光電成像系統(tǒng).doc

《光電成像系統(tǒng).doc》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。

1、光電成像系統(tǒng)[教學(xué)目的]1、掌握CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理、光電成像原理、光電成像光學(xué)系統(tǒng)；2、了解微光像增強(qiáng)器件和纖維光學(xué)成像原理。[教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)]重點(diǎn)：CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理、光電成像原理、光電成像光學(xué)系統(tǒng)的組成。難點(diǎn)：CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理、調(diào)制傳遞函數(shù)的分析。成像轉(zhuǎn)換過程有四個(gè)方面的問題需要研究：能量方面——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)的問題成像特性——能分辨的光信號在空間和時(shí)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噪聲方面——決定接收到的信號不穩(wěn)定的程

2、度或可靠性信息傳遞速率方面（成像特性、噪聲——信息傳遞問題，決定能被傳遞的信息量大?。┕怆姵上衿骷枪怆姵上裣到y(tǒng)的核心。§1固體攝像器件固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息（可見光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號——視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（ChargeInjenctionDevice，即CID）一、電荷

3、耦合攝像器件電荷耦合器件（CCD）特點(diǎn)）——以電荷作為信號CCD的基本功能——電荷存儲和電荷轉(zhuǎn)移CCD工作過程——信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測的過程1.電荷耦合器件的基本原理（1）電荷存儲構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器電荷耦合器件必須工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)（2）電荷轉(zhuǎn)移以三相表面溝道CCD為例表面溝道器件，即SCCD（SurfaceChannelCCD）——轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件體內(nèi)溝道（或埋溝道CCD）即BCCD（BulkorBuriedChannelCCD）——用

4、離子注入方法改變轉(zhuǎn)移溝道的結(jié)構(gòu)，從而使勢能極小值脫離界面而進(jìn)入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)的轉(zhuǎn)移溝道，避免了表面態(tài)的影響，使得該種器件的轉(zhuǎn)移效率高達(dá)99.999％以上，工作頻率可高達(dá)100MHz，且能做成大規(guī)模器件（3）電荷檢測浮置擴(kuò)散輸出CCD輸出信號的特點(diǎn)是：信號電壓是在浮置電平基礎(chǔ)上的負(fù)電壓；每個(gè)電荷包的輸出占有一定的時(shí)間長度T。；在輸出信號中疊加有復(fù)位期間的高電平脈沖。對CCD的輸出信號進(jìn)行處理時(shí)，較多地采用了取樣技術(shù)，以去除浮置電平、復(fù)位高脈沖及抑制噪聲。1.電荷耦合攝像器件的工作原理CCD的電荷存儲、轉(zhuǎn)

5、移的概念+半導(dǎo)體的光電性質(zhì)——CCD攝像器件按結(jié)構(gòu)可分為線陣CCD和面陣CCD按光譜可分為可見光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（1）線陣CCD線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)（2）面陣CCD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)。二、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)1.轉(zhuǎn)移效率電荷包從一個(gè)柵轉(zhuǎn)移到下一個(gè)柵時(shí)，有部分的電荷轉(zhuǎn)移過去，余下部分沒有被轉(zhuǎn)移，稱轉(zhuǎn)移損失率。一個(gè)電荷量為的電荷包，經(jīng)過n次轉(zhuǎn)移后的輸出電荷量應(yīng)為

6、：總效率為：2.不均勻度光敏元的不均勻與CCD的不均勻。本節(jié)討論光敏元的不均勻性，認(rèn)為CCD是近似均勻的，即每次轉(zhuǎn)移的效率是一樣的。光敏元響應(yīng)的不均勻是由于工藝過程及材料不均勻引起的，越是大規(guī)模的器件，均勻性問題越是突出，這往往是成品率下降的重要原因。定義光敏元響應(yīng)的均方根偏差對平均響應(yīng)的比值為CCD的不均勻度：式中為第n?個(gè)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；N為線列CCD的總位數(shù)。由于轉(zhuǎn)移損失的存在，CCD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。根據(jù)總損失公式，在測得后，可求出：

7、式中P是CCD的相數(shù)3.暗電流CCD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，CCD中暗電流密度的分布是不均勻的。暗電流的危害有兩個(gè)方面：限制器件的低頻限、引起固定圖像噪聲4.靈敏度（響應(yīng)度）它是指在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號電壓（電流）。5.光譜響應(yīng)CCD的光譜響應(yīng)是指等能量相對光譜響應(yīng)，最大響應(yīng)值歸一化為100%所對應(yīng)的波長，稱峰值波長，通常將10%（或更低）的響應(yīng)點(diǎn)所對應(yīng)的波

8、長稱截止波長。有長波端的截止波長與短波端的截止波長，兩截止波長之間所包括的波長范圍稱光譜響應(yīng)范圍。6.噪聲CCD的噪聲可歸納為三類：散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲。7.分辨率分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它是指攝像器件對物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。測試時(shí)用專門的測試卡。目前國際上一般用ＭＴＦ（調(diào)制傳遞函數(shù)）來表示分辨率。8.動態(tài)范圍與線性度動態(tài)范圍＝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。三、CMOS攝像器