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光电成像系统光电成像器件可见光（含微光）光电成像系统紫外光光电成像系统红外光光电成像系统光电成像器件光电成像器件是光电成像系统的核心，新型光电成像器件的不断涌现，推动了光电成像系统的迅速发展。光电成像系统涉及的信号传递过程：光源物体（信号源）传输介质光学系统（信号分析器）光电成像器件（信号变换器）显示器人眼光信号光信号光信号信号信号背景噪声背景噪声噪声噪声光电成像器件近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进行光学图像处理与测量已成为现代光学仪器、测控技术的重要发展方向。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。光电成像器件的发展：光电成像器件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。它的灵敏度相当低，要达到现在图像信噪比的要求，需要不低于10000lx的照度，应用范围受到很大限制。1947年超正析摄像管面世，使最低照度降至2000lx。1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成本低、体积小、灵敏度和分辨率都较高，但不是适用于高速场合和彩色应用。光电成像器件光电成像器件的发展：1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩色电视广播摄像机的发展产生了一个飞跃。1976年前后，又相继出现灵敏度更高、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。光电成像器件光电成像器件的类型：扫描型：又称为摄像器件。这种器件通过电子束扫描或自扫描方式将景物经光学系统成像在器件光敏面上的二维图像转变为一维时序电信号输出出来。这种运载图像信息的一维时序信号称为视频信号。真空电子束扫描型：光电型：光电导式和光电发射式热电型：热释电摄像管固体自扫描型：电荷耦合摄像器件光电成像器件光电成像器件的类型：非扫描型：直视型电真空像管变相管：红外变像管、紫外变像管、X射线变像管像增强管：串联式像增强管、级联式像增强管、微通道板式像增强管、负电子亲和势阴极摄像管光电成像器件把光学图象转换为电信号，即把入射到探测器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外光等），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象。固体光电成像器件的功能：固体光电成像器件的分类：电荷耦合摄像器件CCDChargeCoupledDevice互补金属氧化物半导体图象探测器CMOSComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor电荷注入器件CIDChargeInjectionDevice光电成像器件电荷耦合器件（CCD–ChargeCoupledDevice）光电成像器件电荷耦合器件电荷耦合摄像器件20世纪70年代由贝尔实验室的W.S.Doyle和G.Smith发明。特点：结构简单、集成度高、制造工序少、功耗低、信噪比好。CCD的基本功能：电荷存储和电荷转移CCD的工作过程：信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。电荷耦合摄像器件CCD器件不同于其它器件的突出特点：以电荷作为信号，即信息用电荷量（称为电荷包）代表，而其它器件则都是以电压或电流作为信号的电荷耦合摄像器件电荷耦合器件（CCD）的组成MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）光敏元电荷转移栅移位寄存器电荷耦合摄像器件电荷耦合器件（CCD）将光信息转换成电脉冲信号，每个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱，输出脉冲的顺序反映光敏元的位置，起到图象传感的作用。电荷耦合摄像器件MOS光敏元的工作原理当金属电极上施加正向电压时，在电场作用下，电极下P型区域里的多子（空穴）被排斥、驱赶，形成一个“耗尽区”。少子（电子）：电场吸引它到电极的耗尽区。耗尽区对电子而言是一个势能很低的区域，称为“势阱”。电荷耦合摄像器件－MOS光敏元的工作原理有光线入射：在光子的作用下，产生e-h对，光生电子被附近的势阱收集，空穴被电场排斥出耗尽区。势阱内吸收的光生电子数与入射到势阱附近的光强成正比。MOS结构单元就称为光敏元或一个像素。一个势阱所收集的若干个光生电荷称为一个“电荷包”。电荷耦合摄像器件－MOS光敏元的工作原理如果此时照在这些光敏单元上是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏单元就会产生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，因而得到了影像信号。通常在Si上制作成千上万个相互独立的MOS光敏单元（如M行N列）。如果在金属电极上加上正电压，则在硅片上形成成千上万个相互独立的势阱。电荷耦合摄像器件－移位寄存器每三个电极（如a1、b1、c1）组成一个传输单元，对应于一个光敏元。在三个电极上分别加上三相脉冲电压Ua、Ub、Uc。结构：也是MOS结构，由金属电极、氧化物介质、半导体组成。与MOS光敏元的区别：不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。电荷耦合摄像器件－移位寄存器三相脉冲电压波形电荷耦合摄像器件－移位寄存器t=t1：Ua=U,Ub=0，Uc=1/2U。金属电极上所加正电压越大，金属电极下的电场越强，多子（空穴）被排斥的耗尽层越厚，对少子（电子）则势阱越深。也即：a1、a2、、an极上的电压最高，势阱最深。b1、b2、、bn上的电压为零，不产生势阱。c1、c2、、cn势阱介于两者之间。电荷耦合摄像器件－移位寄存器t=t2：原来在a1、a2、、an处势阱变浅，b1、b2、、bn处的势阱变为最深。原来在a1、a2、、an处的电子移向势阱最深的b1、b2、、bn处，即电子朝右方向移动。t=t3：b1、b2、、bn处势阱变浅，而c1、c2、、cn处的势阱变为最深。原来在b1、b2、、bn处的电子移向势阱最深的c1、c2、、cn处，即电子又朝右方向移动。电荷耦合摄像器件－移位寄存器t=t4：c1、c2、、cn处的势阱变浅，电子移向势阱最深的a2、、an处。电荷耦合摄像器件－移位寄存器信号电子传输后必须有一个信号输出装置。电荷耦合摄像器件－移位寄存器从t1到t4为脉冲电压的一个周期：原来在a1极下的电子移向a2极，原来在a2极下的电子移向a3极，依次类推。在最右电极的一侧扩散一个n区作为收集区，与衬底形成PN结，并处于反偏状态。如果有电子传到最后一个电极cn下面，就被收集，在电阻R上有电流流过，并转换成电压的变化，输出一个脉冲。输出脉冲的幅值，依次与原来存储于an、an-1、、a2、a1势阱中的电子数成正比，是属于串行输出。而电子数又与光照强度成正比。电荷耦合摄像器件－移位寄存器光敏元中的电荷如何向移位寄存器转移？光敏区中产生的电荷，由转移栅（或称转移门、转移电极）Z控制转移至a1、a2、、an极下的势阱。光敏区中的光敏单元数与移位寄存器的传输单元数相等，而转移电极Z只有一个。电荷耦合摄像器件－电荷转移栅转移栅的作用：控制光敏元势阱中的信号电荷向移位寄存器中转移。光敏元中的电荷如何向移位寄存器转移？电荷耦合摄像器件－电荷转移栅A-A截面的电极类似于一个传输单元a1、b1、c1。如果a1’、Z、a1上分别加上电压Ua’、Uz、Ua，则从t0到t2光敏元a1’中的电荷已转移至a1极下的势阱。同理，光敏元a2’…an’中的电荷同时转移至a2…….an极下的势阱。电荷耦合摄像器件－电荷转移栅光敏元中的电荷如何向移位寄存器转移？t3以后：光敏单元又重新进行光积累。在光积累的过程中，移位寄存器a1、b1、c1；a2、b2、c2；…；an、bn、cn等进行移位（电荷传输），各自执行自己的任务。t2以后：转移电极Z上电压恢复为0，把光敏区和移位寄存器之间的“门”阻塞。电荷耦合摄像器件CCD的电极结构按所加脉冲电压的相数分为：三相系统二相系统三相系统：势阱对称，电荷可以向左或向右传输（通过改变时钟脉冲电压的时序关系）电荷耦合摄像器件二相CCD系统：信号电荷总是向一个方向传输。采用梯度氧化层（SiO2层厚度分台阶）。厚度大的SiO2层下的势阱浅，这样可实现非对称的势阱分布。电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件：线阵CCD、面阵CCD线阵CCD：只有一列光敏单元，只能监测一维变量。面阵CCD：MOS光敏单元排成二维形式。电荷耦合摄像器件-线阵CCD线阵CCD器件的构成：光敏区的N个光敏元排成一列。N位CCD与N个光敏元一一对齐，每一位CCD有两相。最靠近输出端的那位CCD称为第一位，对应的光敏元为第一个光敏元。电荷耦合摄像器件-线阵CCD工作原理：当一行的N个信号全部读完，产生一个触发信号，使转移栅变为高电压，将新一行的N个光信号电荷包并行转移到CCD中，开始新一行信号传输和读出，周而复始。电荷耦合摄像器件-面阵CCD面阵CCD电荷耦合摄像器件－CCD摄像机黑白CCD：直接用面阵CCD，CCD输出信号按电视制式要求进行处理。彩色CCD：三片式、单片式3CCD：适用于电视台和专业影视制作单位。画面具有层次丰富、色彩还原自然、动态范围大和清晰度好等优点，但价格高。单片CCD：适用于家用。彩色重现能力较差，层次不太丰富，价格便宜。CCD摄像机：电荷耦合摄像器件－CCD摄像机三片式彩色CCD摄像机：用分色棱镜将入射光分成红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色。然后由配置在后面的CCD器件转换成电信号。特点：能独立记录每个成像点的三原色数据而不相互干扰。但是：会增加成像系统的体积和复杂程度，并且直接导致造价飙升。电荷耦合摄像器件－CCD摄像机单片式彩色CCD摄像机：在CCD前置一片特殊结构的滤色器，使透过滤色器的红、绿、蓝三色信号按某种规律照射在不同的CCD单元上，最后对CCD输出信号进行特殊的处理，可得到彩色的全电视信号。Bayer滤光片：采用红绿滤光片间隔行和绿蓝滤光片间隔行循环交替的排列方式，并不按照三原色平均分配。绿色滤光片的数量是其它两色的总和，因为人类的视觉系统对三原色的敏感性并不一样，有必要包括更多的绿色像素信息以便在人类的眼睛里能够感知到符合自己视觉系统的真彩色。电荷耦合摄像器件－CCD摄像机1.曝光：通过光学镜头成像在CCD上，使CCD曝光，在CCD上形成与光照强度相对应的光生电荷图象。CCD摄像机完成摄像需经历的过程：2.光生电荷平移到移位寄存器：完成曝光后，采用平移的方法，一次性将光生电荷转移到对应的移位寄存器中。3.移位寄存器中光生电荷串行输出，转换成电压信号，时间与曝光同步，即移位寄存器在串行输出上一幅图象的视频信号时，CCD正在曝光下一幅图象。4.形成全电视信号：将串行输出的视频信号，加上同步信号和消隐信号，形成全电视信号，可录入磁盘，或通过A/D转换成数字信号保存。电荷耦合摄像器件－数码相机数码相机：原理同CCD摄像机。CCD摄象机：采集连续的图象。数码相机：采集一幅图象。数码相机的基本组成快门控制彩色液晶显示器电源电路总控制电路电池信号放大A/D转换数字信号处理数字图像存储输出接口快门CCD或CMOS电荷耦合摄像器件－CCD摄像器件的主要特性像素数量CCD尺寸暗电流灵敏度信噪比主要评价指标转移特性：电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有部分没有被转移（称转移损失率），则一次转移效率：=1-。一个电荷量为Q0的电荷包，经过n次转移后的输出电荷量应为：电荷耦合摄像器件－CCD摄像器件的主要特性nnQQη0nnQQη/0总效率为：电荷耦合摄像器件－CCD摄像器件的主要特性光电特性：低照度下CCD输出的信号电压与入射光照度呈线性关系。当照度达上百勒克斯后，输出信号达到饱和状态。光谱特性：光谱响应基本上由光敏元材料决定，也与光敏元结构尺寸差异、电极材料和器件转移效率不均匀等因素有关。CCD器件对蓝光和黄光的灵敏度较低。电荷耦合摄像器件－CCD摄像器件的主要特性暗电流：由于热激发产生少数载流子使系统趋向平衡（势阱平衡）。即使没有光照和电注入，也存在不希望有的暗电流。使一幅清晰完整的产生某些“亮条”或