智能传感技术1-7
第一章信息传感基础
1.1信息
1.1.1信息是什么
定义:音讯;通信系统传输和处理的对象,泛指消息和信号的具体内容和意义,通常须通过处理和分析来提取
信息(information)in是接收到消息,formation是整理成章.即信息是把我们不明确的知识弄清楚后,整理成章再传递给需要获取信息的人
数据--观测的产物,是从自然现象中搜集的原始材料,以怎样(How much)、多少(How many)、哪个(Which)、是或不是(Yes/No)的方式来表现
数据与信息的联系:信息由数据推断而来,数据是信息的素材.
区别:信息更有用,可以回答谁、何时、何地、什么、多少的疑问,是有意义和目的的数据.
信息的特点: 1.没有尺寸(极小的空间能容无限多的信息)
2.没有重量(无重量,信息传递时几乎不需要能量)
3.容易复制(信息保密很重要)
4.差异性(信息包含在事物的差异之中.有差异就有信息,没有差异就没有信息)
信息的价值 1.在必要的时候,必要的场所,有了必要的量,信息才有价值
2.有用的信息必须是完整的、精确的、相关的和及时的.
一旦发生突发事件时,这种信息就成了重大新闻,信息量也就增大了.也就是说,"信息量与其本身的概率成反比,与意外性和新颖性成正比".
人类如何获取信息
借助视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等多种感觉器官从外界直接获取信息,再通过大脑分析和判断后作出相应反应
人类信息的来源:视觉信息;听觉信息;触觉信息;味觉信息;嗅觉信息
1.1.2视觉信息
视觉定义:辨别外界物体明暗和颜色特性的感觉
刺激:光,人眼可以感受的电磁波的波长范围是380-780纳米(即可见光)
分辨力:人眼可分辨所看到的物体的大小、明暗、远近、形状、轮廓、细节等情况
视觉的重要性 1.视觉是人类获取外界信息的最主要、最重要的途径
2.人类从外界获得的信息约80％是从视觉中得到的
图像视觉信息的主要呈现形式(照片,绘画,电影等)
人眼感知的局限敏感域(范围)有限(只在可见光范围之内无法直接感知红外或紫外光)
敏感度(灵敏度)有限(很难在微弱光照条件下产生正常的感知响应)
分辨率不高
视觉的扩展将非可见光(红外波段、紫外波段、X光波段等)的电磁波信息转换成人眼可见的视觉信息(例:X光片,CT 图片,红外图像等);增强微弱的视觉信息(例:显微镜);将不可视的宏观信息缩小为人眼可视的视觉信息(例:航空航天的遥感图像)
由此延伸的传感设备用途:将不可视的听觉、触觉等信息转换为优先的视觉信息;示例:B超图像、水下声纳图像
1.1.3听觉信息
听觉定义:辨别外界物体声音特性的感觉
刺激:声波振动
重要性:人类从外界获得的信息约有13％是从听觉中得到的
声波声源体发生振动引起的四周空气的振荡;属于电磁振动,可以借助各种介质向四面八方传播;传导与介质的阻抗有关,阻抗越小,传导越好
声波分类声音:每秒20-20000Hz的声波;次声波:低于每秒20Hz的声波;超声波:高于每秒20000Hz的声波
人耳感知的局限敏感域(范围)有限(对3000赫兹以上和300赫兹以下频率的声音信号不敏感)
敏感度(灵敏度)有限(对声音的变化不灵敏,如声音强度变化小于一定的值,就难以听出)
分辨力不高(所能分辨的声信息级有限)
听觉的扩展超声传感器(机器人探测距离,工业探伤);声压传感器(检测安全,汽车防盗);声表面波传感器(石油勘探,无损检测)
1.1.4触觉信息
触觉辨别外界刺激接触皮肤情况的感觉
狭义的触觉"触觉":刺激轻轻接触皮肤触觉感受器所引起的肤觉
"压觉":增加压力使皮肤部分变形所引起的肤觉
"振动觉":刺激以其一定频率的振动接触皮肤所引起的肤觉
广义的触觉热觉、冷觉、湿度觉、痛觉和滑觉等
触觉的重要性人类从外界获得的信息约有3％是从触觉中得到的
触觉感知空气的温度和湿度的大小、分布及流动;不同物体给人的不同刺激程度;物体的振动、冷暖程度、质感强度等;物体的形状和大小等
主要的触觉信息温度、湿度、压力和重量
触觉的扩展温度传感器(电饭锅,微波炉);湿度传感器(微波炉);压力传感器(机器人插物);重量传感器(电子秤);机器人传感器(压觉传感,滑觉传感)
1.1.5多信息综合
味觉:辨别外界物体味道的感觉
基本味觉甜、咸、苦、酸,其他都是混合味觉
联系味觉同其他感觉都有联系,特别同嗅觉,肤觉相联系(如辣觉是热觉、痛觉和基本味觉的混合)
嗅觉:辨别外界物体气味的感觉
相对于味觉来说它是一种远感,通过长距离感受化学刺激.
特点适应(气味掩蔽,气味混合)
味觉和嗅觉的扩展离子传感器(测量离子或中性分子的浓度,用于化学、医药、食品以及生物工程中);气体传感器(酒精传感器,氧气传感器,煤气泄漏传感器,沼气警报器)
以上感知系统(视觉,听觉等)的缺陷,只能单一的感受某一方面的信息.当信息以某种复合的方式表现时需要采用多种传感器来感知这种复合信息,并对其中各种传感器的输出表示进行适当的综合或融合.
1.2信息传感
1.2.1传感的含义
现代信息产业的三大技术支柱传感技术(信息系统的"感官",前端)
通信技术(信息系统的"神经",中间)
计算机技术(信息系统的"大脑",终端)
传感位于信息系统的最前端,用于信息获取
重要性:其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个系统质量至关重要.
传感技术定义:关于传感器设计、制造及应用的综合技术
作用:信息的收集、信息的交换和控制信息的采集
1.2.2传感的装置
传感器--以一定的精确度把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的装置.一般由敏感元件和转换元件构成
上述定义包含了以下含义 1.传感器是测量装置,能完成检测任务2.其输入量是某种被测量,可能是物理量,也可能是化学量、生物量等3.其输出量是某种便于传输、转换、处理和显示的物理量,如气、光、电量等,目前主要是电量4.输出量与输入量有单值确定的对应关系,并且具有一定的精确度
传感器的组成
1敏感元件是直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件.
2转换元件:敏感元件的输出就是它的输入,它把输入转换成电路参量.
3信号调理转换电路:将上面的电路参数转换成
传感器的基本特性
1.线性度:检测系统输入－输出特性曲线与拟和直线之间的最大偏差与满量程输出的百分比来表示的,也称线性误差.
2.迟滞:检测系统在正向(输入量增大)和反向(输入量减小)行程期间,输入－输出特性曲线不一致的程度.
3.重复性:传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度.
4.灵敏度与分辨率:传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起变化的输入量变化的比值.分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量的最小变化的能力
5.稳定性:稳定度和环境影响量两方面.
1.2.3传感与检测
传感与检测之间的联系检测是传感的目的;传感是检测的核心
检测
对系统中各被测对象的信息进行提取、转换以及处理,通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程
1.传感器:将被测的非电量变换成电量,是连接被测对象和检测系统的接口
2.信息处理电路:把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的信号(如电压、电流等)
3.显示仪:使人们了解检测数值的大小或变化的过程.
1.2.4传感的应用
工业检测和自动控制系统;汽车领域;家用电器;医疗仪器和设备;机器人;资源和环境保护;航空航天;遥感技术;军事方面
1.2.5传感的发展
提高精度和扩大测量范围;低功耗及无源化;新原理;新材料;微型化及集成化;智能化;仿生传感器
1.3智能传感技术意义和应用
1.3.1智能传感技术
知识人类积累事实,原则等的总合,是认识的成果和结晶
智能生物一般性的精神能力,包括理解、计划、解决问题,抽象思维,表达意念以及语言和学习的能力
传统传感器技术的不足结构尺寸大,而时间(频率)响应特性差
输入—输出特性存在非线性,且随时间而漂移
参数易受环境条件变化的影响而漂移
信噪比低,易受噪声干扰
存在交叉灵敏度,选择性、分辨率不高
智能传感器将微处理器和传感器结合在一起,具有一定数据处理能力,并能自检自校自补偿的新一代传感器能力:视觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉;记忆、学习、思维、推理和判断;采集、处理、交换信息
智能处理功能
自校零、自标定、自校正功能;自补偿;自动采集数据,并对数据进行预处理;自动进行检验、自选量程、自寻故障;数据存储、记忆与信息处理功能;双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能;判断、决策处理功能
智能传感器的特点精度高,高可靠性与高稳定性,高信噪比与高的分辨力,强的自适应性,低的价格性能比
指纹识别器(智能传感器示例)
定义一种生物传感器,通过获取生物的指纹,并将其转换为数字信息,存储于计算机中,利用可靠的匹配算法来完成验证与识别个人身份(代表美国Veridicom公司的FPS100、西门子推出的"ID Mouse"鼠标)
1.3.2智能传感的实现和形式
实现形式非集成化实现(最经济、最快捷);集成化实现(最高级);混合实现(最实际)
集成化智能传感的形式初级形式敏感元件+电路调理,无微处理器
中级形式/自立形式敏感元件+电路调理+微处理器
高级形式高集成度,多维阵列化,具有信息融合功能,有些具有成像和图像处理等功能
智能传感系统初级具有CMOS放大器的单片集成压阻式压力传感器、摩托罗拉单片集成压力传感器MPX3100中级美国霍尼韦尔公司ST-3000系列智能变送器,带有微处理器(MCU)的单片集成压力传感器
高级带有多维检测能力的智能传感器、固体图像传感器(SSIS)
1.3.3意义和应用
智能传感的应用工业生产;医学领域("葡萄糖手表");机器人领域(类人的五官和大脑);航空航天;国防军事
智能传感的发展虚拟化;网络化;信息融合技术
第二章智能传感的生理基础
2.1神经传感
2.1.1脑与脊髓
脑:高度发达的人体器官,进化的最高成果.
主要任务:收集人体内、外环境的信息,并对信息进行加工,指导自身行动,达到适应环境和做出有利于生存的决策和反应.
解剖结构:端脑(大脑)间脑小脑中脑脑桥延脑
脊髓脊髓与延脑相连,在脑与外周之间传送神经信息.脊髓是一条管状的神经束,呈前后略扁圆柱形,从脑干一直延伸至背部下方.它被完全封闭在脊柱的椎骨里.由灰质和白质构成.(图见讲义P25)
2.1.2神经细胞
神经系统的主要构成成分就是神经组织.
神经组织是由神经细胞(neurone,即神经元)和神经胶质细胞(neuroglial cell)所组成.
人类的脑中有1010~1012个神经细胞,神经胶质细胞与神经细胞的比例估计约为10:1~50:1.
神经元是神经组织中的主要成份,是神经活动的基本功能单位,具有接受刺激和传导兴奋的功能.神经胶质细胞在神经组织中起着提供支持、供给营养、维持环境恒定及提供绝缘作用.
神经元A)细胞体:代谢中心
B)突起:a)轴突:一根,把冲动传离细胞体,传到神经末梢
b)树突:多而短,接受刺激,把冲动传向细胞体
神经纤维神经纤维是指神经元胞体发出的长胞突(轴突和长树突),有的裹有髓鞘称为有髓纤维;有的无髓鞘包裹称为无髓纤维.神经纤维末端的细小分支叫神经末梢,分布到所支配的组织.神经纤维分布到人体所有器官和组织间隙中,其主要功能是对冲动发生传导.
2.1.8功能和系统
神经系统在机体一切活动中起着主导作用.
神经系统分类
按其形态和所在部位:A)中枢神经系统:脑;脊髓
B)周围神经系统:脑神经;脊神经;内脏神经
按性质:A)躯体神经;B)内脏神经
人工神经网络
定义:人工神经网络是一种应用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型.在工程与学术界也常直接简称为神经网络或类神经网络.神经网络是一种运算模型,由大量的节点(或称神经元)和之间相互联接构成.每个节点代表一种特定的输出函数,称为激励函数(activation function).每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值,称之为权重,这相当于人工神经网络的记忆.网络的输出则依网络的连接方式,权重值和激励函数的不同而不同.而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近,也可能是对一种逻辑策略的表达.
a1~an为输入向量的各个分量
w1~wn为神经元各个突触的权值
b为偏置
f为传递函数,通常为非线性函数
t为神经元输出
数学表示t=f(WA'+b)
W为权向量
A为输入向量,A'为A向量的转置
b为偏置
f为传递函数
可见,一个神经元的功能是求得输入向量与权向量的内积后,经一个非线性传递函数得到一个标量结果.
单个神经元的作用:把一个n维向量空间用一个超平面分割成两部分(称之为判断边界),给定一个输入向量,神经元可以判断出这个向量位于超平面的哪一边.
第三章视觉传感与信息处理
3.1.1人眼视觉(图见讲义P43)
视觉过程始于眼睛.眼睛是对光进行检测,定位和分析的特化器官,是人体的"照相机".
眼的结构:1)虹膜:调节瞳孔的大小,继而调节进入眼球的光量
2)瞳孔:光线进入眼睛的小孔
3)晶体:将光线折射并聚焦在视网膜上
4)视网膜:含负责黑白视觉的视杆细胞和色度的视锥细胞
5)盲点:没有视杆细胞和视锥细胞
6)玻璃状液;
视觉功能:屈光系统、感光系统
视网膜:(图见讲义P44)
视网膜厚度约为1~0.5mm,含有大量的神经细胞,是脑的一部分.在人的视网膜上正对着瞳孔的中央有一个直径为
2.0mm的黄色区域,叫黄斑.在黄斑中间有一个直径为0.4mm的中央凹,这里是视觉最敏锐的地方.在以中央凹为中心大约3度视角范围内只有视锥细胞,几乎不存在视杆细胞.在黄斑以外,视杆细胞数量增多,而视锥细胞数量减少.
明视觉与暗视觉
视细胞:锥体细胞、杆体细胞(视觉功能不同)
明视觉(锥体细胞视觉):在光亮条件下(亮度在几个cd/m2以上)起作用,能很好地分辨物体的颜色与细节.
暗视觉(杆体细胞视觉):在暗条件下(亮度在百分之几cd/m2以下)起作用,只有明暗感觉,不能分辨颜色和细节.
人眼对不同波长的可见光的感受性是不同的,同样功率的辐射在不同的光谱波长表现为不同的明亮程度.
由于视觉的二重功能,正常视觉的人由光亮环境到黑暗环境时,由于视锥细胞视觉转到杆体细胞视觉,对不同波长的光的视觉感受性也发生变化,在光亮条件下,人眼可以看到光谱上不同明暗的各种颜色.当光谱亮度减低到一定程度的时候,人眼便看不到光谱上的各种颜色,视觉便成为无彩色的,整个光谱表现为一条不同明暗的灰带.
人眼对不同波长可见光的感受性,通过人眼观察不同波长的光达到同样明度时所需的辐射能量来确定.(图见P48)
光谱光视效率函数(视见函数):(图见P49)
能量相同而波长不同的光,引起人眼的亮度感觉不同.眼睛的灵敏度与波长的依赖关系,称为光谱光视效率函数(视见函数).由于人眼有明视觉和暗视觉两种视觉功能,光谱光视效率也分明、暗两种.在人眼可以感受到的光谱功率部分,由于人眼对各个波长的感受性不同,各个波段所产生的光感觉程度也不同..当照明条件改变时,眼睛可以通过一定的生理过程对光的强度进行适应,以获得清晰的视觉.在黑暗中视觉感受性逐步增加的过程叫做暗适应.暗适应包括两种生理过程:瞳孔大小的变化及视网膜感光化学物质的变化.
暗适应的主要机制是视觉的二重功能的作用(图见P50)
视觉功能
人借助视觉器官完成一定视觉任务的能力叫做视觉功能.视觉区别对象细节的能力(视敏度)和辨认对比的能力,是代表视觉功能的常用指标.射入眼内的光线,通过角膜、房水、晶状体和玻璃体四种折射率不同的介质,并通过四个屈光度不同的折射面(角膜的前、后表面,晶状体的前、后界面)才能在视网膜上成像,其中,入射光线最主要的折射发生在角膜的前表面.角膜、房水、玻璃体相当于透过介质,其折射率为1.336;晶状体相当于照相机的变焦镜头,其折射率从外层到内层约1.386-1.437.其曲率半径可由睫状肌调节,从而在一定范围内改变曲率,使远近不同的物体都能在视网膜上得到清晰的成像;瞳孔如同照相机的光圈,可以随光线明暗变化自动调节大小,直径在2-8mm之间变化.
简化眼及其成像示意图(图见P52)
视角的大小与物体的距离成反比,物体近时视角变大,物体远时视角变小.
视敏度:人通过视觉器官辨认外界物体的敏锐程度,它表示视觉辨认物体细节的能力.
视敏度的辨认主要是视网膜中央部分(中央凹)的功能.一个人能辨认物体细节的尺寸愈小,视敏度就愈高;反之视敏
度就愈差.视敏度是以视角进行计算的.视敏度V是视觉所能分辨的以角分为单位的视角的倒数,即
立体视(图见P55)
立体视觉,又称深度觉、空间视觉,是由于在感觉区内,存在轻微视差的物像刺激双眼视网膜对应点,大脑才能由此产生对该物体三维空间的立体形状及判断其位置远近距离关系的感知能力.
双眼视网膜结像出现微小的水平像位差,称为双眼视差(tfinocular parallax)或立体视差(stereoscopic vision).
双眼视物时,两眼视网膜上各形成一个完整的物像,由于眼外肌的精细协调运动,可使来自物体同一部分的光线成像
于两眼视网膜的对称点上,并在主观上产生单一物体的视觉,称为单视.眼外肌瘫痪或眼球内肿瘤压迫等都可使物像落
在两眼视网膜的非对称点上,因而在主观上产生有一定程度互相重叠的两个物体的感觉,称为复视.
2D 数字图象:L =f(x,y),x=1..n,y=1..m
3D 数字图象:L =f(x,y,z),x=1..n,y=1..m,z=1..k
双眼视觉是一个完整的生理功能,可将其分为三级.第一级为同时知觉,第二级为两像融合,第三级为立体觉.第五章听觉传感与信息处理
耳的结构(图见P98)外耳(接收声波):耳廓+外耳道
中耳(传导声波):鼓膜+鼓室+听小骨
内耳:前庭(与身体平衡有关)+耳蜗(与听觉形成有关)
耳蜗中真正的声音感受器是位于基底膜上的螺旋器或称柯蒂氏(Corti)器(图见P100)
螺旋器上的毛细胞(hair cell)是声音的感受器细胞.毛细胞分外毛细胞和内毛细胞两类,分列螺旋器隧道两侧.声电换能(图见P101)
声音是声源体发生振动引起的四周空气的震荡产生的声波.声音通过外耳道传到鼓膜使之振动,鼓膜的振动又通过附着在上面的锤骨带动相继连接的砧骨和镫骨,从而又带动耳蜗内的淋巴液的运动.中耳以其听骨链分别连接鼓膜和卵圆窗,听骨链作为杠杆使声音通过机械作用得到了增益;另一方面,鼓膜面积比卵圆窗面积大得多,这一面积上的差异也导致声压增加了24倍多.这两种效应共同作用,有效地补偿了声波从空气传入内耳淋巴液时,因两种介质之声阻抗不同所造成的30dB 的能量衰减,可将空气中的声波振动能量高效地传入内耳淋巴液体中去.当声波的机械振动通过听骨链到达卵圆窗膜时,压力变化立即传给耳蜗内液体和膜性结构,引起耳蜗淋巴液的振动,镫骨内移时,前庭膜和基底膜就将下移,最后是鼓阶的外淋巴压迫圆窗膜向外突出;相反,当镫骨外移时,整个耳蜗内结构又作反方向的移动,于是引起基底膜振动,这种振动是以波的形式沿着基底膜向前传播(图见P102)
不同频率的振动引起的基底膜不同形式的行波传播,主要由基底膜的某些物理性质决定的.(图见P102)
蝙蝠的听觉信息处理
蝙蝠通过回声定位来发现食物(如不断拍动翅膀的飞蛾).蝙蝠发射短暂的叫声,并倾听由目标发回的微弱的回声.蝙蝠需要皮层来进行回声定位.
多数蝙蝠以超声频率(20-100kHz)大声呜叫.触须蝙蝠的叫声非常短暂,只有20ms;它包含了一个稳定的恒频
(constant-frequency,CF)部分,和一个随后的降频扫射,即调频(frequency-modulated,FM)部分.(图见P110)第六章传感成像的光电基础
6.1图像与辐射度量
6.1.1电磁辐射
热辐射(thermal radiation):
物体将部分内能以电磁波的形式向外辐射的现象.是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象.黑体(black body)辐射:
黑体是能完全吸收入射电磁能量的物体,其反射率与透射率为零.为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律,物理学家们定义了一种理想物体.黑体向外热辐射能量称为黑体辐射.
普朗克辐射定律:(图见P145)
黑体光谱辐射出射度M(λ,T)波长、热力学温度之间关系的公式
黑体辐射的定量描述
黑体模具有某一特定极化方向的驻波模,其含有V 个量子的能量被量化为
(V=1,2,3……)根据玻尔兹曼(Boltzmann)定理可知,在黑体模中具有V 个量子的概率正比于exp(-hv/kT).因此这个概率分布可写成为Cexp(-hv/kT),由概率总和为1可得
6.1.2图像与辐射度量
图像是以辐射量子分布所再现的景物(具体推导见
利用概率论求出V 的均值和V 2的均值
单黑体模辐射的涨落方差
实际黑体是大量集合的黑体模.因此黑体辐射的量子数n
可表示为实际黑体辐射的量子数方差:
黑体辐射的量子噪声值用标准差表示;当黑体辐射的波段为可见光波段时,则hv?kT.
这时辐射的量子噪声可近似表示为[]125()2exp(/)1M T hc hc kT λπλλ??=??
N
相邻的亮和暗像元所构成的图像信噪比值
6.1.3电磁辐射的度量
辐射的度量:辐射度量
VS 光度量辐射度量:
(1)辐射能(2)辐射通量Фe 为瓦特.
(3)辐射强度Ie:辐射强度描述了光源辐射的方向特性,定义为在给定传输方向上单位立体角内所发出的
辐射通量,单位为瓦/球面度.
(4)辐射照度Ee:辐射照度是用来表示辐射体对接收面的作用的物理量,定义为单位微面元上接收的辐射
通量,单位为瓦/平方米.
(5)辐射出射度Me:离开辐射体表面单位微面元的辐射通量称为辐射出射度,表示为
辐射出射度是用来度量物体辐射能力的物理量,单位为瓦/平方米.
(6)辐射亮度Le:辐射体在垂直其辐射传输方向上单位表面积单位立体角内发出的辐
射通量,其定义式为
Le 的数值与辐射源表面性质有关,并且随方向变化,其单位为瓦/平方米·球面度.
光度量
以人眼的视觉特性为基础,描述了光辐射能被人眼接收所引起的视觉刺激大小的强度,因此光度量只在可见光范围有意义.
(1)光通量Φv:光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值.
在波长λ到λ+dλ间隔内光源辐射的光通量为其中V(λ)为人眼的光谱光视效率,对于波长在380-780nm 之外的不可见光,V(λ)=0.
(2)光量Qv:光通量Φv 对时间的积分称为光量,单位为流明·秒.
(3)发光强度Iv:光源在给定方向上单位立体角内发出的光通量称为光源在该方向上的发光强度,表达式为
(4)光照度Ev:受光照物体给定位置处单位微面元上的入射光通量称为该点的照度,其表达式为
(5)光出射度Mv:光源表面给定位置处单位面积向半空间内发出的光通量,表达式为
(6)亮度Lv:光源表面一点处的面元在给定方向上的发光强度与该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积之比,其表达式为
注意:不要把照度跟亮度的概念混淆.
6.1.4光电成像的图像探测方程
1.光电成像所输出的图像信号表达式
其亮度分别为L1和L2,且L1>L2接收亮像元辐射的平均光子数
2.光电成像所输出的图像噪声表达式
由于光电成像所输出的亮和暗两个像元都伴随有量子起伏的噪声N
3.理想状态光电成像的输出图像信噪比
4.光电成像的图像探测方程阈值信噪比(S/N)min 时,表明理想的光电成像可以探测到这一图像,可写出关系式
780,,380()()v m e m e K V d K V d λλλλλλΦ=Φ?=Φ?
∫∫∫
6.2半导体物理基础
6.2.1半导体的特性
电阻率在10-3Ω·cm~1012Ω·cm
电阻温度系数一般是负的,它对温度的变化非常敏感.纯净半导体的导电能力很差,但随着掺入其内部杂质元素(如磷、硼等)量的增加,导电性能将发生十分显著的增强.随着所掺入的杂质的种类不同,可以得到相反导电类型的半导体.导电能力及性质还会因受到热、光、电、磁等外界作用的影响而发生非常重要的变化.
半导体的种类:A)本征半导体;
B)杂质半导体:N型半导体(N型半导体中电子导电,电子带负(Negative)电荷;如磷、砷、锑等)
P型半导体(P型半导体中空穴导电,空穴带正(Positive)电荷;如硼)
6.2.2能带理论
1.原子中电子的能级(图见P155电子运动轨道及能级示意图)
电子运动特点:?量子态:具有确定能量的稳定运动状态.
?能级:每一量子态的确定的能量称为能级.
?粒子与波动二重性
?泡利不相容原理:每一个能级中,最多只能容纳两个自旋方向相反的电子
2.晶体中电子的能带(晶体:原子以一定的周期重复排列构成了晶体)
特点:由于原子之间的距离很近,不同原子之间的电子轨道(量子态)将发生不同程度的交迭,使电子不同程度共有化.量子力学计算表明,晶体中若有N个原子,由于各原子间的相互作用,对应于原来孤立原子的每一个能级,在晶体中变成了N条靠得很近的能级,称为能带.能带的宽度记作E,数量级为E-eV.
一般规律: 1.越是外层电子,能带越宽,E越大.
2.点阵间距越小,能带越宽,E越大.
3.两个能带有可能重叠.
能带中电子的排布原则:1.服从泡里不相容原理;2.服从能量最小原理
晶体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上.这一能带分裂成由N条能级组成,能带最多能容纳2N(2l+1)个电子.电子排布时,应从最低的能级排起.
有关能带被占据情况的几个名词:满带(排满电子)
价带(能带中一部分能级排满电子)亦称导带
空带(未排电子)亦称导带
禁带(不能排电子)
两个相邻能带之间的能量区域称为禁带.晶体中电子的能量只能取能带中的数值,而不能取禁带中的数值.
孤立原子的内层电子能级一般都是填满的,在形成固体时,其相应的能带也填满了电子.孤立原子的最外层电子能级可能填满了电子也可能未填满了电子.若原来填满电子的,在形成固体时,其相应的能带也填满了电子.若原来未填满电子的,在形成固体时,其相应的能带也未填满电子.若孤立原子中较高的电子能级上没有电子,在形成固体时,其相应的能带上也没有电子.
在晶体中,由价电子能级分裂而成的能带叫做"价带",如某一能带被电子填满,则称之为"满带",而在未激发情况下无电子填入的能带叫做"空带’,若价带中的电子受激而进入空带,则此空带称为"导带",同时,价带上由于价电子激发到导带后留下一些空着的能级称为"空穴"."价带"和"导带"之间是"禁带".(图见P156)
2.半导体的导电机构--载流子:自由电子和空穴
注意:杂质电离产生的电子和空穴数目不相等,N型半导体中电子为多数载流子,P型半导体恰好相反.
形成--价带中的一些电子在外界作用下跃迁到导带,形成可以导电的自由电子,而在价带中留下了缺少电子的空位,称为空穴.
(1)本征激发:
在热运动或其它外界因素的作用下,半导体价带的电子直接激发跃迁到导带而形成数量相等的自由电子和空穴. (2)杂质电离:
半导体中杂质原子上的电子(或空穴)从施主(或受主)能级上跃迁到导带(或价带)中去,分别形成自由电子和空穴.
4.载流子的运动(1)扩散运动:载流子由热运动造成的从高浓度处向低浓度处的迁移.(2)漂移运动:载流子在电场的加速作用下,除热运动之外获得的附加运动称为漂移运动.
5.半导体对光的吸收(1)本征吸收:由本征激发所形成的光吸收称为本征吸收.(2)杂质吸收:由杂质电离所形成的光吸收称为杂质吸收.(3)自由载流子吸收:由自由载流子在同一能带内不同能级之间的跃迁引的光吸收,称为自由载流子吸收.(4)激子吸收:价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带,但还不足以跃迁到导带成为自由电子,这时电子还与空穴保持着库仑力的相互作用,形成一个电中性系统,称为激子.能产生激子的光吸收称为激子吸收.(5)晶格吸收:半导体原子吸收能量较低的光子,并将其能量直接变为晶格的振动能,从而在远红外区形成一个连续的吸收带,这种形式的光吸收称为晶格吸收.
6.3光电转换基础
光电效应:A)外光电效应(物质受到光照后向外发射电子的现象)
--光电发射效应
B)内光电效应(受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动,而不会逸出物质外部的现象)
--光电导效应、光生伏特效应6.6.1光电导效应
光照射半导体材料时,材料吸收光子而产生电子-空穴对,使其导电性能增强,电导率增加,人们把这种光照后电导率发生变化的现象称为光电导效应.由于该过程是在半导体材料内进行的,故又称为内光电效应.
暗电导--没有光照时,半导体材料固有的电导率半导体材料发生光电导效应的实质可以用其能带结构来解释:
当入射光照射某种本征半导体时,如果入射光子的能量大于此材料的禁带宽度Eg 就会引起本征吸收,使价带中的电子越过禁带而跃迁到导带,形成电子-空穴对,从而使载流子数目增多.
对于掺有杂质的半导体材料,光照时除了本征材料价带电子激发外,杂质能带中的电子受到光子激发到达导带形成电子和离子,使半导体的电导率发生改变.这种光生载流子与热运动产生的载流子是不可区别的,它们的迁移率相同,因此可以把光照引起的电导率的变化直接归结为载流子密度的变化.
6.6.2光生伏特效应---
由光照引起电动势的现象
严格来讲,包括两种类型:一类是发生在均匀半导体材料内部;一类是发生在半导体的界面.虽然它们之间有一定相似的地方,但产生的具体机制是不相同的.通常称前一类为丹倍效应,而把光生伏特效应的涵义只局限于后一类情况.自建电场
--严格来讲,包括两种类型:一类是发生在均匀半导体材料内部;一类是发生在半导体的界面.虽然它们之间有一定相似的地方,但产生的具体机制是不相同的.通常称前一类为丹倍效应,而把光生伏特效应的涵义只局限于后一类情况.
6.6.3光电发射效应
--如果被激发的电子能逸出光敏物质的表面而在外电场作用下形成光电流,就称该现象为光电发射效应或外光电效应.光电发生过程(1)电子吸收光子后产生激发,即得到能量;
(2)得到光子能量的电子(受激电子)从发射体内部向表面运动(电子传输);
(3)受激电子越过表面势垒向真空逸出.
1.光电发射第一定律
光电发射第一定律也称斯托列托夫定律,即当入射光线的频率成分不变时,
光电阴极的饱和光电发射电流Ik 与被阴极所吸收的光通量Фk 成正比.
2.光电发射第二定律
光电发射第二定律也称爱围斯坦定律,即发射出的光电子的最大动能
随入射光频率的增高而线性增大,而与入射光的光强无关.
3.光电发射的红限
使光电子刚刚能从阴极逸出的入射光波长称为光电发射的"红限",
或称为光电发射的阈值波长(光电阴极的长波阈λ0)000n p
qn qp σμμ=+k k k I S =Φ
4.金属的光电发射
金属会反射掉大部分入射的可见光(反射系数达90％以上),吸收效率很低.光电子与金属中大量的自由电子碰撞,在运动中丧失大量能量.只有很靠近表面的光电子才有可能到达表面并克服势垒逸出,即金属中光电子逸出深度很浅,大约只有几纳米.
5.半导体的光电发射
表面能带弯曲:半导体无界时,能带结构是平直的;半导体有界时,表面处破坏了晶格排列周期性(势场),而且表面易氧化及被杂质污染,因而在禁带中引入附加能级(表面能级).由于表面能级的存在,在表面处引起能带弯曲.
对于N型半导体,施主能级上的电子跃迁到表面能级时,半导体表面将产生一个负的空间电荷区.而距离表面稍远一点的体内则分布有等量正的体电荷,因此表面能带向上弯曲,其弯曲的程度可用表面势垒表示.由于表面能带向上弯曲,体内的电子亲和势要比表面能带不发生弯曲时增加一个势垒高度,使得体内光电子发射变得更加困难.
对于P型半导体,情况正好相反.表面能级中能量高于受主能级的电子要跃迁到受主能级上,于是半导体表面即产生一个正的空间电荷区,距离表面稍远一点的体内则分布有等量的负电荷,因此表面能带向下弯曲.特别是P型半导体表面吸附有带正电性的原子(例如铯原子)或N型材料的时候,表面上偶电层正电性在外,能带弯曲就更厉害.由于表面能带向下弯,使得体内电子亲和势比能带不发生弯曲时减少一个势垒高度,因此对于体内的光电子发射十分有利.
因此,现在各种实用光电阴极几乎全是用P型半导体材料为衬底,然后在它的表面涂上带正电性的金属或N型材料而制成的.
第七章传感成像的光电器件
7.1光电成像器件的类型和历史
光电成像器件(Photoelectronic Imaging Devices)是一类利用光电效应将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可观察、记录、传输、存储以及可进行处理的图像的功能器件系列的总称,也称为光电图像传感器.
目的在于弥补人眼在灵敏度、响应波段、细节的视见能力以及空间和时间上的局限等方面的不足.
按工作方式分为两大类:直视型和非直视型(摄像型)
直视型光电成像器件
工作方式:将入射的辐射图像通过外光电效应转换为电子图像,而后由电场或电磁场的聚焦加速作用进行能量增强以及由二次发射作用进行电子倍增,经增强的电子图像激发荧光屏产生可见光图像.
基本结构:光电发射体、电子光学系统、微通道板(增强)、荧光屏、高真空的管壳
据工作的辐射波段区分
A)变像管(接受非可见辐射图像):红外变像管、紫外变像管、X射线变像管等
B)像增强器(接受微弱可见光图像):级联式像增强器、带微通道板的像增强器、负电子亲合势光阴极的像增强器
红外变像管:紫外变像管:
紫外变像管的窗口材料石英玻璃,
可以使波长大于200nm的紫外(小于380nm)光
变成光电子,与光学显微镜结合起来,
可用于医学和生物学等方面的研究;
级联式像增强管;
微通道板像增强管;
X射线像增强器
实质:变像管
作用:将不可见的X射线转换成可见光图像,
并使图像亮度增强;
非直视型光电成像器件(只完成摄像功能,不直接输出图像,故称~)
接收:光学图像(光敏面的光电效应)+热图像(热电效应)
转变为电荷图像,后通过电子束扫描或电荷耦合转移方式产生出视频信号.
基本结构:A)电真空式:由光敏靶(或带有光敏面的电子增强靶)、电子枪、扫描系统以及保持高真空的管壳等组成
B)固体式:由光敏面阵和电荷耦合转移读出电路(或两维移位寄存读出电路)等组成
据工作原理分为:
A)电真空摄像管:光电发射型摄像器件(摄像管)、光电导摄像器件(视像管)、热释电摄像器件
B)固体摄像器件:电荷耦合器件、CMOS图像传感器件、红外焦平面器件
摄像型光电成像器件将二维空间的光强分布(光学图像)转换为一维时序电信号,不直接输出图像(只有对时序电信号进行再处理后才可获得目标图像),按工作方式和结构的不同可分为电真空摄像管和固体摄像器件,将它们配以成像物镜、显示器等,可构成摄像机系统.电真空摄像管利用光电靶和电子束扫描、把二维光学图像转换为一维时序电信号的电真空摄像器件.将像增强器与电真空摄像管耦合,可构成微光(电真空)摄像系统.固体摄像器件CCD、CMOS 和IRFPA 等.它们都利用了自扫描技术,能完成光学图像的转换、信息的存储和扫描输出(一维时序电信号)的全过程.电荷耦合器件(CCD,charge coupled device)、互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS、电荷注入器件(CID,charge injection device)和IRFPA
都利用了自扫描技术,能完成光学图像的转换、信息的存储和扫描输出.
CCD 图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统.CCD 数码照相机
数码相机简称DC,它采用CCD 作为光电转换器件,将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中.
数码相机从外观看,也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等,但比传统相机多了液晶显示器(LCD),内部更有本质的区别,其快门结构也大不相同.
电荷耦合器件(CCD)CCD 的特点——以电荷作为信号
CCD 的基本功能——电荷存储和电荷转移
CCD 的优点:集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等.
CCD 的工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程.7.2CCD 的光电转换、电荷存储及转移
基本结构:转移电极结构、转移沟槽结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构.(图见P188)
类型:表面沟道CCD(SCCD):电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面,并沿界面传输;
体沟道CCD(BCCD):电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内,并在半导体体内沿一定方向传输.
组成:感光二极管(Photodiode)
并行信号寄存器(Shift Register)-用于暂时储存感光后产生的电荷
串行信号寄存器(Transfer Register)-用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大
信号放大器-用于放大微弱电信号
数摸转换器-将放大的电信号转换成数字信号
CCD 工作时,在设定的积分时间内,光敏元对光信号进行取样,将光的强弱转换为各光敏元的电荷量.取样结束后,各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下,转移到CCD 内部的移位寄存器相应单元中.移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷顺次转移到输出端.输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中,可对信号再现或进行存储处理.
势阱的概念(详见PPT 备注及讲义)构成CCD 的基本单元是:(详见PPT 备注及讲义)
MOS 电容存储电荷的容量Q 与栅极电压UG、栅极电容面积A 半导体MOS 结构(金属-氧化物-半导体).和MOS 电容容量COX 有关,具体公式为:OX G Q C U A
??=
三相CCD 中电荷的转移过程
通过将一定规则变化的电压加到CCD 各电极上,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.如前图,为三相时钟脉冲,此种CCD 称为三相CCD.
CCD 电极间隙必须很小,否则被电极间的势垒所间隔.
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
因素决定.间隙长度应小于3um.
以电子为信号电荷的CCD 称为N 型沟道CCD(工作频率高),而以空穴为
信号电荷的CCD 称为P 型沟道CCD.
CCD 的特性参数转移效率
:一次转移后,到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比.
转移损失率:
影响电荷转移效率的主要因素为界面态对电荷的俘获.为此,常采用"胖零"工作模式,即让"零信号"也有一定的电荷.工作频率f
(1)下限:为避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰,注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须小于少数载流子的平均寿命,对于三相CCD,t 为:t=T/3=1/3f,故,f>1/3ζ.
(2)上限:当工作频率升高时,若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间大于驱动脉冲使其转移地时间T/3,那么信号电荷跟不上驱动脉冲的变化,使转移效率大大降低.故
t≤T/3,即f ≤1/3t.
7.3电荷的注入和检测
电荷的注入
(1)光注入:当光照射CCD 硅片时,在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对,其多数载流子被栅极电压排开,少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷.它有可分为正面照射式＆背面照射式.其光注入电荷:
其中,η--材料的量子效率,Neo --入射光的光子流速率,A --光敏电压的受光面积,Tc--光注入时间
背面照射式光注入(图见P191)
(2)电注入:
CCD
ID 为源极,IG 为栅极,而Ф2为漏极,当它工作
在饱和区时,输入栅下沟道电流为:
经过Tc 时间注入后,其信号电荷量为:
此为电流注入法
电压注入法
与电流注入法类似,但输入栅极IG 加与Ф2同位相的选通脉冲,在选通脉冲作用下,
电荷被注入到第一个转移栅极Ф2下的势阱里,直到阱的电位与N+区的电位相等时,注
入电荷才停止.往下一级转移前,由于选通脉冲的终止,IG
的势垒把Ф2＆N+的势阱分开电荷注入量与时钟脉冲频率无关.1εη=?0eo IP n Q q AT η=?
信号电荷在转移过程中与时钟脉冲无任何电容耦合,而在输出端需选择适当地
输出电路以减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的程度.
目前的CCD输出电荷信号的方式主要是称为电流输出方式的电路.
电流输出
由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化,直流偏置的输出栅极
OG用来使漏扩散＆时钟脉冲之间退耦,由于二极管反向偏置,形成一个深陷落信
号电荷的势阱,转移到Ф2电极下的电荷包越过输出栅极,流入到深势阱中.
(1)浮置扩散放大器输出
复位管在Ф2下的势阱未形成前,在RG端加复位脉冲,使复位管导通,把浮置扩散区
剩余电荷抽走,复位到UDD,而当电荷到来时,复位管截止,由浮置扩散区收集的信号电
荷来控制放大管栅极电位变化.
(2)浮置栅放大器输出
T2的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接,而是与沟道上面的浮置栅
相连.当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时,在浮置栅上感应出镜像电荷,以
此来控制T2的栅极电位.
CCD电压输出电路CCD电压输出
工作波形图
7.4CCD的特性参数
(1)光电转换特性:良好,光电转换因子可达到99.7%.
(2)光谱响应:常采用背面照射的受光方式,采用硅衬底的CCD器件,其光谱响应范围为0.4~1.1um,平均量子效率为25％,绝对响应为0.1~0.2A*W-1.
(3)动态范围:由势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比决定.
(4)噪声:电荷注入噪声;电荷量变化引起的噪声(转移噪声)＆检测时产生的噪声(输出噪声).
(5)暗电流--产生的主要原因:A)耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁;B)少数载流子在中性体内的扩散;C)来自SiO2表面(硅中缺陷＆杂质数目)引起的暗电流;D)Si-SiO2界面表面的晶体缺陷＆玷污等;E)温度,温度越高,暗电流越大.
分辨率是图像传感器的重要特性,常用调制传递函数MTF来评价.线阵CCD固体摄像器件向更多位光敏单元发展,现在已有256×1,1024×1,2048×1,5000×1,10550×3等多种.现有的面阵CCD的像元数已发展到512×500,795×596,1024×1024,2048×2048,5000×5000等多种,分辨率越来越高.
7.5CCD的电极结构
--A)转移电极结构;B)转移沟道结构;C)信号输入结构;D)信号检测结构
三相CCD:
三相单层铝电极结构三相电阻海结构
三相交叠栅结构
采用"阴影腐蚀技术"的三相器件
(a)第一层金属腐蚀后(b)第二层金属沉积后
二相硅-铝交叠栅结构阶梯状氧化物结构
注入势垒二相结构
四相CCD:
四相CCD四相器件的表面势阱分布
电极结构
衬底内运动.由于界面处存在陷阱,信号电荷在转移过程中将受到影
响,从而降低了器件的工作速度和转移效率.
为了减轻或避免上述问题,可在半导体内设置信号的转移沟道.这
类器件称为体沟道或者埋沟道BCCD.右为BCCD纵向剖面图
7.6典型CCD器件
CCD器件
利用光学成像系统将景物图像成在CCD地像敏面上.像敏面将照在每一像敏面的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元(MOS电容)中,然后,再转移到CCD的移位寄存器(转移电极下的势阱)中,在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件,成为视频信号.
类型(1)线型CCD摄像器件:单沟道线型ICCD、双沟道线型ICCD
(2)面阵ICCD:帧转移面阵ICCD、隔列转移型面阵ICCD、线转移型面阵ICCD
线阵CCD器件--工作原理(图见P199)
线性CCD摄像器的两种基本形式
--单沟道线阵CCD:单沟道线阵CCD的转移次数多、效率低、调制传递函数MTF较差,只适用于像敏单元较少的摄像器件.
--双沟道线阵CCD:与具有同样像敏单元的单沟道线阵CCD相比,双沟道线阵CCD要比单沟道线阵CCD的转移次数少一半,它的总转移效率也大大提高.一般高于256位的线阵CCD都为双沟道.
面阵CCD器件--能在x、y两个方向都能实现电子自扫描,可以获得二维图像.
--帧转移面阵CCD:它由成像区(光敏区)、暂存区和水平读出寄存器三部分构成.(图见P200)
它的特点是结构简单,光敏单元的尺寸可以很小,模传递函数MTF较高,但光敏面积占总面积的比例小.
--隔列转移型面阵CCD:由于每列像敏单元均被读出寄存器所隔,因此,这种面阵CCD称为隔列转移型CCD.
--线转移型面阵CCD:它与前面两种转移方式相比,取消了存储区,多了一个线寻址电路.它具有有效光敏面积大、转
移速度快、转移效率高等特点,但电路比较复杂.(图见P201)
7.7典型CCD器件
7.7.1典型线阵CCD
--TCD1206UD的特点:(图见P209)A)驱动简单;B)灵敏度高;C)光谱响应范围宽;D)温度特性稳定;E)积分时间与暗电压的有关;(图见P206)的工作原理;(图见P207)光生电荷向Φ1电极下势阱转移;(图见P208)驱动原理;
7.7.2典型面阵CCD
--DL32的(图见P211)结构、输出电路、时序波形图、CCD的管脚图、光谱响应曲线;
7.7.3CCD彩色摄像机
优点:寿命长、能够经受强光照射而不被毁坏、工作电压低、不怕振动、体积小、使用方便.
根据结构不同,CCD彩色摄像机可分为三类:三管式、两管式、单管式.
---三管CCD彩色摄像机:由光学系统(包括成像镜头和分光棱镜)、三个片状面阵CCD和机体内的驱动电路、同步控制电路、信号处理电路等构成.是分辨率最高的固体彩色摄像机.但存在相对而言体积大、重量大、成本高等缺点.
故,提出了用一片CCD产生R、G、B三种基色的单管式彩色摄像机的需求.(图见P213) ---单管CCD彩色摄像机:已广泛用于电视监控与图像处理等方面.
故,已提出的多种单管CCD彩色摄像机设计方案的实质性特征都取决于滤色器的结构.
---滤色器结构:将滤色器设计成棋盘格结构的基本想法:增加G光的采样点的数目,减少R、B光采样点的数目,以达到提高G信号的上限频率,同时又能保持图像的采择均匀性.
7.8微光CCD、红外CCD、X光CCD
7.8.1微光CCD
目前世界各国已研制出多种微光夜视CCD,并大量用于国防、公安、医疗影像和天文观测等各个部门.
微光CCD是目前应用最广泛、最有前途的微光夜视图像传感器件.
微光电视摄像管与直视夜视仪相比具有如下特点:便于利用图像处理技术,提高显示图像的品质;可以实现图像的远距离传输或远距离遥控摄像;可与光电自动控制系统构成电视跟踪转置,直接用于武器制导、指挥发射等领域,并具有较强的抗干扰能力和快速反应能力;可供多人、多地点同时观察;可录像并长期保存.目前,已有两种微光CCD摄像管,即增强型(I-CCD)和累积型(TDI-CCD)摄像管.它们的最低光照度已达到10-6lx,分辨率为510TVL.
7.8.2红外CCD
目前,红外CCD主要集中于:PtSi为代表的硅化物;Si:Ga,Si:Bi,Si:As为代表的非本征硅材料;InSb、Hg1-xCdxTe为代表的本征窄带半导体材料;尤其以InSb、Hg1-xCdxTe和Pt:Si器件的发展最引人注目.
红外摄像系统常分为主动红外摄像系统与被动红外摄像系统两种.
主动红外摄像系统
--测量者先发射一个信号到被测量对象,再接收被测量对象的反射
信号来探测目标的一种系统,如防空雷达设备.
结构:红外照明光源、红外摄像器件、摄像机及光源控制器、监视器等
几部分组成.
A)红外光源:目前常用的红外光源有二种:
1.白炽灯用红外滤光的办法产生红外光源.
2.使用半导体砷化镓光源或半导体激光器.
B)红外摄像器件:1.PbO-PbS复合靶近红外摄像管.2.硅靶摄像管;https://www.wendangku.net/doc/e812084129.html,D摄像器件
C)红外变像管--一种把不可见红外图像转换成可见光图像的光电成像器件.主要由光电阴极、电子光学系统和荧光屏三部分组成,并安装在高真空密封玻璃壳内.
被动红外摄像系统--所谓被动式系统就是无需发射信号就能探测目标、监视环境的系统.
--热释电摄像机;
--红外CCD摄像机:采用红外波段摄像能提高摄像机的能
见度,故对于远距离摄像,选择近红外波长进行红外摄像要比
可见光摄像好.
7.8.3X光CCD(图见P222)
--X光像增强器;--带通道X光增强器;
--新一代X光增强器--显著特点:阴极面积大,可以探测显示更大目标范围;阴极结构简单,制作容易,有利于降低成本;具有高的增益;阴极结构简单、通道尺寸的减小,有利于进一步提高整管分辨率,从而提高透视目标图像的清晰度;光子工艺好,有较高的成品率,可以大大降低成本.
--医用X光电视系统(图见P224)
--工业用X光光电检测系统
7.9CCD视频信号处理与计算机数据采集
7.9.1CCD视频信号处理
依据对CCD传感器视频信号应用的差异,对CCD视频信号有两种处理方法:
A)对CCD视频信号进行二值化处理后,再进行数据采集:
实现CCD视频信号二值化的方法很多,一般采用硬件电路实现.常用的二值化处理方法有固定阈值法、浮动阈值法和微分法等.
在不要求图像灰度的系统中,为提高处理速度和降低成本,尽可能采用二值化图像处理方法.实际上许多检测对象在
本质上也表现为二值情况,如图纸、文件的输入,物体尺寸、位置的检测等.在输入这些信息时采用二值化处理是恰当的.
二值化处理是把图像和背景作为分离的二值(0,1)对待.光学系统把被测对象成像在CCD光敏像元上.由于被测物与背景在光强上的变化反映在CCD视频信号中所对应的图像尺寸边界处会有明显的电平变化,通过二值化处理把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平.
B)对CCD视频信号采样,量化编码后再采集到计算机系统.量化处理
CCD传感器在测量光强信息时,需要把对应CCD控件光敏元所感受到的光强转换成输出电压赋值,然后再转换成数字编码送入计算机处理.CCD视频信号的量化处理过程如图所示.
首先将CCD视频输出的脉冲调制信号经过低通滤波器后变成在时间上连续的模拟信号.按照对图像分辨率的要求,用采样/保持电路对连续的视频信号在时间上进行间隔采样,把CCD视频信号编程离散的模拟信号,再由A/D转换器将模拟
信号转变成数字量.
7.9.2CCD的A/D数据采集与计算机接口7.9.3面阵CCD的数据采集与计算机接口
线阵CCD的A/D数据采集原理图CA-CPE-1000图像采集卡结构图
图像采集处理系统示意图
7.10CMOS的基本原理和结构
7.10.1CMOS图像传感器的基本结构
CMOS单个像素的示意图如左图所示.
首先进入"复位状态",此时打开门管M.电容被充电至V,二极管处于反向状态;
然后进人"取样状态".这时关闭门管M,在光照下二极管产生光电流,使电容上存贮的电荷放电,
经过一个固定时间间隔后,电容C上存留的电荷量就与光照成正比例,这时就将一幅图像摄入到
了敏感元件阵列之中了;
最后进入"读出状态".这时再打开门管M,逐个读取各像素中电容C上存贮的电荷电压.
外界光照射像素阵列(像敏单元阵列实际上是光敏二极管阵列),发生
光电效应,在像素单元内产生相应的电荷.
行选择逻辑单元根据需要,选通相应的行像素单元.行像素单元内的
图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元
以及A/D转换器,转换成数字图像信号输出.其中的行选择逻辑单元可
以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描.
行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提
取功能.模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处
理,并且提高信噪比.另外,为了获得质量合格的实用摄像头,
芯片中必须包含各种控制电路,如曝光时间控制、
自动增益控制等.为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动
作,必须使用多个时序控制信号.
将像敏单元阵列按X和Y方向排列成方阵,方阵中的每一个像
敏单元都有它在X、Y方向上的地址,并可分别由两个方向的
地址译码器进行选择;(右为CMOS图像传感器组成框图)
每一列像敏单元都对应于一个列放大器,列放大器的输出
信号分别接到由X方向地址译码控制器进行选择的模拟多路开关输出
至输出放大器,输出放大器的输出信号送A/D转换器进行模数转换变成
数字信号,经预处理电路处理后通过接口电路输出.图中的时序信号发
生器为整个CMOS图像传感器提供各种工作脉冲,这些脉冲均受控于接
口电路发来的同步信号.
在Y方向地址译码器的控制下,依次序接通每行像敏单元上的模拟开
关(图中标志的Si,j),信号将通过行开关传送到列线上,再通过X方向
地址译码器的控制,输送到放大器.当然,由于设置了行与列开关,而它
们的选通由两个方向的地址译码器上所加的数码控制,因此可采用X、Y两个方向以移位寄存器的形式工作,实现逐行扫描或隔行扫描的方式输出.可以只输出某一行或某一列的信号,使其按照与线阵CCD相类似的方式工作.还可以选中希望观测的某些点的信号,如图所示的第i行、第j列的信号.
7.10.2CMOS图像传感器的工作流程
1.初始化.初始化时要确定器件的工作模式,例如:输出
偏压、放大器的增益、取景器是否开通,并设定积分时间.
2.帧读出(YR)移位寄存器初始化.利用同步脉冲SYNC-YR,可
以使YR移位寄存器初始化.SYNC-YR为行启动脉冲序列,不
过在它的第一行启动脉冲到来之前,有一消隐期间,在此期
间内要发送一个帧启动脉冲.
3.启动行读出.SYNC-YR指令可以启动行读出,从第一行(Y=0)
开始,直至Y=Ymax止;Ymax为CMOS图像传感器的垂直行数.
4.启动X移位寄存器.利用同步信号SYNC-X启动X移位寄存
器开始读数,X=0起,X=Xmax止;X移位寄存器存储一幅图像
信号的数据.
5.信号采集.A/D转换器在时序脉冲控制下对一幅模拟图像信
号进行逐一的A/D转换与数据采集.
CMOS传感器工作流程图
6.启动下行读数.读完一行后,发出指令,接着进行下一行读数.
7.复位.帧复位是用同步信号SYNC-YL控制的,从SYNC-YL开始至SYNC-YR出现的时间间隔便是曝光时间.为了不引起混乱,在读出信号之前,应当确定曝光时间.
8.输出放大器复位.用于消除前一个像敏单元信号的影响,由脉冲信号SIN控制对输出放大器的复位.
9.信号采样/保持.为适应A/D转换器的工作,设置采样/保持脉冲,该脉冲由脉冲信号SHY控制.
7.10.3CMOS与CCD图像传感器的比较
CCD和CMOS感光元件都采用感光二极管作为捕获光线的部件,感光二极管受到光线照射时会输出电流,电流的强度则和光照的强度成正比.
但不同的是,一个CCD感光单元除了感光二极管之外,只包括一个控制相邻电荷的寄存器.而CMOS感光单元的构成则比较复杂,除了感光二极管之外,还包括放大器和模/数转换电路,这样一个感光单元就包含了一个感光二极管和三个晶体管.每个CCD或CMOS感光单元就是感光元件上的一个子像素.
CCD和CMOS感光元件的工作原理不相同.在CCD中,每个
感光单元产生的电荷,也就是模拟信号沿着同列的垂直寄存
器逐次传输,并逐次与下一个感光单元的信号结合,直到进
入水平寄存器,最终由输出端经过放大器的放大输出.这些
模拟信号再经过模数转换芯片处理之后,以二进制图像矩阵
的形式传输给专用的DSP芯片处理.在CMOS中,单个单元就
可以完成电信号的放大和模/数转换工作,所得的数字信号
合并后直接交给DSP芯片处理.不同的结构和工作原理使得
CCD和CMOS这两种感光元件各自拥有不同的特点.
由于CCD感光元件的单个感光单元结构简单,因此在相同面积下,CCD感光元件可以做得比CMOS更加精细,分辨率更高;同时,在感光单元中,感光二极管占有更大的面积,所得图像也比较艳丽;此外,由于统一进行信号放大,因此图像的噪音小.(图见P231)
CCD也有一些缺点:首先是要使用专用的制造设备,而且一个单元的损坏会造成整个列的失效,成品率低,导致生产成
本较高;其次,CCD需要外加电压才能使电荷流动,并且不同的垂直寄存器需要的电压不一样,要用专用的电源管理电路
配合,功耗比同尺寸的CMOS高;再次,由于CCD感光元件本身无法和模/数转换等周边电路整合,因此整个模块的小型化比较困难.
CMOS感光元件可以利用标准的CMOS半导体芯片生产技术大规模生产,同时,它的每个感光单元都是独立的,即使损坏也不会影响到其他单元,因此生产成本低廉;其次,由于每个单元独立进行信号放大和模/数转换,因此不但功耗很低,而且整个模块的体积也更小.但是,由于感光单元中更大的部分被放大器和模/数转换单元占据,传统CMOS元件的开口率很低,由此导致光利用效率差,色彩也不够艳丽;此外,由于每个单元独立输出,初始信号的放大率很难做到严格统一,因此图像的噪声问题比较严重.