生醫(yī)-傳感器：第9章光學傳感器-閱讀頁
2025-04-06 03:52本頁面
【正文】 電荷耦合圖像傳感器 圖像傳感器對圖像是一個空間取樣過程。要從取樣數(shù)據(jù)恢復原始圖像，空間采樣頻率必須符合取樣定律。由于可以通過光學系統(tǒng)放大圖像，降低圖像的空間頻率，因此對于圖像傳感器考慮的是傳感器 采樣的點數(shù) 即像素多少，而不是空間采樣頻率。 對于家用數(shù)碼相機使用的圖像傳感器，其像素多少的選擇取決于需要輸出照片的大小。而 500萬（約 2580 1936 ）像素可以完美輸出14吋的照片 。但 數(shù)百萬個光敏元件的信號輸出 ，需要合適的方法才能完成。 MOS電容結構如下圖。 對于 P型 MOS電容，當金屬極加上正電壓時，空穴受排斥，離開表面，在半導體表面形成帶負電的耗盡層。 當柵壓 大于開啟電壓 時，由于表面勢升高，若周圍存在電子，將迅速聚集到電極下的半導體表面處。 GUthUthUthU（二）電荷耦合器件的工作原理 1. 電荷的定向轉移 CCD的基本功能是存儲與轉移電荷。通常相鄰 MOS電容電極間隙小于 3μm。 如圖， CCD的 MOS陣列劃分成以幾個相鄰MOS電容為一單元的循環(huán)結構。每一位 CCD中包含的電容個數(shù)稱為 CCD的 相數(shù) 。 2. 電荷的注入 CCD圖像傳感器中信號電荷由光生載流子得到，即光注入。 3. 電荷的檢測 CCD輸出結構的作用是將 CCD中信號電荷變換為電流或電壓輸出。 從圖上看出， A點電壓的變化與 CCD輸出電荷的關系為 由于 MOS管 V2為源極跟隨器，其電壓增益為 于是 AA CQU /??)1/( amamU RgRgA ??)1(/ amAam RgCRQgU ???三、 CCD圖像傳感器 （一） CCD圖像傳感器的原理 CCD圖像傳感器是利用 CCD的光電轉換和電荷轉移功能。使用轉移時鐘將 CCD的每位下的光生電荷依次轉移出來，分別從同一輸出電路上檢測出，從而得到圖像電信號。 1. 器件中各部分的結構與功能 2. 器件工作過程 工作過程分為積分、轉移、傳輸、輸出、計數(shù)五個環(huán)節(jié)。 （三）面陣 CCD圖像器件 面陣圖像器件的感光單元為二維矩陣排列，組成感光區(qū)。 （四）彩色面陣 CCD圖像器件 1. 3CCD結構 由分光棱鏡和 3片 CCD圖像傳感器構成。 2. Bayer Pattern 結構 該方案源于柯達科學家 Bryce Bayer博士在 1976年的設計，是一種彩色濾鏡陣列 (Color Filter Array, CFA)，由綠色、紅色和藍色三種像素組成，其中人眼最敏感、光譜位置最寬的綠色占 50％，紅色和藍色各占 25％。插值有多種方法，以固定插值法為例 , Sensor Array Interpolation計算方法如下。 b. 奇數(shù)列第三行 G18象素 RGB各個值為 G18(R)=(R17+R19)/2 G18(G)=(G9+G11+G18+G25+G27)/5 G18(B)=(B10+B26)/2 其余各行類推。但是處理不好會犧牲圖像傳感器的色彩飽和度，所以需要改進彩色插值等算法。 四、 CCD圖像傳感器的特性參數(shù) （一）轉移效率 電荷包從一個勢阱轉移到另一個勢阱時會產(chǎn)生損耗。 （二）暗電流 CCD圖像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱為 暗電流 。 由于工藝的原因， CCD中暗電流密度分布是不均勻的。 按電流產(chǎn)生需要時間，勢阱存在 時間越長暗電流越大 。 1. 散粒噪聲 光子流的 隨機性 ，造成了散粒噪聲。但它不會限制器件的動態(tài)范圍。轉移噪聲具有 積累性 和 相關性 。 （四）分辨能力 分辨能力是指圖像傳感器分辨圖像細節(jié)的能力，它是圖像傳感器的重要參數(shù)。 （五）動態(tài)范圍與線性度 CCD圖像傳感器動態(tài)范圍的上限決定于光敏單元 滿阱信號容量 ，下限決定于圖像器件能分辨的最小信號，即 等效噪聲 。 （六）均勻性 均勻性是指 CCD各感光單元 對光強度響應的一致性 。 等效噪聲信號光敏單元滿阱信號動態(tài)范圍 ?四、光電陣列器件在檢測中的應用 （一）尺寸檢測 1. 微小尺寸的檢測 對微小尺寸的檢測一般采用激光衍射法。對于細絲尺寸檢測參見圖。參見下圖。 采用遠心光學系統(tǒng)可以避免。光源發(fā)出的光穿過被測物體后，投射到光電陣列器件上。光源發(fā)出的光被被測物體反射后，投射到光電陣列器件上。 參見下圖。 ? – 微米的紅外光源時，采用哪幾種光電元件作為檢測元件？原因？ ? ？線列 CCD的組成及工作流程（簡述）。categoryId=8a8a824d32f0881101330fe007da004a
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