1、第6 章 光電成像系統(tǒng)光電子技術(shù)基礎(chǔ)將美麗將美麗留駐？留駐？實物實物圖像圖像?圖像采集和處理的過程，最基本的是要把實物盡量真實地反映到虛擬的圖像上如何準(zhǔn)確地描述一幅圖像？第6 章 光電成像系統(tǒng) 6.1 光電成像概述光電成像概述6.2 固體攝像器件分類及性能固體攝像器件分類及性能 6.3 紅外成像技術(shù)紅外成像技術(shù) 6.4 光學(xué)成像系統(tǒng)和光學(xué)傳遞函數(shù)光學(xué)成像系統(tǒng)和光學(xué)傳遞函數(shù)第6 章 光電成像系統(tǒng)6.1 光電成像概述光電成像概述一、光電成像系統(tǒng)的分類：一、光電成像系統(tǒng)的分類： 按照光電成像系統(tǒng)對應(yīng)的按照光電成像系統(tǒng)對應(yīng)的光波長范圍光波長范圍分類分類： 可見光可見光光電成像系統(tǒng)光電成像系統(tǒng)；紫外光紫

2、外光光電成像系統(tǒng)光電成像系統(tǒng)；紅外光紅外光光電成像系統(tǒng)；光電成像系統(tǒng)； X光光 光電成像系統(tǒng)。光電成像系統(tǒng)。 二、光電成像系統(tǒng)要研究的問題二、光電成像系統(tǒng)要研究的問題 光電成像涉及到一系列復(fù)雜的信號傳遞過光電成像涉及到一系列復(fù)雜的信號傳遞過程。程。 有四個方面的問題需要研究：有四個方面的問題需要研究：1、能量方面、能量方面物體、光學(xué)系統(tǒng)和接收器的物體、光學(xué)系統(tǒng)和接收器的光度學(xué)、輻射度學(xué)性質(zhì)，解決能否探測到目標(biāo)光度學(xué)、輻射度學(xué)性質(zhì)，解決能否探測到目標(biāo)的問題的問題 。6.1 光電成像概述光電成像概述3、噪聲方面、噪聲方面決定接收到的信號不穩(wěn)定的決定接收到的信號不穩(wěn)定的程度或可靠性。程度或可靠性。4

3、、信息傳遞速率方面、信息傳遞速率方面 成像特性、噪聲成像特性、噪聲信息傳遞問題，決定能被傳遞的信息量大小。信息傳遞問題，決定能被傳遞的信息量大小。2、成像特性、成像特性能分辨的光信號在空間和時能分辨的光信號在空間和時間方面的細(xì)致程度，對多光譜成像還包括它間方面的細(xì)致程度，對多光譜成像還包括它的光譜分辨率的光譜分辨率 。6.1 光電成像概述光電成像概述三、光電成像系統(tǒng)基本組成的框圖三、光電成像系統(tǒng)基本組成的框圖物體(信號源)傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)(信號分析器)光電攝像器件(信號變換器)顯示器人眼光源光信號光信號光信號信號信號背景噪聲背景噪聲噪聲噪聲 其中其中光電攝（成）像器件光電攝（成）像器件是光電成

4、像系統(tǒng)的核心。是光電成像系統(tǒng)的核心。 6.1 光電成像概述光電成像概述景物景物同步掃描同步掃描視頻信號視頻信號光學(xué)成像光學(xué)成像光電變換光電變換圖像分割圖像分割傳送傳送同步掃描同步掃描視頻解調(diào)視頻解調(diào)圖像再現(xiàn)圖像再現(xiàn)攝像部分?jǐn)z像部分顯像部分顯像部分光電成像系統(tǒng)原理方框圖光電成像系統(tǒng)原理方框圖6.2 固體攝像器件分類及性能固體攝像器件分類及性能固體攝像器件的功能：固體攝像器件的功能： 光學(xué)圖像光學(xué)圖像 電信號電信號 把入射到傳感器光敏面上按空間分布把入射到傳感器光敏面上按空間分布的的光強(qiáng)信息光強(qiáng)信息（可見光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)（可見光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號換為按時序串行輸出的電

5、信號 視頻信視頻信號號。其視頻信號能。其視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像再現(xiàn)入射的光輻射圖像。 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換固體攝像器件主要有三大類：固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即，即CCD）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即（即CMOS）電荷注入器件電荷注入器件（Charge Injenction Device， 即即CID） 目前，目前，前兩種前兩種用得較多，我們這里主要分析用得較多，我們這里主要分析 CCD一種。一種。注：注：CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱做金屬

6、氧化物的半導(dǎo)體材是集成在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上料上 ,工作原理上沒有區(qū)別。工作原理上沒有區(qū)別。6.2 固體攝像器件分類及性能固體攝像器件分類及性能具有固體器件所有優(yōu)點(diǎn)；具有固體器件所有優(yōu)點(diǎn)；自掃自掃描輸出方式描輸出方式消除了電子束掃描消除了電子束掃描造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性失真，體積、重量、功耗和制失真，體積、重量、功耗和制造成本是電子束攝像管無法達(dá)造成本是電子束攝像管無法達(dá)到的。到的。CCD圖像傳感器的誕生和發(fā)展使人們進(jìn)入了更為圖像傳感器的誕生和發(fā)展使人們進(jìn)入了更為廣泛應(yīng)用圖像傳感器的新時代。廣泛應(yīng)用圖像傳感器的新時代。6.2 固體攝像器件分類及性能固體攝

7、像器件分類及性能Fig.1貝爾實驗室貝爾實驗室George Smith和和Willard Boyle將可視將可視電話和半導(dǎo)體存儲技術(shù)結(jié)合電話和半導(dǎo)體存儲技術(shù)結(jié)合發(fā)明了發(fā)明了CCD原型原型2009年諾貝爾獎物理學(xué)獎得主年諾貝爾獎物理學(xué)獎得主6.2 固體攝像器件分類及性能固體攝像器件分類及性能l瑞典皇家科學(xué)院瑞典皇家科學(xué)院6日宣布，美國科學(xué)家威拉德日宣布，美國科學(xué)家威拉德博伊爾和喬治博伊爾和喬治史密斯因史密斯因發(fā)明電荷耦合器件（發(fā)明電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器而與）圖像傳感器而與“光纖之父光纖之父”高錕一同獲高錕一同獲得得2009年諾貝爾物理學(xué)獎。年諾貝爾物理學(xué)獎。l評委會贊揚(yáng)博伊爾與史密斯評

8、委會贊揚(yáng)博伊爾與史密斯1969年第一次成功地發(fā)明了數(shù)字成像技術(shù)，年第一次成功地發(fā)明了數(shù)字成像技術(shù)，工作于貝爾實驗室的他們設(shè)計了一種影像傳感器，可以將光在短時間工作于貝爾實驗室的他們設(shè)計了一種影像傳感器，可以將光在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為像素，為攝影技術(shù)帶來內(nèi)轉(zhuǎn)化為像素，為攝影技術(shù)帶來“革命化革命化”變革。變革。“沒有沒有CCD，數(shù)碼，數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展將更為緩慢。沒有相機(jī)的發(fā)展將更為緩慢。沒有CCD，我們就不會看到哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，我們就不會看到哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的令人詫異的圖片，也不會看到我們的鄰居火星上的紅色沙漠圖拍攝的令人詫異的圖片，也不會看到我們的鄰居火星上的紅色沙漠圖像。像。”評委會說。評委會說。1

9、66.2 固體攝像器件分類及性能固體攝像器件分類及性能19691969年，由美國的貝爾研究室所開發(fā)出來的。年，由美國的貝爾研究室所開發(fā)出來的。同年，日本的同年，日本的SONYSONY公司也公司也開始研究開始研究CCDCCD。19731973年年1 1月，月，SONYSONY中研所發(fā)表第一個以中研所發(fā)表第一個以9696個圖素并以線性感知的二次元個圖素并以線性感知的二次元影像傳感器影像傳感器8H8H* *8V (648V (64圖素圖素) FT) FT方式三相方式三相CCDCCD。19741974年年6 6月，彩色影像用的月，彩色影像用的FTFT方式方式32H32H* *64V CCD64V CC

10、D研究成功了。研究成功了。19761976年年8 8月，完成實驗室第一支攝影機(jī)的開發(fā)。月，完成實驗室第一支攝影機(jī)的開發(fā)。19801980年，年，SONY SONY 發(fā)表全世界第一個商品化的發(fā)表全世界第一個商品化的CCDCCD攝影機(jī)攝影機(jī) ( (編號編號XC-1) XC-1) 。19811981年，發(fā)表了年，發(fā)表了2828萬個圖素的萬個圖素的 CCD (CCD (電子式穩(wěn)定攝影機(jī)電子式穩(wěn)定攝影機(jī)MABIKA)MABIKA)。19831983年，年，1919萬個圖素的萬個圖素的ITIT方式方式CCDCCD量產(chǎn)成功。量產(chǎn)成功。19841984年，發(fā)表了低污點(diǎn)高分辨率的年，發(fā)表了低污點(diǎn)高分辨率的CCD

11、CCD。19871987年，年，1/2 inch 251/2 inch 25萬圖素的萬圖素的 CCDCCD，在市面上銷售。，在市面上銷售。同年，發(fā)表同年，發(fā)表2/3 inch 382/3 inch 38萬圖素的萬圖素的CCDCCD，且在市面上銷售。，且在市面上銷售。19901990年年7 7月，誕生了全世界第一臺月，誕生了全世界第一臺 V8V8。CCDCCD發(fā)展史發(fā)展史6.2 固體攝像器件分類及性能固體攝像器件分類及性能6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 CCDCCD（Charge Coupled DeviceCharge Coupled Device）, ,是是7070年代初發(fā)展起

12、來的新型半導(dǎo)體光電成像器件年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體光電成像器件。 30多年來，多年來， CCD技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于信號處理、數(shù)字存儲及影像傳感等領(lǐng)域。信號處理、數(shù)字存儲及影像傳感等領(lǐng)域。 其中，其中，CCD技術(shù)在技術(shù)在影像傳感影像傳感中的應(yīng)用最為廣中的應(yīng)用最為廣泛，已成為現(xiàn)代光電子學(xué)和測試技術(shù)中最活躍、泛，已成為現(xiàn)代光電子學(xué)和測試技術(shù)中最活躍、最富有成果的領(lǐng)域之一。最富有成果的領(lǐng)域之一。CCD的的特點(diǎn)特點(diǎn): 以以電荷電荷作為信號作為信號。CCD的的基本功能基本功能: 電荷電荷存儲存儲和電荷和電荷轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移。CCD工作過程工作過程: 信號電荷的信號電荷的產(chǎn)生產(chǎn)生、存儲存儲、傳傳輸

13、輸和和檢測檢測的過程的過程。 6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 1、CCD的基本結(jié)構(gòu)：的基本結(jié)構(gòu)： （1）輸入部分：輸入部分： 輸入二極管（輸入二極管（ID / Input diaode）、）、 輸入柵（輸入柵（IG / Input Grid）一、電荷耦合器件的基本原理一、電荷耦合器件的基本原理 6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 （2）MOSMOS結(jié)構(gòu)部分：結(jié)構(gòu)部分： a. 以以P型或型或N型硅半導(dǎo)體為型硅半導(dǎo)體為襯底襯底。 （本文以（本文以P型硅型硅為例）為例） b. 在襯底上生長一層厚度為零點(diǎn)幾個微米的在襯底上生長一層厚

14、度為零點(diǎn)幾個微米的二二氧化硅層氧化硅層。 c. 然后按一定的次序沉淀然后按一定的次序沉淀N個金屬電極或多晶個金屬電極或多晶硅電極，作為硅電極，作為柵極柵極。（。（柵極間的間距為2.5個微米，中心距離為15-20個微米） 于是，每個電極與其下方的二氧化硅和半導(dǎo)體之間就構(gòu)成了一個 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體（Metal - Oxide - Semiconductor ）結(jié)構(gòu), 即MOS結(jié)構(gòu)。(3) 輸出部分輸出部分：將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號l 輸出柵（OG/ Output diaode）l 輸出二極管 （OD / Output Grid）6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件

15、 輸入柵輸入柵輸 入 二 極輸 入 二 極管管輸出柵輸出二極管圖6.3 CCD的結(jié)構(gòu)簡圖柵柵 極極金屬 M氧化物 O半導(dǎo)體 SP- Si / N Si 6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 l）的輸入部分（）電注入：當(dāng)用于信息存儲或信息處理時，通過輸入端注入與信號成正比的電荷。有兩種方式，電流注入法和電壓注入法。如圖.（） 所示為電流注入法結(jié)構(gòu)，如圖.（）所示為電壓注入法結(jié)構(gòu)。6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 l（）光注入：當(dāng)用于拍攝光學(xué)圖像時，把按照照度分布的光學(xué)圖像通過光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為電荷分布，然后由輸入部分注入。l相機(jī)采用的就是光注入，如圖.所示。6.2.1 電荷耦合攝

16、像器件電荷耦合攝像器件 l式中，為材料的量子效率；為電子電荷量；為入射光的光子流速率；為光敏單元的受光面積；為光的注入時間。圖6.6 MOS的基本結(jié)構(gòu)6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 ）結(jié)構(gòu)部分）結(jié)構(gòu)部分電容器是構(gòu)成的最基本單元，它是金屬氧化物半導(dǎo)體（）器件中結(jié)構(gòu)最為簡單的。以襯底為型硅構(gòu)成的電容為例。在半導(dǎo)體型硅為襯底的表面上用氧化的辦法生成一層厚度為的二氧化硅（），再在二氧化硅表面蒸鍍一層金屬（如鋁），在襯底和金屬電極間加上偏置電壓，就構(gòu)成了一個電容器。結(jié)構(gòu)如圖.所示。三、三、CCD的基本功能的基本功能 包括：電荷的產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和輸出。l1、電荷的產(chǎn)生電荷的產(chǎn)生： 電荷的產(chǎn)

17、生方法主要分為：光注入和電注入。l（1）電注入電注入：當(dāng)當(dāng)CCDCCD用作信息存貯或信息處理時用作信息存貯或信息處理時，通過輸入端注入與信號成正比的電荷。l（2）光注入光注入：當(dāng)當(dāng)CCDCCD用作拍攝光學(xué)圖像時用作拍攝光學(xué)圖像時，把按照照度分布的光學(xué)圖像通過光電轉(zhuǎn)換成為電荷分布，然后由輸入部分注入。 CCD相機(jī)就是采用光注入。6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 1、電荷的產(chǎn)生電荷的產(chǎn)生：信號電荷的產(chǎn)生（示意圖）金屬電極氧化物半導(dǎo)體e-e-e-e-e-e-e-光生電子入射光MOSMOS電容器電容器2 2、電荷存儲、電荷存儲 以襯底為以襯底為P型硅構(gòu)成的型硅構(gòu)成的MOS電容為為例。電容為

18、為例。 （1）當(dāng)向柵極施加一定當(dāng)向柵極施加一定較小較小的的正向電壓正向電壓時時， P型硅中的空穴被排斥，產(chǎn)生型硅中的空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)耗盡區(qū)。 （2）當(dāng)柵極的正向電壓大于半導(dǎo)體的域值電壓時，當(dāng)柵極的正向電壓大于半導(dǎo)體的域值電壓時， 半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢變高，以致于將半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢變高，以致于將半導(dǎo)體體內(nèi)的半導(dǎo)體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）吸引到表面電子（少數(shù)載流子）吸引到表面，形成，形成有一定寬度的可存儲電子的有一定寬度的可存儲電子的勢阱勢阱。6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 v 當(dāng)金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子

19、而言，是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱”。有光線入射到硅片上時，光子作用下產(chǎn)生電子空穴對，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢阱（俘獲）。2 2、電荷存儲、電荷存儲 電極上所加的電壓越高，勢阱越深，電荷留在阱內(nèi)量越多。只要電壓存在，電子就能儲存在勢阱里。由于絕緣氧化物層使得電子不能穿過而到達(dá)電極，因此存貯在勢阱里的電子形成了電荷包，其電荷量的多少與光照強(qiáng)度及照射時間成正比，于是所有電極下的電荷包就組成了與景物相對應(yīng)的電荷像。 信號電荷的存儲（示意圖）e-e-勢阱勢阱入射光MOSMOS電容器電容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe- e-勢阱勢阱入射光MOSMOS電容器電容器+UGe-e

20、-e- e-e-e-+UthUG Uth 時光滴光滴小桶小桶光敏元光敏元CCD 的工作過程的工作過程1. 有一個光電轉(zhuǎn)換裝置把入射到每一個感光像素上的光子轉(zhuǎn)化為有一個光電轉(zhuǎn)換裝置把入射到每一個感光像素上的光子轉(zhuǎn)化為電荷。電荷。CCD 的工作過程的工作過程2. 這些電荷可以被儲存起來。這些電荷可以被儲存起來。這一過程存在著以下問題： 當(dāng)一個像素聚集過多的電荷后，就會出現(xiàn)電荷溢出 溢出的電荷會跑到相臨的像素勢阱里去。這樣電量 就不能如實反映原物。要避免這種情況發(fā)生的方法：A 把桶做大些 B 減少測量時間C 把滿的水倒出一些D 做個導(dǎo)流管，讓溢出的水流到地上去，不要流到其他 桶里 對應(yīng)的方法：對應(yīng)的

21、方法：l由此可見，增大像素尺寸是最簡單有效的做法。水桶水桶CCD芯片芯片缺點(diǎn)缺點(diǎn)把桶做大增大單位像素尺寸減少測量時間縮短曝光時間對于暗的部分曝光不足把滿的水桶到出一些間歇開關(guān)時鐘電壓降低速度做個導(dǎo)流管溢出溝道和溢出門制作復(fù)雜，且還有缺陷 當(dāng)一個CCD芯片感光完畢后，每個像素所轉(zhuǎn)換的電荷包就按照一行的方向轉(zhuǎn)移出CCD感光區(qū)域，以為下一次感光釋放空間。3、電荷轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 為實現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)換： 1、必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。2、控制相鄰MOS電容柵極電壓高低調(diào)節(jié)勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺處流向

22、勢阱深處。3、在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。 CCD 的工作過程的工作過程3. 電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域。電荷可以被有秩序地轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域。3、電荷轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移 通過按照一定的時序在電極上施加高低電壓，使通過按照一定的時序在電極上施加高低電壓，使電荷在相鄰的勢阱間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。電荷在相鄰的勢阱間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。 通常把通常把CCD的的電極分為幾組電極分為幾組，每一組稱為一相，每一組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。并施加同樣的時鐘脈沖。 按相數(shù)可分為：二相按相數(shù)可分為：二相CCD、三相、三相CCD、四相、四相CCD等。等。 對于單層金屬化電極結(jié)構(gòu)，為了保證電荷的定向?qū)τ趩螌咏饘倩姌O結(jié)

23、構(gòu)，為了保證電荷的定向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。這里以轉(zhuǎn)移，至少需要三相。這里以三相表面溝道三相表面溝道CCD為例。為例。6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 3、電荷轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 表面溝道器件，即表面溝道器件，即 SCCD（Surface Channel CCD）轉(zhuǎn)移溝道在界面的轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件。器件。 6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 lt1： 時鐘驅(qū)動線1為高電平，由外界注入的信號電荷被存儲于 1電極下表面的勢阱中；lt 4：時鐘驅(qū)動線 1為低電平，時鐘驅(qū)動線 2為高電平，

24、信號電荷被存儲于 2電極下表面的勢阱中 l從而使信號電荷可控地一位一位地按順序傳輸，這就是所謂的電荷藕荷。6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 如何實現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移呢？如何實現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移呢？下面以三相控制方式為下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。 P1 P1 P2 P2 P3 P3t P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3(b)電荷轉(zhuǎn)移過程電荷轉(zhuǎn)移過程t=t0t=t1t=t2t=t30電荷包轉(zhuǎn)移驅(qū)動脈沖 像元Pn 轉(zhuǎn)移方向 像元Pn+1像元Pn+26.2.1

25、 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉(zhuǎn)移到輸出極的電荷轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的過程。 輸出類型，主要有以下三種： 1）電流輸出 2）浮置柵放大器輸出 3）浮置擴(kuò)散放大器輸出 （4 4）信號電荷的檢測）信號電荷的檢測 CCD 的工作過程的工作過程4. 信號電荷輸出，轉(zhuǎn)化成電流或電壓信號。信號電荷輸出，轉(zhuǎn)化成電流或電壓信號。背照明光輸入背照明光輸入1電荷生成電荷生成2電荷存儲電荷存儲3電荷轉(zhuǎn)移電荷轉(zhuǎn)移復(fù)位輸出4電荷檢測電荷檢測半導(dǎo)體半導(dǎo)體 CCD傳感器傳感器二、電荷耦合攝像器件的工作原理二、電荷耦合攝像器件的工作原理 CCD的電荷存儲、轉(zhuǎn)移的概念 + 半導(dǎo)體的

26、光電性質(zhì) CCD攝像器件 6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 電荷耦合器件有多種分類方法：電荷耦合器件有多種分類方法： 按結(jié)構(gòu)分線陣CCD和面陣CCD； 按光譜分為可見光CCD、紅外CCD、X光CCD和紫外CCD。 可見光CCD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD 。 按照像素排列方式的不同，可以將CCD分為線陣和面陣兩大類。 （1）線陣）線陣CCD 線陣CCD分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)的工作原理相仿，但性能略有差別。 單溝道傳輸單溝道傳輸用于低位數(shù)CCD傳感器。它的光敏單元與CCD移位寄存器SR分開，用轉(zhuǎn)移柵控制光生信號電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉時，光

27、敏單元勢阱收集光信號電荷，經(jīng)過一定的積分時間，形成與空間分布的光強(qiáng)信號對應(yīng)的信號電荷圖形。積分周期結(jié)束時，轉(zhuǎn)移柵打開，各光敏單元收集的信號電荷并行地轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器SR的響應(yīng)單元內(nèi)。轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開始對下一行圖像信號進(jìn)行積分。而已轉(zhuǎn)移到移位寄存器的上一行信號電荷，通過移位寄存器串行輸出，如此重復(fù)上述過程。(a)單溝道傳輸結(jié)構(gòu)單溝道傳輸結(jié)構(gòu) （1）線陣）線陣CCD 線陣CCD分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)的工作原理相仿，但性能略有差別。 雙溝道傳輸雙溝道傳輸結(jié)構(gòu)光敏單元在中間，其奇偶單元的信號電荷分別傳送到上、下兩列移位寄存器后串行輸出，最后合二為一，恢復(fù)信號電荷的原

28、有順序。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是光敏單元有較高的封裝密度，轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，可提高轉(zhuǎn)移效率，改善圖像傳感器性能。 轉(zhuǎn)移次數(shù)多、效率低。只適用于像素單元較少的成像器件。 轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率也提高為原來的兩倍。轉(zhuǎn)移柵像敏單元CCD移位寄存器像敏單元轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵 單溝道線陣單溝道線陣CCDCCD 雙溝道線陣雙溝道線陣CCD CCD 線陣CCD每次掃描一條線為了得到整個二維圖像的視頻信號，就必須用掃描的方法實現(xiàn)。（2）面陣）面陣CCD 按照一定的方式將一維線陣CCD的光敏單元及移位寄作器排列成二維陣列。就可以構(gòu)成二維面陣CCD。6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 面陣CCD同時曝光整個

29、圖像常見的面陣CCD攝像器件有兩種：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu) 與 幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)。 Full frame transfer（全幀轉(zhuǎn)移）芯片的每一個像素都感光。傳輸時，每一列向單行串行寄存器上相對應(yīng)的位置轉(zhuǎn)移。同時，串行寄存器向陣列的出口轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式Serial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameSerial RegisterOutput NodeActive ArrayFull FrameS

30、erial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayADCFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayADCFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameADCSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFu

31、ll FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameADCSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive ArrayFull FrameSerial RegisterPreamplifierOutput NodeActive Array彩色的形成彩色的形成 利用BAYER濾光片，讓相臨四個像素分別只能接收一色光。每個像素輸出的信息只是相應(yīng)色光的灰度值，之后通過軟件合成為彩色。每四個像素形成一個單元，一個負(fù)責(zé)每四個像素形成一個單元，一個負(fù)責(zé)過濾紅色、一個過濾藍(lán)色，兩個過濾

32、過濾紅色、一個過濾藍(lán)色，兩個過濾綠色（因為人眼對綠色比較敏感）綠色（因為人眼對綠色比較敏感） 6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 彩色CCD顯微照片（放大7000倍）6.2.1 電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件 751）轉(zhuǎn)移效率和損耗率 電荷包從一個勢阱向另一個勢阱中轉(zhuǎn)移有一個過程,為了描述電荷包轉(zhuǎn)移的不完全性，引入轉(zhuǎn)移效率的概念。在一定的時鐘脈沖驅(qū)動下，設(shè)電荷包的原電量為Q0，轉(zhuǎn)移到下一個勢阱時電荷包的電量為Q1，則轉(zhuǎn)移效率定義為: =Q1/Q0損耗率表示殘留于原勢阱中的電量與原電量之比，故 =1- （-）6.2.2 電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)電荷耦合攝像器件的特性參數(shù) .的特性參

33、數(shù)的特性參數(shù)76 如果線陣列CCD共有n個極板，則總效率為n。 引起電荷包轉(zhuǎn)移不完全的主要原因是表面態(tài)對電子的俘獲和時鐘頻率過高，所以表面溝道CCD在使用時，為了提高轉(zhuǎn)移效率，常采用偏置電荷技術(shù)，即在接收信息電荷之前，就先給每個勢阱都輸入一定量的背景電荷，使表面態(tài)填滿。這樣，即使是零信息，勢阱中也有一定量的電荷。因此，也稱這種技術(shù)為“胖零（fat zero）”技術(shù)。6.2.2 電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)電荷耦合攝像器件的特性參數(shù) ）不均勻度 不均勻度包括光敏元的不均勻性與的不均勻性。 本節(jié)討論光敏元的不均勻性，認(rèn)為是近似均勻的，即每次轉(zhuǎn)移的效率是一樣的。 定義光敏元響應(yīng)的均方根偏差對平均響應(yīng)的

34、比值為的不均勻度： 式中，為第個光敏元原始響應(yīng)的等效電壓；為平均原始響應(yīng)等效電壓；為線列的總位數(shù)。6.2.2 電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)電荷耦合攝像器件的特性參數(shù) l由于轉(zhuǎn)移損失的存在，的輸出信號與它所對應(yīng)的光敏元的原始響應(yīng)并不相等。l根據(jù)總損失公式，在測得后，可求出：式中，是的相數(shù)。6.2.2 電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)電荷耦合攝像器件的特性參數(shù) ）暗電流 成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱暗信號，即暗電流。暗電流的根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā)。由于工藝過程不完善及材料不均勻等因素的影響，中暗電流密度的分布是不均勻的。暗電流的危害有兩個方面：限制器件的低頻限，引起固定

35、圖像噪聲。6.2.2 電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)電荷耦合攝像器件的特性參數(shù) 80 4）光譜響應(yīng)特性 現(xiàn)在固件攝象器件中的感光元件都是用半導(dǎo)體硅材料來作的，所以靈敏范圍為0.41.15m左右，但光譜特性曲線不象單個硅光電二極管那么銳利，峰值波長為0.650.9m左右。 CCD的光譜特性曲線6.2.2 電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)電荷耦合攝像器件的特性參數(shù) 圖6.23 CCD 的光譜特性曲線）動態(tài)范圍與線性度 線性度是指在動態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號與曝光量的關(guān)系是否成直線關(guān)系。6.2.2 電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)電荷耦合攝像器件的特性參數(shù) ）噪聲）噪聲 的噪聲可歸納為三類：散粒的噪聲可歸納為三類：散粒噪

36、聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲。噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲。l(1) 散粒噪聲 在CCD中，無論是光注入、電注入還是熱產(chǎn)生的信號電荷包的電子數(shù)總有一定的不確定性，也就是圍繞平均值上下變化，形成噪聲。這種噪聲常被稱為散粒噪聲，它與頻率無關(guān)，是一種白噪聲。l (2) 轉(zhuǎn)移噪聲 轉(zhuǎn)移噪聲主要是由轉(zhuǎn)移損失及表面態(tài)俘獲引起的噪聲，這種噪聲具有積累性和相關(guān)性。積累性是指轉(zhuǎn)移噪聲是在轉(zhuǎn)移過程中逐次積累起來的，與轉(zhuǎn)移次數(shù)成正比；相關(guān)性是指相鄰電荷包的轉(zhuǎn)移噪聲是相關(guān)的，因為電荷包在轉(zhuǎn)移過程中，每當(dāng)有Q電荷轉(zhuǎn)移到下一個勢阱時，必然在原來勢阱中留下一減量Q電荷，這份減量電荷疊加到下一個電荷包中，所以電荷包每次轉(zhuǎn)移要引進(jìn)兩份噪聲。

37、這兩份噪聲分別與前、后相鄰?fù)诘碾姾砂霓D(zhuǎn)移噪聲相關(guān)，l (3) 熱噪聲 熱噪聲是由于固體中載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動引起的，在OK以上，無論其中有無外加電流通過，都有熱噪聲，對信號電荷注入及輸出影響最大。 以上3種噪聲源獨(dú)立無關(guān)，所以CCD的總噪聲功率是它們的均方和。 .的特性 圖像傳感器可直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。 其顯著特點(diǎn)是： 體積小，重量輕； 功耗小，工作電壓低，抗沖擊與振動，性能穩(wěn)定，壽 命長； 靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大； 響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像； 應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度 高，尺寸精確，商品化生

38、產(chǎn)成本低。6.2.2 電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)電荷耦合攝像器件的特性參數(shù) 我國的CCD研制工作起步較晚，目前整體落后于日歐美等國，但是發(fā)展?jié)摿艽蟆?嫦娥二號攜帶的CCD立體攝像機(jī) 提高分辨率與單純增加像素數(shù)之間存在著一種矛盾。富士公司對人類視覺進(jìn)行了全面研究，研制出了超級CCD ( Super CCD) 。（4）特殊）特殊CCD的發(fā)展的發(fā)展1.超級超級CCD 傳統(tǒng)傳統(tǒng)CCD CCD 超級超級CCD CCD 6.2.2 電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)電荷耦合攝像器件的特性參數(shù) 由于地球引力等因素影響，圖像信息空間頻率的功率主要聚集于水平軸和垂直軸，而45對角線上功率最低。 根據(jù)富士公司發(fā)表的技術(shù)

39、資料，超級CCD的這種排列方式，感光時可以達(dá)到傳統(tǒng)CCD兩倍的分辨力。 八角形光電二極管以及45度排列陣列45 排列結(jié)構(gòu)排列結(jié)構(gòu) 用八角形像素單元取代傳統(tǒng)矩形單元，使像素空間效率顯著提高、密度達(dá)到最大，從而可以使光吸收效率得到顯著提高。正八角形的像素外形超級超級CCD的性能提升的性能提升1.分辨力 獨(dú)特的45蜂窩狀像素排列，其分辨力比傳統(tǒng)CCD 高60%。2.感光度、信噪比、動態(tài)范圍 像敏元光吸收效率的提高使這些指標(biāo)明顯改善，在300 萬像素時提升達(dá)130% 。3.彩色還原 由于信噪比提高，且采用專門LSI 信號處理器， 彩色還原能力提高50%。 截止2009年2月4日，日本富士公司已研發(fā)了8

40、代超級 CCD。Super CCD EXR傳統(tǒng)三原色CCDSony發(fā)布的四色感應(yīng)CCD-ICX456 新增的這個顏色加強(qiáng)了對自然風(fēng)景的解色能力，讓綠色這個層次能夠創(chuàng)造出更多的變化。1. 組成測試儀器，可以測量物位、尺寸、工件損傷、組成測試儀器，可以測量物位、尺寸、工件損傷、自動焦點(diǎn)等。自動焦點(diǎn)等。2. 用作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如傳真技術(shù)。用作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如傳真技術(shù)。光學(xué)文字識別技術(shù)光學(xué)文字識別技術(shù)(OCR)與圖像識別技術(shù)、光譜測與圖像識別技術(shù)、光譜測量及空間遙感技術(shù)、機(jī)器人視覺技術(shù)等。量及空間遙感技術(shù)、機(jī)器人視覺技術(shù)等。3. 作為自動化流水線裝置中的敏感器件，例如可

41、用于作為自動化流水線裝置中的敏感器件，例如可用于機(jī)床、自動售貨機(jī)、自動搬運(yùn)車及自動監(jiān)視裝置機(jī)床、自動售貨機(jī)、自動搬運(yùn)車及自動監(jiān)視裝置等。等。6.2.2 電荷耦合攝像器件的應(yīng)用電荷耦合攝像器件的應(yīng)用 基于CCD光電耦器件的設(shè)備：數(shù)字相機(jī)、平板掃描儀、指紋機(jī)CMOS攝像器件攝像器件 采用CMOS技術(shù)可以將: 光電攝像器件陣列； 驅(qū)動和控制電路； 信號處理電路； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 全數(shù)字接口電路等 完全集成在一起， 可以實現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。6.2.3 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOS1）CMOS 圖像傳感器的基本原理圖像傳感器的基本原理 CMOS 圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換

42、原理與CCD 基本相同，其光敏單元受到光照后產(chǎn)生光生電子。而信號的讀出方法卻與CCD 不同，每個CMOS 源像素傳感單元都有自己的緩沖放大器，而且可以被單獨(dú)選址和讀出。CMOS 圖像傳感器的像素由感光元件和讀出電路組成，感光元件是將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，讀出電路是將這些電荷信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦菀鬃x取，更方便傳輸?shù)碾妷盒盘枴?CMOS 圖像傳感器的像素陣列是由大量相同的像素單元組成，這些相同的像素單元是傳感器的關(guān)鍵部分。6.2.3 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOSlCMOS 圖像傳感器通常也是以像素的不同類型為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類的，一般來說CMOS 圖像傳感器中的像素可分為

43、無源像素(Passive Pixel sensor，簡稱PPS)有源像素傳感器(Active Pixel sensor，簡稱APS)。l近年來又出現(xiàn)了新型的像素，數(shù)字像素(Digital Pixel Sensor 簡稱DPS)。6.2.3 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOS2）CMOS 的像素結(jié)構(gòu)（1）無源像素 無源像素由一個反向偏置的光電二極管和一個選通管構(gòu)成。每列像素有各自的電壓積分放大器讀出電路，它可以保持讀出時列信號電壓保持不變。它的工作原理是當(dāng)選通管開啟時，通過列線為光電二極管復(fù)位。復(fù)位結(jié)束后，選通管關(guān)閉。在曝光時間內(nèi)，光電荷在光電二極管的寄生電容上

44、積分。當(dāng)曝光結(jié)束后選通管打開，光電二極管與垂直的列線連通，與此同時，與光信號成正比的電荷由每列底部的電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電荷輸出，于是光電二極管存儲的信號電荷被讀出。6.2.3 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOS 由于無源像素的結(jié)構(gòu)簡單，像素內(nèi)只有一個選擇（通）管，所以其填充因子，即有效光敏面積和單元面積之比）很大，這使得量子效率很高。 但是這種結(jié)構(gòu)存在著兩方面的不足：其一，各像元中開關(guān)管的導(dǎo)通閾值難以完全匹配，所以即使器件所接收的入射光線完全均勻一致，其輸出信號仍會形成某種相對固定的特定圖形，也就是所謂的“固定模式噪聲” （ ，），致使的讀出噪聲很大，典型值

45、為個均方根電子，較大的固定模式噪聲的存在是其致命的弱點(diǎn)；6.2.3 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOS 其二，光敏單元的驅(qū)動能量相對較弱，故而列線不宜過長以期減小其分布參數(shù)的影響。受多路傳輸線寄生電容及讀出速率的限制，難以向大型陣列發(fā)展。6.2.3 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOS）有源像素 有源像素傳感器就是在每個光敏像元內(nèi)引入至少一個（一般為幾個） 有源放大器，如圖.所示。 它具有像元內(nèi)信號放大和緩沖作用。在像元內(nèi)設(shè)置放大元件，改善了像元結(jié)構(gòu)的噪聲性能。它的工作原理是首先復(fù)位管開啟為光電二極管復(fù)位，在曝光周期內(nèi)光電荷在反

46、偏結(jié)的寄生電容上積分，曝光結(jié)束選通管打開，光電二極管上的電壓信號通過緩沖器緩沖后讀出。有源像素在像素內(nèi)使用電壓跟隨器以減小填充因子為代價來提高像素性能。6.2.3 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOS）數(shù)字像素 上面提到的無源像素傳感器和有源像素傳感器的像素讀出都為模擬信號，于是它們又通稱為模擬像素傳感器。美國斯坦福大學(xué)最早提出了一種新的像素結(jié)構(gòu)數(shù)字像素傳感器（，），即它在像素單元里集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（） 和存儲單元（），如圖.所示。6.2.3 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOS.與器件的比較 和圖像傳感器在結(jié)構(gòu)和工作方式上的差別

47、，使得它們在應(yīng)用中也存在很大不同。主要有幾個方面： ）電荷讀出方式 ）集成度）讀取速度）功耗）價格）工藝）訪問靈活性）填充系數(shù)）靈敏度和動態(tài)范圍6.2.3 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOS與圖像傳感器的性能比較如表.所示。 6.2.3 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOS CCD相機(jī)拍出的圖片 CMOS相機(jī)拍出的片6.2.3 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOSl紅外焦平面器件（）就是將、技術(shù)引入紅外波段所形成的新一代紅外探測器，是現(xiàn)代紅外成像系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。建立在材料、探測器陣列、微電子、互連

48、、封裝等多項技術(shù)基礎(chǔ)之上。6.2.4 紅外焦平面器件紅外焦平面器件1）工作條件通常工作于、和的紅外波段并多數(shù)探測背景中的目標(biāo)。 2） 材料是目前最重要的紅外探測器材料，研制與發(fā)展是目前的主攻方向。 由光伏探測器陣列和或讀出電路通過銦柱互連而組成混合式結(jié)構(gòu)。）硅肖特基勢壘）非制冷A）多量子阱（）6.2.4 紅外焦平面器件紅外焦平面器件 6.3 紅外成像技術(shù)紅外成像技術(shù)l紅外成像技術(shù)又稱紅外熱成像技術(shù)，它是通過光學(xué)機(jī)械掃描系統(tǒng)，將物體發(fā)出的紅外線輻射會聚在紅外探測器上，形成紅外熱圖像，用來測量物體表面溫度分布狀態(tài)的一種現(xiàn)代技術(shù)。由于紅外成像技術(shù)具有無損、非接觸、簡便的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。l

49、年，開始采用近紅外進(jìn)行攝影。l年，苛勒發(fā)明了銀氧銫（）光陰極，開創(chuàng)了紅外成像器件的先河。l世紀(jì)年代中期，荷蘭、德國、美國各自獨(dú)立研制成紅外變像管，紅外夜視系統(tǒng)應(yīng)用于實戰(zhàn)。l年，美國陸軍制成第一臺熱像記錄儀。l紅外輻射的倍頻程比可見光寬。l倍頻程：若使每一頻帶的上限頻率比下限頻率高一倍，即頻率之比為，這樣劃分的每l一個頻程稱為倍頻程，簡稱倍頻程。l可見光：.，一個倍頻程；l紅外線：.，商為，個倍頻程。6.3 紅外成像技術(shù)紅外成像技術(shù)l自然界一切高于熱力學(xué)零度（.） 的物體都具有一定的溫度，并以電磁波的形l式向外輻射能量。根據(jù)普朗克熱輻射定律，物體的熱輻射是波長和溫度的函數(shù)，溫度越高，l輻射能量越

50、大，其輻射波長越短。在此主要討論攝像管的結(jié)構(gòu)和原理。l紅外成像系統(tǒng)可分為主動式紅外成像系統(tǒng)和被動式紅外成像系統(tǒng)。6.3.1紅外成像技術(shù)的基本原理紅外成像技術(shù)的基本原理、主動式紅外成像系統(tǒng) 主動式紅外成像系統(tǒng)自身帶有紅外光源，是根據(jù)被成像物體對紅外光源的不同反射率，以紅外變像管作為光電成像器件的紅外成像系統(tǒng)，如紅外夜視儀。l優(yōu)點(diǎn)：成像清晰，對比度高，不受環(huán)境光源影響。l缺點(diǎn)：易暴露，不利于軍事應(yīng)用。6.3.1紅外成像技術(shù)的基本原理紅外成像技術(shù)的基本原理）光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)包括目鏡組和物鏡組。物鏡組：物鏡組：把目標(biāo)成像于變像管的光陰極面上；目鏡組：目鏡組：把變像管熒光屏上的像放大，便于人眼觀察。6.

51、3.1紅外成像技術(shù)的基本原理紅外成像技術(shù)的基本原理）紅外變像管 紅外變像管是主動式紅外成像系統(tǒng)的核心，是一種高真空圖像轉(zhuǎn)換器件，完成從近紅外圖像到可見光圖像的轉(zhuǎn)換并增強(qiáng)圖像，如圖.所示。 近紅外輻射照射到光陰極面轉(zhuǎn)換成電子流圖像，然后通過電子光學(xué)系統(tǒng)中的高能電子，將電子流圖像打到熒光屏上，轉(zhuǎn)化為可見光圖像。6.3.1紅外成像技術(shù)的基本原理紅外成像技術(shù)的基本原理）主動式紅外成像系統(tǒng)的特點(diǎn)（）能夠區(qū)分軍事目標(biāo)和自然景物，識別偽裝。圖.所示是典型目標(biāo)的反射曲線，從圖中可知，自然景物的輻射在近紅外光譜區(qū)。6.3.1紅外成像技術(shù)的基本原理紅外成像技術(shù)的基本原理（）近紅外輻射比可見光受大氣散射影響小，較易

52、通過大氣層（惡劣天氣除外）。（）由于系統(tǒng)“主動照明”，工作時不受環(huán)境照 明影響，可以在“全黑”條件下工作。.被動式紅外成像系統(tǒng) 紅外熱成像系統(tǒng)是典型的被動式成像系統(tǒng)，如圖.所示為高品質(zhì)紅外熱像儀。6.3.1紅外成像技術(shù)的基本原理紅外成像技術(shù)的基本原理 自然界中，溫度高于熱力學(xué)零度的一切物體，總是在不斷地發(fā)射紅外輻射。收集并探測這些輻射能，就可以形成與景物溫度分布相對應(yīng)的熱圖像。 熱圖像再現(xiàn)了景物各部分溫度和輻射發(fā)射率的差異，能夠顯示出景物的特征。 紅外熱成像系統(tǒng)的成像與普通成像系統(tǒng)的對比如圖.所示，其中小圖是可見光圖像，大圖是熱圖像。6.3.1紅外成像技術(shù)的基本原理紅外成像技術(shù)的基本原理 紅外

53、熱成像系統(tǒng)分為光機(jī)掃描型和非掃描型。光機(jī)掃描型圖像質(zhì)量好，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。非掃描型結(jié)構(gòu)簡單，圖像質(zhì)量有待提高。）光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng) 光機(jī)掃描型紅外熱成像系統(tǒng)的核心部分是光學(xué)系統(tǒng)部分、紅外探測與制冷部分、電子信號處理系統(tǒng)部分、顯示系統(tǒng)部分，如圖.和圖.所示。6.3.1紅外成像技術(shù)的基本原理紅外成像技術(shù)的基本原理 目標(biāo)物體瞬時視場的輻射光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)，會聚光束經(jīng)過水平掃描和垂直掃描，將二維掃描圖像成像在探測器上，然后經(jīng)過放大器放大，顯示在顯示器上。6.3.1紅外成像技術(shù)的基本原理紅外成像技術(shù)的基本原理）紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)（）紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。 紅外熱成像技術(shù)是一種被動式的非接觸的

54、檢測與識別，隱蔽性好。 紅外熱成像技術(shù)不受電磁干擾，能遠(yuǎn)距離精確跟蹤熱目標(biāo)，精確制導(dǎo)。 紅外熱成像技術(shù)能真正做到全天候監(jiān)控。 紅外熱成像技術(shù)的探測能力強(qiáng)，作用距離遠(yuǎn)。 紅外熱成像技術(shù)可采用多種顯示方式，把人類的感官由五種增加到六種。 紅外熱成像技術(shù)能直觀地顯示物體表面的溫度場，不受強(qiáng)光影響，應(yīng)用廣泛。6.3.1紅外成像技術(shù)的基本原理紅外成像技術(shù)的基本原理（）紅外熱成像技術(shù)的缺點(diǎn)。 圖像對比度低，分辨細(xì)節(jié)能力較差。 不能透過透明的障礙物看清目標(biāo)，如窗戶玻璃。 成本高、價格貴。6.3.1紅外成像技術(shù)的基本原理紅外成像技術(shù)的基本原理）靈敏度 靈敏度定義為輸出信號電流與輸入信號光通量（或照度） 的比值

55、。光電導(dǎo)攝像管靈敏度為（ -12） 式中，為靶的工作電壓；為光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)；為光電導(dǎo)轉(zhuǎn)換系數(shù)；為時間常數(shù)；幀周期。 為了提高攝像管的靈敏度，通常采用信號倍增和放大的措施。因為這些放大作用是通過像管內(nèi)部進(jìn)行的，所以稱為內(nèi)增益。 實現(xiàn)內(nèi)增益的方法主要有：放大入射光信號，如在攝像管前面加耦合像增強(qiáng)器；改變光入射為光電子入射，如附加移相部分；利用閱讀電子束進(jìn)行倍增，如設(shè)置反束電子倍增器。6.3.2 紅外成像器件的參數(shù)紅外成像器件的參數(shù)）分辨力 分辨力是攝像管的一項重要指標(biāo)，它是攝像管分辨圖像細(xì)節(jié)的能力或清晰度。分辨力通常用“線對毫米”來表示，一般都有線對測試卡，但是用測試卡測得的分辨力有隨機(jī)性，所以

56、分辨力多用調(diào)試深度來表示，如圖.所示。圖中輸入光敏面上兩種疏密不同的光信號條紋，照射到光敏面上，取出光電流進(jìn)入示波器上讀出兩組不同疏密條紋的光電流，分別為，寬細(xì)條紋的光電流（）作為基礎(chǔ)（圖中的寬條紋），那么即為調(diào)制深度，按圖示的讀法就是對線的調(diào)制深度。6.3.2 紅外成像器件的參數(shù)紅外成像器件的參數(shù)）信噪比 輸出信號電流峰峰值與輸出電流中所含噪聲均方值的比值。攝像管的噪聲來源主要有： （）光子、光電子、載流子、二次發(fā)射電子、掃描電子的散粒噪聲； （）載流子的產(chǎn)生復(fù)合噪聲； （）熱噪聲； （）噪聲； （）預(yù)放器噪聲。）動態(tài)響應(yīng)范圍 攝像管所能允許的光照強(qiáng)度變化的范圍稱為動態(tài)響應(yīng)范圍，其下限取決于

57、低照度下的信噪比，而上限取決于靶面儲存電荷的能力。通常靶的電位起伏最高限為幾伏，否則會影響電子束的聚焦與邊緣電子束的著靶。6.3.2 紅外成像器件的參數(shù)紅外成像器件的參數(shù) 紅外光學(xué)系統(tǒng)主要由紅外光學(xué)系統(tǒng)主要由紅外物鏡系統(tǒng)紅外物鏡系統(tǒng)和和掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)組組成。成。 1. 紅外物鏡系統(tǒng)紅外物鏡系統(tǒng)（1）透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)）透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：無擋光，加工球面透鏡較容易，通過光學(xué)無擋光，加工球面透鏡較容易，通過光學(xué)設(shè)計易消除各種像差。設(shè)計易消除各種像差。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：光能損失較大，裝配調(diào)整比較困難。光能損失較大，裝配調(diào)整比較困難。 6.3.3 典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)典型的紅外光學(xué)系統(tǒng) （2）反

58、射式反射式紅外光學(xué)系統(tǒng)紅外光學(xué)系統(tǒng) 由于紅外輻射的波長較長，能透過它的材由于紅外輻射的波長較長，能透過它的材料很少，因而料很少，因而大都采用反射式紅外光學(xué)系統(tǒng)大都采用反射式紅外光學(xué)系統(tǒng)。 按反射鏡截面的形狀不同，反射系統(tǒng)有：按反射鏡截面的形狀不同，反射系統(tǒng)有： 球面形球面形 ；拋物面形；拋物面形； 雙曲面形；橢球面形雙曲面形；橢球面形等幾種。等幾種。6.3.3 典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)典型的紅外光學(xué)系統(tǒng) 拋物面 平面 結(jié)構(gòu)簡單，易于加工；但擋光大，結(jié)構(gòu)尺寸大 圖.牛頓光學(xué)系統(tǒng)示意圖6.3.3 典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)典型的紅外光學(xué)系統(tǒng) 拋物面 雙曲面 較牛頓系統(tǒng)擋光小，結(jié)構(gòu)尺寸小；但加工困難。 圖.卡塞格

59、倫系統(tǒng)示意圖6.3.3 典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)典型的紅外光學(xué)系統(tǒng) 拋物面 橢圓面 加工難道介于前兩種系統(tǒng)之間圖.格利高利系統(tǒng)示意圖6.3.3 典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)典型的紅外光學(xué)系統(tǒng) 球面反射鏡 校正球面鏡的像差 結(jié)構(gòu)尺寸大，校正板加工困難 圖.施密特系統(tǒng)示意圖6.3.3 典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)典型的紅外光學(xué)系統(tǒng) l馬克蘇托夫系統(tǒng)：主鏡是球面反射鏡，采用負(fù)透鏡（稱為馬克蘇托夫校正板） 校正球面鏡的像差，如圖.所示。6.3.3 典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)典型的紅外光學(xué)系統(tǒng) 2. 掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng) 平行光束掃描平行光束掃描 :掃描器置于聚光光掃描器置于聚光光學(xué)系統(tǒng)之前，在平行光路中對被觀察學(xué)系統(tǒng)之前，在平行光路中對被

60、觀察景物進(jìn)行掃描。景物進(jìn)行掃描。 會聚光束掃描會聚光束掃描 ：掃描器安置在聚光掃描器安置在聚光光學(xué)系統(tǒng)和探測器之間的光路中，在光學(xué)系統(tǒng)和探測器之間的光路中，在物鏡會聚光束中對像方光束進(jìn)行掃描。物鏡會聚光束中對像方光束進(jìn)行掃描。 6.3.3 典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)典型的紅外光學(xué)系統(tǒng) ）常用的光機(jī)掃描方案 常用的光機(jī)掃描方案有兩種。一種方案是反射鏡鼓行掃描、擺鏡場掃描，如圖.所示。擺動平面鏡置于會聚光路中，做場掃描；旋轉(zhuǎn)反射鏡裝置于會聚光系統(tǒng)中的平行光路中，做行掃描。這種方案適于小視場單元器件掃描，不適合高速掃描。6.3.3 典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)典型的紅外光學(xué)系統(tǒng) l第二種方案是反射鏡鼓行掃描、折射鏡場