《光电成像器》PPT课件.ppt

光电探测器,光电成像器件,微光夜瞄镜,微光夜视眼镜,热像仪,光电探测器：单元器件“点源”探测，跟踪制导等,AIM-9M红外制导导弹,点击图片播放,光电成像器件：阵列器件“面源”探测，目标识别等,成像制导攻击目标,点击图片播放,第07章 光电成像器件,夜视仪,输出图像信号：,直视型光电成像器件,第07章 光电成像器件,输出视频信号：,摄像型光电成像器件,摄像头,第07章 光电成像器件,光电成像器件是一类能够输出图像信息（图像或视频信号）的功能器件，也称光电图像传感器。,Photoelectronic Imaging Devices,光电成像器件,摄像型：,直视型：,像 管,变像管,像增强管,电真空摄像管,固体摄像器件,摄像管,第07章 光电成像器件,7.1 像管（变像管和像增强器）,7.2 电真空摄像管,7.3 固体成像器件,7.1 像管（变像管和像增强器）,7.1.1像管基本结构原理,7.1.2变 像 管,7.1.3像 增 强 器,三个基本部分：,光电变换部分,电子光学部分,电光变换部分,7.1 像管,7.1.1像管基本结构原理,1、光电阴极,7.1 像管,7.1.1像管基本结构原理,2、电子光学系统 静电系统、电磁复合系统,3、荧光屏,1、光谱响应特性和光谱匹配因数,7.1 像管,7.1.2像管的主要特征参数,光谱匹配,积分灵敏度,2、增益特性,7.1 像管,7.1.2像管的主要特征参数,3、等效背景照度,4、像管的成像特性1）放大率与畸变2）分辨率 极限分辨率 MTF,7.1 像管,7.1.2像管的主要特征参数,7.1.3变像管,变像管 不可见光图像 可见光图像,红外夜视仪,7.1 像管,7.1.2变像管,基本变像方法,直接变像（依光波长改变光电阴极材料）,近红外光像1.15m,紫外光像0.32m,7.1.2变像管,基本变像方法,红外光像波长大于1.15m,间接变像（利用光电导技术）,7.1.2变像管,基本变像方法,红外光像 14m,间接变像（利用光电导技术）,红外光像,电势分布像,电子流调制,荧光屏成像,基本变像方法,导通,截止,选通式变像管（导通和截止可控）,基本变像方法,选通式变像管（导通和截止可控）,激光脉冲辐射图像,控制栅电压波形,荧光屏图像,提高图像对比度,同步工作,基本变像方法,选通式变像管（导通和截止可控）,讨论：强光保护的可行性,导通,截止,7.1 像管（变像管和像增强器）,7.1.1像管基本结构原理,7.1.2变 像 管,7.1.3像 增 强 器,7.1 像管,像增强器 亮度低图像 亮度高图像,微光夜瞄镜,7.1.3像增强器,7.1.3像增强器,1、级联式图像增强器,2、微通道板式图象增强器,三、变像管,1、级联式图像增强器,三级级联像增强器结构示意图,亮度增益可达105体积大、重量重、防强光能力差。,7.1.3像增强器,2、微通道板式图象增强器,结构原理：,7.1.3像增强器,Micro Channel Plate，简称MCP,2、微通道板式图象增强器,7.1.3像增强器,Micro Channel Plate，简称MCP,优点：设有电子光学系统，整管可以做得很短 散焦：微管直径只有十几微米,MCP光电倍增管（多通道）,2、微通道板式图象增强器,7.1.3像增强器,用PMT探测 生物超微弱发光 千个光子/Scm2,同步单光子技术探测系统结构简图,2、微通道板式图象增强器,7.1.3像增强器,用MCP PMT探测 成像-同时获得有机体超微弱发光强度的时间和空间信息,超微弱发光图的探测系统结构简图,像管（变像管和像增强器）,像增强器,总结：,7.1 像管,紫外光像,X射线像,红外光像,微弱光像,（微通道板）,光敏面,荧光屏,可见光像,目前技术状况：,第三代像增强器,微通道板,负电子亲和势光电阴极,光度学灵敏度：3000 A/lm辐射度学灵敏度：100 mA/W（波长0.85 m）亮度增益：1104 cd/(m2lx)分辨率：36 lp/mm,2、微通道板式图象增强器,7.1.4像增强器,目前技术状况：,第四代像增强器,在第三代像增强器的基础上，通过进一步改进微通道板的性能，或者利用门控电源技术，提高像增强器的分辨率、信噪比等性能参数。它们分别属于超三代和第四代像增强器。,2、微通道板式图象增强器,7.1.5像增强器,变像管和像增强器 在军事上的应用,1.主动红外夜视仪,7.1 像管,变像管和像增强器 在军事上的应用,2.微光夜视仪（105lx）,7.1 像管,微光图像亮度增强,夜天微光,目标像,像增强器,夜视仪荧光屏图象,与普通电视屏幕图像的亮度相当,增强约 5万倍,10-5lx,7.1 像管,微光夜视仪,7.1 像管,微光夜视器材,微光夜瞄镜,7.1 像管,手持式观察镜,微光夜视眼镜,微光夜视器材,装有微光瞄准镜的新5.8毫米班用机枪,7.1 像管,微光夜视仪的观察效果,可见的目标图像,不易见的目标图像,7.1 像管,受强光照射时，屏幕图像出现面积较大的晕斑。,微光像增强技术的局限性,有效作用距离较短（300米）。,观测效果依赖夜天微光“照明”，光夜视仪不能在“全黑”环境清晰成像。,7.1 像管,第07章 光电成像器件,夜视仪,输出图像信号：,直视型光电成像器件,第07章 光电成像器件,输出视频信号：,摄像型光电成像器件,摄像头,第07章 光电成像器件,摄像型：,直视型：,变像管,像增强管,电真空摄像管,固体摄像器件,随着半导体微电子集成电路技术发展，CCD等典型固体摄像器件逐步成为摄像器件领域的主流器件。,第07章 光电成像器件,7.1 像管（变像管和像增强器）,7.2 电真空摄像管,7.3 固体成像器件,摄像头,7.2 电真空摄像管,二维光学图像,一维时序电信号,还原二维光学图像,例：电视监控系统,传输和接收规则电视制式,按照电视制式输出的一维时序电信号称为视频信号,摄像头,摄像是将空间分布的光学图像信号转换为一维时间变化的视频信号的过程，完成这一过程的功能器件称为摄像器件。,7.2 电真空摄像管,7.2 电真空摄像管,7.2.1电视制式,7.2.2电真空摄像管的结构原理,7.2 电真空摄像管,7.2.1电视制式,1.扫 描,2.视频信号,3.我国电视标准,1.扫 描,光电图像,将光电图像分割为很多细小的单元，称为像素,7.2.1电视制式,图像的分割与象素,1.扫 描,电信号,光电图像,按一定规律依次将图像中的每一像素的电（电荷）信号读出的过程，称为扫描。,图像的分割与象素,7.2.1电视制式,一帧：,一行,扫描点从起始点出发再次回到该点，输出的全部图像信息称为一帧。,1.扫 描,行、帧,7.2.1电视制式,隔行扫描方式,逐行扫描方式,1.扫 描,两种扫描方式,7.2.1电视制式,逐行扫描方式,根据视人眼觉时间特性，无闪烁显示活动图象要高于48次/秒刷新速率,帧频：50Hz,行数：625,行频：,降低行频,闪烁感？,隔行扫描方式,1.扫 描,两种扫描方式,7.2.1电视制式,隔行扫描方式,一帧分为两场,奇数场,偶数场,1,3,5,2,4,6,7.2.1电视制式,隔行扫描方式,根据视觉时间特性，无闪烁地显示活动图象要高于48次/秒的刷新速率,场频：50Hz,帧频：25Hz,无闪烁,降低行频,7.2.1电视制式,隔行扫描方式,逐行扫描方式,高清晰成像测量系统,工业民用电视系统,1.扫 描,两种扫描方式,7.2.1电视制式,正程和逆程,1.扫 描,7.2.1电视制式,2.视频信号,行正程（信息）,行逆程（消隐）,行信号波形,一行 视频信号,行同步,7.2.1电视制式,2.视频信号,场正程（信息）,场逆程（消隐）,场信号波形,一场 视频信号,场同步,7.2.1电视制式,3.我国电视标准,我国电视标准采用PAL制：场频fv=50Hz，帧频fZ=25Hz；隔行扫描，每帧625行；场周期TV=20ms；行周期TH=64s；视频信号带宽BW=6MHz,PAL德国,NTSC美国,7.2.1电视制式,7.2 电真空摄像管,一、电视制式小结,1.扫 描,3.我国电视标准,隔行扫描,场频50Hz,逐行扫描 隔行扫描,行 帧 场,625行/帧,正程 逆程,PAL制,2.视频信号,信息信号,同步脉冲,消隐脉冲,7.2 电真空摄像管,7.2.1电视制式,7.2.2电真空摄像管的结构原理,7.2.2 电真空摄像管结构原理,光电转换,信号存储,扫描输出,光电导式/热释电摄像管,1.三个基本功能,7.2 电真空摄像管,光像,电子枪,利用电子枪发射出来的电子束依次扫描靶面各像素，将靶面的电荷（或电势）图像有序地转变成视频信号输出，这就完成了扫描输出的功能。,加速电极聚焦电极聚焦线圈,偏转线圈,灯丝热阴极控制栅极,扫描输出,2.电子束扫描输出,7.2.2 电真空摄像管结构原理,2.电子束扫描输出,水平偏转线圈,垂直偏转线圈,行扫描,场扫描,消隐脉冲,控制栅极,逆程电子束截止,7.2.2 电真空摄像管结构原理,2.电子束扫描输出,灯丝热阴极控制栅极加速电极聚焦电极聚焦线圈偏转线圈,电真空摄像管由于其重量和体积的限制，其研究与发展已经告一段落，它正逐步被固体摄像器件所代替。,7.2.2 电真空摄像管结构原理,第07章 光电成像器件,7.1 像管（变像管和像增强器）,7.2 电真空摄像管,7.3 固体成像器件,7.3 固体成像器件,CCD摄像器件,CMOS图像传感器,体积小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性能好，可靠性高，寿命长，,7.3 固体成像器件,Willard S.Boyle,George Elwood Smith,7.3 固体成像器件,7.3 固体成像器件,7.3.1 电荷耦合器件（CCD 器件）,7.3.2 CMOS图像传感器,7.3.3 红外焦平面阵列器件（IRFPA）,7.3.1 电荷耦合器件（CCD 器件）,Charge Coupled Device 简称CCD,1.CCD的结构与工作原理,2.CCD的主要特性参数,3.CCD摄像器件,CCD,电荷存储,电荷转移,电荷注入,电荷输出,7.3.1 电荷耦合器件,1.CCD的结构与工作原理,7.3.1 电荷耦合器件,1.CCD的结构与工作原理,1.CCD的结构与工作原理,1)CCD单元结构,由多个像素组成线阵,金属栅极是分立的，氧化物与半导体是连续的,P,MOS结构单元像素,基本名词：,势 阱,1.CCD单元结构,势 阱,施加正电压,空穴耗尽区,电子的“陷阱”,基本名词：,势 阱,栅极正向电压增加时，势阱变深。,改变UG，调节势阱深度,1.CCD的结构与工作原理,2)电荷包的注入（光注入、电注入）,光注入：,电子 信号电荷（包）,产生电子空穴对,空穴 栅极电压排斥,1.CCD的结构与工作原理,2)电荷包的注入（光注入、电注入）,光注入：,产生电子空穴对,1.CCD的结构与工作原理,正面、背面,3)电荷包的存储,存储电荷,P,单元最大存储信息电荷量：,1.CCD的结构与工作原理,4)电荷包的转移,三相时钟脉冲电压按组（相）加到CCD各电极上,1.CCD的结构与工作原理,4)电荷包的转移,基本思想：调节势阱深度 利用势阱耦合,势阱耦合,1.CCD的结构与工作原理,L3Vision TechnologyHow the gain process works,The charge multiplication elements,CCD Fundamentals,CCD Fundamentals,CCD Fundamentals,CCD Fundamentals,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,Full Frame,CCD Fundamentals,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,CCD Fundamentals,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,CCD Fundamentals,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,ADC,CCD Fundamentals,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,CCD Fundamentals,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,ADC,CCD Fundamentals,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,CCD Fundamentals,ADC,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,CCD Fundamentals,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,CCD Fundamentals,ADC,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,CCD Fundamentals,Serial Register,Preamplifier,Output Node,Active Array,CCD Fundamentals,5)电荷包的输出,电流输出方式：,衬底P和N+区构成输出二极管（反偏压）,反偏二极管,1.CCD的结构与工作原理,5)电荷包的输出,电流输出方式：,衬底P和N+区构成输出二极管（反偏压）,复位脉冲RS,102V,5V,1.CCD的结构与工作原理,CCD,电荷存储,电荷转移,电荷注入,电荷输出,7.3.1 电荷耦合器件,1.CCD的结构与工作原理,小 结：,7.3.1 电荷耦合器件,1.CCD的结构与工作原理,为什么称为电荷耦合器件？,电荷器件中的信息是以电荷形式出现的，不同于其他探测器的“电流”或“电压”,耦合器件内部信息的传递是通过势阱的藕合完成的，完全不同于电子枪的“扫描输出”形式,7.3.1 电荷耦合器件（CCD 器件）,Charge Coupled Devie 简称CCD,1.CCD的结构与工作原理,2.CCD的特性参数,3.CCD摄像器件,7.3.1 电荷耦合器件,2.CCD的主要特性参数,1.转移效率，损耗率,2.暗电流,3.灵敏度和量子效率,4.光谱响应特性,5.CCD噪声,6.分辨率,7.工作频率,8.动态范围,7.3.1 电荷耦合器件,2.CCD的特性参数,1)转移效率，损耗率,总=n 例：=0.999，二相1024器件，总13%,预先输入一定的背景电荷，零信号也有一定电荷“胖零”技术。,7.3.1 电荷耦合器件,2.CCD的特性参数,2)暗电流,来源：1、衬底热激发 2、耗尽区产生-复合中心热激发3、载流子热扩散 4、界面处产生-复合中心热激发,抑制措施：1、缩短信号电荷的存储与转移时间2、制冷法,7.3.1 电荷耦合器件,2.CCD的特性参数,3)灵敏度和量子效率,4)光谱响应和光电特性,本征硅：0.41.5 um，峰值波长：0.8um,光电特性：弱光下线性,7.3.1 电荷耦合器件,2.CCD的特性参数,5)CCD噪声,散粒噪声、转移噪声、热噪声（毫伏）,6)分辨率,像素间距调制传递函数（MTF1、MTFD、MTFT）一定尺寸内的像素,7.3.1 电荷耦合器件,二、CCD的特性参数,7)驱动频率,下限热生载流子影响,少数载流子平均寿命,上限电荷来不及转移,电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间,7.3.1 电荷耦合器件,2.CCD的特性参数,8)动态范围,势阱中可以存储的最大电荷量工作范围,7.3.1 电荷耦合器件（CCD 器件）,Charge Coupled Devie 简称CCD,1.CCD的结构与工作原理,2.CCD的特性参数,3.CCD摄像器件,3.CCD摄像器件,7.3.1 电荷耦合器件,2048 2048 面阵CCD,5000像元线阵CCD,1.三相单沟道线阵CCD,2.双沟道线阵CCD,3.面阵CCD摄像器件,1)三相单沟道线阵CCD,放大器,结 构：,转移栅,光敏区,CCD移位寄存器,3.CCD摄像器件,放大器,工作过程：,光 敏 区,转 移 栅,移 位 寄 存 器,1)三相单沟道线阵CCD,3.CCD摄像器件,放大器,工作过程：,光敏区,转移栅,移位寄存器,三相时钟脉冲,视频信号输出,1)三相单沟道线阵CCD,3.CCD摄像器件,结构：两列移位寄存器,2)双沟道线阵CCD,3.CCD摄像器件,优点：转移次数减少一半，总转移效率提高,缺点：奇偶输出信号的不均匀性,3)面阵CCD摄像器件,帧转移面阵CCD,结构：,成像区,暂存区,水平读出 寄存器,3.CCD摄像器件,成像区,暂存区,场正程期间：,场逆程期间：,光学图像,电荷包图像,电荷包图像,3)面阵CCD摄像器件,暂存区,场正程期间：,水平读出 寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,3)面阵CCD摄像器件,暂存区,场正程期间：,水平读出 寄存器,行逆程期间,暂存区的信号电荷产生一行平移,行正程期间,电荷包图像,3)面阵CCD摄像器件,暂存区,场正程期间：,水平读出 寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,水平读出寄存器输出一行视频信号,3)面阵CCD摄像器件,暂存区,场正程期间：,水平读出 寄存器,行逆程期间,暂存区的信号电荷产生一行平移,行正程期间,电荷包图像,3)面阵CCD摄像器件,暂存区,场正程期间：,水平读出 寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,水平读出寄存器输出一行视频信号,3)面阵CCD摄像器件,暂存区,场正程期间：,水平读出 寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,暂存区的信号电荷产生一行平移,3)面阵CCD摄像器件,暂存区,场正程结束时,水平读出 寄存器,行逆程期间,行正程期间,电荷包图像,水平读出寄存器输出一行视频信号,3)面阵CCD摄像器件,工作过程：,3.面阵CCD摄像器件（小结）,3.CCD摄像器件,成像区,暂存区,水平读出 寄存器,场正程,场逆程,行逆程,行正程,结构：,图 像 电 荷,成像区暂存区,场正程,电荷平移,输出信号,CCD摄像器件扫描输出的特点,CCD摄像管 微电子电路按规律发出脉冲扫描输出电信号,微电子电路,脉冲信号,光敏区,暂存区,输出端,3.CCD摄像器件,自 扫 描,电真空摄像器件扫描输出的特点,电真空摄像管 电子枪按规律偏转电子束扫描输出电信号,电子枪,3.CCD摄像器件,对比：二者扫描方式的差别,CCD摄像管 微电子电路按规律发出脉冲扫描输出电信号,电真空摄像管 电子枪按规律偏转电子束扫描输出电信号,3.CCD摄像器件,电真空摄像管由于其重量和体积的限制，其研究与发展已经告一段落，它正逐步被固体摄像器件所代替。,4)微光CCD摄像器件,分类：1、像增强器与CCD耦合2、电子轰击型CCD（EBCCD）3、电子倍增CCD（EMCCD）,3.CCD摄像器件,用于成像CCD微光电视摄像,3.CCD摄像器件,像增强器与CCD芯片的耦合（光学耦合）,CCD芯片,例1：CCD微光电视摄像,3.CCD摄像器件,例2：用于测量CCD玻璃管测控仪（生产线）,测量尺寸及精度要求：外径200.3mm、280.4mm 壁厚（1.20.05）mm、（20.07）mm,3.CCD摄像器件,光强均匀的平行光束 照射玻璃管,线阵CCD输出信号波形,电视型成像器件小结：,1.电视制式：扫描、行、帧、场,3.CCD成像器件：单元结构、转移、自扫描,2.电真空摄像管：电子枪、扫描,4.CMOS图像传感器,5.IRFPA阵列器件,7.3 固体成像器件,7.3.1 电荷耦合器件（CCD 器件）,7.3.2 CMOS图像传感器,7.3.3 红外焦平面阵列器件（IRFPA）,7.3.2 CMOS图像传感器,Complementary Metal Oxide Semiconductor 简称 CMOS,特点：成品率高、价格低廉，像质量？,CMOS数码相机,1.CMOS成像器件结构:,信号读出采用XY寻址方式，具有读出任意局部画面的能力,7.3.2 CMOS图像传感器,2.CMOS成像器件原理:,信号读出采用XY寻址方式，具有读出任意局部画面的能力,7.3.2 CMOS图像传感器,3.CMOS成像器件单元结构:,被动像敏单元结构,主动像敏单元结构,像敏单元选址模拟开关,压降,暗电流,附加噪声,7.3.2 CMOS图像传感器,4.CMOS成像器件与CCD成像器件:,最大差异：,单元结构（带放大器）信号寻址读出与信号顺序读出,应用差异：,CCD低噪声、高分辨率、高灵敏度等高画质性能占据图像传感器高端市场；CMOS 高集成度、高速、小体积、低价格等特点占据低端市场大的份额。,7.3.2 CMOS图像传感器,7.3 固体成像器件,7.3.1 电荷耦合器件（CCD 器件）,7.3.2 CMOS图像传感器,7.3.3 红外焦平面阵列器件（IRFPA）,7.3.3 红外焦平面器件,IRFPA技术的来由常用光波波段主要用途,Infrared-Ray Focus Plane Array-简称IRFPA,1.IRFPA技术的来由,成像系统,7.3.3 红外焦平面器件,早期红外成象系统：,二维图象,光学机械扫描,电路处理,图象再现,单元红外探测器,二维图象,电路处理,图象再现,红外探测器面阵+CCD,IRFPA成像系统：,没有机械和光电扫描装置-“凝视型”,7.3.3 红外焦平面器件,1.IRFPA技术的来由,“凝视型”热成像摄像机,摄像机核心部件：红外探测器阵列 SiCCD面阵,7.3.3 红外焦平面器件,7.3.3 红外焦平面器件,2.IRFPA的结构,红外探测器阵列,SiCCD面阵,目前常用和比较成熟的技术,3.IRFPA常用光波波段,1-3微米 InGaAs3-5微米 PtSi,InSb8-14微米 HgCdTe,在常用大气窗口波段分别由下列材料构成光电探测器面阵：,7.3.3 红外焦平面器件,4.IRFPA的发展现状,光子类探测器IRFPA：灵敏度较高，制冷，价格低,近红外与中红外的19681968硅肖特基势垒IRFPA，像元1717m2,（640480，812m）的HgCdTe探测器 IRFPA,光热类探测器IRFPA：灵敏度较低，非制冷，价格低,328245的铌酸锶钡（SBN）热释电探测器RFPA，像元2828m2。,7.3.3 红外焦平面器件,5.IRFPA的应用,7.3.3 红外焦平面器件,主要用途：地球资源探测、红外成象、跟踪、制导等,变压器的热图,隐藏在草丛中的人的热图,本章小结,1、光电成像器件输出图像信息的器件：直视型、摄像型,2、像管 变像管和像增强器 微通道板像增强器,3、电真空摄像管 光学图像转换为视频信号,4、固体摄像器件CCD、CMOS和IRFPA.自扫描技术,随着半导体及集成电路工艺的发展，CCD、CMOS等固体摄像器件凭借其多种优越性而逐步成为摄像器件应用领域中的主流器件。,