光電成像系統(tǒng).pdf

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1、光電成像系統(tǒng)［教學(xué)目得]1、掌握CCD得結(jié)構(gòu)與工作原理、光電成像原理、光電成像光學(xué)系統(tǒng);2、了解微光像增強器件與纖維光學(xué)成像原理。［教學(xué)重點與難點］重點：CCＤ得結(jié)構(gòu)與工作原理、光電成像原理、光電成像光學(xué)系統(tǒng)得組成。難點：CCD得結(jié)構(gòu)與工作原理、調(diào)制傳遞函數(shù)得分析。成像轉(zhuǎn)換過程有四個方面得問題需要研究:能量方面-—物體、光學(xué)系統(tǒng)與接收器得光度學(xué)、輻射度學(xué)性質(zhì)，解決能否探測到目標(biāo)得問題成像特性——能分辨得光信號在空間與時間方面得細致程度,對多光譜成像還包括它得光譜分辨率噪聲方面——決定接收到得信號不穩(wěn)定得程度或可靠性信息傳遞速率方面(成像特性、噪聲-—信

2、息傳遞問題,決定能被傳遞得信息量大?。┕庠垂夤夤庑判判判判盘柼柼柼柼栁矬w光學(xué)系統(tǒng)光電攝像器件傳輸介質(zhì)顯示器人眼(信號源)(信號分析器)(信號變換器)背背噪噪景景聲聲噪噪聲聲光電成像器件就是光電成像系統(tǒng)得核心。§1固體攝像器件固體攝像器件得功能:把入射到傳感器光敏面上按空間分布得光強信息(可見光、紅外輻射等)，轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出得電信號——視頻信號,而視頻信號能再現(xiàn)入射得光輻射圖像。固體攝像器件主要有三大類:電荷耦合器件(ChargeCouｐlｅdDeｖicｅ，即CCD）互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即CMＯS)電荷注入器件（ChargeIｎjenｃ

3、ｔionDevice,即ＣID）一、電荷耦合攝像器件電荷耦合器件（ＣCD）特點）—-以電荷作為信號CＣD得基本功能——電荷存儲與電荷轉(zhuǎn)移CCD工作過程——信號電荷得產(chǎn)生、存儲、傳輸與檢測得過程1.電荷耦合器件得基本原理(1)電荷存儲構(gòu)成CCD得基本單元就是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)與深度耗盡狀態(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)移溝道在界面得ＣCＤ器件體內(nèi)溝道（或埋溝道CCD)即BCCD(BulkorＢｕrｉｅdChannelCCＤ）——用離子注

4、入方法改變轉(zhuǎn)移溝道得結(jié)構(gòu),從而使勢能極小值脫離界面而進入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)得轉(zhuǎn)移溝道,避免了表面態(tài)得影響，使得該種器件得轉(zhuǎn)移效率高達99、999％以上,工作頻率可高達100MHｚ，且能做成大規(guī)模器件(3)電荷檢測浮置擴散輸出CCD輸出信號得特點就是：信號電壓就是在浮置電平基礎(chǔ)上得負電壓；每個電荷包得輸出占有一定得時間長度T。；在輸出信號中疊加有復(fù)位期間得高電平脈沖。對ＣCD得輸出信號進行處理時,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。2.電荷耦合攝像器件得工作原理CCD得電荷存儲、轉(zhuǎn)移得概念+半導(dǎo)體得光電性質(zhì)——CＣD攝像器件按結(jié)構(gòu)

5、可分為線陣CCD與面陣CＣＤ按光譜可分為可見光CCD、紅外CＣD、X光ＣＣＤ與紫外CCD可見光CＣD又可分為黑白CCD、彩色CCＤ與微光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常見得面陣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、電荷耦合攝像器件得特性參數(shù)1、轉(zhuǎn)移效率電荷包從一個柵轉(zhuǎn)移到下一個柵時,有部分得電荷轉(zhuǎn)移過去，余下部分沒有被轉(zhuǎn)移,稱轉(zhuǎn)移損失率。一個電荷量為得電荷包，經(jīng)過n次轉(zhuǎn)移后得輸出電荷量應(yīng)為:總效率為:2、不均勻度光敏元得不均勻與CCD得不均勻。本節(jié)討論光敏元得不均勻性,認為CＣD就是近

6、似均勻得，即每次轉(zhuǎn)移得效率就是一樣得。光敏元響應(yīng)得不均勻就是由于工藝過程及材料不均勻引起得，越就是大規(guī)模得器件,均勻性問題越就是突出,這往往就是成品率下降得重要原因。定義光敏元響應(yīng)得均方根偏差對平均響應(yīng)得比值為CCD得不均勻度:式中為第ｎ個光敏元原始響應(yīng)得等效電壓，為平均原始響應(yīng)等效電壓；N為線列CＣD得總位數(shù)。由于轉(zhuǎn)移損失得存在,CCD得輸出信號與它所對應(yīng)得光敏元得原始響應(yīng)并不相等。根據(jù)總損失公式,在測得后，可求出:式中Ｐ就是CCD得相數(shù)３、暗電流ＣCD成像器件在既無光注入又無電注入情況下得輸出信號稱暗信號，即暗電流。暗電流得根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)

7、合中心得熱激發(fā)。由于工藝過程不完善及材料不均勻等因素得影響,CCD中暗電流密度得分布就是不均勻得。暗電流得危害有兩個方面:限制器件得低頻限、引起固定圖像噪聲４、靈敏度(響應(yīng)度)它就是指在一定光譜范圍內(nèi),單位曝光量得輸出信號電壓(電流）.5、光譜響應(yīng)ＣCD得光譜響應(yīng)就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)得波長,稱峰值波長,通常將10％(或更低）得響應(yīng)點所對應(yīng)得波長稱截止波長。有長波端得截止波長與短波端得截止波長,兩截止波長之間所包括得波長范圍稱光譜響應(yīng)范圍。6、噪聲CＣD得噪聲可歸納為三類:散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲與熱噪聲。7、分辨率分辨率

8、就是攝像器件最重要得參數(shù)之一，它就是指攝像器件對物像中明暗細節(jié)得分辨能力。測試時用專門得測試卡