1、第五章第五章 光电成像与成像系统光电成像与成像系统 杨晓占杨晓占光电信息学院光电信息学院v1.光电成像系统概述光电成像系统概述;v2.图像探测器简介图像探测器简介;v3.点扩展函数及基于点扩展函数的性能指标；点扩展函数及基于点扩展函数的性能指标；v 4.光学传递函数；光学传递函数；v 5.调制与调制传递函数；调制与调制传递函数；v6.光学系统的调制传递函数；光学系统的调制传递函数；v7.光电成像系统简介；光电成像系统简介；v8.非扫描光电成像系统性能的进一步描述；非扫描光电成像系统性能的进一步描述；v9.扫描光电成像系统性能的进一步描述扫描光电成像系统性能的进一步描述 5.1 光电成像系统概述
2、光电成像系统概述一、光电成像器件的发展一、光电成像器件的发展 1934年，光电像管（年，光电像管（Iconoscope），应用于室内外的广播），应用于室内外的广播电视摄像。灵敏度非常低，需要电视摄像。灵敏度非常低，需要10000lx的照度，达到图的照度，达到图像信噪比的要求；像信噪比的要求；1947年，超正析像管（年，超正析像管（Image Orthicon），照度降低到），照度降低到2000lx；1954年，视像管，灵敏度分辨率高，成本低，体积小，年，视像管，灵敏度分辨率高，成本低，体积小，惯性大，不适用于高速运动图像测量，不能取代超正析像惯性大，不适用于高速运动图像测量，不能取代超正析像管
3、用于彩色广播电视摄像机；管用于彩色广播电视摄像机；v 1965年，氧化铅管（年，氧化铅管（Plumbicon），成功取代超正析像管，），成功取代超正析像管，惯性小，广泛应用于彩色电视摄像机，结构简单，体积小，惯性小，广泛应用于彩色电视摄像机，结构简单，体积小，灵敏度分辨率都很高。灵敏度分辨率都很高。v 1976年，硒靶管硅靶管，灵敏度进一步提高且成本更低；年，硒靶管硅靶管，灵敏度进一步提高且成本更低；v 1970年后，年后，CCD的出现使光电成像器件进入新的阶段。体的出现使光电成像器件进入新的阶段。体积更小，灵敏度更高，应用更灵活、更方便。积更小，灵敏度更高，应用更灵活、更方便。二、光电成像器
4、件的类型二、光电成像器件的类型光电成像器件（成像原理）光电成像器件（成像原理）扫描型扫描型非扫描型非扫描型真空电子束真空电子束扫描扫描固体自扫描：固体自扫描：CCD光电型光电型热电型：热释电摄像管热电型：热释电摄像管光电发射光电发射式摄像管式摄像管变像管（完变像管（完成图像光谱成图像光谱变换）变换）红外变像管红外变像管紫外变像管紫外变像管X射线变像管射线变像管像增强管（图像增强管（图像强度的变换）像强度的变换）串联式串联式级联式级联式微通道板式微通道板式负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极常由像敏常由像敏面，电子面，电子透镜显透镜显像面构成像面构成光电导式光电导式摄像管摄像管三、光电成像系统要研究
5、的问题三、光电成像系统要研究的问题v光电成像涉及到一系列复杂信号的传递过程，有光电成像涉及到一系列复杂信号的传递过程，有四个方面问题需要研究四个方面问题需要研究 能量方面能量方面物体、光学系统和接收器的光度学和辐物体、光学系统和接收器的光度学和辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题。射度学性质，解决能否探测到目标的问题。成像方面成像方面能分辨的光信号在空间和时间方面的细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。致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率。噪声方面噪声方面决定接收到的信号不稳定的程度或可靠决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性。性。信息传递速率方面信
6、息传递速率方面成像特性、噪声信息传递问题成像特性、噪声信息传递问题，决定能被传递的信息量大小。，决定能被传递的信息量大小。光电成像系统基本组成光电成像系统基本组成景物景物同步扫描同步扫描视频信号视频信号光学成像光学成像光电变换光电变换图像分割图像分割传送传送同步扫描同步扫描视频解调视频解调图像再现图像再现摄像部分摄像部分显像部分显像部分光电成像系统原理方框图光电成像系统原理方框图5.2 图像探测器简介图像探测器简介v特点：能够输出可视图像信息特点：能够输出可视图像信息真真空空成成像像器器件件固体成像器件固体成像器件光电成像器件光电成像器件像增强管像增强管光电导型摄像管光电导型摄像管光电发射型摄
7、像管光电发射型摄像管变像管变像管像管像管直视直视型光型光电成电成像器像器件件摄像摄像型光型光电成电成像器像器件件热释电型摄像管热释电型摄像管CMOS图像传感器图像传感器电耦合器件（电耦合器件（CCD）红外焦面阵列器件红外焦面阵列器件（IRFPA）摄像管摄像管1.真空成像器件真空成像器件像管结构原理示意图像管结构原理示意图常见像管常见像管-变像管变像管v红外变像管红外变像管红外变像管的应用红外变像管的应用v紫外变像管紫外变像管v选通式变像管选通式变像管常见像增强管常见像增强管v级联式像增强管级联式像增强管v微通道板像增强管微通道板像增强管v第三代像增强器第三代像增强器 第二代微通道结构配以负电子
8、亲和势光第二代微通道结构配以负电子亲和势光电阴极，就构成了第三代像增强器。电阴极，就构成了第三代像增强器。vX射线像增强器射线像增强器 实质：变像管实质：变像管 作用：将不可见的作用：将不可见的X射线转换成可见光射线转换成可见光图像，并使图像亮度增强图像，并使图像亮度增强摄摄 像像 管管v作用：把按空间光强分布的光学图像记录并转换作用：把按空间光强分布的光学图像记录并转换成视频信号的成像装置。成视频信号的成像装置。v分类（按光电转换形式）分类（按光电转换形式）光电发射型摄像管：利用外光电效应进行光电光电发射型摄像管：利用外光电效应进行光电转换的摄像管，又称转换的摄像管，又称摄像管摄像管。光电导
9、型摄像管：利用内光电效应进行光电转光电导型摄像管：利用内光电效应进行光电转换的摄像管，又称换的摄像管，又称视像管视像管。摄像管结构原理图摄像管结构原理图视像管结构原理图视像管结构原理图摄像管的结构和工作原理摄像管的结构和工作原理v 基本功能：光电转换，光电信息的积累、储存和扫描输出。基本功能：光电转换，光电信息的积累、储存和扫描输出。2.固固 体体 成成 像像 器器 件件v电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD，charge coupled device)、互、互补金属氧化物半导体图像传感器补金属氧化物半导体图像传感器CMOS、电荷注入、电荷注入器件（器件（CID，charge injection
10、device）和）和IRFPAv都利用了自扫描技术，能完成光学图像的转换、信都利用了自扫描技术，能完成光学图像的转换、信息的存储和扫描输出。息的存储和扫描输出。vCCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。v电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）特点）特点）以电荷作为信以电荷作为信号号vCCD的基本功能的基本功能电荷存储和电荷转移电荷存储和电荷转移v优点：集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围优点：集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等。大等。vCCD工作过程工作过程信
11、号电荷的产生、存储、传输信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。和检测的过程。v基本结构：转移电极结构、转移沟槽结构、信号基本结构：转移电极结构、转移沟槽结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。输入结构、信号输出结构、信号检测结构。v构成构成CCD的基本单元：的基本单元：CMOS电容电容vCCD类型：类型：表面沟道表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导）：电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输；体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输；体沟道体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导）：电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一体表面一定深度的体内，并在半
12、导体体内沿一定方向传输。定方向传输。MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据读出移位寄存器的数据面显微照片面显微照片 彩色彩色CCD显微照片（放大显微照片（放大7000倍）倍）v 组成：光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输组成：光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路。出电路。v CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各
13、光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。再现或进行存储处理。v 构成构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS（金属氧化物半导体）（金属氧化物半导体）结构。当栅极结构。当栅极G施加正偏压施加正偏压UG之前（之前（UG=0），），
14、P型半导体型半导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的；中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的；v 当栅极电压加正向偏压（当栅极电压加正向偏压（UGUth时时，半导体与绝缘体界面上的电势（表面势，半导体与绝缘体界面上的电势（表面势S）变得如此之高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子变得如此之高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层，反型层）吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层，反型层电荷的存在说明了电荷的存在说明了MOS结构具有存储电荷的功能。结构具有存储电荷的功能。一、电荷存储一、电荷存储栅电极栅电极G氧化层氧化层P型半导体型半导体耗尽区耗尽区反
15、型层反型层uGuthuG1/3。（2）上限：当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转）上限：当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间大于驱动脉冲使其转移地时间移到另一个电极所需的时间大于驱动脉冲使其转移地时间T/3,那么信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，使转移效率大那么信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，使转移效率大大降低。故大降低。故tT/3，即，即f 1/3t。(t)Q(0)/C=2V5V10V实测三相多晶硅实测三相多晶硅N沟道沟道SCCD的关系曲线的关系曲线10MHz五、电荷耦合摄像器件（五、电荷耦合摄像器件（ICCD）1、工作原理、工作原理利用光学成像系统将景物图像成在利
16、用光学成像系统将景物图像成在CCD地像敏面上地像敏面上。像敏面将照在每一像敏面的图像照度信号转变。像敏面将照在每一像敏面的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元（为少数载流子数密度信号存储于像敏单元（MOS电容）中，然后，再转移到电容）中，然后，再转移到CCD的移位寄存器（的移位寄存器（转移电极下的势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺转移电极下的势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。序地移出器件，成为视频信号。v2、类型、类型v（1）线型）线型CCD摄像器件摄像器件 单沟道线型单沟道线型ICCD 双沟道线型双沟道线型ICCDv（2）面阵）面阵ICCD 帧转移面阵帧转
17、移面阵ICCD 隔列转移型面阵隔列转移型面阵ICCD 线转移型面阵线转移型面阵ICCD线阵线阵CCD外形外形 面阵面阵CCD 面阵面阵CCD能在能在x、y两两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。图像。面阵面阵CCD外形（续）外形（续）200万和万和1600万像素的面阵万像素的面阵CCD 面阵面阵CCD外形（续）外形（续）面阵面阵CCD外形（续）外形（续）3、ICCD的基本特性参数的基本特性参数（1）光电转换特性）光电转换特性良好，光电转换因子可达到良好，光电转换因子可达到99.7%。（2）光谱响应）光谱响应 ICCD常采用背面照射的受光方式，采用硅
18、衬底的常采用背面照射的受光方式，采用硅衬底的ICCD，其光谱响应范围为，其光谱响应范围为0.41.1um，平均量子，平均量子效率为效率为25，绝对响应为，绝对响应为0.10.2A*W-1。(3)动态范围：由势阱的最大电荷存储量与噪声电荷动态范围：由势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比决定。量之比决定。（4）噪声：电荷注入噪声；电荷量变化引起的噪声（转移）噪声：电荷注入噪声；电荷量变化引起的噪声（转移噪声）检测时产生的噪声（输出噪声）。噪声）检测时产生的噪声（输出噪声）。（5）暗电流）暗电流产生的主要原因：产生的主要原因：u耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁；耗尽的硅衬底中电子自价带至导带
19、的本征跃迁；u少数载流子在中性体内的扩散；少数载流子在中性体内的扩散；u来自来自SiO2表面（硅中缺陷杂质数目）引起的暗电流；表面（硅中缺陷杂质数目）引起的暗电流；uSi-SiO2界面表面的晶体缺陷玷污等；界面表面的晶体缺陷玷污等；u温度，温度越高，暗电流越大。温度，温度越高，暗电流越大。（6）分辨力）分辨力2856K白炽光源白炽光源单色光源单色光源MTF频率频率MTF频率频率600nm700nm800nm1000nm 线阵线阵CCD在扫描仪中的应用在扫描仪中的应用 线阵线阵CCD在图像扫描中的应用在图像扫描中的应用 线阵线阵CCD摄像机可摄像机可用于彩色印刷中的用于彩色印刷中的套色工艺监控套
20、色工艺监控 风云一号卫星可以对风云一号卫星可以对 地球上空的云层分布地球上空的云层分布 进行逐行扫描进行逐行扫描线阵线阵CCD用于字符识别用于字符识别CCD数码照相机数码照相机 v数码相机简称数码相机简称DC，它采用，它采用CCD作为光电转换器作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。中。v数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区），内部更有本质的
21、区别，其快门结构也大不相同。别，其快门结构也大不相同。数码相机的外形数码相机的外形三基色分离原理三基色分离原理 CCD数码照相机的结构数码相机的结构数码相机的结构解剖解剖（索尼（索尼F828）CCDCCD数码显微镜数码显微镜拍摄的金属表面显微照片拍摄的金属表面显微照片CCD数码摄像机数码摄像机 CMOS图像传感器是采用互补金属图像传感器是采用互补金属-氧化物氧化物-半导体工艺制作半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称的另一类图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像。现在市售的视频摄像头多使用头多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图图像传感器成像质量比像传感器成像质量比CCD略低，但略低，但CMOS具有体积小、耗具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，CMOS的各项技术指标有望超过的各项技术指标有望超过CCD，它在图像传感器中，它在图像传感器中的应用也将日趋广泛。的应用也将日趋广泛。CMOS视频摄像头视频摄像头 带红外带红外LED照明的照明的CMOS视频摄像头视频摄像头CMOS视频摄像头的外部结构视频摄像头的外部结构 CMOS视频摄像头的外形及内部结构视频摄像头的外形及内部结构
