第17讲光电成像系统

QFD VA C
1.7
QFD：信号电荷包的大小 C : 是与FD区有关的总电容 ， 包括输出管T的输入电容 和分布电容, C很小。
浮臵栅CCD放大输出信号的特点：
• • • 信号电压是在浮臵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T0； 在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。
光度学参数的定义和推算
光电成像系统
光电成像系统的基本组成框图
其中光电成（摄）像器件是光电成像系统的核心
0、光电成像概述
1、光电成像器件的发展
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。
1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应用。
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
VOG为一定值正电压，在OG栅极下形成耗尽层，使Φ3与FD之间建 立导电沟道； Φ3高电位期间，电荷存储在Φ3电极下； 复位栅R加正复位脉冲ΦR ，使FD 区与RD区导通。因V RD为正十几 伏的直流偏臵电压，则FD区的电荷被RD区抽走； 复位正脉冲过去后， FD 区与RD区呈夹断状态， FD 区具有一定的 浮臵电位。 之后Φ3转变为低电位， Φ3电极下面的电荷包通过OG下的沟道转移 到FD 区。FD区的电位变化量（下降）ΔVA：
6、传统光电成像器件的缺陷
1.不能永久保存图像 真空管只能直播图像，不能进行视视剪辑，如公交监视系统。 2.不具备对图像的二次处理能力 只能在采集图像时对图像进行初步处理，无法利用计算机 的强大计算功能进行软件算法处理； 3、器件/设备体积庞大，功耗大，寿命有限； 不利于产品轻型化、个性化，难以降低成本。
¶ 对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取 样技术，以去除浮臵电平、复位高脉冲及抑制噪声。
2、电荷耦合摄像器件的工作原理
电荷耦合摄像器件的分类 按结构可分为线阵列CCD和面阵列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
体内沟道器件（或埋沟道CCD）：
BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）——用离子注入 技术掺入杂质的方法，在Si表面形成反型薄层，从而改变转 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。
（4）电荷检测（输出） 电荷输出结构有多种形式，如电流输出结构、浮臵 栅输出结构、浮臵扩散输出结构等。
OG：输出栅; FD：浮臵扩散区 ; R:复位栅 ; RD:复位漏; T:输出场效应管。
浮臵栅是指在P型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的 n+区域，当扩散区不被偏臵，其处于浮臵状态。
电荷包的输出过程：
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）
3、光电成像器件分类
4、像管
1）像管的工作原理 直视型光电成像器件称为像管
1 物镜：将自然界图像成像到光阴极； 2 光阴极：利用外光电效应将光学图像转为电子图像; 3 电子透镜：对电子图像进行聚焦成像； 4 荧光屏：将电子图像转换为光学图像； 5 目镜：便 于眼睛观察。
2）变像管
工作于非可见辐射： 近红外、紫外、χ射线、γ射线
•因此电荷耦合器件必须工 作在深度耗尽状态才能存储 电荷。
（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（即Surface Channel CCD，转移沟道在界 面的CCD器件）为例。
电荷包
时钟脉冲，有严格的相位要求。
CCD由多个光敏像元组成，每一个光敏像元就是 一个MOS电容器。但工作原理与MOS晶体管不同。
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。 电荷的产生------依靠半导体的光电特性用光注入办 法产生。 CCD具有集成度高、功耗小等优点，故在固体 图像传感，信息存储和处理等方面有广泛应用。
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。
如有信号电荷（自由电子），将逐渐填充势阱，聚集 在栅极下表面，实现电荷的存储。此时耗尽层变薄， 势阱变浅。
•势阱的深浅,即表面势大小决定 存储电荷能力的大小，表面势依 栅电压大小而定。 •若无信号电荷，耗尽层区域一 定温度下产生的电子将逐渐填充 势阱，当界面势φs=2φF时，达到 热平衡状态，这种热激发载流子 电流称为暗电流，有别于光照产 生的载流子。
5、真空型摄像管
真空摄像管可将输入光学图像转变为便于传输 的电子图像信号—视频信号，利用无线电或有线电 子学的方法将电子信号进行远距离传送和图像重现， 显像管等设备可将处理后的视频信号转换为输出光 学图像。进行大屏幕显示，而且其亮度和对比度还 可以调节。
真空型摄像管的成像原理
摄像过程是将两维空间分布的光学图像转换为一维时 间变化的视频电信号。完成这一过程的器件就是摄像 管。具体的摄像过程：
1.1、电荷耦合器件，Charge Coupled Device
电荷耦合器件简称CCD，生于20世纪70年代，贝尔实验室， 是在MOS集成电路技术基础发展起来的新型半导体器件，1983 年美国RGA公司推出了3板式CCD彩色摄像机,90年代初专业 级CCD彩色摄像机开始进入我国电视领域。。

W. S. Boyle, G. E. Smith. Charge coupled semiconductor devices. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 587-593.
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。
在P型或N型单晶硅的衬底上用氧 化的办法生成一层厚度约为100～ 150nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表 面按一定层次蒸镀一金属电极或 多晶硅电极，在衬底和电极间加 上一个偏臵电压（栅极电压）， 即形成了一个MOS电容器（如图 所示）
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臵的光强 变化，这个过程叫成像。
1、光电成像器件的发展
1934年研制出光电像管，应用于广播电视摄像。灵敏
度相当低，需要不低于10000lx的照度。 1947年超正析摄像管面世，使最低照度降至2000 lx。 1954年灵敏度较高的摄像管投入市场。成本低，体积 小，灵敏度和分辨率较高和扩散工艺，做成三相“电阻海硅 栅”CCD结构：结构简单，成品率高，性能稳定，但单元尺 寸大； 2、多晶硅交叠栅结构：单元尺寸小，沟道封闭，但高温工序 多，需防层间短路； 3、减小时钟脉冲相数，采用二相电极结构，同时改变电极结 构形式：
利用斜角蒸发方式实现的城墙状氧 化物结构的二相CCD结构
1 2
蒸发方向
采用离子注入技术，在电极下面不对称位臵注入势垒区，可 达到定向转移电荷，防止电荷倒流的目的。 • 与三相结构相比，优点是简化电路，同时钟频率下，信号 电荷转移一次所需时间较短。 • 不足之处是单元所容纳电荷量较小，有效势阱深度较小。
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低，工作频率一般在10MHz以下。解决 方法，采用“胖零（fat zero）”工作模式（背景电荷填充表 面态）。
光电阴极材料： Ag-O-Cs
3）像管的特性与技术参数 光谱响应特性：实际上是光阴极的光谱响应特性，它决定
了像管应用的光谱范围。 增益：像管输出的图像亮度即与入射图像的照度有关，又取 决于像管本身对辐射能量的变换与增强的能力。常用增益特 性有亮度增益。 放大率：定义为像物尺寸比。取决于光学成像系统放大率和 电子成像系统放大率。 畸变：类似于几何光学的概念，只不过电子光学系统的边缘 放大率比近轴放大率高，所以一般只产生枕形畸变。 分辨率：输出图像中肉眼可分辨的最高分辨率，以线对（空 间频率）表示。目前常用MTF来评定成像器件的象质。
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：
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