光电检测技术第二版》第五章光电成像检测器件-1-3节

第五章 光电成像检测器件,光电成像器件是指能够输出图像信息的一类器件，图像是由空间变化的光强信息所组成，所以成像探测器必须能感受到空间不同位置的光强变化，即成像。,本章内容及重点,本章内容 光电成像器件的发展、类型特性 光电成像原理与电视制式 真空摄像管 电荷耦合器件（CCD） 金属氧化物半导体型MOS传感器件(CMOS) 重点内容 电荷耦合器件（CCD） 难点内容 光电成像原理 电荷耦合器件（CCD）/CMOS,§5.1 概述,一、光电成像器件的发展 1934年，光电像管（Iconoscope），应用于室内外的广播电视摄像。灵敏度非常低，需要10000lx的照度，达到图像信噪比的要求； 1947年，超正析像管（Image Orthicon），照度降低到2000lx； 1954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，不能取代超正析像管用于彩色广播电视摄像机；,1965年，氧化铅管（Plumbicon），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，灵敏度分辨率都很高。 1976年，硒靶管硅靶管，灵敏度进一步提高且成本更低； 1970年后，CCD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。 1980年后，CMOS集成了半导体芯片工艺，进一步提高了分辨率,一、光电成像器件的分类（成像原理）,摄像器件 使光学图像变成视频信号 （扫描型） 真空管摄像器件-光电型、热电型 固体摄像器件,摄像器件 使光学图像增强或改变光谱 （非扫描型） 变像管-红外、紫外、X射线 像增强管-串联式、级联式、微通道板式、 负电子亲和势像增强管,电荷传输型：CCD 金属氧化物半导体型：MOS,二、电视扫描技术,摄像器件的功能是把光学图像信号转换为电信号，即把入射到探测器光敏面上按空间分布的光强信号，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图像信号。 把空间图像信号转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描。,对于两维的像探测器水平方向扫描称为行扫描；电子束从左到右称为行正程；回头返回左叫行逆程；行周期的倒数为行频fh。 扫完最后一行后再返回第 一行，这样一行接一行地 自上至下扫完一遍，称为 场扫描。场周期的倒数为 场频fv 。,像素,人眼对电视图像的要求,人眼对高于48HZ变化的图像的闪动是不能分辨的。,人眼对电视图像的分辨能力所确定的扫描的水平行数至少应大于600行，因此对于逐行扫描方式，扫描频率必须大于29000HZ才能保证人眼对视觉图像的最低要求。,逐行扫描：电子枪以连续的方式扫描显示器而形成的画面，这种方式比隔行扫描好的图像稳定，电脑显示器基本上都是此类。,隔行扫描：电子束在扫描形成画面时，先扫描奇数线条，再扫描偶数线条，这种扫描方式画面较闪烁，容易引起视觉疲劳，电视机一般是这种扫描方式。,隔行扫描必须满足两个要求：,1、要求下一帧图像的扫描起始点应与上一帧起始点相同，以确保各帧扫描光栅重叠。 2、要求相邻两场光栅必须均匀的镶嵌，以确保获得最高的清晰度。,我国的隔行扫描电视制式，采用每帧扫描行数为625行，每场扫描行数为312.5行。,§5.2 光电成像原理 和电视制式,光电成像系统示意图,同步扫描,视频信号,景物,光学成像,光电变换,图像分割,传送,同步扫描,视频解调,图像再现,摄像部分,显像部分,光电成像原理： 光学物镜将景物所反射出来的光成像到光电成像器件的像敏面上形成二维光学图像，经光电成像器件将二维光学图像转变成二维电气图像，然后进行图像分割，并按照一定的规则将所分割的电气图像转变成一维时序信号（视频信号），将视频信号送入监视器，控制显像管电子枪的强度，显像管电子枪与摄像管的电子枪作同步扫描，可将摄像管摄取得图像显示出来。,我国电视制式及其参数,1、电视图像的高宽比 我国电视选用早期电影中所选定的画面宽高比4:3，目前则为宽屏16:9（电影格式）。 2、帧频和场频 我国现行的电视标准中规定场频是50HZ，帧频是25HZ，每秒内光栅重复50次。 3、扫描行数与行帧 我国电视每帧画面的扫描行数为625行，行频为15625HZ，每帧画的水平分辨率为466线，垂直分辨率为400线。,§5.3 真空摄像管,一、光电成像器件的分类（成像原理）,摄像器件 使光学图像变成视频信号 （扫描型） 真空管摄像器件-光电型、热电型 固体摄像器件,摄像器件 使光学图像增强或改变光谱 （非扫描型） 变像管-红外、紫外、X射线 像增强管-串联式、级联式、微通道板式、 负电子亲和势像增强管,电荷传输型：CCD 金属氧化物半导体型：MOS,一、摄像管概述,摄像管：,将按空间光强分布的光学图象记录并 转换为视频信号（电信号）的一种器件。 摄像管是景物发出的光线通过光学镜 头进入摄像机时所接触到的、整体电视发 送系统中的第一个部件。,摄像管的基本任务： 将输入的光学图像信息转换成适合于处理和 传递的时间序列的一维电信号。,一般过程为： 输入的光学图象变成电荷(或电位)图像 对电荷图像进行存贮和积累 对电信号进行放大和增强 对存贮的电荷图像的各个像素进行顺序扫描，输出与输入信息相一致的一维电信号。,摄像管的分类,按光电变 换形式分,内光电变换型(光电导型、PN结型) 外光电变换型(光电发射型),利用内光电效应将光学图像转变为电位起伏。 当光学图像投射到光电导体靶面时，因各个像素上照度的不同，导致电导率的差异，从而在靶面产生电位起伏（电位图像）。然后，通过扫描电子束的换接作用，产生视频信号。 属于这一类型的摄像管，按照靶面（光电导体）材料的不同，有硫化锑管、氧化铅管、硅靶管、异质结靶管等等。,内光电变换型（光电导型、PN结型）：,利用光电发射将光学图像转变为电位起伏。 当光学图像投射到光电阴极时，因各个像素上照度的不同，光电阴极上发射出相对应的、强弱不同的电子流，后者轰击靶面，产生电位起伏（电位图像）。然后，通过扫描电子束的换接作用，产生视频信号。 属于这一类型的摄像管，有超正析像管、分流管、次级电子导电管（简称SEC管）、增强硅靶管（简称SIT管或SEM管）等等。,外光电变换型（光电发射型）：,两种类型各自的优点,光电导型的优点是体积小，调节使用方便。 光电发射型的优点是：可借助于电子加速获得管内增益，从而使灵敏度大大提高，超过光电导型。缺点是：光电阴极本身的量子效率不及光电导体。,二、摄像管的基本组成和作用,摄像管必须具有:写入、存贮、阅读、抹去等过程。,光电发射型摄像管工作过程： 景物光学镜头形成光学图像成像 于光电阴极（光电发射体）上产生光电发 射（光电流大小与照度强弱对应）光电子 加速到达靶面使靶的另一面产生电位起伏 （电子图像）实现光电变换的功能。,移像区与扫描区的划分,移像的目的：通过加速增强光电子的 能量，在靶面上产生更多的电荷，获 得增益，提高灵敏度。,光电导型摄像管工作过程 景物形成的光学图像光学镜头成像于 靶面上靶上各像素的电导率增大(光电导效 应)空穴移向低电位,电子移向高电位移 动的结果使靶的扫描面电位升高电位高低 与照度相对应实现光电变换的功能。,有移象区的摄象管称为光电发射式摄象管，它的光电变换部分和光信息存储部分由两部分来完成，彼此分离，总称为移象区。没有移象区的摄象管称为光电导式摄象管或视象管，它的两部分功能全由一个靶来完成。电子枪部分二者基本相同。 光电发射式摄象管历史最早，信号质量也最高，但体积大，结构复杂，调整麻烦，所以目前除特殊场合（微光摄象领域）外一般用得较少。 光电导式摄象管体积小，结构简单，信号质量有的也接近于前者，所以电视领域中用得较为普遍。,光电变换部分 作用：将光学图像变成电子图像 组成：由光敏元件组成 常用材料：光电发射体和光电导体,1、光电变换与存贮部分,视象管核心部件：光电导靶是将信号板与光电导体做在一起。在靶上施加固定直流电压，形成电场。,作用是取走信号,作用：产生光电导效应， 起光电变换的功能， 又是电荷积累器,电荷存贮也称电荷积累,光电变换所得到的瞬时信号很弱，故一般要采用积累元件。,光电变换与存贮部分,电荷存储部分,既是光电变换器，又是电荷积累器,积累过程 光照产生的正电荷向靶的右表面转移，建立电位图像。建立电位图像的过程就是电荷的积累过程。当来自右端电子枪的电子束不扫描靶面时，该电位图像（电荷积累的结果）将累积起来。,作用：从靶面将积累的信号取走。,2、信号阅读部分,光电导靶,场网,聚焦偏转系统,概括地说，摄像管的工作原理：先将输入的光学图像转换成电荷图像，然后通过电荷的积累和存储构成电位图像，最后通过电子束扫描把电位图像读出，形成视频信号输出。,视频信号 的形成,等效电路,4.26,三、光电导摄象管(视像管）,视象管的基本结构包括两大部分： 光电导靶和电子枪。,光学图像的光电转换和信号电荷的积累、存储,光电靶由光窗、信号极和靶组成，靶面的光敏层可进行光电转换。 电子枪部分包括灯丝、热阴极、控制栅极、各加速电极和聚焦电极、靶网电极和管外的聚焦线圈、偏转线圈、校正线圈等，它的作用是产生热电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面。,视频信号,靶,网电极,聚焦线圈,偏转线圈,校正线圈,聚焦极2,聚焦极1,阴极,控制栅极,加速极,RL,VT,1硅靶摄象管,摄象管窗口玻璃内表面涂有一层很薄的既可透光也可导电的SnO2膜，在它上面接有引线可同负载相连，称为信号板。挨着信号板的是一块N型硅片，硅片表面生成一层SiO2绝缘层，利用光刻技术在SiO2上光刻成几十万个小孔，再通过 掺杂使每个小孔都 变成P-Si。最后在 SiO2和P型岛表面蒸 涂一层电阻率适当的 材料，即成为硅靶。 -形成PN型光电二极管,电路连接：信号板通过引线、负载电阻与靶电源的正极相连。电子枪的热阴极接地，扫描电子束即具有地的电位。当电子束扫描到每个P型岛时，P型岛的PN结即被反偏置，结电容被充电到靶电源电压。,硅靶的光电变换,工作时，在N+层加515伏电压，当有光学图像输入时，N型硅吸收光子产生电子空穴对，它们在电场的作用下作漂移运动，空穴通过PN结移到P型岛，此动作在一帧的周期内连续进行，从而提高了P型岛的电位，其电位的升高的数值正比于该点的曝光量。因此，靶面的P型岛上形成了积累的电荷图像。这时通过电子束的扫描，即可得到视频信号。,2氧化铅靶视象管,PbO管是目前广播电视和彩色电视中用得较多的一种摄象管。,PbO靶结构,窗口玻璃内壁是一层透明导电膜作为信号板，接着就是PbO靶，靶的成象面一边为N-PbO，扫描面一边为P-PbO，两者之间夹着一层（相对）很厚的本征氧化铅I-PbO，因而具有PIN结构。,工作时，信号板通过负载和靶电源的正极相接，电子枪的热阴极接地，当扫描电子束扫描靶面时，相当于对PIN进行反偏置。靶电源电压约40V左右。,四、摄像管的主要参数,1、 光电转换特性（特性） 定义：输出信号与产生该信号的光敏面 上的入射照度之间的关系。,四、摄像管的主要参数,2、 光谱响应特性,四、摄像管的主要参数,3、 时间响应特性（惰性） 器件产生惰性的原因：一种是光电导特性；另一种是电容性特性。,4、 输出信噪比（暗电流和噪声）,5、 动态范围 摄像管的动态范围取决于暗电流和其饱和电流。暗电流引起的噪声决定了最低输入强度，饱和电流决定了最高入射强度。,作业,1、光电发射型摄像管和光电导型摄像管的区别是前者有（ ）区，后者没有。共同的地方是两者都有（ ）区。 2、摄像管的动态范围取决于（ ）和（ ）。 3、电视图像扫描有（ ）和（ ）两种方式。 4、若隔行扫描的场频为60HZ，那么其帧频为（ ）HZ，其实际显示的画面为（ ）幅。 5、摄像管工作时分为哪三