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第8章 圖像信息的光電變換,8.1 圖像傳感器簡(jiǎn)介,8.1.1 圖像傳感器發(fā)展歷史 完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。光電圖像傳感器的發(fā)展歷史悠久，種類很多。 早在1934年就成功地研制出光電攝像管（Iconoscope），用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。但是，它的靈敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000lx的照度才能獲得較為清晰的圖像。使它的應(yīng)用受到限制。 1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico），的靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2 000lx以上。,1954年投放市場(chǎng)的高靈敏視像管（Vidicon）基本具有了成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，使廣播電視事業(yè)和工業(yè)電視事業(yè)有了更大的發(fā)展。 1965年推出的氧化鉛視像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，發(fā)展了彩色電視攝像機(jī)，使彩色廣播電視攝像機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。誕生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色攝像機(jī)。然而，氧化鉛視像管抗強(qiáng)光的能力低，余輝效應(yīng)影響了它的采樣速率。 1976年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。不斷滿足人們對(duì)圖像傳感器日益增長(zhǎng)的需要。 1970年，美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（CCD）的原理使圖像傳感器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全新的階段，使圖像傳感器,從真空電子束掃描方式發(fā)展成為固體自掃描輸出方式。,CCD圖像傳感器不但具有固體器件的所有優(yōu)點(diǎn)，而且它的自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性失真。即CCD圖像傳感器的輸出信號(hào)能夠不失真地將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成視頻電視圖像。而且，它的體積、重量、功耗和制造成本是電子束攝像管根本無法達(dá)到的。CCD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(shí)代。利用CCD圖像傳感器人們可以近距離的實(shí)地觀測(cè)星球表面的圖像，可以觀察腸、胃耳、鼻、喉等器官內(nèi)部的病變圖像信息，可以觀察人們不能直接觀測(cè)的圖像（如放射環(huán)境的圖像，敵方陣地圖像等）。CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。CCD圖像傳感器的應(yīng)用研究成為當(dāng)今高新技術(shù)的主流課題。,8.1.2 圖像傳感器的分類,CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。CCD圖像傳感器的應(yīng)用研究成為當(dāng)今高新技術(shù)的主流課題。它的發(fā)展推動(dòng)了廣播電視、工業(yè)電視、醫(yī)用電視、軍用電視、微光與紅外電視技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了機(jī)器視覺的發(fā)展，促進(jìn)了公安刑偵、交通指揮、安全保衛(wèi)等事業(yè)的發(fā)展。,圖像傳感器按其工作方式可分為掃描型兩類和直視型。掃描型圖像傳感器件通過電子束掃描或數(shù)字電路的自掃描方式將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成一維時(shí)序信號(hào)輸出出來。這種代表圖像信息的一維信號(hào)稱為視頻信號(hào)。視頻信號(hào)可通過信號(hào)放大和同步控制等處理后，通過相應(yīng)的顯示設(shè)備（如監(jiān)視器）還原成二維光學(xué)圖像信號(hào)。,視頻信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸與還原過程中都要遵守一定的規(guī)則才能保證圖像信息不產(chǎn)生失真，這種規(guī)則稱為制式。,例如廣播電視系統(tǒng)中遵循的規(guī)則被稱為電視制式。數(shù)字圖像傳輸與處理過程中根據(jù)計(jì)算機(jī)接口方式的不同也規(guī)定了許多種類的制式。,掃描型圖像傳感器輸出的視頻信號(hào)可經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（或稱其為數(shù)字圖像信號(hào)），存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并在軟件的支持下完成圖像處理、存儲(chǔ)、傳輸、顯示及分析等功能。因此，掃描型圖像傳感器的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過直視型圖像傳感器的應(yīng)用范圍。 直視型圖像傳感器用于圖像的轉(zhuǎn)換和增強(qiáng)。它的工作方式是將入射輻射圖像通過外光電轉(zhuǎn)化為電子圖像，再由電場(chǎng)或電磁場(chǎng)的加速與聚焦進(jìn)行能量的增強(qiáng)，并利用二次電子的發(fā)射作用進(jìn)行電子倍增，最后將增強(qiáng)的電子圖像激發(fā)熒光屏產(chǎn)生可見光圖像。 本章主要討論從光學(xué)圖像到視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理，即圖像傳感器的基本工作原理和典型應(yīng)用問題 。,8.2 光電成像原理與電視制式,8.2.1 光電成像原理,如圖8-1所示為光電成像系統(tǒng)的基本原理方框圖?？梢钥闯龉怆姵上裣到y(tǒng)常被分成攝像系統(tǒng)(攝像機(jī))與圖像顯示系統(tǒng)兩部分。攝像系統(tǒng)由光學(xué)成像系統(tǒng)（成像物鏡）、光電變換系統(tǒng)、同步掃描和圖像編碼等部分構(gòu)成，輸出全電視視頻信號(hào)。本節(jié)主要討論光電成像系統(tǒng)。,1.攝像機(jī)的基本原理,在外界照明光照射下或自身發(fā)光的景物經(jīng)成像物鏡成像在物鏡的像面(光電圖像傳感器的像面)上，形成二維空間光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像。 光電圖像傳感器完成將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成二維“電氣” 圖像的工作。,組成一幅圖像的最小單元稱為像素或像元，像元的大小或一幅圖像所包含的像元數(shù)決定了圖像的分辨率，分辨率越高，圖像的細(xì)節(jié)信息越豐富，圖像越清晰，圖像質(zhì)量越高。即將圖像分割得越細(xì)，圖像質(zhì)量越高。,高質(zhì)量的圖像來源于高質(zhì)量的攝像系統(tǒng)，其中主要是高質(zhì)量的光電圖像傳感器。,2. 圖像的分割與掃描,將一幅圖像分割成若干像素的方法有很多，超正析像管利用電子束掃描光電陰極的方法分割像素；視像管由電阻海顆粒分割；面陣CCD、CMOS圖像傳感器用光敏單元分割。被分割后的電氣圖像經(jīng)掃描才能輸出一維時(shí)序信號(hào)，掃描的方式也與圖像傳感器的性質(zhì)有關(guān)。 面陣CCD采用轉(zhuǎn)移脈沖方式將電荷包（像素信號(hào)）輸出一維時(shí)序信號(hào)；CMOS圖像傳感器采用順序開通行、列開關(guān)的方式完成像素信號(hào)的一維輸出。因此，有時(shí)也稱面陣CCD、CMOS圖像傳感器以自掃描的方式輸出一維時(shí)序電信號(hào)。 監(jiān)視器或電視接收機(jī)的顯像管幾乎都是利用電磁場(chǎng)使電子束偏轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)行與場(chǎng)掃描，因此，對(duì)于行、場(chǎng)掃描的速度、周期等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定，以便顯像管顯示理想的圖像。,如圖8-2（a）所示的亮度按正弦分布的光柵圖像，電子束掃描一行將輸出如圖8-2（b）所示正弦時(shí)序信號(hào)，其縱坐標(biāo)為與亮度L有關(guān)的電壓U，橫坐標(biāo)為掃描時(shí)間t。若圖像的寬度為W，圖像在x方向的亮度分布為L(zhǎng)x，設(shè)正弦光柵圖像的空間頻率為fx。電子束從左向右掃描（正程掃描）的時(shí)間頻率f應(yīng)為,(8-1),式中thf為行掃描周期，而W/thf應(yīng)為電子束的行掃描速度，記為vhf，式可改寫為 f=fxvhf （8-2）,CCD與CMOS等圖像傳感器只有遵守上述的掃描方式才能替代電子束攝像管，因此，,CCD與CMOS的設(shè)計(jì)者均使其自掃描制式與電子束攝像管相同。,8.2.2 電視制式,電視的圖像發(fā)送與接收系統(tǒng)中，圖像的采集（攝像機(jī)）與圖像顯示器必需遵守同樣的分割規(guī)則才能獲得理想的圖像傳輸。這個(gè)規(guī)則被稱為電視制式。 電視制式的制定，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的科技發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)條件，考慮本國(guó)或本地區(qū)電網(wǎng)對(duì)電視系統(tǒng)的干擾情況，人眼對(duì)圖像的視覺感受和人們對(duì)電視圖像的要求等條件制定。 目前，正在應(yīng)用中的電視制式一般有三種： 其中，我國(guó)以及西歐各國(guó)的彩色電視制式，該電視制式確定的場(chǎng)頻為50 Hz，隔行掃描每幀掃描行數(shù)為625行，伴音、圖像載頻帶寬為6.5 MHz。也稱為PAL彩色電視制式。 PAL電視制式中規(guī)定場(chǎng)周期為20ms,其中場(chǎng)正程時(shí)間為18.4ms, 場(chǎng)逆,1. PAL彩色電視制式,程時(shí)間為1.6ms；行頻為15625 Hz，行周期為64s,行正程時(shí)間為52s,行逆程時(shí)間為12s。,（1）電視圖像的寬高比 若用W和H分別代表電視屏幕上顯示圖像的寬度和高度，二者之比稱為圖像的寬高比，用表示 （8-3）,（2) 幀頻與場(chǎng)頻 每秒中電視屏幕變化的數(shù)目稱為幀頻。 我國(guó)電網(wǎng)頻率為50Hz，因此，采用了50Hz場(chǎng)頻和25 Hz幀頻的隔行掃描的PAL電視制式。,2. 掃描方式,（3）掃描行數(shù)與行頻 幀頻與場(chǎng)頻確定后，電視掃描系統(tǒng)中還需要確定的參數(shù)是每場(chǎng)掃描的行數(shù)，或電子束掃描一行所需要的時(shí)間，又稱為行周期。行周期的倒數(shù)稱為行頻。,綜合起來，我國(guó)現(xiàn)行電視制式（PAL制式）的主要參數(shù)為：寬高比=4/3；場(chǎng)頻fv=50 Hz；行頻fl=15 625 Hz；場(chǎng)周期T=20ms，其中場(chǎng)正程掃描時(shí)間為18.4ms，逆程掃描時(shí)間為1.6ms。行周期為64s，其中行正程掃描時(shí)間為52s，逆程掃描時(shí)間為12s。,（1）逐行掃描 顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)線圈，線圈中分別流過如圖8-3所示的鋸齒波電流，電子束在偏轉(zhuǎn)線圈形成的磁場(chǎng),作用下同時(shí)進(jìn)行水平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn)，完成對(duì)顯像管熒光屏的掃描。,（2）隔行掃描 根據(jù)人眼對(duì)圖像分辨能力確定掃描的水平行數(shù)至少應(yīng)大于600行，這對(duì)于逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于29000Hz才能保證人眼視覺對(duì)圖像的最低要求。這樣高的行掃描頻率，無論對(duì)攝像系統(tǒng)還是對(duì)顯示系統(tǒng)都提出了更高的要求。為了降低行掃描頻率，又,能保證人眼視覺對(duì)圖像分辨率及閃耀感的要求，早在20世紀(jì)初，人們就提出了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法。,兩場(chǎng)光柵均勻交錯(cuò)疊加是對(duì)隔行掃描方式的基本要求，否則圖像的質(zhì)量將大為降低。因此要求隔行掃描必須滿足下面兩個(gè)要求： 第一，要求下一幀圖像的掃描起始點(diǎn)應(yīng)與上一幀起始點(diǎn)相同，確保各幀掃描光柵重疊；,第二，要求相鄰兩場(chǎng)光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最高的清晰度。 從第一條要求考慮，每幀掃描的行數(shù)應(yīng)為整數(shù)，若在各場(chǎng)掃描電流都一樣的情況下，要滿足第二條要求，每幀均應(yīng)為奇數(shù)。那末，每場(chǎng)的掃描行數(shù)就要出現(xiàn)半行的情況。,8.4 電荷耦合器件,8.4.1 線陣CCD圖像傳感器,目前，我國(guó)現(xiàn)行的隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數(shù)為625行，每場(chǎng)掃描行數(shù)為312.5行。,CCD（Charge Coupled Devices，電荷耦合器件）圖像傳感器主要有兩種基本類型，一種為信號(hào)電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面進(jìn)行轉(zhuǎn)移的器件，稱為表面溝道CCD（簡(jiǎn)稱為SCCD）器件；另一種為信號(hào)電荷包存儲(chǔ)在距離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移的器件，稱為體溝道或埋溝道器件（簡(jiǎn)稱為BCCD）。下面以SCCD為例討論CCD的基本工作原理。,1.電荷存儲(chǔ),構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。如圖8-15（a）所示，在柵極G施加電壓UG之前p型半導(dǎo)體中空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正電壓UG（此時(shí)UG小于等于p型半導(dǎo)體的閾值電壓Uth）時(shí)，p型半導(dǎo)體中的空穴將開始被排斥，并在半導(dǎo)體中產(chǎn)生如圖8-15（b）所示耗盡區(qū)。,電壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將繼續(xù)向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸，如圖8-15（c）所示。UG大于Uth后，耗盡區(qū)的深度與UG成正比。,將半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)記為表面勢(shì)s，s將隨柵極電壓UG的增加而增加，他們的關(guān)系曲線如圖8-16所示。,圖8-16描述了在摻雜為1021 cm-3，氧化層厚度為0.1m、0.3m、0.4m和0.6m情況下，不存在反型層電荷時(shí) ，表面勢(shì)s與柵極電壓UG的關(guān)系曲線。從表面勢(shì)s與柵極電壓UG的關(guān)系曲線可以看出氧化層的厚度越薄曲線的直線性越好；在同樣的柵極電壓UG作用下，不同厚度的氧化層有著不同的表面勢(shì)。表面勢(shì)s表征了耗盡區(qū)的深度。,圖8-17為柵極電壓UG不變的情況下，表面勢(shì)s與反型層電荷密度Qinv之間的關(guān)系。由圖8-17可以看出，表面勢(shì)s隨反型層電荷密度Qinv的增加而線性減小。依據(jù)圖8-16與圖8-17的關(guān)系曲線，很容易用半導(dǎo)體物理中的“勢(shì)阱”概念來描述。電子所以被加有柵極電壓的MOS結(jié)構(gòu)吸引到半導(dǎo)體與氧化層的交界面處，是因?yàn)槟抢锏膭?shì)能最低。在沒有反型層電荷時(shí)，勢(shì)阱的“深度”與柵極電壓UG的關(guān)系恰如s與UG的關(guān)系，如圖8-18（a）空勢(shì)阱的情況。,Q=COXUG (8-6),2. 電荷耦合,3. CCD的電極結(jié)構(gòu),1.三相單層鋁電極結(jié)構(gòu),2. 三相電阻海結(jié)構(gòu),光學(xué)系統(tǒng),CCD2,3. 三相交疊硅柵結(jié)構(gòu),4. 二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu),5. 階梯狀氧化物結(jié)構(gòu),被測(cè)物,光學(xué)系統(tǒng)2,CCD2,光學(xué)系統(tǒng)1,重疊部分,6. 四相CCD,7. 體溝道CCD,模擬信號(hào),數(shù)字信號(hào),4. 電荷的注入和檢測(cè),（1）光注入,Qin=qNeoAtc,式中：為材料的量子效率；q為電子電荷量； Neo為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；tc為光的注入時(shí)間。,（2 ） 電注入 (1) 電流注入法 (2) 電壓注入法,如