图像信息的光电变换

第第8 8章章 图像信息的光电变换图像信息的光电变换 完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。感器。1 1、图像传感器的分类、图像传感器的分类 2 2、光电成像原理、光电成像原理 3 3、真空成像器件、真空成像器件 4 4、固体成像器件、固体成像器件1 1、图像传感器的分类、图像传感器的分类2 2、光电成像原理、光电成像原理景物景物光学成像光学成像系统系统光电变换光电变换系统系统图像分割图像分割同步扫描同步扫描与编码与编码视频信号视频信号信号传送信号传送同步扫描同步扫描与解码与解码视频调整视频调整与彩色合与彩色合成成再现图像再现图像摄像机系统摄像机系统监视器或电视接收机系统监视器或电视接收机系统3 3、真空成像器件、真空成像器件视像管视像管 视象管是利用内光电效应原理将光学图像转变为电信视象管是利用内光电效应原理将光学图像转变为电信号的一类摄像管的统称。号的一类摄像管的统称。视象管由靶和电子枪两大部分组成。其内部结构除靶视象管由靶和电子枪两大部分组成。其内部结构除靶材料不同外，其余均相同。材料不同外，其余均相同。3 3、真空成像器件、真空成像器件视像管视像管o电子枪由阴极、电子枪由阴极、加速电极、聚加速电极、聚焦电极等构成，焦电极等构成，作用是产生和作用是产生和形成扫描电子形成扫描电子束。束。o阴极由灯丝构阴极由灯丝构成，灯丝加热成，灯丝加热后发射电子，后发射电子，通常处于零电通常处于零电位。位。3 3、真空成像器件、真空成像器件视像管视像管o光电导靶作为摄光电导靶作为摄像管的光电转换像管的光电转换元件，被安置在元件，被安置在入射窗的内表面。入射窗的内表面。o靶网的作用是使靶网的作用是使靶前形成均匀电靶前形成均匀电场，因而电子束场，因而电子束在整个靶面上都在整个靶面上都垂直上靶。垂直上靶。TVLR信号板信号板（SnO2):具有较高的光透过率具有较高的光透过率和电导率。和电导率。玻璃板玻璃板TV光敏层光敏层3 3、真空成像器件、真空成像器件视像管视像管3 3、真空成像器件、真空成像器件视像管视像管氧化铅摄像管氧化铅摄像管3 3、真空成像器件、真空成像器件视像管视像管氧化铅摄像管氧化铅摄像管 当电子束沿水平方向在靶上一行一行地当电子束沿水平方向在靶上一行一行地扫描时，相当于将靶面分解成许许多多彼此扫描时，相当于将靶面分解成许许多多彼此独立的靶单元，也就是像素单元。每个靶单独立的靶单元，也就是像素单元。每个靶单元等效于一个光敏电阻元等效于一个光敏电阻R R和一个电容和一个电容C C的并的并联。当电子束扫描到一个靶单元时，相当于联。当电子束扫描到一个靶单元时，相当于将这一单元与电子枪的阴极接通，于是，信将这一单元与电子枪的阴极接通，于是，信号板、靶单元、阴极、靶电源及负载电阻就号板、靶单元、阴极、靶电源及负载电阻就构成了一个闭合回路。构成了一个闭合回路。3 3、真空成像器件、真空成像器件视像管视像管氧化铅摄像管氧化铅摄像管 对应于图像上的亮点，靶单元的等效电阻对应于图像上的亮点，靶单元的等效电阻小，电子束扫描此单元时，在回路中产生的电流小，电子束扫描此单元时，在回路中产生的电流大，在负载大，在负载RLRL上产生的压降就大，输出电压就上产生的压降就大，输出电压就小；反之，对应于图像上的暗点，输出电压就小；反之，对应于图像上的暗点，输出电压就大。这样一来，输出信号电压的变化完全反映了大。这样一来，输出信号电压的变化完全反映了图像亮暗的变化，这一信号就称为图像信号。这图像亮暗的变化，这一信号就称为图像信号。这样就完成了将电子图像转换成电信号的过程。样就完成了将电子图像转换成电信号的过程。4 4、固体摄像器件、固体摄像器件电荷耦合器件电荷耦合器件CCDCCD的发明者的发明者George SmithGeorge Smith和和Willard BoyleWillard Boyle 4 4、固体摄像器件、固体摄像器件电荷耦合器件电荷耦合器件 CCD CCD（Charge Coupled DevicesCharge Coupled Devices电荷耦合器件）电荷耦合器件）CCD CCD图像传感器有两类：图像传感器有两类：表面沟道表面沟道CCDCCD器件（器件（SCCDSCCD）；）；体沟道或埋沟道体沟道或埋沟道CCDCCD器件（器件（BCCDBCCD）。）。4 4、固体摄像器件、固体摄像器件电荷耦合器件电荷耦合器件P型（或型（或n型）硅单晶型）硅单晶二氧化硅二氧化硅输入输入栅栅栅栅输出输出4 4、固体摄像器件、固体摄像器件电荷耦合器件电荷耦合器件o电荷是如何存储的？电荷是如何存储的？o电荷如何传输（电荷耦合）？电荷如何传输（电荷耦合）？o信号电荷是怎样注入和输出的？信号电荷是怎样注入和输出的？4 4、固体摄像器件、固体摄像器件电荷耦合器件电荷耦合器件(1)(1)电荷的存储电荷的存储CCDCCD栅极电压栅极电压 变化对耗尽层的影响变化对耗尽层的影响GU0GUGthUUGthUU4 4、固体摄像器件、固体摄像器件电荷耦合器件电荷耦合器件(1)(1)电荷的存储电荷的存储表面势与栅极电表面势与栅极电压压 的关系曲线的关系曲线GU4 4、固体摄像器件、固体摄像器件电荷耦合器件电荷耦合器件(1)(1)电荷的存储电荷的存储表面势与反型层电表面势与反型层电荷密度的关系曲线荷密度的关系曲线4 4、固体摄像器件、固体摄像器件电荷耦合器件电荷耦合器件(1)(1)电荷的存储电荷的存储势阱深度随外加电压和反型层电荷密度的变化势阱深度随外加电压和反型层电荷密度的变化外加在栅极上的电压越高，表面势越高势阱深度越深；若外加电压外加在栅极上的电压越高，表面势越高势阱深度越深；若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。4 4、固体摄像器件、固体摄像器件电荷耦合器件电荷耦合器件(2)(2)电荷耦合（电荷包转移）电荷耦合（电荷包转移）4 4、固体摄像器件、固体摄像器件电荷耦合器件电荷耦合器件(3)CCD(3)CCD的电极的电极4 4、固体摄像器件、固体摄像器件电荷耦合器件电荷耦合器件(4)(4)电荷的注入电荷的注入o根据根据CCDCCD的不同用途，有两种不同的电荷注入方式的不同用途，有两种不同的电荷注入方式光光注入和电注入。注入和电注入。o光注入：当光注入：当CCDCCD用作拍摄光学图像时，把按照度分布的光用作拍摄光学图像时，把按照度分布的光学图像通过光电转换成为电荷分布，注入到每一位的深势学图像通过光电转换成为电荷分布，注入到每一位的深势阱中去，这就是光注入。阱中去，这就是光注入。o电注入：当电注入：当CCDCCD用作信息存储或信息处理时，通过输入端用作信息存储或信息处理时，通过输入端的输入二极管和输入栅极注入与信号成正比的电荷，这就的输入二极管和输入栅极注入与信号成正比的电荷，这就是电注入。是电注入。4 4、固体摄像器件、固体摄像器件电荷耦合器件电荷耦合器件(4)(4)电荷的注入电荷的注入o光注入电荷光注入电荷o入射光的光子流速率与入射光谱辐射通量的关系为入射光的光子流速率与入射光谱辐射通量的关系为 ineocQqN At,eeoNh4 4、固体摄像器件、固体摄像器件电荷耦合器件电荷耦合器件(5)(5)电荷的检测（输出方式）电荷的检测（输出方式）