光电子技术-第4章-光电成像器件

第4章光电成像器件4.1摄像管4.2摄像器件的性能参数4.3电荷耦合器件CCD4.4CMOS图像传感器4.5图像增强器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CCD·CMOS图像传感器像管使光学图像增强或改变光谱·图像增强器·变像管4.1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）。4.2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kLIPγ＝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。⑵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。0minmaxminmaxAAAAAAMm%100ioMMMTF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)(lg20)(dBiSNSdm4.3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)一、CCD的结构与工作原理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CCD的突出特点是以电荷作为信号。接收图像、以光生电荷为信号的CCD称为CCD像感器。CCD像感器分为：•线阵CCD•面阵CCD工作原理基本相同光敏区: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｛双列两相线阵CCD驱动信号输出视频信号OS面阵CCD在驱动信号作用下，像敏区电荷转移到存储区，再逐行经水平移位寄存器输出。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')()1(nQnQ1)()1()(nQnQnQnQnQ)0()('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对于二相CCD,3.光谱特性CCD积分灵敏度S=Uo/H单位:Vcm2/μJ曝光量H=LτL:光照度τ:曝光时间(光积分TSH)H的单位:μJ/cm2;lxs02121tf通常：ZZMHfkH11004.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，6.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。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：TSH2236TRS,fRS=1MHz，fφ1、φ2=0.5MHzTCD1200D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。AT89C2051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。15Q25QRSQQQ234SH信号的产生3545QQQQQ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。SHQP4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。四、彩色面阵CCD在面阵CCD光敏面上加滤色器（ColorFilterArray，CFA），即构成CFA单芯片图像传感器。Bayer滤色器三色滤色器在CCD光敏面上加CFA，工艺简单，制造成本低。一些专业级相机中使用3CCD图像传感器，通过分光棱镜把入射彩色图像分解成红、绿、蓝三色图像，分别由三个CCD接收。输出的图像还原质量是最好的，但是用三个CCD价格比较昂贵。线阵CCD也可以用滤色器成为彩色线阵CCD。五、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、复印机、传真机中，多个线阵CCD拼接用于航天扫描成像；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：测量电路和观测点波形图4.4CMOS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CMOS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。一、CMOS图像传感器结构结构原理框图CMOS图像传感器由光敏二极管像元阵列、X-Y寻址逻辑、定时和控制电路、A/D及在片信号处理器(ASP)构成，采用单一的5V电源。CMOS图像传感器芯片上，还可以设置很多功能电路，形成具有多种功能的器件。CMOS图像传感器程控工作，有几种读出模式：•整个阵列逐行扫描读出•窗口读出模式•跳跃读出模式像元结构：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。｛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。三、彩色CMOS图像传感器CMOS芯片也可以在光敏面上加滤色器构成CFA单芯片图像传感器。更好的技术是FoveonX3：FoveonX3是根据硅对不同波长光线的吸收随深度不同的效应（波长较长的光波穿越深度较大）来达到一个像素感应全部色彩信息的目的。采用三层感光元件，每层只记录一个颜色，每个像素提供完整的三基色信息。FoveonX3是用单像素提供三基色的CMOS图像传感器技术，比同等像素的CFA单芯片CCD分辨率高两倍，提供更丰富、更逼真的色彩还原度，不需要CFA技术必须要的彩色插值软件处理。四、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；•公安监控: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；•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。M2A药丸摄像机尺寸为11mm×24mm，重量4克1：光窗，2：透镜支架，3：成像透镜，4：LED（相机闪光灯），5：CMOS摄像芯片，6：两节微型纽扣电池，7：发射器，8：天线。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!病人服下此‘药丸’，在体内约8-12小时，可拍摄约60000幅照片。通过‘药丸’的天线发射至外部接收装置记录。医生通过软件将照片制成视频，诊断是否有异常状况。4.5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。一.像管荧光屏光谱增益：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。如加10kv电压，增益105～106。增益数千倍增益万倍以上第三代图像增强器NEA光电阴极＋MCP三、图像增强器与摄像器件的耦合—微光摄像机四、医用X光透视成像系统X光透视是医学上应用最广泛的诊断方法之一，传统的X光透视必须在暗室中进行。新一代的X光透视机配上了X光摄像系统，暗室透视变为明室透视，是医学上有重大意义的进步。X光摄像系统主要由X射线像增强器、高分辨率CCD摄像机、显示器及计算机组成。弱X射线穿过人体，X光图像投射到X射线像增强器的光电阴极上，转换成电子图像；电子图像经过加速、聚焦，以很高的速度轰击荧光屏，在荧光屏上得到增强百倍以上的可见光图像；可见光图像被高灵敏度、高分辨率的CCD摄像机获取，在显示器上显示和送入计算机处理、存储。显示器和计算机设在透视室外，医生可以免受伤害，还可多人同时在显示器上观察透视图像。用了X射线像增强器，X光剂量大大降低，利于透视人员，且在明室中检查，方便自如。