光电成像器件 ppt课件
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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
（2）、电荷存储
以衬底为P型硅构成的MOS电容为例。
当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2界 面处的电势发生变化，附近的P型硅中的多数载流子-空 穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过MOS晶体管 的开启电压，则在Si-SiO2界 面处形成深度耗尽状态，电 子在那里势能较低-形成了一 个势阱。如有信号电子，将 聚集在表面，实现电荷的存 储。此时耗尽层变薄。势阱 的深浅决定存储电荷能力的 大小。
体内沟道（或埋沟道CCD）：
BCCD（Bulk or Buried Channel 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99.999％以上，工作 频率可高达100MHz，且能做成大规模器件。
第八章 光电成像器件
8.1 摄像管 8.2 摄像器件的性能参数 8.3 电荷耦合器件 8.4 CMOS图像传感器 8.5 图像增强器
➢ 摄像机video camera
➢ 摄像机种类繁多，其工作的基本原理都是 一样的：把光学图象信号转变为电信号， 以便于存储或者传输。当我们拍摄一个物 体时，此物体上反射的光被摄像机镜头收 集，使其聚焦在摄像器件的受光面（例如 摄像管的靶面）上，再通过摄像器件把光 转变为电能，即得到了“视频信号”。
（4）、光信号的注入
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。
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）
( S ) 20 lg Sm (dB)
N
id
六.动态范围
Lmax : Lmin = 10n : 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—— 视频信号。其视频信号能再现 入射的光辐射图像。
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）。
光电成像器件是能够输出图像信 息的一类器件
➢
➢
8.1 摄像管
摄像管是能够输出视频信 号的真空光电管
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
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
CCD工作过程——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）、 CCD的基本结构包括：转移电 极结构、转移沟道结构、信号输入结构、 信号输出结构、信号检测结构。构成 CCD的基本单元是MOS电容。
一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导 体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生 长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相 绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。
8.3 电荷耦合器件
CCD(Charge Coupled
Devices)
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
固体摄像器件主要有三大类：
电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即 CCD）
调制度M： M Amax Amin Am
Amax Amin A0
调制传递函数MTF：MTF M o 100 %
Mi
MTF随着测试卡线条空间频率的增加而降低。
用一个能量正弦分布的物体来看一下调制（对比）传递函数的情况， 有一个物体的能量分布如下图所示，能量为正弦分布，平均能量b0, 能量起伏为b1,则我们称这物体的调制度（对比度）为：
（3）、电荷转移
CCD的转移电极相数有二相、三相、四相等。对 于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移， 至少需要三相。这里以三相表面沟道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。
表面沟道器件的特点：
工艺简单，动态范围大，但信号 电荷的转移受表面态的影响，转移速 度和转移效率底，工作频率一般在 10MHz以下。
物体调制度反映了物体的对比情况， 若物体的调制度M0=1，表示b1= b0， 此时物体有最大的调制度； 若物体的调制度M0=0，表示b1=0， 即能量没有起伏，物体有最小的调制度；
如果物体经成像系统成像后的 调制度为Mi，则成像系统对某 一频率的调制传递函数MTF为：
四.惰性 指输出信号的变化相对于光
8.2 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
I P k L
γ＝1 IP 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。
互补金属氧化物半导体图像传感器（即 CMOS）
电荷注入器件（Charge Injection Device， 即CID）
目前，前两种用得较多，我们这里只分析 CCD一种。
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 的 基 本 功 能 —— 电 荷 存 储 和 电荷转移。
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
（2）、电荷存储
以衬底为P型硅构成的MOS电容为例。
当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2界 面处的电势发生变化，附近的P型硅中的多数载流子-空 穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过MOS晶体管 的开启电压，则在Si-SiO2界 面处形成深度耗尽状态，电 子在那里势能较低-形成了一 个势阱。如有信号电子，将 聚集在表面，实现电荷的存 储。此时耗尽层变薄。势阱 的深浅决定存储电荷能力的 大小。
体内沟道（或埋沟道CCD）：
BCCD（Bulk or Buried Channel 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99.999％以上，工作 频率可高达100MHz，且能做成大规模器件。
第八章 光电成像器件
8.1 摄像管 8.2 摄像器件的性能参数 8.3 电荷耦合器件 8.4 CMOS图像传感器 8.5 图像增强器
➢ 摄像机video camera
➢ 摄像机种类繁多，其工作的基本原理都是 一样的：把光学图象信号转变为电信号， 以便于存储或者传输。当我们拍摄一个物 体时，此物体上反射的光被摄像机镜头收 集，使其聚焦在摄像器件的受光面（例如 摄像管的靶面）上，再通过摄像器件把光 转变为电能，即得到了“视频信号”。
（4）、光信号的注入
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。
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）
( S ) 20 lg Sm (dB)
N
id
六.动态范围
Lmax : Lmin = 10n : 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—— 视频信号。其视频信号能再现 入射的光辐射图像。
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）。
光电成像器件是能够输出图像信 息的一类器件
➢
➢
8.1 摄像管
摄像管是能够输出视频信 号的真空光电管
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
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
CCD工作过程——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）、 CCD的基本结构包括：转移电 极结构、转移沟道结构、信号输入结构、 信号输出结构、信号检测结构。构成 CCD的基本单元是MOS电容。
一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导 体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生 长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相 绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。
8.3 电荷耦合器件
CCD(Charge Coupled
Devices)
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
固体摄像器件主要有三大类：
电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即 CCD）
调制度M： M Amax Amin Am
Amax Amin A0
调制传递函数MTF：MTF M o 100 %
Mi
MTF随着测试卡线条空间频率的增加而降低。
用一个能量正弦分布的物体来看一下调制（对比）传递函数的情况， 有一个物体的能量分布如下图所示，能量为正弦分布，平均能量b0, 能量起伏为b1,则我们称这物体的调制度（对比度）为：
（3）、电荷转移
CCD的转移电极相数有二相、三相、四相等。对 于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移， 至少需要三相。这里以三相表面沟道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。
表面沟道器件的特点：
工艺简单，动态范围大，但信号 电荷的转移受表面态的影响，转移速 度和转移效率底，工作频率一般在 10MHz以下。
物体调制度反映了物体的对比情况， 若物体的调制度M0=1，表示b1= b0， 此时物体有最大的调制度； 若物体的调制度M0=0，表示b1=0， 即能量没有起伏，物体有最小的调制度；
如果物体经成像系统成像后的 调制度为Mi，则成像系统对某 一频率的调制传递函数MTF为：
四.惰性 指输出信号的变化相对于光
8.2 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
I P k L
γ＝1 IP 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。
互补金属氧化物半导体图像传感器（即 CMOS）
电荷注入器件（Charge Injection Device， 即CID）
目前，前两种用得较多，我们这里只分析 CCD一种。
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 的 基 本 功 能 —— 电 荷 存 储 和 电荷转移。