光電成像原理及技術(shù)部分答案(北理工)(編輯修改稿)
2025-07-15 20:48 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 答、電視攝像是將兩維空間分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為一維時間變化的視頻信號的過程，完成這一過程的器件稱為攝像管。工作原理：A、 攝像管光敏元件接受輸入圖像的副照度進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將兩維空間分布的光強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)閮删S分布的電荷量。B、 攝像管電荷存儲元件在一幀周期內(nèi)連續(xù)積累光敏元件產(chǎn)生的電荷，并保持電荷量的空間分布，這一存儲電荷的元件稱之為靶。C、 攝像管電子槍產(chǎn)生空間兩維掃描的電子束，在一幀周期內(nèi)完成全靶面的掃描，逐點(diǎn)掃描的電子束到達(dá)靶面的電荷量與靶面存儲的電荷量相關(guān)，受靶面存儲的電荷量的調(diào)制，在輸出電路上產(chǎn)生與被掃描點(diǎn)輻照射強(qiáng)度成比例的信號，即視頻信號。攝像管的結(jié)構(gòu)由幾部分組成？各部分的作用是什么？答：主要由光電變換與存儲部分和信號閱讀部分兩大部分組成。A、 光電變換與存儲部分：將光學(xué)圖像變成電荷圖像，并在整個幀周期內(nèi)在靶上連續(xù)地對圖像上的任一像元積累電荷信號。B、 信號閱讀部分：從靶面上取出信號攝像管是怎樣分類的？按光電變換的形式可分為哪幾類？按視頻信號讀出方式又可分為哪幾類？答：可按下面3種方法分類：a 按電荷積累方式分類 b按光電變換形式分類 c 按視頻信號讀出方式分類 其中按b可分為：外光電變換型和內(nèi)光電變換型 按c可分為：信號板輸出型和雙面靶輸出型1熱釋電攝像管的靶有什么特點(diǎn)？具有什么性質(zhì)？答：（1）熱釋電攝像管的靶是熱釋電靶，是具有熱釋電效應(yīng)的鐵電體材料所制成的； （2）性質(zhì)：①利用熱釋電效應(yīng)工作，僅對隨時間變化的熱輻射有響應(yīng)； ②是良好的絕緣體，容易積累電荷。簡述熱釋電攝像管的工作過程。為什么要給熱釋電攝像管靶加基底電荷？目前產(chǎn)生基底電荷有哪幾種方式？答：（1）工作過程：（P285~P289），這里只寫大標(biāo)題① 熱釋電靶的單籌化；② 靶面電荷圖像的形成；③ 熱釋電靶電荷圖像的讀出。(2)加基底電荷的原因： ①靶面電荷圖像形成時：靶面的信號電荷是由掃描電子束的負(fù)電荷著靶后才形成視頻信號的，故靶面信號電荷必須為正。而靶是絕緣體，信號電荷又是靜電的束縛電荷，掃描電子束著靶的負(fù)電荷不能在幀周期內(nèi)導(dǎo)走，所以為了防止熱釋電攝像管中靶面上產(chǎn)生負(fù)電荷積累，必須在每次電子束掃描后都給靶面提供一定量的正電荷； ②電荷圖像讀出時：同上（3）方法：二次電子發(fā)射法；攝像管內(nèi)充氣法；泄漏電流法。2熱釋電攝像管工作時有什么要求？對應(yīng)這幾種要求又哪幾種工作方式？各有何優(yōu)缺點(diǎn)？答：熱釋電靶面上的靜電電荷面密度隨靶溫度變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。為了能連續(xù)攝取圖像，要求熱釋電攝像管在每次電子束掃描靶面后，能夠重新產(chǎn)生靶面的靜電電荷圖像。具體方法：平移式：攝全景式：——優(yōu)點(diǎn)：裝置簡單。但圖像總在運(yùn)動，不便于觀察，熱目標(biāo)后邊緣有黑色拖尾斬光式——缺點(diǎn)：附加斬光裝置及其相關(guān)系統(tǒng)，斬光速度與掃描速度協(xié)調(diào)，必須加校正電路將負(fù)極性新后倒相P366什么是CCD的開啟電壓？為什么實際工作中CCD的開啟電壓必須考慮平帶電壓？平帶電壓又是怎樣的？解：CCD開始產(chǎn)生溝道所需要的柵壓就是開啟電壓。理想的MOS系統(tǒng)的C（Vg）特性往往與實際測得的C（Vg）特性不完全一致，這是因為沒有考慮金屬電極和半導(dǎo)體的功函數(shù)差Φms、SiSiO2界面上存在的表面電荷Qss以及在SiO2中因玷污產(chǎn)生的可動電荷等因素的影響作用，所以，必須對理想情況下的結(jié)果進(jìn)行修正。由于上述因素的影響，表面能帶向下彎曲，為了使表面能帶由彎曲變成平直，恢復(fù)平帶狀態(tài)，而在金屬柵極上所加的負(fù)的偏壓就是平帶電壓。（P302）5. 什么是界面態(tài)？怎樣減少界面態(tài)的影響？什么是“胖零”工作模式？為什么SCCD要采用“胖零”工作模式？解：界面態(tài)即界面陷阱電荷，主要是指SiSiO2界面處處于禁帶中的局部能級，它可在短時間與襯底半導(dǎo)體交換電荷，是表面復(fù)合和散射的主要成因，它主要是對表面溝道的CCD的轉(zhuǎn)移效率產(chǎn)生重大影響。 采用埋溝CCD可避開界面態(tài)俘獲信號電荷的不良影響。要減少界面態(tài)的影響，可采用“胖零”工作模式。 “胖零”工作模式：用一定數(shù)量的基底電荷先將界面態(tài)填滿，當(dāng)信號電荷注入時，信號電荷被俘獲的幾率變小，而從界面態(tài)釋放出來的電荷又可以跟上原來的電荷包。信號電荷包損失到界面態(tài)中去的電荷，可能與它從界面態(tài)得到的電荷相等，從而在一定程度上減少了界面態(tài)帶來的影響。 SCCD的電荷轉(zhuǎn)移損失很大，引入“胖0”電荷后，可使CCD界面引起的電荷轉(zhuǎn)移損失降到最小。簡述BCCD工作原理，說明BCCD工作的特點(diǎn)，并與SCCD比較各自的優(yōu)缺點(diǎn)。解以三相CCD為例，說明決定其工作頻率的上下限因素是什么？解：面陣CCD有幾種工作模式？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？解：常見面陣CCD攝像器件有兩種結(jié)構(gòu)：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)（LTCCD）和幀/場轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)(FTCCD)。什么是增強(qiáng)型CCD？增強(qiáng)型CCD有哪些耦合類型或工作方式？ 答： 像增強(qiáng)器與CCD耦合在一起，構(gòu)成圖像增強(qiáng)型CCD(ICCD)。 增強(qiáng)型CCD有兩種耦合方式：光學(xué)耦合方式和光纖耦合方式。P36612．簡述CMOS器件的成像原理，比較CMOS器件與CCD器件在工作原理上的異同，各有什么公優(yōu)缺點(diǎn)？答：CMOS圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換原理與CCD基本相同，其光敏單元受到光照后產(chǎn)生光生電子。而信號的讀出方法卻與CCD不同，每個CMOS源像素傳感單元都有自己的緩沖放大器，而且可以被單獨(dú)選址和讀出，工作時僅需工作電壓信號，而CCD讀取信號需要多路外部驅(qū)動。優(yōu)缺點(diǎn)比較：CMOS與CCD圖像傳感器相比，具有功耗低、攝像系統(tǒng)尺寸小，可將圖像處理電路與MOS圖像傳感器集成在一個芯片上等優(yōu)點(diǎn)，但其圖像質(zhì)量（特別是低亮度環(huán)境下）與系統(tǒng)靈活性與CCD的相比相對較低。靈敏度代表傳感器的光敏單元收集光子產(chǎn)生電荷信號的能力，而CCD靈敏度較CMOS高30%～50%。電子電壓轉(zhuǎn)換率表示每個信號電子轉(zhuǎn)換為電壓信號的大小，由于CMOS在像元中采用高增益低功耗互補(bǔ)放大器結(jié)構(gòu)，其電壓轉(zhuǎn)換率略優(yōu)于CCD。動態(tài)范圍表示器件的飽和信號電壓與最低信號閾值電壓的比值，在可比較的環(huán)境下，CCD的動態(tài)范圍約比CMOS的高兩倍。CMOS圖像傳感器的響應(yīng)均勻性較CCD有較大的差距。標(biāo)準(zhǔn)CMOS具有較高的暗電流（1 nA/cm2，最低100 pA/cm2），而精心制作的CCD的暗電流密度為2～10 pA/cm2。由于大部分相機(jī)電路可與COMS在同一芯片上制作，信號及驅(qū)動傳輸距離縮短，電感、電容及寄生延尺降低，信號讀出采用XY尋址方式，CMOS工作速度優(yōu)于CCD。 P3952．微光電視的含義及其特點(diǎn)是什么？答：微光電視利用月光、星光、氣體輝光及其散射光所形成的自然環(huán)境照明，獲取被攝目標(biāo)場景的可見光圖像，因此又稱低照度電視（LLLTV）系統(tǒng)。通常攝像靶面照度在1Lx以下為微光電視。特點(diǎn)：（1）圖像信號轉(zhuǎn)換成一維的電信號后，除可對信號進(jìn)行頻率特性補(bǔ)償、γ校正等處理外，還可利用當(dāng)前迅速發(fā)展的數(shù)字圖像外理技術(shù)，改善顯示圖像的
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