第6章 光电成像系统..
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光电成像的系统和方法
光电成像的系统和方法我折腾了好久光电成像的系统和方法，总算找到点门道。
我一开始接触这个的时候，那真是瞎摸索。
就像在黑暗里走路，根本不知道方向。
我先大量地查阅资料，那些书本和论文是最开始我觉得得依靠的东西。
但是资料上记载的东西太理论化了，真到实际操作的时候感觉不是那么回事。
我开始搞这光电成像系统的时候，连系统有哪些基本组成部分我都不是特清楚。
我就知道大体上肯定有个成像元件，就像相机里的感光芯片一样。
我最先尝试的是，按照我觉得合理的顺序把那些光学元件组装起来，比如透镜这类的东西。
我当时想，这还不简单，把镜片对准光源然后通过一些电路连接成像元件不就得了。
结果却是成像特别模糊，而且色彩还原度极差。
后来我发现原来光路的校准是特别重要的一个环节，就好比盖房子打地基，光路要是歪的，整个成像就毁了。
我开始借助一些工具去校准光路，这个过程特别繁琐，要很仔细地去调整各个元件之间的角度。
就像玩那种很精细的拼图，差一点就不行。
在调整光电成像方法方面，最开始我尝试用固定的参数设置。
但是不同的环境下，比如光线暗一点或者亮一点，成像效果差别特别大。
后来我才明白这得根据实际情况动态地调整参数。
就像我们穿衣服，冬天得多穿点，夏天就得少穿点，按照光线的强弱和物体的特征等去调整帧率、曝光时间之类的参数。
我试过很多种组合参数的方式，有时候是碰运气似的一个一个试，这种可快把我累垮了。
而且有一次还因为频繁地更改参数把成像元件给弄坏了，重新弄了个元件，浪费了不少钱。
再说到光电成像系统里的信号处理部分，这可以说是非常复杂的一个环节。
我一开始根本就搞不懂那些数据转换和编码是怎么回事。
但是当我把它想象成翻译的过程就觉得稍微好理解一点了。
就像不同国家的语言之间要互相转换，光电信号要转换成人眼能看懂或者电脑能处理的图像信号也要经过这样的转换过程。
我开始加强对相关软件算法的学习，尝试不同的算法应用在这信号处理上。
有一些已经成熟沿用很久的算法一开始我觉得肯定好使，可是用在我的系统里，不是出现图像丢失信息就是有噪点。
光电成像原理
大气是辐射传输媒介，大气传输特性影响光电成 像系统探测效果，辐射校正方法
光电成像原理
7
第五章 直视型真空成像器件物理及其成像系统
像管成像物理过程、器件性能参数，微光夜视光电 成像系统构成及特性分析
第六章 固体成像器件物理及其成像系统
CCD器件的物理基础与工作原理、结构特性与性 能参数，电视型光电成像系统特性分析
第七章 红外成像器件物理及其成像系统
红外探测器工作原理、工作条件与性能参数，典 型红外探测器，红外热成像系统构成与特性分析
光电成像原理
8
三、学习要求
参考书
① 白廷柱、金伟其，光电成像原理与技术 光电成像原理与技术， 光电成像原理与技术 北京理工大学出版社 ② 向世明、倪国强，光电子成像器件原理 光电子成像器件原理， 光电子成像器件原理 国防工业出版社 ③ 安毓英、曾小东，光电探测原理 光电探测原理， 光电探测原理 西安电子科技大学出版社 ④ 王庆有，光电技术 光电技术，电子工业出版社 光电技术 ⑤ 常本康、蔡毅，红外成像阵列与系统 红外成像阵列与系统， 红外成像阵列与系统 科学出版社
——对于变像管，输入物理量为红外、紫外、X射 对于变像管，输入物理量为红外、紫外、 射 对于变像管 线等非可见光辐射， 线等非可见光辐射，输出物理量为可见光辐射 数学表达式
荧光屏出射亮度
L G= E
光敏面入射照度
∞ ∂ L= Km M m ∫ K ( λ ) M ( λ ) d λ ∂ω 0 θ = 0
Ri = di dP
分类
或
Ru = du dP
根据输出信号形式：电压灵敏度、 根据输出信号形式：电压灵敏度、电流灵敏度 根据输入辐射：光谱灵敏度、 根据输入辐射：光谱灵敏度、积分灵敏度
光电成像原理
7
第五章 直视型真空成像器件物理及其成像系统
像管成像物理过程、器件性能参数，微光夜视光电 成像系统构成及特性分析
第六章 固体成像器件物理及其成像系统
CCD器件的物理基础与工作原理、结构特性与性 能参数，电视型光电成像系统特性分析
第七章 红外成像器件物理及其成像系统
红外探测器工作原理、工作条件与性能参数，典 型红外探测器，红外热成像系统构成与特性分析
光电成像原理
8
三、学习要求
参考书
① 白廷柱、金伟其，光电成像原理与技术 光电成像原理与技术， 光电成像原理与技术 北京理工大学出版社 ② 向世明、倪国强，光电子成像器件原理 光电子成像器件原理， 光电子成像器件原理 国防工业出版社 ③ 安毓英、曾小东，光电探测原理 光电探测原理， 光电探测原理 西安电子科技大学出版社 ④ 王庆有，光电技术 光电技术，电子工业出版社 光电技术 ⑤ 常本康、蔡毅，红外成像阵列与系统 红外成像阵列与系统， 红外成像阵列与系统 科学出版社
——对于变像管，输入物理量为红外、紫外、X射 对于变像管，输入物理量为红外、紫外、 射 对于变像管 线等非可见光辐射， 线等非可见光辐射，输出物理量为可见光辐射 数学表达式
荧光屏出射亮度
L G= E
光敏面入射照度
∞ ∂ L= Km M m ∫ K ( λ ) M ( λ ) d λ ∂ω 0 θ = 0
Ri = di dP
分类
或
Ru = du dP
根据输出信号形式：电压灵敏度、 根据输出信号形式：电压灵敏度、电流灵敏度 根据输入辐射：光谱灵敏度、 根据输入辐射：光谱灵敏度、积分灵敏度
光电成像系统课件
方面展现出巨大的潜力，为光电成像系统的发展提供了新的方向。
光电成像系统的小型化与集成化
总结词
光电成像系统的小型化与集成化是当前 的重要趋势，它们能够提高系统的便携 性和集成度，满足各种应用需求。
VS
详细描述
随着微电子技术和微纳加工工艺的不断发 展，光电成像系统的小型化与集成化已经 成为现实。通过将多个光电探测器、信号 处理电路和存储器等集成在一个芯片上， 可以实现小型化和集成化的光电成像系统 。这种系统具有更高的便携性和集成度， 可以广泛应用于医疗、安防、通信等领域 。
CHAPTER
05
光电成像系统的发展趋势与挑 战
新型光电材料与器件的研发
总结词
新型光电材料与器件的研发是光电成像系统发展的关键，它们能够提高系统的性能和效 率，为未来的光电成像系统提供更多可能性。
详细描述
随着科技的不断发展，新型光电材料与器件的研发已经成为光电成像系统的重要发展趋 势。这些新型材料和器件能够提高光电成像系统的响应速度、灵敏度和稳定性，从而提 升成像质量。例如，近年来发展迅速的钙钛矿材料和二维材料，在光电转换和光电器件
CHAPTER
06
光电成像系统的实际应用案例
医疗诊断中的光电成像系统
总结词
光电成像系统在医疗诊断中发挥着重要作 用，能够提供高分辨率、高对比度的图像
，帮助医生准确诊断病情。
内窥镜系统
通过将内窥镜与光电成像系统相结合，医 生可以在不开刀的情况下观察患者体内情
况，提高诊断的准确性和安全性。
光学显微镜
科研领域中的光电成像系统
总结词
光电成像系统在科研领域中 具有广泛的应用，能够提供 高精度、高灵敏度的图像， 促进科学研究的深入发展。
光电成像系统的小型化与集成化
总结词
光电成像系统的小型化与集成化是当前 的重要趋势，它们能够提高系统的便携 性和集成度，满足各种应用需求。
VS
详细描述
随着微电子技术和微纳加工工艺的不断发 展，光电成像系统的小型化与集成化已经 成为现实。通过将多个光电探测器、信号 处理电路和存储器等集成在一个芯片上， 可以实现小型化和集成化的光电成像系统 。这种系统具有更高的便携性和集成度， 可以广泛应用于医疗、安防、通信等领域 。
CHAPTER
05
光电成像系统的发展趋势与挑 战
新型光电材料与器件的研发
总结词
新型光电材料与器件的研发是光电成像系统发展的关键，它们能够提高系统的性能和效 率，为未来的光电成像系统提供更多可能性。
详细描述
随着科技的不断发展，新型光电材料与器件的研发已经成为光电成像系统的重要发展趋 势。这些新型材料和器件能够提高光电成像系统的响应速度、灵敏度和稳定性，从而提 升成像质量。例如，近年来发展迅速的钙钛矿材料和二维材料，在光电转换和光电器件
CHAPTER
06
光电成像系统的实际应用案例
医疗诊断中的光电成像系统
总结词
光电成像系统在医疗诊断中发挥着重要作 用，能够提供高分辨率、高对比度的图像
，帮助医生准确诊断病情。
内窥镜系统
通过将内窥镜与光电成像系统相结合，医 生可以在不开刀的情况下观察患者体内情
况，提高诊断的准确性和安全性。
光学显微镜
科研领域中的光电成像系统
总结词
光电成像系统在科研领域中 具有广泛的应用，能够提供 高精度、高灵敏度的图像， 促进科学研究的深入发展。
光电成像技术
由于排列方式不同，面阵CCD常有帧转移 方式、隔列转移方式、线转移方式和全转移方 式
二、光电成像系统的原理
转移型面阵CCD虽然有效光面积大， 转移速度快，转移效率高等特点，但电 路比较复杂，因此它的应用范围受到限 制。
二、光电成像系统的原理
面阵CMOS成像器，它可以做成彩色也可 以做成黑白，特点是：像素尺寸小，填充因子 大，光谱响应范围宽，量子效率高等等
总结
面阵CCD：有效光敏面积大，光度灵敏度高， 转移速度快，转移效率高等特点，但电路比较复杂
CMOS：与CCD相比在光度灵敏度上较差，但 在功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于CCD
面阵CCD、CMOS图像传感器：用光敏单元进描方式：基于电子束摄像管的电子束按从左到右、从上 到下的扫描方式进行扫描
行扫描
场 扫 描
二、光电成像系统的原理
显像部分的原理
扫描：将被分割后的电气图像转换成一维时序信号
不同的图像传感器有各自的扫描方式，例如： 真空摄像管：采用电子束扫描方式输出一维时序信号
二、光电成像系统的原理
然后光首过把电先光视成，电频像光成信系电像号统器部传分件分给为把处显两景理像个物后部部所，分分反成，，射为经光或视过电发频处成射信理像的号后部光输就分信出把和号景显收物像集图部，像分经再现
二、光电成像系统的原理
光学成像部分的原理
二、光电成像系统的原理
上面展示的图片都有一个共同点
像素阵列是整个输出放大电路的核心部分
二、光电成像系统的原理
X当、光Y信向号移到位达寄像存敏器方是阵存时储，方方阵阵中会的产每生一电个信像号敏，单这元个在电X、信Y号方经向过 上放各大自器的，地输址送值 到。调整电路
二、光电成像系统的原理
二、光电成像系统的原理
转移型面阵CCD虽然有效光面积大， 转移速度快，转移效率高等特点，但电 路比较复杂，因此它的应用范围受到限 制。
二、光电成像系统的原理
面阵CMOS成像器，它可以做成彩色也可 以做成黑白，特点是：像素尺寸小，填充因子 大，光谱响应范围宽，量子效率高等等
总结
面阵CCD：有效光敏面积大，光度灵敏度高， 转移速度快，转移效率高等特点，但电路比较复杂
CMOS：与CCD相比在光度灵敏度上较差，但 在功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于CCD
面阵CCD、CMOS图像传感器：用光敏单元进描方式：基于电子束摄像管的电子束按从左到右、从上 到下的扫描方式进行扫描
行扫描
场 扫 描
二、光电成像系统的原理
显像部分的原理
扫描：将被分割后的电气图像转换成一维时序信号
不同的图像传感器有各自的扫描方式，例如： 真空摄像管：采用电子束扫描方式输出一维时序信号
二、光电成像系统的原理
然后光首过把电先光视成，电频像光成信系电像号统器部传分件分给为把处显两景理像个物后部部所，分分反成，，射为经光或视过电发频处成射信理像的号后部光输就分信出把和号景显收物像集图部，像分经再现
二、光电成像系统的原理
光学成像部分的原理
二、光电成像系统的原理
上面展示的图片都有一个共同点
像素阵列是整个输出放大电路的核心部分
二、光电成像系统的原理
X当、光Y信向号移到位达寄像存敏器方是阵存时储，方方阵阵中会的产每生一电个信像号敏，单这元个在电X、信Y号方经向过 上放各大自器的，地输址送值 到。调整电路
二、光电成像系统的原理
光学测试技术-第6章-光学系统成像性能评测1
围绕新型光电一体化成像系统性能评测的一系列问题， 本章将首先介绍成像质量问题评测的基本理论，包括检测 与评价方法概述，其后将分别介绍基于空域的星点检测、 分辨率测试和畸变测量等，及基于频率域的光学传递函数。
武汉大学 电子信息学院
2
§6.1 成像性能评测的基本理论
一、像质评价研究方法
成像光学系统可以看作是一个信息传递或信息转换系统：
PSF(u, v) h(u, v) / h(u, v)dudv
其傅里叶变换即为光学系统的传递函数:
OTF(r,s) PSF(u, v)exp[i2 (ru sv)]dudv
武汉大学 电子信息学院
10
§6.1 成像性能评测的基本理论
定义了光学系统的传递函数后，可以把成像过程在频率域中表 达为：
把物方信息按一定的要求传递或转换至像方。在传递或转换过 程中，伴随着信息的变化及附加的背景或其它衍生信息，因此 输出像与输入物之间仅存在相似性，不存在完全的一致性。
输入物信息
光学成像系统
输出像信息
利用等效于电学与通信系统的方法，一个光学或光电系统 可以被描述成是一个时间/空间滤波器。对于静态的成像光学系 统，通常可以用一个等效的空间滤波器来描述。对于成像系统， 最关心的是其物与像的辐照度分布一致性，以及光度或辐射度 性能和色度性能等三个基本问题。
武汉大学 电子信息学院
11
§6.1 成像性能评测的基本理论
4、复合系统的成像关系
对于由光学系统和光电传感器共同构成的复杂光电成像系统， 可以把整个成像系统视为若干子系统，成像特性既要考虑初始目 标的形状、漫反射特征、景深及光谱成份，也要考虑传输特性、 成像特性、光电传感器的光谱响应特征、噪声、各单元器件的响 应一致性、动态范围等，对完全相干耦合成像，可按光线追击和 光波传播衍射理论，做瞳函数的振幅连乘和波差代数叠加：
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2
§6.1 成像性能评测的基本理论
一、像质评价研究方法
成像光学系统可以看作是一个信息传递或信息转换系统：
PSF(u, v) h(u, v) / h(u, v)dudv
其傅里叶变换即为光学系统的传递函数:
OTF(r,s) PSF(u, v)exp[i2 (ru sv)]dudv
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10
§6.1 成像性能评测的基本理论
定义了光学系统的传递函数后，可以把成像过程在频率域中表 达为：
把物方信息按一定的要求传递或转换至像方。在传递或转换过 程中，伴随着信息的变化及附加的背景或其它衍生信息，因此 输出像与输入物之间仅存在相似性，不存在完全的一致性。
输入物信息
光学成像系统
输出像信息
利用等效于电学与通信系统的方法，一个光学或光电系统 可以被描述成是一个时间/空间滤波器。对于静态的成像光学系 统，通常可以用一个等效的空间滤波器来描述。对于成像系统， 最关心的是其物与像的辐照度分布一致性，以及光度或辐射度 性能和色度性能等三个基本问题。
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11
§6.1 成像性能评测的基本理论
4、复合系统的成像关系
对于由光学系统和光电传感器共同构成的复杂光电成像系统， 可以把整个成像系统视为若干子系统，成像特性既要考虑初始目 标的形状、漫反射特征、景深及光谱成份，也要考虑传输特性、 成像特性、光电传感器的光谱响应特征、噪声、各单元器件的响 应一致性、动态范围等，对完全相干耦合成像，可按光线追击和 光波传播衍射理论，做瞳函数的振幅连乘和波差代数叠加：
光电成像技术第六章直视型光电成像系统与
曼金折反射镜。
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1 夜视成像物镜
包沃斯-卡塞格伦系统
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1 夜视成像物镜
·包沃斯-卡塞格伦系统：
由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜和校 正透镜中间，接收器造成中心挡光，为此 开展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正 透镜的中心局部镀上铝或银等反射层作次 镜用，将焦点引到主反射镜之外。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
2.
红外滤光片是一种光学滤波器，主要滤除光源 辐射中的可见光成分。对红外滤光片的根本要求 是： 在红外波段光能损失应尽可能地小，而对其 他波段的辐射应尽量全部吸收或反射；光谱透射 比与光阴极光谱灵敏度曲线红外局部相匹配；热 稳定性好，防潮性和机械性能好，耐光源工作时
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1 夜视成像物镜
· 格里高里系统：
由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜 位于主镜焦距之外，椭球面的一个焦 点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦 点为整个系统的焦点。系统对无穷远 轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的
主镜和次镜都采用球面镜，而用参加
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施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
3.
(1)
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根
据热辐射原理制成，用电流加热灯丝使之到达
白炽而发光。白炽灯工作在白热状态，要求灯
丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光
(单位为lm/W)。充气白炽灯比
真空白炽灯有更高的工作温度和发光效率，但
也只有10～20 lm/W，在～的近红外辐射光谱
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1 夜视成像物镜
包沃斯-卡塞格伦系统
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1 夜视成像物镜
·包沃斯-卡塞格伦系统：
由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜和校 正透镜中间，接收器造成中心挡光，为此 开展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正 透镜的中心局部镀上铝或银等反射层作次 镜用，将焦点引到主反射镜之外。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
2.
红外滤光片是一种光学滤波器，主要滤除光源 辐射中的可见光成分。对红外滤光片的根本要求 是： 在红外波段光能损失应尽可能地小，而对其 他波段的辐射应尽量全部吸收或反射；光谱透射 比与光阴极光谱灵敏度曲线红外局部相匹配；热 稳定性好，防潮性和机械性能好，耐光源工作时
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1 夜视成像物镜
· 格里高里系统：
由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜 位于主镜焦距之外，椭球面的一个焦 点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦 点为整个系统的焦点。系统对无穷远 轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的
主镜和次镜都采用球面镜，而用参加
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施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
3.
(1)
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根
据热辐射原理制成，用电流加热灯丝使之到达
白炽而发光。白炽灯工作在白热状态，要求灯
丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光
(单位为lm/W)。充气白炽灯比
真空白炽灯有更高的工作温度和发光效率，但
也只有10～20 lm/W，在～的近红外辐射光谱
光电成像原理
卡 塞 格 伦 系 统
格里高利系统是有抛物面主镜和位于抛物面焦点之外 的凹椭球面次镜组成，椭球面的一个焦点与抛物面镜 的焦点重合，则椭球面的另一个焦点辨识整个系统的 焦点了。与卡式系统相比，格式系统的缺点长度较长。
格 利 高 利 系 统
• 折反射组合式光学系统
由反射镜和透镜组合的折射反射式光学系统可以 结合反射式和透射式系统的优点，采用球面镜取代非 球面镜，同时用补偿透镜来校正球面反射镜的像差， 从而获得较好的像质。缺点：系统体积大，加工困难， 成本也比较高。
稳定的光学性能
红外光学系统的设计原则
• 选用的光学材料应对工作波段有良好的透过性能， 即保证有较高的光学透过率 • 光学元件在加工工艺允许的范围内，应保证接收口 径和相对孔径尽可能大，以保证红外系统能接收更多的 能量有较高的灵敏度。 • 要求光学系统具有控制噪声和滤去大面积背景干扰 的性能。 • 为了增大红外系统的视场，往往在光学系统中，引 入物方扫描器和像方扫描器，以达到增大整个红外系统 的物方视场，增加探测能力。
§2 光电成像原理
光电成像技术就是利用光电变换和信号处理 技术获取目标图像。
• 一、光电成像系统的基本结构
• 光机扫描方式 • 电子束扫描方式 • 固体自扫描方式
• 光机扫描方式
在热成像系统中，红外探测器所对应的瞬时视场往 往是很小的，一般只有零点几毫弧度或几毫弧度，为了 得到总视场中出现的景物的热图像，必须对景物扫描。 这种扫描通常是由机械传动的光学扫描部件来完成的， 所以称为光机扫描。
球差
球差可以定义为焦距随孔径的偏移。在透镜中远轴光线要比近 轴光线折射得更厉害。
彗差
当透镜对一个轴外物点成像时，若在近轴像面上得到的不是一个 像点，而是彗星形的光斑，则称该透镜对给定物点成像有彗差。
格里高利系统是有抛物面主镜和位于抛物面焦点之外 的凹椭球面次镜组成，椭球面的一个焦点与抛物面镜 的焦点重合，则椭球面的另一个焦点辨识整个系统的 焦点了。与卡式系统相比，格式系统的缺点长度较长。
格 利 高 利 系 统
• 折反射组合式光学系统
由反射镜和透镜组合的折射反射式光学系统可以 结合反射式和透射式系统的优点，采用球面镜取代非 球面镜，同时用补偿透镜来校正球面反射镜的像差， 从而获得较好的像质。缺点：系统体积大，加工困难， 成本也比较高。
稳定的光学性能
红外光学系统的设计原则
• 选用的光学材料应对工作波段有良好的透过性能， 即保证有较高的光学透过率 • 光学元件在加工工艺允许的范围内，应保证接收口 径和相对孔径尽可能大，以保证红外系统能接收更多的 能量有较高的灵敏度。 • 要求光学系统具有控制噪声和滤去大面积背景干扰 的性能。 • 为了增大红外系统的视场，往往在光学系统中，引 入物方扫描器和像方扫描器，以达到增大整个红外系统 的物方视场，增加探测能力。
§2 光电成像原理
光电成像技术就是利用光电变换和信号处理 技术获取目标图像。
• 一、光电成像系统的基本结构
• 光机扫描方式 • 电子束扫描方式 • 固体自扫描方式
• 光机扫描方式
在热成像系统中，红外探测器所对应的瞬时视场往 往是很小的，一般只有零点几毫弧度或几毫弧度，为了 得到总视场中出现的景物的热图像，必须对景物扫描。 这种扫描通常是由机械传动的光学扫描部件来完成的， 所以称为光机扫描。
球差
球差可以定义为焦距随孔径的偏移。在透镜中远轴光线要比近 轴光线折射得更厉害。
彗差
当透镜对一个轴外物点成像时，若在近轴像面上得到的不是一个 像点，而是彗星形的光斑，则称该透镜对给定物点成像有彗差。
光电成像系统
光电成像系统[ 教学目的]1、掌握CCD勺结构和工作原理、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勺结构和工作原理、光电成像原理、光电成像光学系统勺组成。
难点：CCD勺结构和工作原理、调制传递函数的分析。
成像转换过程有四个方面勺问题需要研究：能量方面——物体、光学系统和接收器勺光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标勺问题成像特性——能分辨勺光信号在空间和时间方面勺细致程度，对多光谱成像还包括它勺光谱分辨率噪声方面——决定接收到勺信号不稳定勺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，决定能被传递勺信息量大小）声声景 噪 声景 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一 —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（Charge Coupled Device ，即 CCD 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMO E 电荷注入器件（Charge Injenction Device ，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 勺基本功能一一电荷存储和电荷转移CCDT 作过程一一信号电荷的产生、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勺基本单元是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( Surface Channel CCD)——转移沟道在界面的CCD器件体内沟道(或埋沟道CCD即BCCD( Bulk or Buried Cha nn el CCD )——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％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。
第6章-光电成像系统
半导体 S
图6.3 CCD的结构简图
目前，前两种用得较多，我们这里主要分析
CCD一种。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
CCD图像传感器的优势
CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为 广泛应用图像传感器的新时代。
具有固体器件所有 优点；自扫描输出 方式消除了电子束 扫描造成的图像光 电转换的非线性失 真，体积、重量、 功耗和制造成本是 电子束摄像管无法 达到的。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
固体摄像器件的功能： 光学图像
转换
电信号
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。其视频信号能再现入射的光辐射图像。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
固体摄像器件主要有三大类： 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，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（Charge Injenction Device， 即CID）
6.2.1 电荷耦合摄像器件
(3) 输出部分：将电荷信号转换为电压或电流信 号
输出栅（OG/ Output diaode） 输出二极管 （OD / Output Grid）
6.2.1 电荷耦合摄像器件
输入栅
输 入 二 极管
栅 极
输出栅
输出二极管 金属 M 氧化物 O
P- Si / N – Si
§6.1 光电成像概述
三、光电成像系统基本组成的框图
光源 光 信 号 传输介质 背 景 噪 声 光 信 号 光学系统 (信号分析器) 背 景 噪 声 光 信 号 光电摄像器件 (信号变换器) 噪 声 信 号 显示器 噪 声 信 号 人眼
光电成像系统讲解
同电子束摄像管相比，优点：
① 全固体化、体积小、重量轻、工作电压和功耗都 很低，耐冲击性好、可靠性高、寿命长； ②基本不保留残像（电子束摄像管有15%-20%的残 像），无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰； ③红外敏感性。 SSPD 光谱响应范围： 0.25-1.1um； CCD可做成红外敏感型；CID：2-5um； ④像元的几何尺寸精度高（优于1um)，因而可用于 非接触式精密尺寸测量系统； ⑤视频信号与微机接口容易。
使彩色摄像机的发展产生了一个飞跃。 1976年，灵敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶管。 1970 年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器件（ CCD ） 原理，从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶 段——CCD固体摄像器件的发展阶段。
2、光电成像系统要研究的问题
光电成像涉及到一系列复杂的信号传递过程。有四个方面 的问题需要研究：
0、光电成像概述
1、光电成像Байду номын сангаас件的发展
近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进
行光学图像处理与图像测量已成为现代光学仪器、
现代测控技术的重要发展方向。它广泛应用于遥感、
遥测技术、图形图像测量技术和监控工程等，成为 现代科学技术的重要组成部分。
什么叫成像？图像是由空间变化的光强信息所组成， 图像传感器或探测器必须能感受空间不同位置的光强 变化，这个过程叫成像。
一、固体摄像器件
固体摄像器件，又称固体像探测器。 （solid state imaging sensor,SSIS） 主要功能：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。其视频信号能再现入射 的光辐射图像。 主要分类： • 电荷耦合器件，CCD,噪声低； • 自扫描光电二极管阵列，SSPD ,灵敏度和响应度好； • 电荷耦合光电二极管阵列， CCPD,兼具二者优点； • 电荷注入器件（Charge Injection Device，CID）
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所谓“浮置扩散”’是指在p型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的n区域，
1. 电荷耦合器件的基本原理
(4) 电荷检测
电荷包输出过程： t1时刻 FD区电位变化量：VA t2时刻 t3时刻 t4时刻 t5时刻
QFD C
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
将CCD电荷存储、电荷转移的概念与半导体的光电性质相结合，导致了 CCD 摄像器件的出现。
第5章 光电成像系统
本章内容 • 电荷耦合摄像器件(CCD器件)
• CCD器件的性能参数
• CCD器件的应用
1
• 电荷耦合摄像器件(CCD器件)
光源
光 信 号 传输介质
光 信 号 光学系统 (信号分析器)
光 信 号 光电摄像器件 (信号变换器)
信 号 显示器 噪 声
信 号 人眼 噪 声
物体 (信号源)
(a)单沟道传输结构
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
(1) 线阵CCD
线阵CCD分为双沟道传输与单沟道传输两种结构，两种结构的工作原理相仿，但 性能略有差别。 双沟道传输结构光敏单元在中间，其奇偶单元的信号电荷分别传送到上、下两列 移位寄存器后串行输出，最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。这种方案的优点 是光敏单元有较高的封装密度，转移次数减少一半，可提高转移效率，改善图像传感 器性能。
背 景 噪 声
背 景 噪 声
光电成像系统的基本组成
电荷耦合器件的基本结构
演示
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（CCD）与其他器件相比，最突出的特点是以电荷为信号。 CCD的基本功能是电荷的存储和转移，CCD的工作过程就是电荷的产生、存储、 传输和检测的过程。
1. 电荷耦合器件的基本原理
(1) 电荷产生
光辐射
1. 电荷耦合器件的基本原理
(2) 电荷存储
构成CCD的基本单元是MOS电容器，MOS电容器能够存储电荷。
表面势 开启电压 耗尽层 深度耗尽状态
1. 电荷耦合器件的基本原理
(2) 电荷存储
表面势 势阱
1. 电荷耦合器件的基本原理
(2) 电荷存储
电荷耦合器件有多种分类方法：
按结构分线阵CCD和面阵CCD； 按光谱分为可见光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
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
(1) 线阵CCD
演示
线阵CCD分为双沟道传输与单沟道传输两种结构，两种结构的工作原理相仿，但 性能略有差别。 单沟道传输用于低位数CCD传感器。它的光敏单元与CCD移位寄存器SR分开，用转 移栅控制光生信号电荷向移位寄存器转移，转移栅关闭时，光敏单元势阱收集光信号 电荷，经过一定的积分时间，形成与空间分布的光强信号对应的信号电荷图形。积分 周期结束时，转移栅打开，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器 SR的响应单元内。转移栅关闭后，光敏单元开始对下一行图像信号进行积分。而已转 移到移位寄存器的上一行信号电荷，通过移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。
两相时钟波形 电荷包的转移过程
1. 电荷耦合器件的基本原理
(4) 电荷检测
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
及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构应用最广泛。
“浮置扩散输出”原理结构: 输出结构包括输出栅OG、浮置扩散区FD、复 位栅R、复位漏RD以及输出场效应管T等。 当扩散区不被偏置，即处于浮置状态工作时，称作“浮置扩散区”。
(b)双沟道传输结构
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
(1) 线阵CCD
F1 6 OD 3 信号 输出 缓冲级 D13 D14 补偿 输出 缓冲级 D15
F2 19
OS
1
CCD移位寄存器 2 转移栅 2 D62 D63 S1 S2 S3 D73 D74
21 SH S2158 S2159 S2160 D64 ...
演示
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
(2) 面阵CCD
演示
帧转移结构由三部对组成；光敏区、 存储区、水平读出区。这三部分都是CCD结 构，在存储区及水平区上面均由铝层涵盖， 以实现光屏蔽；光敏区与存储区CCD的列数 及位数均相同，而且每一列是相互衔接的。 不同之处是光敏区面积略大于存储区，当 光积分时间到后．时钟A与B均以同一速度 快速驱动．将光敏区的一场信息转移到存 储区。然后，光敏区重新开始另一场的积 分；时钟A停止驱动，一相停在高电平，另 一相停在低电平。同时，转移到存储区的 光信号逐行向水平CCD转移，再由水平CCD 快速读出。光信号由存储区到水平CCD的转 移过程与行间转移面阵CCD相同。
1. 电荷耦合器件的基本原理
(3) 电荷转移 三相CCD结构及电荷转移
演示
在t1时刻，1高电位， 2 、3低电位。此时1电极下的表面势最大，势 阱最深。假设此时己有信号电荷（电子）注入．则电荷就被存储在1电极下的 势阱中。 在t2时刻…… 在t3合器件的基本原理
...
....
DOS 2
光电 .... 二极管
转移栅 1 CCD 移位寄存器 1
22 SS
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
(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。 行间转移结构采用光敏区与转移 区相间排列方式，相当于将若干个单 沟道传输的线阵CCD图像传感器按垂 直方向并排，再在垂直阵列的尽头设 置一条水平CCD，水平CCD的每一位与 垂直列CCD一一对应、相互衔接。在 器件工作时，每当水平CCD驱动一行 信息读完，就进入行消隐，在行消隐 期间，垂直CCD向上传输一次，即向 水平CCD转移一行信号电荷，然后， 水平CCD又开始新的一行信号读出， 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 的一场光信号电荷从光敏区转移到各 自对应的垂直CCD中。然后，又开始 新一场信号的逐行读出。
演示
势阱的功能：存储信号电荷 暗电流 电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。
1. 电荷耦合器件的基本原理
(3) 电荷转移 完成电荷转移的CCD主要有两类结构形式：三相CCD结构和两相CCD结构 典型的三相CCD结构,三相CCD是由每三个栅为一组的间隔紧密的MOS结构组 成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲； 三相时钟脉冲的波形
(3) 电荷转移 两相CCD结构及电荷转移
图示为“阶梯氧化层”两相结构。每一相电极下的绝缘层为阶梯状，由此 形成的势阱也为阶梯状。 在t1时刻…… 在t2时刻…… 在t3时刻……
表面沟道器件，SCCD(Surface Channel CCD) 体内沟道器件，BCCD(Bulk or Buried Channel CCD)