG＞Vth＞0的反型状态当正电压VG进一步增加，VG＞Vth＞0时，将使得表面处禁带中央能级Ei降到EFP以下，导带底E-离费米能级置EFP更近一些。这表明表面处电子浓度超过空穴浓度，已由P型变为N型。这种情况称之为“反型状态”。反型层到半导体内部之间还夹有一层耗尽层。表面势Φs随反型层电荷密度Qinv的增加而线性减小。★在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压UG的关系恰如Φs与UG的关系，如图8-18（a）空势阱的情况。耗尽层的形成很容易用半导体物理中的“势阱”概念来描述。oxGQCUMOS存储电荷的能力CCD器件是一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列—动态移位寄存器。CCD工作时，可以用光注入或者电注入的方法向势阱中注入信号电荷，以获得自由电子或者空穴，势阱所存储的电荷称为电荷包。2.电荷耦合CCD电极间间隙必须很小MOS电容器列阵上所加的电位脉冲必须严格满足相位时序要求，使得任何时刻势阱的变化总是朝着一个方向。在一块硅片上同时集成光敏二极管阵列和CCD移位寄存器两部分MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片三相CCD三相单层铝电极结构CCD衬底一般采用轻掺杂的硅，电阻率ρ为103Ω·cm左右，氧化层厚度通常为0.1μm左右。三相单层金属电极结构如上图所示。特点：是工艺简单且存储密度较高。缺点：即电极间隙处氧化物直接裸露在周围气氛中，使得下方表面势变得不稳定，影响转移效率。正由于这个缺点，这种结构很少在实用器件中采用。3.CCD的电极结构要在金属氧化层上刻出宽度仅为2-3μm、总长度以厘米计的间隙，在光刻工艺上有相当的难度。为了解决这个问题，可采用“阴影腐蚀技术”。2.三相电阻海结构光学系统为了避免上述结构成品率较低和电极间隙氧化物裸露的问题，并保持结构简单的特点，引进了一种简单的硅栅结构。在氧化层上淀积一层连续的高阻多晶硅，然后对电极区域进行选择掺杂，形成高阻与低阻相间的三相电极图案，引线和区焊点都在附加的一层铝上形成。特点：电极结构的成品率高，性能稳定，不易受环境因素影响。缺点:每个单元的尺寸较大。这是因为每个单元沿电荷转移沟道的长度包括三个电极和三个电极间隙，它们受光刻和多晶硅局部掺杂工艺的限制而无法做得很窄。由于这个原因，电阻海结构不适宜于用来制造大型器件。此外，还必须注意掌握掺杂多晶硅的电阻率。电阻率必须足够低，以便能够跟得上外时钟波形，但是也不能太低，以免功耗太大。3.三相交叠硅栅结构4.电荷的注入和检测（1）光注入Qin=ηqNeoAtc式中：η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率；A为光敏单元的受光面积；tc为光的注入时间。（2）电注入ID为源极，IG为栅极,而Ф2为漏极，当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为：22thIGINOXGsUUUCLWI经过Tc时间注入后，其信号电荷量为：cthIGINOXGsTUUUCLWQ22(1)电流注入法(2)电压注入法与电流注入法类似，但输入栅极IG加与Ф2同位相的选通脉冲，在选通脉冲作用下，电荷被注入到第一个转移栅极Ф2下的势阱里，直到阱的电位与N+区的电位相等时，注入电荷才停止。往下一级转移前，由于选通脉冲的终止，IG的势垒把Ф2＆N+的势阱分开。电荷注入量与时钟脉冲频率无关。IDIGФ2Ф1Ф3Ф2Ф3Ф1N+P-Si（3）电荷的检测(输出方式)输出电流Id与注入到二极管中的电荷量QS的关系Qs=Iddt(8-10)5.CCD的特性参数1、转移效率＆转移损失率转移效率：一次转移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比。01QtQ转移损失率：1ε(t)Q(0)/C影响电荷转移效率的主要因素为界面态对电荷的俘获。为此，常采用“胖零”工作模式，即让“零信号”也有一定的电荷。（2）驱动频率i31fg31f（1）下限：为避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须小于少数载流子的平均寿命，对于三相CCD,t为