5.1固体摄像系统 5.2课件.pptVIP

第5章 光电成像系统 0 光电成像器件的发展 近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进行光学图像处理与图像测量已成为现代光学仪器、现代测控技术的重要发展方向。它广泛应用于遥感、遥测技术、图形图像测量技术和监控工程等，成为现代科学技术的重要组成部分。 1934年研制出光电像管，应用于时内外的广播电视摄像。它的灵敏度相当低，要达到现在图像信噪比的要求，需要不低于10000 lx的照度，这是它的应用范围受到很大限制。 1947年超正析摄像管面世，使最低照度降至2000 lx。 1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成本低，体积小，灵敏度和分辨率都较高，但不是适用于高速场合和彩色应用。 1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩色电视广播摄像机的发展产生了一个飞跃。 1976年前后，又相继出现灵敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶管。 1970年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器件（CCD）原理，从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶段——CCD固体摄像器件的发展阶段。 成像特性、噪声——信息传递问题，决定能被传递的信息量大小 成像转换过程有四个方面的问题需要研究： 像管和摄像管的区别： 摄像器件分类： 直径( 英寸)：3,1.5,1,2/3,1/2。 超正析像管：惰性小噪声大。 视像管：电场和长磁场聚焦； 网电极保证电子束垂直上靶。 固体摄像器件：无须扫描和 聚焦(按像素移位)，光谱响应 宽，功耗低，可集成处理电路。 有电荷耦合 (CCD)和CMOS 摄像器件，它是发展方向。 固体摄像器件主要有三大类： 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injection Device，即CID） 一、电荷耦合摄像器件 贝尔实验室的W. S. Boyle，G. E. Smith在探索磁泡器件的电模拟工作中，在1969年秋构思了电荷耦合器件的原理 他们首先提出的一种器件结构是采用相同的电极和三相时钟系统，为隔离各个电荷包，最少需要三相时钟 体内沟道（或埋沟道CCD），即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）——用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达99.999％以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件 电荷存储 电荷转移 电荷检测 信号电压是在浮置电平基础上的负电压； 每个电荷包的输出占有一定的时间长度To； 在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲； 对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。 2 电荷耦合摄像器件的工作原理 按结构可分为线阵CCD和面阵CCD 按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD 可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD CCD 摄像器件的工作原理： 彩色摄像机的分光：棱镜和滤色片分光 CCD彩色摄像机 3CCD：用前一像素替 换有缺陷的缺陷补偿电路； 以G为准的白平衡，故色 差中G替Y；Y控制光圈； 轮廓补偿提高清晰度；处 理电路有彩色校正、γ校 正、黑斑补偿等。 2CCD：R,B共用CCD 后青色滤光片衰减红以保 持增益一致；条形滤色片 和识别电路分离红和蓝色； G独占CCD保证清晰度。 技术指标低于3CCD，适用 于专业级摄像应用。 线阵CCD 面阵CCD 彩色CCD 二、电荷耦合摄像器件的特性参数 定义光敏元响应的均方根偏差对平均响应的比值为CCD的不均匀度 ： CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流 暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发 由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，CCD中暗电流密度的分布是不均匀的 5 光谱响应 7 分辨率 SONY ICX429AKL 三、CMOS摄像器件 采用CMOS技术可以将光电 摄像器件阵列、驱动和控制 电路、信号处理电路、模／ 数转换器、全数字接口电路 等完全集成在一起，可以 实现单芯片成像系统 ——Camera-On-A-Chip 1 CMOS像素结构 无源像素型（PPS） 有源像素型（APS） MOS 摄像器件的工作原理： 光栅型有源像素结构（PG－APS） 外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元，行像素内的信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。行选通单元可以