光电成像系统

光电成像系统

[教学目的]

1、掌握CCD的结构和工作原理、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的结构和工作原理、光电成像原理、光电成像光学系统的组成。

难点：CCD的结构和工作原理、调制传递函数的分析。

成像转换过程有四个方面的问题需要研究：

能量方面——物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，

解决能否探测到目标的问题

成像特性——能分辨的光信号在空间和时间方面的细致程度，对多

光谱成像还包括它的光谱分辨率

噪声方面——决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性

信息传递速率方面

（成像特性、噪声——信息传递问题，决定能被传递的信息量大小）

景噪声景

噪

声

声声

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——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CMOS）

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的基本功能——电荷存储和电荷转移

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）电荷存储

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 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％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。；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。

对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。

2.电荷耦合摄像器件的工作原理

CCD的电荷存储、转移的概念 + 半导体的光电性质——CCD摄像器件

按结构可分为线阵CCD和面阵CCD

按光谱可分为可见光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

（1）线阵CCD

线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构

（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。

二、电荷耦合摄像器件的特性参数 1. 转移效率

电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有η部分的电荷转移过去，余下ε部分没有被转移，ε称转移损失率。

εη-=1

一个电荷量为o Q 的电荷包，经过n 次转移后的输出电荷量应为：

n o n Q Q η=

总效率为： n

o n Q Q η=/ 2. 不均匀度

光敏元的不均匀与CCD 的不均匀。

本节讨论光敏元的不均匀性，认为CCD 是近似均匀的，即每次转移的效率是一样的。

光敏元响应的不均匀是由于工艺过程及材料不均匀引起的，越是大规模的器件，均匀性问题越是突出，这往往是成品率下降的重要原因。

定义光敏元响应的均方根偏差对平均响应的比值为CCD 的不均

匀度σ：

2

1)(11o N

n on

o V V

N

V ∑=-=

σ

∑==

N n on

o V

N

V 1

1

式中on V 为第n 个光敏元原始响应的等效电压,o V 为平均原始响应等效电压；N 为线列CCD 的总位数。

由于转移损失的存在，CCD 的输出信号n V 与它所对应的光敏元的原始响应on V 并不相等。根据总损失公式，在测得n V 后，可求出on V ：

np n

on V V η=

式中P 是CCD 的相数

3. 暗电流

CCD 成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流。

暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发。 由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，CCD 中暗电流密度的分布是不均匀的。

暗电流的危害有两个方面：限制器件的低频限、引起固定图像噪声

4. 灵敏度（响应度）

它是指在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流）。 5. 光谱响应

CCD 的光谱响应是指等能量相对光谱响应，最大响应值归一化为100%所对应的波长，称峰值波长max λ，通常将10%（或更低）的响应点所对应的波长称截止波长。有长波端的截止波长与短波端的截止波

长，两截止波长之间所包括的波长范围称光谱响应范围。

6. 噪声

CCD的噪声可归纳为三类：散粒噪声、转移噪声和热噪声。

7. 分辨率

分辨率是摄像器件最重要的参数之一，它是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力。测试时用专门的测试卡。目前国际上一般用ＭＴＦ（调制传递函数）来表示分辨率。

8. 动态范围与线性度

光敏元满阱信号

动态范围＝等效噪声信号

线性度是指在动态范围内，输出信号与曝光量的关系是否成直线关系。

三、CMOS摄像器件

采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模／数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统。

1. CMOS像素结构

无源像素型（PPS）、有源像素型(APS)

（1）无源像素结构