6-1光电图像信号处理

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。
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：
分辨率CCD的像元数量有关，像元数越多， 分辨率越高。
现在面阵CCD的像元数有：
640 ×480 30万像数 1024×768 80万像数 l024×1024，100万像数 1280×1024， 130万像数 1600×1200，200万像数
16384×12288
CCD靶面大小
目前采用的芯片大多数为1/3英寸和1/4英寸。 CCD靶面的大小，CCD与镜头的配合情况将直接影响 视场角的大小和图像的清晰度。 一般来说，相同分辨率的CCD，靶面越大，灵敏度越 高，成像也就越清晰。 1英寸： 12.7mm（宽）×9.6mm（高），对角线16mm 2/3英寸：8.8mm（宽）×6.6mm（高），对角线11mm 1/2英寸：6.4mm（宽）×4.8mm（高），对角线 8mm 1/3英寸：4.8mm（宽）×3.6mm（高），对角线 6mm 1/4英寸：3.2mm（宽）×2.4mm（高），对角线 4mm
像的大小与理想像高不等，小于理想像高－桶形畸变， 反之－枕形畸变，摄像物镜总畸变应小于5％。 杂散光：
透镜间相互杂乱反射的光投射到成像面上，降低图像 对比度，应尽量小。
景深：不同距离上的物点，在 成像面上形成不同大小的弥 散圆斑，当弥散圆直径足够 小时，弥散圆仍可视为一个 点像，其直径的允许值取决 于摄像器件的分辨力。由弥 散圆直径允许值所决定的物 空间深度范围成为景深。
后截距S：
摄像物镜
摄像机
D
CCD
镜头
接口类型
C CS
d
安装面至焦平面距离d
英寸
mm
0.69 0.492
17.526 12.5
直径D及螺纹
D=1英寸，32TPI D=1英寸，32TPI
CCD摄像镜头C和CS的接口及其参数
透射比τ： 透过光学系统的光通量T与入射到光学系统的光通量 Φ之比。一般定焦镜头 为0.9，变焦为0.8。透射比是 波长λ的函数。 分辨力及MTF： 分辨力N通常用单位长度内看清对比度为1的黑白条纹 的对数(lp/mm)表示。 几何畸变：
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。
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
6.2.2 电荷耦合摄像器件
摄像器件的基本功能：光电转换、光积分、扫描
电荷耦合摄像器件：用于摄像的CCD，又简称为ICCD,线阵和面阵 把二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量的视频出信号。 线阵CCD器件:直接将接收到的一维光信息转换成时序的电信 号，获得一维的图像信号。 如何用线阵CCD获得二维图像信号？
面阵CCD器件是二维的图像传感器， 直接将二维图像转变为视频信号输出。
1、线型CCD摄像器件的两种基本形式
(1) 单沟道线阵CCD
光敏元与转移区分开 ，光积分期间收集电子，结束后 由转移栅将电荷转移至移位寄存器，开始下一任积分 周期，同时在转移时钟的作用下输出电荷包。 转移效率问题。
(2) 双沟道线阵CCD
宽高比α=4/3；场频fv=50 Hz；行频fl=15 625 Hz；
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。
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。
焦深：同理，当物距固定时， 在焦平面前后能得到清晰图 像的范围称为焦深。
调焦：调节像面位置，使得不同距离得景物在成像面保持清 晰图像得过程为调焦。
变焦物镜：焦距连续可变。
– 焦距变化时，成像面固定不变 – 各焦距对应的像质和照度分布应符合要求。
6.2.4 典型线阵CCD器件
目前最具有典型性的双沟道器件为TCD1206SUP， 广泛应用于物体外形尺寸的非接触自动测量领域， 是一种较为理想的一维光电探测器件。
2、噪声
（1）光子噪声 （2）电流噪声 （3）胖零噪声 （4）浮获噪声 （5）输出噪声
（6） 暗电流
1、耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁
Ii q
ni
i
d
2、少数载流子在中性体内的扩散
1
Ii

qni 2
N A n
Ln

6.6 NA


n

2
(A/cm)
3、Si-SiO2界面引起的暗电流
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1021 cm-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Φ 与 s
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；
光敏单元的尺寸为：14µm×14µm， 中心距亦为14µm，光敏元数：2160 阵列总长为30.24mm。
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。
PAL彩色电视制式： 场频为50 Hz， 隔行扫描每帧扫描行数为625行， 伴音、图像载频带宽为6.5 MHz。
6.2 电荷耦合器件
6.2.1 电荷耦合器件的 基本原理
电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）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。
16，22，32
成像尺寸与视场角：
成像尺寸＝靶面（CCD）有效尺寸x×y，
2ω表征物镜视野，分为水平视场角
，垂直 x

arctg
x 2f
'
视场角 y

arctg
y 2f
'
焦距f’：长焦距镜头：f>x,y（看清景物细节）
短焦距镜头：f<x,y（环境照明差，场面大）
中焦距镜头：f与成像尺寸相当
变焦镜头： 焦距连续可调
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。
6.2.3 摄像物镜
系统对摄像物镜的基本要求： 成像清晰； T数（透过光学系统的光通量）高； 像面照度均匀；图像畸变小；光阑可以调整等。
摄像物镜的特性参数：
相对孔径：D/f’，表示物镜的聚光能力，靶面照度
与 相对孔径成正比，但相对孔径越大，像差校正就
越难。－F数（光圈数）：相对孔径的倒数，通常
物镜上实际刻度值为：1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，
In=10-3δsNss
（7） 分辨率
二维面阵CCD的输出信号一般遵守电视系统的 扫描制式。
它在水平方向和垂直方向上的分辨率是不同的， 水平分辨率的要求往往高于垂直分辨率。
在评价面阵CCD的分辨率时，只评价它的水平 分辨率，且利用电视系统的评价方法为电视线 数的评价方法。
电视线评价方法：在一幅图像的水平方向能够 分辨出黑白线的条数为其分辨率。