2022年2022年光电成像探测器 .pdf

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1、第 5 章光电成像探测器图像传感器（ image sensor ）是一种将光学图像信息转换为电信号的装置,因其具有许多电真空成像器件无法比拟的优点而成为当今的主流成像器件。根据元件构成的不同， 可分为 CCD （Charge Coupled Device，电荷耦合元件） 和 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。1969年 10月 19日，美国贝尔实验室 （Bell Labs）的维拉波义耳(Willard S. Boyle) 和乔治史密斯（ George E. Smith ）发明了 CCD 。当时贝尔实验室正在发

2、展基于二极管阵列的影像电话（picture phone）和半导体气泡式内存(semiconductor bubble memory)。以这两种新技术为思路，波义耳和史密斯通过头脑风暴（ brain storming）构思出一种装置，他们命名为“电荷气泡元件” （Charge Bubble Devices） 。这种装置最初用作半导体记忆装置。随后，1970 年 4 月，波义耳和史密斯提出使用该器件组成线阵或面阵可用于成像,CCD就此诞生。发展到今天，以CCD 为代表的图像传感器已广泛应用在手机摄像头、照相机、科学研究、工业检测等方面。2009 年，波义耳和史密斯因“发明了一种成像半导体电路 CC

3、D ”而与另外一名科学家高锟分享了当年的诺贝尔物理学奖。作为固体图像传感器的除CCD外的另一大分支， CMOS图像传感器是 20 世纪 70 年 代 在 美 国航 空 航 天 局 (NASA, The National Aeronautics and Space Administration)的喷气推进实验室 (JPL, Jet Propulsion Laboratory)诞生的，同 CCD图像传感器几乎是同时起步的。 两种成像传感器各有优缺点， 我们将在后续章节对其进行比较。此外，本章还将介绍图像的增强与变像技术，即如何将低于视觉阈值的微弱光和不可见光变换为人眼可见的状态。最后，我们将介绍图

4、像传感器的几个典型的应用。5.1 电荷耦合器件5.1.1 电荷耦合器件（CCD ）的基本原理CCD 包含光敏区域和移位寄存器组成的传输区域。一幅图像通过成像透镜投射到由电容器阵列组成的光敏区域， 每个电容器上积累的电荷与入射到其上的光强成正比。用于扫描仪和传真机的线阵CCD 相机每次仅能获取图像上的一条线上的信息；而通常用于视频和照相的面阵CCD 相机采用的是二维感光阵列， 能够获取二维图像信息。由于对应图像的亮暗分布不同而使得对应的MOS 电容器 （像素）所积累的电荷不同，从而形成了图像的潜影。电荷传输控制电路可以使各个MOS电容器所储存的电荷依次传递给相邻的MOS 电容器，最终进入电荷放大

5、器， 将电荷量转换为对应的电压信号。重复上述过程，可以使用控制电路将阵列中所有名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 23 页 - - - - - - - - - MOS 电容器储存的电荷量按顺序转换为相应的电压信号。在数字装置中，这些电压先好将通过模数转换形成数字信号；在模拟装置中， 则通过低通滤波形成连续的模拟信号，经处理后用于传输、记录、显示等。5.1.2 MOS 电容器的结构和工作原理CCD 的基本单元是 MOS （Metal Oxide Semicond

6、uctor）电容器，其结构如图5.1所示，它是在半导体P 型硅为衬底的表面上用氧化的办法生成的一层厚度约20nm-150nm 的二氧化硅（ SiO2）, 再在二氧化硅表面蒸镀一层金属（如铝） ，在衬底和金属电极间加上偏置电压，就构成了一个MOS 电容器。图 5-1 MOS 电容器的结构示意图在没有施加偏置电压时，作为P型半导体中多数载流子的空穴是均匀分布的。当在电极施加正偏置电压时，空穴被排斥，产生耗尽区。作为少数载流子的电子受电场吸引进入耗尽区， 耗尽区对于电子而言成为势能较低的区域，称为 “势阱” 。当具有一定波长的光子入射到P 型硅， P 型硅价带的电子将吸收光子的能量而跃迁至导带，产生

7、新的电子- 空穴对，称为光生电荷（photogenerated charge） ，其中产生的电子被势阱所收集，空穴则被排斥出耗尽层。这样的MOS单元叫做光敏单元或像素（Pixel ） 。一个光敏单元所搜集的所有光生电荷合起来被称为一个电荷包（charge packet ） 。 电荷存储于 MOS 电容器中的硅 -二氧化硅交界处，其厚度仅有数十纳米。当有更多的光生电荷产生并进入势阱时，势阱的势能不断降低。 当势阱的势能低至零时，就无法吸收多余的光生电荷了。这种状态称为饱和（saturation） 。CCD 的工作波长主要由MOS 电容器的材料性质决定。能否产生光生电荷由入射光子能量 h 与半导体

8、近代宽度Eg的关系决定，gcE24.1（5.1 ）式中，c为保证产生光生电荷的最长波长，单位为m ，Eg为半导体禁带宽度，对于硅材料， Eg为 1.12eV, 则 c为 1.11 m 。此即该种材料的 CCD 工作波长的上限。高于此波长的光由于无法导致电子跃迁而不能产生光生电荷。那么是否所有满足该条件的波长都属于CCD 的工作波长呢？答案是否定的， 对于硅 CCD而言，由于硅在380nm 以下的紫外波段的吸收系数大，导致其穿透能力弱而进名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第

9、2 页，共 23 页 - - - - - - - - - 入不了衬底，因而在该波段成像比较困难。5.1.3 电荷的转移如前所述， CCD上各个 MOS 电容器在接受光照后收集了数量与对应光强成正比的电荷，形成了被摄图像的潜影，接下来就是如何转移并“读出”这些电荷的过程。为了理解在CCD中电荷是如何从一个像素移动到另一个像素的，参见图5-2。取 CCD 中四个彼此相邻的电极来说明。假设开始时有一些电荷存储在偏压为 10V的第 1 个电极下面的深势阶里， 其它电极上均加有大于阈值的较低的电压（例如 2V） 。设图 5-2（a）为零时刻（初始时刻），过 t1 时刻后，各电极上的电压变为图 5-2（b

10、）所示，第 1 个电极仍保持为 10V，第 2 个电极上的电压由2V变到 10V，因这两个电极靠得很紧（几微米） ，它们各自的对应势阱将合并在一起原来在第 2 个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有，如图5-2（c） 。若此后电极上的电压变为图（d）所示，第二个电极电压由10V 变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下的势阱中如图（e） 。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。图 5-2 电荷的转移过程可见，随着上述三相电压的不断变化， 各个电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，并施加同样的时钟脉冲。 CCD名师资料总结 -

11、- -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 23 页 - - - - - - - - - 的内部结构决定了使其正常工作所需的相数。如图 5-2 所示的结构需要三相时钟脉冰，其波形如图 5-2（f ）所示，这样的 CCD 称为三相 CCD 。三相 CCD 的电荷耦合（传输） 方式必须在三相交迭脉冲的作用下才能以一定的方向，逐个单元地转移。需要指出的是， CCD 电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极下。 这对干图 5-2 所示的电极结构是一个关键间题。如果电极间隙比

12、较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并， 电荷也下 (不)能从一个电极向另一个电极转移。 CCD 便不能在外部脉冲作用下正常工作。上述过程是一种电荷耦合过程，故此称这种器件为电荷耦合器件（CCD ） 。能够产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等日（因）素决定。理论计算和实验证实， 为了不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移的势垒，间隙的长度应小于3m ，这也是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的大致尺寸。当然，如果氧化层厚度，表面态密度不同，结果也会不同。但对绝大多数 CCD ，l m的间隙长度是足够小的。电荷传输的最边上电极的一侧扩散一个N型区作为电荷收集区，它与P

13、 型衬底形成 PN结，如图 5-3 所示。电源电压 E通过负载电阻 R施加在该 PN结的两端，使其处在反向偏置状态。当电荷包中电子传输到电极cn下时，就被该收集极收集，在 R上流过电流， 并转换为电压信号输出。 这与晶体三极管集电结的作用是相似的。 输出的电压值与势阱中的电荷包的电子数成正比，各电荷包依次串行输出。图 5-3 电荷的转换和输出5.1.4 CCD的特性CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1. 体积小重量轻； 2. 功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3. 灵敏度高，噪声低，动态范围大；4. 响应速

14、度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5. 应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 23 页 - - - - - - - - - 5.1.5 CCD的功能参数选择黑白 CCD 与彩色 CCD 基于前述工艺的CCD本质上为黑白CCD ，它无法确定入射到光敏元上的各个颜色的光的组成。若想获取被摄物体的色差信息，需要使用彩色CCD 。一般的彩色数码相机是在黑白CCD 上覆盖拜尔滤镜（ Baye

15、r filter） ，如图 5-4 所示。 。每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色。之所以选择两个绿色像素是因为相比较而言人眼对绿色最为敏感，因此绿色信息应最为精确。 结果每个像素都接收到对应颜色的光强，单个像素是无法反映对应物体的色彩信息的，通过一定的去马赛克算法（demosaicing algorithm）对这些像素的光强进行差分处理可以最终获得彩色图像。图 5-4 用拜尔滤镜产生彩色图像由于一片同时完成亮度信号和色度信号的转换，使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平的要求。为了解决这个问题， 便出现了摄像机。即一台摄像机使用了片, 分别用于接收光信号

16、中红、绿、蓝三种颜色并转换为电信号， 然后经过电路处理后产生图像信号。拍摄出来的图像从彩色还原上要比单来的自然，亮度以及清晰度也比单好。但由于使用了三片，摄像机的价格要比单贵很多。分辨率的选择评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率，其单位为线对， 即成像后可以分辨的黑白线对的数目。常用的黑白摄像机的分辨率一般为380-600 ，彩色为380-480，其数值越大成像越清晰。一般的监视场合，用400 线左右的黑白摄像机就可以满足要求。 而对于医疗、 图像处理等特殊场合， 用 600 线的摄像机能得到更清晰的图像。成像灵敏度名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - -

17、 - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 23 页 - - - - - - - - - 通常用最低环境照度要求来表明摄像机灵敏度，黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5Lux(勒克斯 ) ，彩色摄像机多在1Lux 以上。 0.1Lux 的摄像机用于普通的监视场合；在夜间使用或环境光线较弱时，推荐使用 0.02Lux的摄像机。与近红外灯配合使用时， 也必须使用低照度的摄像机。 另外摄像的灵敏度还与镜头有关， 0.97Lux/F0.75 相当于 2.5Lux/F1.2相当于 3.4Lux/F1. 参考环境照度：夏日阳光下 100000Lux 阴天

18、室外 10000Lux 电视台演播室 1000Lux 距 60W台灯60cm 桌 面300Lux 室 内 日 光 灯100Lux 黄 昏 室 内10Lux20cm 处 烛光10-15Lux 夜间路灯 0.1Lux 电子快门电子快门的时间在1/50-1/100000秒之间，摄像机的电子快门一般设置为自动电子快门方式， 可根据环境的亮暗自动调节快门时间，得到清晰的图像。 有些摄像机允许用户自行手动调节快门时间，以适应某些特殊应用场合。外同步与外触发外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步，它可保证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧、行的起止时间。 为了实现外同步，需要给摄像

19、机输入一个复合同步信号(C-sync) 或复合视频信号。 外同步并不能保证用户从指定时刻得到完整的连续的一帧图像，要实现这种功能， 必须使用一些特殊的具有外触发功能的摄像机。光谱响应特性CCD 器件由硅材料制成， 对近红外比较敏感， 光谱响应可延伸至1.0um左右。其响应峰值为绿光 (550nm)，分布曲线如右图所示。夜间隐蔽监视时，可以用近红外灯照明， 人眼看不清环境情况， 在监视器上却可以清晰成像。由于 CCD 传感器表面有一层吸收紫外的透明电极，所以 CCD 对紫外不敏感。 彩色摄像机的成像单元上有红、绿、兰三色滤光条，所以彩色摄像机对红外、紫外均不敏感。 CCD芯片的尺寸CCD的成像尺

20、寸常用的有1/2 、1/3 等，成像尺寸越小的摄像机的体积可以做得更小些。在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大。1/2.7 英寸并不是普通的“ 1 英寸 25.4mm ” 。由于结合了CCD出现前摄像机上使用的摄像管和显示方式，因此，习惯上采用比较特殊的尺寸。1/2.7 英寸为 6.6mm ，1/1.8 英寸约为 9mm 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 23 页 - - - - - - - - - 5.2 CMOS 图像传感器作为固体图像传感器的

21、除CCD外的另一大分支， CMOS图像传感器是 20 世纪 70 年代在美国航空航天局 (NASA) 的喷气推进实验室 (JPL) 诞生的，同 CCD图像传感器几乎是同时起步的。诞生之初由于其性能的不完善严重影响了图像质量，存在着像素大、信噪比小、分辨率低等这些缺点，一直无法和CCD技术抗衡，制约了它的发展和应用。 70 年代和 80 年代，CCD在可见光成像方面起主导地位。进入 90 年代，由于对小型化、低功耗和低成本成像系统消费需要的增加和芯片制造技术和信号处理技术的发展， 过去 CMOS图像传感器制造工艺中不易解决的技术难关现已都能找到相应解决的途径，为新一代低噪声、 优质图像和高彩色还

22、原度的 CMOS传感器的开发铺平了道路， CMOS图像传感器逐渐成为固体图像传感器的研究和开发热点， CMOS传感器的性能也得到大幅度提高。至今已研制出三大类 CMOS图像传感器，即CMOS无源像素传感器 (CMOS PPS) 、CMOS有源像素传感器 (CMOS APS)L21 和 CMOS数字像素传感器 (CMOS DPS) 。 CMOS图像传感器能够快速发展， 一是基于 CMOS集成电路工艺技术的成熟， 二是得益于固体图像传感器技术的研究成果。5.2.1 CMOS图像传感器的基本原理CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。而信号的读出方法却与C

23、CD不同，每个 CMOS源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出。CMOS图像传感器的像素由感光元件和读出电路组成，感光元件是将光信号转变成电信号， 读出电路是将这些电荷信号转变为更容易读取，更方便传输的电压信号。CMOS图像传感器的像素阵列是由大量相同的像素单元组成，这些相同的像素单元是传感器的关键部分。 CMOS图像传感器通常也是以像素的不同类型为标准进行分类的，一般来说 CMOS图像传感器中的像素可分为无源像素(Passive Pixel sensor，简称 PPS) 有源像素传感器 (Active Pixel sensor ，简称 APS) 。近年来又出现了新型的像

24、素，数字像素(Digital Pixel Sensor简称 DPS) 。CMOS图像传感器中的感光元件是光电二极管，这个光电二极管是一个工作于反偏电压下的寄生PN结。当光照射光电二极管的时候，会在半导体内部产生电子空穴对， 但是这些电子空穴对并不会全部被收集。只有产生在耗尽层内的电子空穴对才会被收集， 这是因为在耗尽层内空间电荷区的电场会将产生的电子与空穴拉开，电子会被空间电荷区的电场扫入一侧的N 区，空穴会被扫入P 区。由于反偏 PN两侧结有寄生电容，这些电子空穴对会被寄生电容所收集。而在耗尽层之外光电效应产生的电子空穴对，由于没有被及时分离开， 产生之后会马上复合，因此只有产生于耗尽层的光

25、电效应才对光电转换有贡献。光电效应产生的光电荷积累在反偏PN结的寄生电容上，电荷在电容上的积分结果为电压。 光电信号最终以电压的形式被读出的，对于有源像素和数字像素来说，每个像素内部有一个起缓冲作用的放大器，信号通过这个放大器被读出。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 23 页 - - - - - - - - - 对于无源像素来说， 在每列像素的底部有读出电路， 光电二极管的电压信号通过列线传输到每列底部的放大器读出。5.2.2 无源像素如图 5-5 所示，无

26、源像素由一个反向偏置的光电二极管和一个选通管构成。每列像素都有各自的电压积分放大器读出电路，它可以保持读出时列信号电压保持不变。它的工作原理是当选通管开启时，通过列线为光电二极管复位。复位结束后，选通管关闭。在曝光时间内，光电荷在光电二极管的寄生电容上积分。当曝光结束后选通管打开， 光电二极管与垂直的列线连通，与此同时， 与光信号成正比的电荷由每列底部的电荷积分放大器转换为电荷输出，于是光电二极管存贮的信号电荷被读出。由于无源像素的结构简单，像素内只有一个 选择（通）管 ，所以其填充因子 (fill factor，即有效光敏面积和单元面积之比)很大，这使得量子效率很高。但是这种结构存在着两方面

27、的不足：其一，各像元中开关管的导通阈值难以完全匹配，所以即使器件所接受的入射光线完全均匀一致，其输出信号仍会形成某种相对固定的特定图形，也就是所谓的“固定模式噪声(Fixed-Pattern Noise ，FPN) ，致使 PPS的读出噪声很大，典型值为250 个均方根电子。较大的固定模式噪声的存在是其致命的弱点； 其二，光敏单元的驱动能量相对较弱，故而列线不宜过长以期减小其分布参数的影响。受多路传输线寄生电容及读出速率的限制，PPS难以向大型阵列发展。图 5-5 PPS 无源像素结构5.2.3 有源像素有源像素传感器就是在每个光敏像元内引入至少一个(一般为几个 )有源放大名师资料总结 - -

28、 -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 23 页 - - - - - - - - - 器，如图 5-6 所示。它具有像元内信号放大和缓冲作用。在像元内设置放大元件，改善了像元结构的噪声性能。 它的工作原理是首先复位管RST开启为光电二极管复位，在曝光周期内光电荷在反偏PN结的寄生电容上积分，曝光结束选通管打开，光电二极管上的电压信号通过缓冲器缓冲后读出。有源像素在像素内使用电压跟随器以减小填充因子为代价来提高像素性能。由于电压跟随器的存在， 一般的像素的填充因子都很小， 从而使得光转

29、化为信号的能力减弱，但由于每个像素的负载电容都很小， 所以读出噪声水平很低， 而且动态范围比较大， 信噪比 (SNR)也较高。图 5-6 APS有源像素结构由于有源像元中所含的晶体管数目较多，因而造成了一些新的问题：首先，晶体管的增多会使像元中光敏单元的面积相对减小，导致像元的填充系数明显降低；另外，晶体管的增多会使前面提到过的晶体管的导通阈值不匹配问题更加严重，从而导致固有模式噪声指标的进一步恶化。为了解决有源像元填充系数低的问题， CMOS器件往往借用 CCD制造工艺中现有的“微透镜” 技术，就是在器件芯片的常规制作工序完成后， 再利用光刻技术在每个像元的表面直接制作一个微型光学透镜， 借

30、以对入射光进行会聚， 使之集中投射于像元的光敏单元，从而可将有源像元的有效填充系数提高2-3 倍。微透镜技术原理如图5-7 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 23 页 - - - - - - - - - 图 5-7 微透镜阵列提高 APS像素填充系数示意图5.2.4 数字像素上面提到的无源像素传感器和有源像素传感器的像素读出都为模拟信号，于是它们又通称为模拟像素传感器。美国斯坦福大学最早提出了一种新的像素结构，数字像素传感器 (Digital Pixe

31、l Sensor, 即 DPS) ，即它在像素单元里集成了模数转换器（ ADC ）和存储单元 (Memory)，如图 5-8 所示。由于这种结构的像素单元读出为数字信号， 这样其他电路都为数字逻辑， 因此数字像素传感器的读出速度极快，非常适合高速应用； 而且它不像读出模拟信号的过程，不存在器件噪声对其产生的干扰。另外由于它充分利用了数字电路优点，因此很容易随着CMOS工艺的进步而进行等比例缩小，性能也将很快达到并超过CCD图像传感器，并且实现数码相机系统的单片集成(Camera On Chip)。目前已经可以将照相芯片做到 2mm 见方。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

32、 - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 23 页 - - - - - - - - - 图 5-8 DPS数字像素结构5.2.5 CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较CMOS 和 CCD 图像传感器在结构和工作方式上的差别,使得在应用中也存在很大不同。主要有几个方面: (1)电荷读出方式。 CMOS 和 CCD 图像传感器的电荷读出方式不同，这是两者的本质区别。 CCD图像传感器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取，光通过光电二极管转化为电荷，电荷通过CCD图像传感器芯片传递到转换器后被放大

33、。电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和几组不同的电源相配合，整个电路较为复杂，速度较慢。而CMOS图像传感器经光电二极管的光电转换后直接产生电压信号，信号电荷不需要转移。典型的 CMOS像素阵列，是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连，行选择线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上，位线末端是多路选择器，按照各列独立的列编址进行选择。(2)集成度。CMOS 图像传感器可将光敏元件、 图像信号放大器、 信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，集成度高、体积小、重量轻。而在 CCD中光敏单元与信号处理电路是分开的，集成度较低。

34、(3)读取速度。由于工作原理的不同，CCD 信号的读出是串行的，输出速度较慢；CMOS 图像传感器的信号读出是并行的,能同时处理各单元的图像信息,速度比 CCD 图像传感器快。(4)功耗。 CMOS 光电传感器使用单一电源,耗电量非常小、节能； CCD采用多种电压，功耗较高。(5)价格。从目前的市场看， CCD 器件的价格要高于CMOS 器件。(6)工艺。CCD传感器需要特殊工艺，使用专用生产流程，成本高；而CMOS传名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 23

35、 页 - - - - - - - - - 感器使用与制造半导体器件90的相同基本技术和工艺，且成品率高，制造成本低。(7)访问灵活性。 CMOS 具有对局部像素图像的编程随机访问的优点。如果只采集很小区域的窗口图像 ,可以获取很高的帧频。相比而言CCD 图像传感器的灵活性差一些，只能局部进行随机访问。(8)填充系数。由于 CMOS 的集成度高 ,单个像素的填充系数低于CCD 。(9)灵敏度和动态范围。 CCD图像传感器有高的灵敏度， 只要很少的积分时间就能读出信号电荷，而CMOS图像传感器因为像素内集成了有源晶体管降低了感光灵敏度，但对红外等非可见光波的灵敏度比CCD要高，并随波长增加而衰减的

36、梯度要慢些。由于CCD图像传感器具有较低的暗电流和成熟的读出噪声抑制技术，目前 CCD图像传感器的动态范围比CMOS图像传感器的动态范围宽。表 5-1 CMOS与 CCD图像传感器的性能比较类别CCD图像传感器CMOS图像传感器生产线专用通用成本高低集成状况低，需外接芯片高系统功耗高低(110 - 1100) 电源多电源单一电源抗辐射弱强电路结构复杂简单灵敏度优良信噪比优良图像顺次扫描并行读取红外线灵敏度低灵敏度高动态范围大于 70dB 大于 70dB 模块体积大小综上所述， CMOS图像传感器与 CCD图像传感器相比，具有功耗低、系统紧凑，可将图像处理电路与图像传感器集成在一个芯片上等优点，

37、但其图像质量与系统灵活与CCD的相比相对较低。因此它适合于大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用， 如保安用小型 、微型相机 、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物微计数等大量商用领域。CCD与 CMOS图像传感器相比，具有较好的图像质量和灵活性，仍然保持高端摄像技术应用，如天文观测、卫星成像、高分辨数字照片、广播电视、高性能工业摄像、部分科学与医学摄像等应用。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第

38、 12 页，共 23 页 - - - - - - - - - 5.3 图像的增强与变像把各种不可见图像（包括红外图像，紫外图像及x 射线图像）转换成可见图像的器件称为变像管， 把强度低于视觉阈值的图像增强到可以观察程度的光电成像器件称为像增强管。 变像管与像增强管都是图像图像变换器件，二者的工作原理相同，只有光阴极面的光谱响应不同。 它们现已大量用于国防、 公安刑侦、医疗影像和天文观测等方面。 例如，基于图像变换器件的微光夜视技术能够使人们在伸手不见五指的黑夜， 通过夜视仪看到远处的景物目标，对提高部队的夜间战斗能力及部队的快速反应能力起着重要作用。并可与光电自动控制系统构成跟踪系统，直接用于

39、武器的制导、指挥设计等。5.3.1 典型结构与工作原理如图 5-9 所示，在抽真空的玻璃外壳（现常用金属外壳）内的一个端面上涂以半透明的光电阴极， 在另一端面的内侧涂以荧光粉， 另外管中安置了如图所示的阳极。图 5-9 变像管的结构目标物所发出某波长范围的辐射通过物镜在半透明光电阴极形成目标的像，引起光电发射。 阴极面每一点发射的电子数密度正比于该点的辐照度。通过这种方式，光阴极将光学图像转变成电子数密度图像。加有正高压的阳极形成很强的静电场， 合理地安排阳极的位置和形状。 让它对电子密度图像起到电子透镜的作用，使阴极发出的光电子聚焦成像在荧光屏上。荧光屏在一定速度的电子轰击下发出可见的荧光，

40、这样，在荧光屏上便可得到目标物的可见图像。涂在光阴极面上的光电发射材料决定了管子是变像管还是像增强管，若所涂材料对红外或紫外光线敏感， 则它就是变像管。 若它只对微弱的可见光敏感 （如CS b 阴极或 BioAgCs阴极） ，则它就是像增强管。它们都是通过两次变换得到可见图像的，都是非扫描的光电成像器件。另外，它们都具有图像增强的作用。实现图像增强一般有两种方法： 增强电子图像密度； 增强电子的动能。 或者同时采用这两种方怯。增强电 于(子)图像密度，一般利用二次电子发射来实现；而用增强电场或磁名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -

41、 - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 23 页 - - - - - - - - - 场的方法来增强电子的动能、 由于图像的变换和增强的方法很多，因而产生了各种类型的变像管和像增强管。5.3.2 性能参数1光电阴极灵敏度光电阴极性能的好坏直接对管子的工作特性有很大的影响。光阴极的量子下效率决定了管子的灵敏度，量子效率对波长的依赖关系决定了管子的光谱响应。光阴极暗电流和量子效率决定了像的对比度和最大信噪比，对比度和信噪比又决定了照度最低情况下的分辨率。 因此在设计和选择特殊应用的变像管时，选择恰当的光阴极是获得最佳性能所不可少的。2放大率和畸变荧光屏上像点到光轴

42、的距离H 与阴极面上对应点到光轴距离H 之比称为变像管点所在环带的放大率。 由于存在着畸变， 阴极面上各环带的放大率数值不相等，轴上（或近轴）放大率称为理想放大率。若放大率随离轴距离H 的增加而增大的畸变称为枕形畸变，相反则称为桶形畸变。3亮度转换增益设从光阴极发出的光电子能全部到达荧光屏，光阴极面接收的辐射通量为，辐照度为 E在额定阳极电压 UA下，变像管荧光屏的光出射度MV，则变像管的亮度转换增益为EMGVL（5.2 ）提高变像管亮度转换增益的方法是： 提高光电阳极的灵敏度或提高荧光屏的发光效率。4鉴别率变像管或像增强管的鉴别率一般指在照度足够的情况下（以100 勒克斯为宜） ，通过变像管

43、或像增强管所刚刚分辨出的黑白条纹数目。然而这种方法存在主观因素的影响。现在，常用光学传递函数(Optical Transfer Function, OTF ）或调制传递函数（ Modulation Transfer Function, MTF ）来讨论它们的成像质量。5变像管与像增强管的暗背景亮度在无光照射下，光阴极严生的暗电流在阳极电场的作用下轰击荧光屏使之发光，这时荧光屏的亮度称之为暗背景亮度。暗电流主要由光电阴极的热电子发射引起的，而场致发射、光反馈、离子反馈也是产生暗电流的因素。6观察灵敏阀在极限观察的情况下，光电阴极面的极限照度E称为观察灵敏阈。通常用实验的方法来确定。 把星点像投射

44、到变像管光电阴极面上，测量在荧光屏上刚刚能觉察出星点像情况下阴极面上星点的照度。一般来说，变像管在典型工作电流10-9A、工作电压为为 20kV，分辨率可超过 50 对线毫米，亮度增益约为3090倍。变像管或像增强管的噪声一般包括光子噪声，光阴极的热噪声， 荧光屏的散粒噪声等。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 23 页 - - - - - - - - - 三、像增强管的级联单级像增强管的光放大系数和光量子增益较小，直视工作距离较短、 为了提高灵敏度，增加工

45、作距离，通常可采用串联或级联的方式。（一）串联式像增强管1. 磁聚焦三级串联式像增强管如图 5-10 所示为磁聚焦三级串联式像增强管结构图。它由三只单级像管首尾相接，共同封装在一只管壳中构成。 每只单级像管的高压电源通过电阻分压器加在金属环上， 使管内产生均匀加速电场。 管外加长螺管线圈， 用以产生轴向均匀磁场。两级中间连接处为夹心片结构， 中间为透明云母片。 它的前面是荧光屏，后面是光电阴极，两者的频谱特性应当正好匹配。图 5-10 磁聚焦像增强管结构图磁聚焦像增强管的优点是； （： ）管内磁场均匀 ，特别是光阴极附近的磁场均匀，使得它的像差较小，图像聚焦均匀，像质好。但其体积笨重、电源消耗

46、功率大，只适用于地面固定设备上。2电聚焦三级串联像增强管图 5-11 为其结构图。由图可见，它的加速和聚焦全由电子透镜来实现，省去了长螺线省去了长螺线管线圈，故使重量减轻。 并因省去了励磁电源， 减少了功率损耗。 但是，由于中间夹心片只能做成平面形状，这对于轴对称电子透镜的宽电子束聚焦要产生像散和场曲，使图像边缘分辨率变差。图 5-11 电聚焦三级串联像增强管结构图（二）级联式像增强管串联式像增强管虽然能提高管子的灵敏度，增大直视工作距离， 但是，它名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -

47、 - - 第 15 页，共 23 页 - - - - - - - - - 存在着像差较大， 图像边缘分辨率差， 夹心片工艺复杂成品率低等缺点。级联式像增强管是提高灵敏度， 提高成品率的有效方案。 它是将三个单级像增强管通过光学纤维玻璃板相互连接起来构成的。如图5-12 所示。图 5-12 级联式像增强器单管示意图光纤维板是由很多极细的光学纤维玻璃丝紧密排列并聚熔而成。它的一端切成平面。另一端切成（或研磨成）与阴极面或荧光屏面匹配的球面，然后用低熔点玻璃（光胶）将光纤维板与玻壳粘接而成。组成光纤板的每根光纤管实际上就是导光管，它能将从一端入射的光线， 经过多次全反射送到另一端。因光导管很细（微米

48、量级），因此分辨率高，做成的光纤板就能将光学图像高保真度地从一面传递到另一面，形成光耦合。用光纤板作级间耦合有很多优点: （1）各级可以做成独立单管。因此工艺较简单，使成品率大大提高。且在使用时，若某一级管子损坏了可以更换。（2）由于光纤板传 光敕率 高达 80以上 ， 因此用三级联像增强可以获得更高的增益。(3) 由干光纤板的端面可以加工成各种所需要的形状例如，外表面是平面而内表面是球面， 可以使像增强管的前表面是平面，以满足物镜系统成像面的要求，同时级问（间）耦合也方便 。另外，电子光学系统现在多采用同心球型静电聚焦系统。物和像都是球面， 而面板的内表面加工成球面刚好满足电子光学系统的要求

49、。这种管子的缺点是中心区比边缘光增益大，这是因为曲面的面板其边缘光学纤维的端面法线与管轴不再平行，而成一定角度。 因此按收的光通量较中心少的缘故。目前纤维光学偶 （耦）合的级联 增强管已广泛应用于夜视、 微光电视等领域。现在可以获得超过三万倍的增益，分辨率超过30 对线毫来的像增强管。（三）微通道式像增强管如图 5-13 所示， 微通道式像增强管的外形是扁圆形。它的一个端面的光电阴极，另一端面为荧光屏， 中间是由很多具有二次电于倍增发射性能的微通道管集束而成的微通道导板。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整

50、理 - - - - - - - 第 16 页，共 23 页 - - - - - - - - - 图 5-13 微通道式像增强管外形结构光电阴极在入射光线照射下发出光电子，它们分别沿着各个小的微通道管不断地二次电子倍增，倍增后的电子射到荧光屏上，便显示出明亮的光学图像。微通道式像增强管的关键元件是微通导管，亦称电子倍增纤维管、 它是一根细玻璃管，其内壁涂有具有较大二次发射系数和较大电阻率的半导体层，总电阻为 1091011。在通道管两端加电压13kV，则在通道内壁有电流通过使内壁电位由低到高均匀递增，在管内沿轴方向建立起均匀加速电场。当光电阳极发射出来的光电子进入微通导管后，打到通导管内壁，每经