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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2,*,2,1,第,8,章,图象信息的光电变换,主讲：扬州职业大学 电子工程系 贾湛,2012.2,贾湛制作,2,2,光信息,序列电脉冲,每个脉冲反映一个光敏元的受光情况,输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置,完成图像传感,每个脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱,CCD,Charge-coupled Device,即电荷耦合器件。,CCD,上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。工作原理大致为：,8.4,电荷耦合器件,CCD,2,3,CCD,是由规则排列的金属,氧化物,半导体（,Metal Oxide Semiconductor,MOS,）电容阵列组成。,2,4,CCD,的结构和工作原理示意图,2,5,CCD,线阵,CCD,面阵,CCD,按尺寸,按转移电极相数：,二相、三相、四相等,相数由,CCD,芯片内部结构决定。多数面阵,CCD,都是三相或四相驱动，多数线阵,CCD,都是二相驱动。四相,CCD,与三相、二相器件相比，能适应更高的时钟频率,.,按增强功能,CCD ICCD EMCCD,按信号传输功能,Linear,线性、,Interline,扫瞄、全景,Full-Frame,和,Frame-Transfer全传,按原理,SCCD,（,SCCD Surface Channel CCD,）表面沟道器件,BCCD,（,Bulk or Buried Channel CCD,）体沟道或埋沟道器件,CCD,分类,按光谱,可见光、红外、,X,光和紫外,可见光,CCD,又可分为黑白,CCD,、彩色,CCD,和微光,CCD,单沟道双沟道,帧、隔列、线转移,2,6,线阵,CCD,与面阵,CCD,的比较,1,）对于面阵,CCD,来说，应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。面阵,CCD,的优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少。,2,）线阵,CCD,结构简单，成本较低。可以同时储存一行电视信号,.,由于其单排感光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大，并且由于线阵,CCD,实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态测量，并能在低照度下工作，所以线阵,CCD,广泛地应用在产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测量、条形码等许多领域。,2,7,以,SCCD,为例讨论,CCD,的基本工作原理。,CCD,电荷存储,电荷转移,电荷注入,电荷输出,8.4.1,线阵,CCD,图像传感器,2,8,最简单的线阵,CCD,是由一个输入二极管,(ID),、一个输入栅,(IG),、一个输出栅,(OG),、一个输出二极管,(OD),和一列紧密排列的,MOS,电容器构成，如下图所示。,（,1,）,电极是金属，容易蔽光，即使是换成多晶硅，由于多层结构电极系统对入射光吸收、反射和干涉比较严重，因此光强损失大，量子效率低。,（,2,）电荷包转移期间，光积分在继续进行，使输出信号产生拖影。,2,9,1.,电荷存储,在栅极,G,施加电压,U,G,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,U,G,小于电压,U,th,，,p,型半导体中的空穴将开始被排斥，产生所示耗尽区。,U,G,大于,U,th,后，,吸引到表面的电子浓度迅速增大，在表面形成,一层极薄但电荷浓度很高的,电子导电层，因为其载流子和体内导电类型相反因而称为反型层。,耗尽区的深度与,U,G,成正比。,N,型,CCD,2,10,当足够多的热电子汇集到表面时，势阱被电子逐渐填满时，此时耗尽层深度基本上不再随着外加栅压的增加而增加，界面处电子浓度将等于衬底空穴浓度，称此时的饱和状态为,“,强反型,”,如果不是逐渐增加栅压，而是加阶梯电压,U,G,Uth,，则由于,U,G,足够大，此时，表面层虽是反型层，但电子尚未产生，实质是空的电子势阱，此时半导体处于,“,非平衡态,”,，耗尽层的深度将超过热平衡态时的深度，因此称为,“,深耗尽,”,。,饱和状态下不存在有用的势阱，,CCD,必须工作在非热平衡的瞬态条件下，或者说要求信息电荷的存储时间小于热弛豫时间。,2,11,s,随栅极电压,U,G,的增加而增加；,氧化层的厚度越薄曲线的直线性越好；,在同样的栅极电压,U,G,作用下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势。,表面势,s,表征了耗尽区的深度（势阱深度）,。,图为在掺杂为,1021 cm-3,，氧化层厚度分别为,0.1m,、,0.3m,、,0.4m,和,0.6m,情况下，不存在反型层电荷时，表面势,(,半导体与绝缘体界面上的电势,),s,与栅极电压,U,G,的关系曲线。,2,12,图为栅极电压,U,G,不变的情况下，表面势,s,与反型层电荷密度,Q,inv,之间的关系。,由图可以看出，,表面势,s,随反型层电荷密度,Q,inv,的增加而线性减小,。,MOS,电容存储信号电荷的容量为,Q=C,OX,U,G,同样的表面势氧化层厚度越薄电荷密度越大,2,13,CCD,器件每一单元（每一像素）称为一位。,CCD,一位中含的,MOS,电容个数即为,CCD,的相数，通常有二相、三相、四相等几种结构。二相脉冲的两路脉冲相位相差,180,0,；三相及四相脉冲的相位差分别为,120,0,、,90,0,。当这种时序脉冲加到,CCD,驱动电路上循环时，将实现信号电荷的定向转移及耦合。,2.,电荷耦合,传输或转移,2,14,三相表面沟道,CCD,a,b,c,d,e,a,b,c,d,e,电极间隙不能大,(3m),否则电子被势垒隔开不能转移,N,型,CCD,比,P,型,CCD,工作频率高,2,15,t,t,t,1,2,3,2/3,4/3,2,三相,CCD,驱动脉冲波形图,1,2,3,2,16,对于单层金属化电极结构，为了保证电荷定向转移，驱动脉冲至少需要三相：当信号电荷自,2,电极向,3,电极转移时，在,1,电极下面形成势垒，以阻止电荷倒流。,如果想用二相脉冲驱动，就必须在电极结构中设计并制造出某种不对称性，即由电板结构本身保证电荷转移的定向性。产生这种不对称性最常用的方法，是利用绝缘层厚度不同的台阶以及离子注入产生的势垒。,电荷转移出感光区域的时间，需要抑制新的电荷注入到芯片。在此加入快门。机械快门（需要相机的曝光信号，速度慢）,。,电子快门（CCD芯片不通电即不工作）,有：,滚动电子快门,和,整帧电子快门,t1,t2,t3,t4,t5,t6,2,17,图所示,TCD1206,的相邻两像元，每一位含,MOS,电容,2,个,不对称势阱,1,2,t=t,1,时,t=t,2,时,t=t,3,时,t=t,4,时,1,2,t,1,t,2,t,3,TCD1206,二相驱动波形（,1,、,2,相位差,180,0,）,t,4,二相驱动波形,2,18,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,。,（,1,）光注入,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。这样可以建立正比于光强的存储电荷。,3.,电荷的注入,正面照射效率,40,背面照射效率,80,注入的电荷数,Q,in,=,qN,eo,At,c,q,N,eo,为入射光的光子流速；,为材料的量子效率；,A,为照射面积,2,19,（,2,）电注入,漏极,栅极,源极,电注入,CCD,通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将它们转换为信号电荷注入到相应的势垒中,下图为电压注入和电流注入两种方式图,.,电流注入有：,信号电荷与输入信号,U,in,电压不是线性关系,2,20,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。,浮置栅输出,结构应用最广。,4.,电荷检测（输出）,2,21,输出栅极,输出二极管反向偏置电路,复位场效应管,2,22,5.CCD,的特性参数,电荷转移效率,和电荷转移损失率,电荷转移损失率为,:,电荷转移效率与损失率的关系为,:,N,个电极转移后所剩余的电量为,:,留下来的电荷,原电荷,电荷转移效率为,:,选择大（胖零电荷）减小,注：如果,0.99,，经,24,次转移后为,22,，而经过,192,次转移后为,85,；,如果,0.9999,，经,24,次转移后为,0.2,，而经过,192,次转移后为,2,。,所以要提高转移效率。,2,23,表面态效应：,在半导体的表面，由于存在自身缺陷、吸附物质、氧化物或与电解液中的物质发生作用等原因，表面电子之量子状态会形成分立的能级或很窄的能带，称为,表面态,。它可以,俘获或释放载流子,，或形成复合中心，使半导体带有表面电荷，影响其电性能。当电荷包转移时，空的表面态从沟道中获得电子，如它能很快的将电子发射出来，跟随原电荷包转移，就不会影响转移效率；如发射较慢，电子进入后续的电荷包，造成信息损失。,减少表面态效应的主要措施：,（,1,）半导体器件制作时需要,超净处理,。,（,2,）,利用,“,胖零,”,（,fat zero,）,工作模式，即不管有没有信息电荷，都让半导体表面存在一定背景电荷，使表面态基本被填满。,（,3,）埋沟道,CCD,可避免表面态的影响。,初始电荷,Q,（,0,）取大值称“胖零电荷”，显然“胖零”（,fat zero,）工作模式下，,电荷转移效率高。,胖零电荷属于暗电流，且不能通过降低器件的温度来减小的。,2,24,驱动频率,驱动频率的下限,在信号电荷的转移过程中，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用时间须小于光生载流子的平均寿命,i,，对于三相来讲，周期为,T,载流子的平均寿命,i,与器件的工作温度有关，工作温度越高，平均寿命越短，驱动频率的下限越高。,驱动频率的上限,驱动频率升高时，信号电荷转移跟不上驱动脉冲的变化，将会使,转移效率,大大下降。,电荷转移时间,g,与载流子的迁移率、电极长度、衬底杂质的浓度和温度等因素有关。,N,型,CCD,比,P,型,CCD,快,2,25,填充因子是,光敏面积对全部像敏面积之比,，它对器件的灵敏度、噪声、时间响应、模传递函数,MTF,等的影响很大。影响图像质量和信噪比。,提高光学填充因子的方法：采用微透镜技术。,例如：,全帧转移,CCD,：填充因子,100%,行间转移,CCD:,填充因子,20,填充因子,(Fill Factor),2,26,6.,线阵,CCD,摄像器件的两种基本形式,单沟道线,阵,CCD,双沟道线阵,CCD,转移次数多、效率低、调制只适用于像素单元较少的成像器件。,转移次数少一半，它的总转移效率大大提高。,2,27,线型,CCD,工作过程,1,）取样,在设定的积分时间内，,光栅,P,处于高电平，每个光敏元下形成势阱，光生电子被积累到势阱中，,将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。,形成一个电信号,“,图象,”,2,）,转移,就是将,N,个光信号电荷包,在转移栅信号驱动下,并行转移到所对应的各位,移位寄存器相应单元中,，此时,sh,处于高电平,。,3,）传输,移位寄存器在,二相脉冲,1,、,2,驱动下,，将信号电荷顺次转移到输出端。,输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，对信号再现或进行存储处理。,2,28,单沟道线,阵,CCD,原理,光栅,2,29,2,30,2,31,双沟道线阵,CCD,原理,双沟道比单沟道转移次数少一半，所以转移效率提高，但奇偶输出不均匀。,输入二极管,输入栅,输出二极管,输出栅,2,32,2,33,1,由成像区,(,像敏区,),、暂存区和水平读出寄存器等三部分构成。,1.,帧转移（,Frame-Transfer,）,面阵,CCD,8.4.2,面阵,CCD,图象传感器,2,34,成像区,暂存区,场正程期间：,场逆程期间：,光学图像,电荷包图像,电荷包图像,场正程期间，成像区收集电荷，当光积分时间到后，进入场逆程，信号转到暂存区。暂存区与水平区按行周期工作，一行一行的向下平移，直至输出整场图像信号。,2,35,暂存区,场正程期间：,水平读出,寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,2,36,暂存区,场正程期间：,水平读出,寄存器,行逆程期间,暂存区的信号电荷产生一行平移,行正程期间,电荷包图像,2,37,暂存区,场正程期间：,水平读出,寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,水平读出寄存器输出一行视频信号,2,38,暂存区,场正程期间：,水平读出,寄存器,行逆程期间,暂存区的信号电荷产生一行平移,行正程期间,电荷包图像,2,39,暂存区,场正程期间：,水平读出,寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,水平读出寄存器输出一行视频信号,2,40,暂存区,场正程期间：,水平读出,寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,暂存区的信号电荷产生一行平移,2,41,暂存区,场正程结束时,水平读出,寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,水平读出寄存器输出一行视频信号,2,42,2.,隔列转移型面阵,CCD,行消隐期间：垂直,CCD,向水平,CCD,转移一行信号电荷；,行正程期间：水平,CCD,读出一行信号。,以此循环直至将整个一场信号读完，进入场消隐。在场消隐期间，又将新的一场光信号电荷转移来。又开始新一场信号的逐行读出。是用得最多的一种结构形式。,特点：,（,1,）光敏区与转移区垂直相间排列。,FF,低。,（,2,）水平,CCD,每一位与垂直列,CCD,一一对应、相互衔接。,（,3,）速度快，电荷转移期间可同时拍照。,15,张,/s,。,（,4,）成本低。占据,86,以上市场。,2,43,线,转移面阵,CCD,直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信号，获得一维图像信号。,线转移面阵,CCD,取消了存储区，多了一个线寻址电路。它的每一行都有确定的地址，没有水平读出寄存器。根据不同的使用要求，线寻址电路发出不同的数码，就可以方便地选择扫描方式，实现逐行扫描或隔行扫描。也可以只选择其中的一行输出。它具有效光敏面积大，转移速度快转移效率高的优点。但电路复杂。,3.,线,转移面阵,CCD,2,44,彩色,CCD,的原色原理,目前,CCD,有两种分色方式：一是,RGB,原色分色法，另一个则是,CMYG,补色分色法，这两种方法各有利弊，过去原色和补色,CCD,的产量比例约在,2,：,1,左右，,2003,年后由于影像处理引擎的技术和效率进步，目前超过,80,都是原色,CCD,的天下。,2,45,彩色,CCD,的补色原理,补色,CCD,由多了一个,Y,黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像分辨率，而在,ISO,值上，补色,CCD,可以容忍较高的感度，一般都可设定在,800,以上。,2,46,彩色,CCD,的分色图,2,47,CCD,工作方式,阶段一，,CCD,接受光线的照射产生电荷,阶段二，外加电压将,CCD,所,产生,的电荷移往缓冲区,阶段三，电荷转换成电压，电压经,ADC,判读数字讯号,阶段四，依顺序将讯号移往缓冲区组合,2,48,彩色,CCD,的分色原理,以,GRGB,原色色彩数组来说，,R,色滤光片其实内部包含了,洋红,与,黄,两种色调的滤片，透过补色机制（见下图），使其底部的感光区可以感受到,红,色的光线（上图左）；相对地，补色,CCD,（上图右），同学们可以发现，其中只有一层染料色片，例如：,Y,黄色，就阻挡了蓝光的进入，由红绿两光形成红色色块，也因此补色,CCD,可以吸收更多的光线，其感光能力也比原色,CCD,强得多，但处理起来因为还是要还原成,RGB,系，对于影像处理引擎的负担较为沉重。,2,49,8.5 CMOS,图像传感器,（互补金属氧化物半导体,Complementary Metal Oxide Semiconductor,）,CMOS,图像传感器虽然比,CCD,出现还早一年，由于受当时工艺水平的限制没有得到重视和发展。,带红外,LED,照明的,CMOS,视频摄像头,CMOS,摄像头,2,50,目前，随着集成电路工艺水平的发展，,CMOS,图像传感器的各项指标也得到了很大的提高，,1989,年以后，出现了,“,主动像元,”,（有源）结构。它不仅有光敏元件和像元寻址开关，而且还有,信号放大和处理等电路,，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围，使它的一些性能参数与,CCD,图像传感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于,CCD,图像传感器，所以应用越来越广泛。,数码相机、摄像机、可拍照手机、可视门铃、,PC,机的微型摄像头、指纹鉴定等,医学诊断：药丸式摄像机（,camera-in-a-pill,）,2,51,2025/4/29 周二,51,CCD,与,CMOS,比较,分辨率,灵敏度,信噪比,集成度,功耗,成本,CCD,优,优,优,CMOS,优,优,优,信号处理系统,:,对摄像器件输出的图像信号进行预放大（一般放大到,0.7V,）后，对三基色图像信号进行各种校正、补偿处理。经过加工处理的红、绿、蓝三基色信号进入彩色编码处理，得出包含亮度信号和色度信号的彩色全电视信号，然后向外输出。,2,52,8.5.1 CMOS,成像器的结构原理,1.CMOS,成像器件的组成,它的主要,组成部分是,像敏单元阵列和,MOS,场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列由光电二极管阵列构成。,像敏单元（光电二极管）按,X,、,Y,方向排列成阵列，阵列中每一列像敏单元都有它在,X,、,Y,方向的地址，并分别由两个方向的地址译码器进行选择。输出信号送,A/D,转换器进行模数转换变成数字信号输出。,2,53,在,Y,方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关（图中标志的,S,i,j信号将通过行开关传送到列线上，再通过,X,方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制，输送到放大器。,由此，,可以实现逐行扫描或隔行扫描的输出方式。也可以只输出某一行或某一列或某些点的信号,。,图像信号的输出过程,2,54,2.CMOS,图像传感器的像敏单元结构,CMOS,像敏单元结构,图像信号的读出时序,两种类型：被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。,1.,被动式像敏单元结构,(PPS,Passive Pixel Sensor),只包含光电二极管和地址选通开关,缺点：,1.,固定图案噪声大，由各模拟开关压降有差异造成。,2.,图象信号的噪声大，由暗电流造成。,2,55,主动式像敏单元结构的基本电路,主动式像敏单元时序图,场效应管,V1,构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，,V1,导通，光电二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失后，,V1,截止，光电二极管开始积分光信号。,V,2为源极跟随器，它将光电二极管的高阻抗输出信号进行电流放大。,V3,用做选址模拟开关，当选通脉冲到来时，,T3,导通，使被放大的光电信号输送到列总线上。,优点：每个像敏单元经放大后输出，提高信噪比。,2.,主动式像敏单元结构,APS,(APS,Active Pixel Sensor),源极跟随器电流放大,选址模拟开关,缺点：,填充因子小,2,56,填充因子,填充因子是,光敏面积对全部像敏面积之比,，它对器件的灵敏度、噪声、时间响应、模传递函数,MTF,等的影响很大。,因为,CMOS,图像传感器包含有驱动、放大和处理电路，它将占据一定的表面面积，因而降低了器件的填充因子。被动像元结构的器件具有的附加电路少，填充因子会大些。,提高填充因子的方法有微透镜法和特殊象元结构法。,2,57,像素面积更大则通常意味着更好的像素质量,CMOS,与,CCD,图像传感器性能比较,2,58,隔行传输式,CCD,（,interline transfer CCD,）,（,1,）感光二极管曝光产生电子,（,3,）再逐次逐行的读出,（,2,）将电子转移到移位寄存器,（,4,）电荷转成电压经放大转成数字信息,2,59,典型的,CMOS,工作过程,（,1,）曝光产生电子,（,2,）电子转换成电压并被放大,（,3,）信号逐行读出并转为数字信号,（,4,）最终得到全部图像信息,2,60,CCD,和,CMOS,图像传感器比较,原理差异,:,CMOS,的信号是以点为单位的电荷信号，而,CCD,是以行为单位的电荷信号，前者更为敏感，速度也更快，更为省电。,灵敏度差异：,由于,CMOS,传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成,(,含放大器与,A/D,转换电路,),，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，,CMOS,传感器的灵敏度要低于,CCD,传感器。,成本差异：,CMOS,传感器采用一般半导体电路最常用的,CMOS,工艺，可以轻易地将周边电路,(,如,AGC,、,CDS,、,Timing generator,、或,DSP,等,),集成到传感器芯片中；除此之外，由于,CCD,采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制,CCD,传感器的成品率比,CMOS,传感器困难许多。,分辨率差异：,CMOS,传感器的每个象素都比,CCD,传感器复杂，其象素尺寸很难达到,CCD,传感器的水平，,CCD,传感器的分辨率通常会优于,CMOS,传感器的水平。但,Sony,在,2002,年,12,月推出的,ICX452,，其尺寸与,OV2610,相差不多,(1/1.8,英寸,),，但分辨率却能高达,513,万象素，象素尺寸也只有,2.78mm,的水平。,2,61,噪声差异：,由于,CMOS,传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的,CCD,传感器相比，,CMOS,传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。,功耗差异：,CMOS,传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但,CCD,传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到,1218V,；因此CCD,传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外,(,需外加,power IC),，高驱动电压更使其功耗远高于,CMOS,传感器的水平。,成像方面：,由于自身物理特性的原因，,CMOS,的成像质量和,CCD,还是有一定距离的。在相同像素下,CCD,的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而,CMOS,的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，但由于低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。,2,62,CMOS,与,CCD,图像传感器性能比较,性能指标,CMOS,图像传感器,CCD,图像传感器,暗电流（,PA/M,2,）,电子,-,电压转换率,动态范围,响应均匀性,读出速度,(,Mpixels/s,),偏置、功耗,工艺难度,信号输出方式,集成度,应用范围,性价比,成像质量,10,100,大,略小,较差,1000,小,小,x,y,寻址，可随机采样,高,低端、民用,高,一般,10,略小,大,好,70,大,大,顺序逐个像元输出,低,高端、军用、科学研究,略低,好,2,63,8.6,热成像器件,热像仪的机芯,（,热释电探测器,）,热成像技术,利用物体红外热辐射形成的可见图像的方法,红外像机,2,64,1.,点扫描式热释电热像仪,点扫描式热释电热像仪的扫描方式常采用震镜对被测景物进行扫描的方式。,为了提高探测灵敏度，可对接收器件进行制冷，使探测器工作在很低的温度下，这时对温度的响应就非常灵敏，可检测中,0.08,。,这种监视器不能直接用于观测，只能将其采集到计算机中，用显示器观测。热像仪的探测距离为,0.3,至无限远，常被用于医疗教育及科研等领域。,2,65,2.,热释电摄像管的基本结构,斩光器为微型电机带动的调制盘，把入射光调制成交变的辐射图象调制频率必须控制到有电子扫描频率同步,2,66,8.7,图像的增强和变像,像增强器：,把,微弱（,环境照度低于视觉阈值,10,-1,lx,）,的辐射图像,增强,到可使人眼直接观察的真空光电成像器件，也称为微光管（微光像增强器）图像增强。,变像管,：把各种,不可见光,（红外、紫外和,X,射线）辐射图像转化成,可见光,图像的真空光电成像器件（光谱变换）。,像增强器,和,变像管,皆为非扫描型直视型,像管,。,2,67,光电变换部分,电子光学部分,电光变换部分,8.7.1,工作原理及结构,辐射图像变为电子图像,电子图像变为光图像,阴极面上所涂材料：,像增强器对可见微光敏感,变象器对非可见光敏感,电子透镜有电聚焦和磁聚焦两种，可使光电子在保持分布不变下加速,2,68,常用的单级静电聚焦倒像式像管的结构,在通常采用的双球面电极系统中，阳极头部曲面和光阴极球面以及荧光屏都是近似同心球面。由此构成近似的球形对称静电场，使轴外各点的电子主轨迹都是近似对称轴，从而使轴外象差如场曲、像散、畸变等都比双圆筒系统小。,2,69,3.,亮度转换增益：,8.7.2,性能参数,1.,光电阴极灵敏度,由阴极材料量子效率决定,2.,放大率,荧光屏上的象点到光轴的距离与阴极面上的对应点到光轴的距离之比。,畸变,D,由阴极面上各环带的放大率,不等造成的图象变形量度，设轴上的放大率为,0,，则：,定义,D0,，桶形,阴极光辐照度,荧光屏上光出射度,在阳极电场,U,A,作用下,阳极灵敏度,阴极面积,屏面积,约,3090,倍,2,70,8.7.2,性能参数,4.,分辨率（鉴别率）,当标准测试板通过像管后，在荧光屏的每毫米长度上用目测法能分辨得开的黑白相间等宽距条纹的对数单位是每毫米线对数。常大于,50,线对,/mm,现在常用光学传递函数（,OTF,）或模调制传递函数（,MTF,）来讨论,5.,暗背景亮度,在无光照下，光阴极产生的暗电流在阳极电场的作用下轰击荧光屏使之发光，这时荧光屏的亮度称之为暗背景亮度。,6.,观察灵敏阈,在极限观察情况下，光电阴极面下的极限照度,E,。,2,71,8.7.3,像增强器的级联,将几个分立的单级图像增强管组合起来，构成级联式图像增强管。如图：,每个单级管的输入窗和输出窗都是由光纤面板制成，它的亮度增益可达,10,5,。,1.,串联方式,第一代像增强器,缺点：体积大、重量重、防强光能力差。,2,72,微通道板（,MCP,）像增强器,第二代像增强器,优点：设有电子光学系统，很短体积很小。,缺点：散焦，微管直径只有十几微米,2.,微通道方式,2,73,它的工作原理是将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像，电子透镜将电子像聚焦并加速投射到荧光屏上产生增强的像，然后用照相方法记录下来。,主要用作夜视仪，目前已发展到第四代,3.,负电子亲和势光电阴极,MCP,防止离子反馈损坏精致的光电阴极而镀的一层离子障膜,2,74,变像管和像增强器应用,1.,主动红外夜视仪,在军事上的应用,2,75,2.,微光夜视仪,局限,受强光照射时，屏幕图像出现面积较大的晕斑。,有效作用距离较短（,300,米）。,观测效果依赖夜天微光,“,照明,”,，光夜视仪不能在,“,全黑,”,环境清晰成像。,（,10,5lx,）,2,76,微光夜视仪,目标,光电阴极,微光像增强管,荧光屏,2,77,美军微光夜视器材,微光夜瞄镜,手持式观察镜,微光夜视眼镜,2,78,我军微光夜视器材,装有微光瞄准镜的新,5.8,毫米班用机枪,我军微光夜视技术达到国际“二代半”水平,2,79,微光夜视仪的观察效果,可见的目标图像,不易见的目标图像,2,80,黑夜中专业警用海上巡逻緝私、搜捕犯人、軍事战争、渔船走私夜间工地装备。,黑暗中想看什么都清楚可見。,完全黑暗伸手不見五指中使用比肉眼还清晰。,2,81,8.2,为什么说,N,渠道,CCD,的工作速度要高于,P,型沟道,CCD,的工作速度，而埋沟,CCD,的工作速度要高于表面沟道,CCD,的工作速度？,答,:,N,渠道,CCD,工作时是电子迁移，,P,型沟道,CCD,工作是空穴迁移，电子迁移速度要高空穴迁移速度，所以,N,型沟道,CCD,工作速度高。,在半导体的表面，由于存在自身缺陷、吸附物质、氧化物或与电解液中的物质发生作用等原因，可以,俘获或释放载流子，产生表面态效应，,影响其电性能。埋沟道,CCD,可避免表面态的影响。,所以它的工作速度要高于表面沟道,CCD,。,习题,2,82,8.6,为什么要引入胖零电荷？胖零电荷属于暗电流吗？能通过对,CCD,器件制冷消除胖零电荷吗？,答,:,CCD,工作原理是，光线的照射,CCD,产生电荷，外加转移电压将,CCD,所的电荷移往缓冲区，电荷按顺序转换成电压经,ADC,判读数字讯号。其中电荷转移效率是一个重要指标。由,初始电荷,Q,（,0,）取大值称“胖零电荷”,，显然,“胖零”（,fat zero,）,工作模式下，,电荷转移效率高。,胖零电荷属于暗电流，且不能通过降低器件的温度来减小的。,2,83,8.7,试说明线阵,CCD,的驱动频率上限和下限的限制因素。对线阵,CCD,器件进行制冷为什么能够降低线阵,CCD,的下限驱动频率？,答,:,在信号电荷的转移过程中，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用时间须小于光生载流子的平均寿命,i,，所以驱动频率下限,驱动频率升高时，信号电荷转移跟不上驱动脉冲的变化，将会使,转移效率,大大下降。所以驱动频率上限,载流子的平均寿命,i,与器件的工作温度有关，工作温度越高，平均寿命越短，驱动频率的下限越高。进行制冷则能够降低线阵,CCD,的下限驱动频率。,2,84,8.11,在,CMOS,图像传感器中的像元信号是通过什么方式传输出去的？,CMOS,图象传感器的地址译码器的作用是什么？,答,:,CMOS,是通过有序接通模拟开关的方式把像元信号传输出去的。具体的说在,Y,方向地址译码器的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关，信号将通过行开关传送到列线上，再通过,X,方向地址译码器的控制，输送到放大器。,CMOS,图象传感器的地址译码器的作用是控制模拟开关以实现逐行扫描或隔行扫描的输出方式。也可以只输出某一行或某一列或某些点的信号。,2,85,8.15,何谓填充因子？提高填充因子的方法有几种？,答,:,填充因子是光敏面积对全部像敏面积之比。,因为,CMOS,图像传感器包含有驱动、放大和处理电路，它将占据一定的表面面积，因而降低了器件的填充因子。,被动像元结构比主动像元结构具有的附加电路少，填充因子会大些，但信噪比小。所以提高填充因子要用其它方法如微透镜法和特殊象元结构法。,