光电成像系统医学心理学医学影像高等教育大学课件.pdf
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1、光电成像系统 教学目的 1、掌握 CCD 勺结构和工作原理、光电成像原理、光电成像光学 系统;2、了解微光像增强器件和纤维光学成像原理。教学重点与难点 重点:CCD 勺结构和工作原理、光电成像原理、光电成像光学系 统勺组成。难点:CCD 勺结构和工作原理、调制传递函数的分析。成像转换过程有四个方面勺问题需要研究:能量方面 物体、光学系统和接收器勺光度学、辐射度学性质,解决能否探测到目标勺问题 成像特性 能分辨勺光信号在空间和时间方面勺细致程度,对 多 光谱成像还包括它勺光谱分辨率 噪声方面 决定接收到勺信号不稳定勺程度或可靠性 信息传递速率方面(成像特性、噪声信息传递问题,决定能被传递勺信息量
2、大 小)声 声 景 噪 声 景 噪 声 光电成像器件是光电成像系统的核心。1 固体摄像器件 固体摄像器件的功能:把入射到传感器光敏面上按空间分布的光 强信息(可见光、红外辐射等),转换为按时序串行输出的电信号一 视频信号,而视频信号能再现入射的光辐射图像。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 CMOE 电荷注入器件(Charge Injenction Device,即 CID)一、电荷耦合摄像器件 电荷耦合器件(CCD 特点)-以电荷作为信号 CCD 勺基本功能一一电荷存储和电荷转移 CCDT 作过程
3、一一信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程 1.电荷耦合器件的基本原理(1)电荷存储 构成 CCD 勺基本单元是 MOS 金属-氧化物-半导体)电容器 电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态(2)电荷转移 以三相表面沟道 CCD 为例 表面沟道器件,即 SCCD(Surface Channel CCD)转移沟 道在界面的 CCD 器件 体内沟道(或埋沟道 CCD 即 BCCD(Bulk or Buried Cha nn el 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 率高达以上,工作频率可
4、高达 100MHz 且能做成大规模器件(3)电荷检测 浮置扩散输出 CCD 输出信号的特点是: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 T。在输出信号中叠加有复 位期间的高电平脉冲。对 CCD 勺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 CCD 的电荷存储、转移的概念+半导体的光电性质 CCC 摄像器 件 按结构可分为线阵 CC併口面阵 CCD 按光谱可分为可见光 CCD 红夕卜 CCD X 光 CC併口紫夕卜 CCD 可见光 CCER可分为黑白 CCD 彩色 CC併口微光 CCD (1)线阵
5、 CCD 线阵 CCD 可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构 耐T J,T I r J i 巾u境 输出 输出(&)Fi 常见的面阵 CCD 摄像器件有两种:行间转移结构与帧转移结构 Tr 80s-底耗 80s V 1 -U L if Ays 二唱悩繼mm 列駆动脉冲 fl 0 11 -O 02 T*1 O 光敏区 0 a 卿-1 1 O 婀-1 a a 存旷区 a Q o 3輸出 0 d JI o J o 呻 二、电荷耦合摄像器件的特性参数 1.转移效率 电荷包从一个栅转移到下一个栅时,有 部分的电荷转移过去,余下部分没有被转移,称转移损失率。1 一个电荷量为Qo的电荷包,经过 n次转移后的
6、输出电荷量应为:Qo 总效率为:Q/Qo 2.不均匀度 光敏元的不均匀与 CCD 勺不均匀。本节讨论光敏元的不均匀性,认为 CCD 是近似均匀的,即每次转 移的效率是一样的。光敏元响应的不均匀是由于工艺过程及材料不均匀引起的,越是 大规模的器件,均匀性问题越是突出,这往往是成品率下降的重要原 因。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 Von Vn np 式中 P是 CCD 勺相数 声 4.5匀度:1 1 N VoNni(Von V0)2 VO N Von N n 1 式中Von为第 n 个光敏元原始响应的等效电压,忆为平均原始响 应等效电压;N为线列 CCD 勺总位数。
7、由于转移损失的存在,CCD 勺输出信号Vn与它所对应的光敏元的 原始响应Von并不相等。根据总损失公式,在测得 Vn后,可求出Von:3.暗电流 CC 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。暗电流的危害有两个方面:限制器件的低频限、引起固定图像噪 灵敏度(响应度)它是指在一定光谱范围内,单位曝光量的输出信号电压(电流)光谱响应 CCD 的光谱响应是指等能量相对光谱响应,最大响应值归一化为 100渐对应的波长,称峰值波长 max,通常将
8、 10%(或更低)的响应 点所对应的波长称截止波长。有长波端的截止波长与短波端的截止波 长,两截止波长之间所包括的波长范围称光谱响应范围 6.噪声 CCD 勺噪声可归纳为三类:散粒噪声、转移噪声和热噪声。7.分辨率 分辨率是摄像器件最重要的参数之一,它是指摄像器件对物像中 明暗细节的分辨能力。测试时用专门的测试卡。目前国际上一般用M TF(调制传递函数)来表示分辨率。8.动态范围与线性度 光敏元满阱信号 动态范围=等效噪声信号 线性度是指在动态范围内,输出信号与曝光量的关系是否成直线 关系。三、CMO 摄像器件 采用 CMO 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
9、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。1.CMOS 像素结构 无源像素型(PPS、有源像素型(APS)(1)无源像素结构 无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的 优点。但是,由于传输线电容较大,CMO 眈源像素传感器的读出噪 声较高,而且随着像素数目增加,读出速率加快,读出噪声变得更大。(2)有源像素结构 光电二极管型有源像素(PP APS 大多数中低性能的应用 光栅型有源像素结构(PG-APS 成像质量较高 CMOS 有源像素传感器的功耗比较小。但与无源像素结构相比,有源像素结构的填充系数小,其设计填充系数典型值为 20%-30%在 CMO 上制作
10、微透镜阵列,可以等效提高填充系数。2.CMOS 摄像器件的总体结构 工作过程:首先,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。行选通单元可以对像素阵 列逐行扫描,也可以隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频,但会 降低图像的清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合,可以实 现图像的窗口提取功能,读出感兴趣窗口内像元的图像信息。Row Select Logic Timing and Control.3.CMOS 与 CCD 器件
11、的比较 ccD摄像器件一一有光照灵敏度高、噪声低、像素面积小等优点。但 CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成,不易处 理一些模拟和数字功能;CCD 车列驱动脉冲复杂,需要使用相对高的 工作电压,不能与深亚微米超大规模集成(VLSI)技术兼容,制造 成本比较咼。CMO 摄像器件一一集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗 低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低等优点。目前 CMOS元像素的面 积已与 CCD 相当,CMOS2 可以达到较高的分辨率。如果能进一步提 高 CMOS Pixel Array ColumFi-Paral lei An a log-to-Dr git a!Conv
12、erters Analog Signal Processors Digit訓 Columr Select Ouiput 1.光机扫描方式 口口口口口 口口口 口口口 口口 F 口口口 口口口 串联扫描 并联扫描 串并联混合扫描 器件的信噪比和灵敏度,那么 CMO 器件有可能在中低档摄像机、数 码相机等产品中取代 CCD 器件 2 光电成像原理 一、光电成像系统的基本结构 2.电子束扫描方式 3.固体自扫描方式 上述的分类方法不是绝对的,有的光电成像系统是不同扫描方式 的结合。从目前情况看,光机扫描及固体自扫描方式的光电成像系统占主 导地位。二、光电成像系统的基本技术参数 1.光学系统的通光口径
13、 D和焦距 f/2.瞬时视场角a、B 3.观察视场角W W?4.帧时 Tf和帧速F 5.扫描效率n 口口口 WHWV F fov T?6.滞留时间d 对光机扫描系统而言,物空间一点扫过单元探测器所经历的时间 称为滞留时间d,探测器在观察视场中对应的分辨单元数为:WHWV n 由d的定义,有:Tf d n 光电成像系统的综合性能参数是在以上各基本技术参数的基础 上作进一步的综合分析得出的 3 红外成像光学系统 红外成像光学系统应满足以下几方面的基本要求:物像共轭位 置、成像放大率、一定的成像范围,以及在像平面上有一定的 光能量 和反映物体细节的能力(即 分辨率)。一、理想光学系统模型 yL L
14、x/_ 牛顿公式:x;x f/f,y x f/丄1丄 l/高斯公式:r丨f/,i 二、光学系统中的光阑 1.孔径光阑 2.视场光阑 3 渐晕光阑 4.消杂光光阑 三、红外成像光学系统的主要参数 1.焦距 决定光学系统的轴向尺寸,f 越大,所成的像越大,光学系统 一般也越大。2.相对孔径 D/f 相对孔径定义为光学系统的入瞳直径 D与焦距之比,相对孔 米 f/径的倒数叫 F数,F数6。相对孔径决定红外成像光学系统的衍射分辨率及像面上的辐照 度。衍射分辨率:3.83 f/1.22 7 D D/f/像面中心处的辐照度计算公式为:/2 E/K L sin2U/J n 3.视场 四、光学系统的像差 光学
15、系统近轴区具有理想光学系统的性质,光学系统近轴区的成 像被认为是理想像。实际光学系统所成的像和近轴区所成的像的差异即为像差。光学系统对单色光成像时产生单色像差,分为五类:球面像差(球 差)、彗形像差(彗差)、像散差(像散)、像面弯曲(场曲)和畸变。对多色光成像时,光学系统除对各单色光成分有单色像差外,还 产生两种色差:轴向色差和垂轴色差(亦称倍率色差)。五、红外光学系统的特点 由于红外辐射的特有性能,使得红外光学系统具有以下一些特 点:八、(1)红外辐射源的辐射波段位于 1卩 m以上的不可见光区,普通 光学玻璃对口 m以上的光波不透明,而在所有有可能透过红外波段的 材料中,只有几种材料有必需的
16、机械性能,并能得到一定的尺寸,如 锗、硅等,这就大大限制了透镜系统在红外光学系统设计中的应用,使反射式和折反射式光学系统占有比较重要的地位。(2)为了探测远距离的微弱目标,红外光学系统的孔径一般比 较大。(3)在红外光学系统中广泛使用各类扫描器,如平面反射镜、多面反射镜、折射棱镜及光楔等。(4)8至 14卩 m波段的红外光学系统必须考虑衍射效应的影响。(5)在各种气象条件下或在抖动和振动条件下,具有稳定的光 学性能。鉴于上述特点,设计红外光学系统时,应遵循下列原则:(1)光学系统应对所工作的波段有良好的透过性能。(2)光学系统在尺寸、像质和加工工艺许可的范围内,应具有 尽可能大的相对孔径,以保
17、证系统有高的灵敏度。(3)光学系统应对背景噪声有较强的抑制能力,提高输入信噪(4)光学系统的形式和组成应有利于充分发挥探测器的效能,如合理利用光敏元面积,保证高的光斑均匀性等。(5)光学系统及组成元件力求简单。(6)合理选择扫描方式及扫描器的类型。六、典型的红外光学系统 红外光学系统主要由红外物镜系统和扫描系统组成。1.红外物镜系统(1)透射式红外光学系统 优点:无挡光,加工球面透镜较容易,通过光学设计易消除各种 像差。缺点:光能损失较大,装配调整比较困难。(2)反射式红外光学系统 由于红外辐射的波长较长,能透过它的材料很少,因而大都采用 反射式红外光学系统。按反射镜截面的形状不同,反射系统有
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