第8章

圖像信息的光電變換

8.1圖像傳感器簡介

1.圖像傳感器的發(fā)展歷史

1934年，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10000lx的照度才能獲得較為清晰的圖像。使它的應用受到限制。

1947年，超正析像管（Imaige

Orthico），照度仍要求在2000lx以上。

1954年，視像管（Vidicon），靈敏度高，分辨率高，成本低，體積小，慣性大，不能用于高速運動圖像的測量

1965年，氧化鉛視像管(Plumbicon)，成功地取代了超正析像管，結構簡單，分辨率高，靈敏度高，體積小，慣性小，廣泛應用于彩色電視攝像機

1976年，硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）靈敏度更高，成本更低

1970年，電荷耦合器件（CCD），體積更小，靈敏度更高，應用更靈活更方便（1）最早：雷達掃描，用于偵查，是真0空器件；（2）1934-1985年：單管真空某色攝像管，靠線圈偏轉(zhuǎn)，線性失真；（3）1970年：CCD，位置信息很強，主要用于測量2.圖像傳感器的分類

圖像傳感器掃描型直視型真空電子束掃描固體自掃描：CCD變像管（完成圖像光譜的變化）像增強管（完成圖像強度的變化）紅外變像管紫外變像管X射線變像管光電型熱電型：熱釋電攝像管光電發(fā)射式攝像管光電導式攝像管由像敏面、電子透鏡顯像面構成串聯(lián)式級聯(lián)是微通道板式電子親和勢陰極制式:規(guī)則(手機、CCD、CMOS)（電視攝像管）工作過程掃描型：電子束掃描或自掃描方式將二維光學圖像轉(zhuǎn)換成一維時序信號（視頻信號）輸出（1）信號放大和同步控制，通過顯示設備還原成二維光學圖像；（2）A/D轉(zhuǎn)換器輸出具有某種規(guī)范的數(shù)字圖像信號，經(jīng)數(shù)字傳輸，顯示設備還原成二維光學圖像。直視型：圖像傳感器用于圖像的轉(zhuǎn)換和增強。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，再由電場或電磁場的加速與聚焦進行能量的增強，并利用二次電子的發(fā)射作用進行電子倍增，最后將增強的電子圖像激發(fā)熒光屏產(chǎn)生可見光圖像。。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)與圖像顯示系統(tǒng)兩部分。攝像系統(tǒng)由光學成像系統(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成，輸出全電視視頻信號。本節(jié)主要討論光電成像系統(tǒng)。

1.攝像機的基本原理

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，形成二維空間光強分布的光學圖像。

完成將光學圖像轉(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，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

（1）分割：正析像管：電子束掃描光電陰極的方法分割像素；視像管：電阻海顆粒分割；面陣CCD、CMOS：用光敏單元分割。被分割后的電氣圖像經(jīng)掃描輸出一維時序信號。（2）掃描：面陣CCD：轉(zhuǎn)移脈沖方式將電荷包（像素信號）輸出一維時序信號；CMOS：順序開通行、列開關的方式完成像素信號的一維輸出。因此，有時也稱面陣CCD、CMOS圖像傳感器以自掃描的方式輸出一維時序電信號。監(jiān)視器或電視接收機：幾乎都是利用電磁場使電子束偏轉(zhuǎn)而實現(xiàn)行與場掃描，因此，對于行、場掃描的速度、周期等參數(shù)進行嚴格的規(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）所示正弦時序信號，其縱坐標為與亮度L有關的電壓U，橫坐標為掃描時間t。若圖像的寬度為W，圖像在x方向的亮度分布為Lx，設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）的時間頻率f應為

(8-1)式中thf為行掃描周期，而W/thf應為電子束的行掃描速度，記為vhf，式可改寫為

f=fx·vhf

（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的設計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）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。這個規(guī)則被稱為電視制式。

電視制式的制定，應根據(jù)當時的科技發(fā)展狀況和技術條件，考慮本國或本地區(qū)電網(wǎng)對電視系統(tǒng)的干擾情況，人眼對圖像的視覺感受和人們對電視圖像的要求等條件制定。

目前，正在應用中的電視制式一般有三種：

其中，我國以及西歐各國的彩色電視制式，該電視制式確定的場頻為50Hz，隔行掃描每幀掃描行數(shù)為625行，伴音、圖像載頻帶寬為6.5MHz。也稱為PAL彩色電視制式。PAL電視制式中規(guī)定場周期為20ms,其中場正程時間為18.4ms,場逆1.PAL彩色電視制式

程時間為1.6ms；行頻為15625Hz，行周期為64μs,行正程時間為52μs,行逆程時間為12μs。（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α表示

（8-3）

（2）幀頻與場頻每秒中電視屏幕變化的數(shù)目稱為幀頻。我國電網(wǎng)頻率為50Hz，因此，采用了50Hz場頻和25Hz幀頻的隔行掃描的PAL電視制式。

2.掃描方式

（3）掃描行數(shù)與行頻幀頻與場頻確定后，電視掃描系統(tǒng)中還需要確定的參數(shù)是每場掃描的行數(shù)，或電子束掃描一行所需要的時間，又稱為行周期。行周期的倒數(shù)稱為行頻。

綜合起來，我國現(xiàn)行電視制式（PAL制式）的主要參數(shù)為：寬高比α=4/3；場頻fv=50Hz；行頻fl=15625Hz；場周期T=20ms，其中場正程掃描時間為18.4ms，逆程掃描時間為1.6ms。行周期為64μs，其中行正程掃描時間為52μs，逆程掃描時間為12μs。

（1）逐行掃描顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個方向的偏轉(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)線圈形成的磁場作用下同時進行水平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn)，完成對顯像管熒光屏的掃描。

（2）隔行掃描根據(jù)人眼對圖像分辨能力確定掃描的水平行數(shù)至少應大于600行，這對于逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于29000Hz才能保證人眼視覺對圖像的最低要求。這樣高的行掃描頻率，無論對攝像系統(tǒng)還是對顯示系統(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圖像分辨率及閃耀感的要求，早在20世紀初，人們就提出了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法。兩場光柵均勻交錯疊加是對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要求：第一，要求下一幀圖像的掃描起始點應與上一幀起始點相同，確保各幀掃描光柵重疊；第二，要求相鄰兩場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)應為整數(shù)，若在各場掃描電流都一樣的情況下，要滿足第二條要求，每幀均應為奇數(shù)。那末，每場的掃描行數(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，每場掃描行數(shù)為312.5行。CCD（ChargeCoupledDevices，電荷耦合器件）圖像傳感器主要有兩種基本類型，一種為信號電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面進行轉(zhuǎn)移的器件，稱為表面溝道CCD（簡稱為SCCD）器件；另一種為信號電荷包存儲在距離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移的器件，稱為體溝道或埋溝道器件（簡稱為BCCD）。下面以SCCD為例討論CCD的基本工作原理。

1.電荷存儲

構成CCD的基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導體）結構。如圖8-15（a）所示，在柵極G施加電壓UG之前p型半導體中空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的。當柵極施加正電壓UG（此時UG小于等于p型半導體的閾值電壓Uth）時，p型半導體中的空穴將開始被排斥，并在半導體中產(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。將半導體與絕緣體界面上的電勢記為表面勢Φs，Φs將隨柵極電壓UG的增加而增加，他們的關系曲線如圖8-16所示。圖8-16描述了在摻雜為1021cm-3，氧化層厚度為0.1μm、0.3μm、0.4μm和0.6μm情況下，不存在反型層電荷時

，表面勢Φs與柵極電壓UG的關系曲線。從表面勢Φs與柵極電壓UG的關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。表面勢Φs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Φs與反型層電荷密度Qinv之間的關系。由圖8-17可以看出，表面勢Φs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的關系曲線，很容易用半導體物理中的“勢阱”概念來描述。電子所以被加有柵極電壓的MOS結構吸引到半導體與氧化層的交界面處，是因為那里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與柵極電壓UG的關系恰如Φs與UG的關系，如圖8-18（a）空勢阱的情況。

Q=COXUG (8-6)2.電荷耦合3.CCD的電極結構

1.三相單層鋁電極結構2.三相電阻海結構光學系統(tǒng)CCD23.三相交疊硅柵結構

4.二相硅-鋁交疊柵結構

5.階梯狀氧化物結構

被測物光學系統(tǒng)2CCD2光學系統(tǒng)1重疊部分6.四相CCD

7.體溝道CCD模擬信號數(shù)字信號4.電荷的注入和檢測

（1）光注入Qin=ηqNeoAtc式中：η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為光的注入時間。

（2）電注入

(1)電流注入法

(2)電壓注入法

如圖8-21（a）所示為電流注入法結構如圖8-21（b）所示為電壓注入法結構(8-8)(8-9)（3）電荷的檢測(輸出方式)輸出電流Id與注入到二極管中的電荷量QS的關系Qs=Iddt(8-10)

5.CCD的特性參數(shù)

（1）電荷轉(zhuǎn)移效率η和電荷轉(zhuǎn)移損失率ε電荷轉(zhuǎn)移效率為

電荷轉(zhuǎn)移損失率為

電荷轉(zhuǎn)移效率與損失率的關系為

（2）驅(qū)動頻率

①驅(qū)動頻率的下限電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所用的時間t，少數(shù)載流子的平均壽命為τi

則

②驅(qū)動頻率的上限電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極的固有時間為τg

則

6.線型CCD攝像器件的兩種基本形式

(1)單溝道線陣CCD(2)雙溝道線陣CCD圖8-27為雙溝道線陣CCD攝像器件。它具有兩列CCD模擬移位寄存器A與B，分列在像敏陣列的兩邊。8.4.2面陣CCD圖像傳感器

(1)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD由成像區(qū)(像敏區(qū))、暫存區(qū)和水平讀出寄存器等三部分構成。(2)隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD(3)線轉(zhuǎn)移型面陣CCD8.5.1CMOS成像器件的結構原理

1.CMOS成像器件的組成

它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列實際上是光電二極管陣列，它也有線陣和面陣之分。8.5CMOS圖像傳感器

圖像信號的輸出過程可由（如圖8-32所示）圖像傳感器陣列原理圖更清楚地說明。2.CMOS成像器件的像敏單元結構

兩種類型：被動像敏單元結構和主動像敏單元結構。主動式像敏單元結構：場效應管V1構成光電二極管的負載，它的柵極接在復位信號線上，當復位脈沖出現(xiàn)時，V1導通，光電二極管被瞬時復位；而當復位脈沖消失后，V1截止，光電二極管開始積分光信號。

復位脈沖首先來到，V1導通，光電二極管復位；復位脈沖消失后，光電二極管進行積分；8.5.2典型CMOS圖像傳感器

（1）成像器件的原理結構SXGA型CMOS成像器件是CMOS圖像傳感器的主要部分，其原理結構如圖8-37所示。SXGA型CMOS成像器件像敏區(qū)的結構如圖8-38所示。該器件的像敏單元總數(shù)是1286×1030個，其中在每行和每列的起始端及末尾端各有3個像元為虛設單元。SXGA型CMOS成像器件的光譜特性如圖8-39所示。

（2）

輸出放大器

SXGA型CMOS成像器件的輸出特性如圖8-40所示。曲線的線性段的動態(tài)范圍僅為66dB。若采用對數(shù)放大器，動態(tài)范圍可達到100dB。圖8-41所示為SXGA型CMOS成像器件輸出放大器