光电子技术 第4章 光电成像器件
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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： TSH2236TRS , fRS =1MHz， fφ1、
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）。
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
Q(n 1)
Q(n)
转移损失率 ε
Q(n) Q(n 1) 1
Q(n)
电荷传输效率η'
' Q(n)Q(0) n
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,
1
1
f
2
2t0
3.光谱特性
· 图像增强器
· 变像管
4.1 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
管子结构
氧化铅PIN靶
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。
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）
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
TCD1200D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 CMOS 8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。
一、CCD的结构与工作原 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
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
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。
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
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。
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。
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。
通常：100 kHZ f 1MH Z
CCD积分灵敏度 S=Uo/H 单位:Vcm2/μJ
曝光量H=Lτ L:光照度
τ:曝光时间(光积分TSH) H的单位:μJ/cm2 ;lxs
4.分辨率 CCD所能分辨的最小间距就是像元间距d， 因而由像元的尺寸可确定极限分辨率。
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。
SH信 号的 产生
Q5 1 Q5 2 Q4 Q3 Q2 RS
将Q信号送往单片机P1.7口，
Q Q5 Q4 Q5 Q3 单片机查询后由P3.7口输出
P Q SH P信号。
( S ) 20 lg Sm (dB)
N
id
六.动态范围
Lmax : Lmin = 10n : 1
4.3 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
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CCD 4.4 CMOS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
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。
Biblioteka Baidu
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
输出视频信号OS
输出管T2
双列两相线阵CCD驱动信号
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。
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： TSH2236TRS , fRS =1MHz， fφ1、
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）。
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
Q(n 1)
Q(n)
转移损失率 ε
Q(n) Q(n 1) 1
Q(n)
电荷传输效率η'
' Q(n)Q(0) n
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,
1
1
f
2
2t0
3.光谱特性
· 图像增强器
· 变像管
4.1 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
管子结构
氧化铅PIN靶
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。
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）
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
TCD1200D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 CMOS 8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。
一、CCD的结构与工作原 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
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
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。
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
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。
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。
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。
通常：100 kHZ f 1MH Z
CCD积分灵敏度 S=Uo/H 单位:Vcm2/μJ
曝光量H=Lτ L:光照度
τ:曝光时间(光积分TSH) H的单位:μJ/cm2 ;lxs
4.分辨率 CCD所能分辨的最小间距就是像元间距d， 因而由像元的尺寸可确定极限分辨率。
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。
SH信 号的 产生
Q5 1 Q5 2 Q4 Q3 Q2 RS
将Q信号送往单片机P1.7口，
Q Q5 Q4 Q5 Q3 单片机查询后由P3.7口输出
P Q SH P信号。
( S ) 20 lg Sm (dB)
N
id
六.动态范围
Lmax : Lmin = 10n : 1
4.3 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
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CCD 4.4 CMOS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
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。
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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
输出视频信号OS
输出管T2
双列两相线阵CCD驱动信号
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。