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CCD图像感器第3讲.ppt

CCD图像感器第3讲

精品课件库
2019-06-12 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《CCD图像感器第3讲ppt》,可适用于工程科技领域

第章光源通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。但对光电技术领域来说光辐射还包括红外、紫外等不可见波段的辐射。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前者被称为热辐射后者称为激发辐射激发辐射的光源常被称为冷光源。从应用的角度简单地介绍各类光源的特性、发光光谱并重点介绍各种电光源的发光机理和供电电路是本章的宗旨。光源的分类光源的种类很多分类方式各异。总结光电传感器应用技术领域中所用的光源特征将其分为自然光源与电光源两大类。自然光源太阳太阳光是最典型和能量最强的自然光源人类的视觉观察活动几乎主要是在太阳的照明下进行的。我们是在地球上研究和利用太阳的辐射必然受到地球公转与自转的影响引起所接收太阳光的时相变化。地球大气的状态变化以及观察者地理位置、纬度与海拔的不同都将引起所接收太阳辐射量的差异。图表示了太阳在大气层外和在海平面的光谱辐出度(照度)与波长的关系曲线。由图可以看出在大气层外的光谱辐照度曲线很接近K黑体的光谱辐出度曲线。大气中的HO、CO和O形成许多吸收峰使得海平面上的辐照度大为降低。可以看出大气在可见光谱范围内为一透明度较高的窗口。在许多情况下直接或间接利用太阳作光源时(例如地形、地貌勘测分析空气质量监测等)都必须考虑到天气变化对测量结果的影响。月亮、星光与天空月亮、星光与天空也是一个重要的自然光源。如图所示月亮、行星的最佳光谱辐射与波长的分布。除此之外天空也是不可忽略的光源它由黄道光(约占%)、银河光(约占%)、夜空光(约占%)、上述各光源的散射光(约占%)、直射和散射星光(约占%)、以及银河系以外辐射(约占%)构成。表白天和夜间各种条件下自然光源在地面上形成的照度自然条件照度值(Lx)自然条件照度值(Lx)直射日光深黄昏完全白天光满月白天(阴)弦月很暗的白天星光黄昏(黎明)星光(阴天)自然条件光亮度值(cdm)自然条件光亮度值(cdm)晴朗的白日日落后小时白天(阴)相当明亮的月光白天(阴得很重)无月(晴朗夜空)日落时(阴天)无月(阴天夜空)日落后小时(晴天)表各种条件下接近地平线天空的光亮度值钨丝灯为了给图像传感器创造良好、稳定的成像和测量条件制造了许多种人工光源辅助自然光源的各种不足钨丝灯光源最古老、最普遍。本节主要介绍钨丝灯的发光特性及特性。钨丝灯种类很多将其归纳为两类钨丝白炽灯与卤钨灯。钨丝白炽灯普通钨丝白炽灯的结构钨丝白炽灯的特性①发光光谱钨丝白炽灯在电流作用下维持钨丝的温度而发生辐射属于热辐射体。在低温时热辐射体的发射系数较小且随波长的增长而减少。当温度升高时光谱发射系数随波长的变化减少最后在温度很高时趋向于服从黑体辐射定律。()如图所示为标准钨丝灯的相对光谱辐射功率随波长的分布特性曲线。从图中可以看出波长在μm处标准钨丝灯的光谱辐射出射度值最高即标准钨丝灯光谱辐射出射度的波长为μm。②钨丝白炽灯的功率、光通量和发光效率图为钨丝白炽灯的功函数与温度的关系曲线。当钨丝白炽灯的供电电压变化时对白炽灯的电流、光通量、灯的功率损耗、灯的寿命等都有很大影响。如果电压增加则灯丝温度上升光通量增加发光效率提高。但是灯丝温度太高时则钨丝的蒸发加快、加剧使灯丝的某些局部迅速变细从而电阻值增大局部功耗加大并很快被烧断。表不同温度下钨丝在真空中的蒸发率和寿命的关系温度T(K)蒸发率rm(g(cm•s)直径为mm钨丝的寿命τ(h)rm·τ××××××××××通过实验得到灯的电压变化使灯的电流I、发光效率ηv、光通量φv、寿命τ均发生变化。它们之间的关系为()对于真空白炽灯泡发光效率ηv=对于充气灯泡发光效率ηv=。④白炽灯的色彩与调光特性普通白炽灯可以调光没有限制。调光使灯丝温度降低从而使灯的色温降低光效降低但寿命延长。因此长寿命是以牺牲光效率为代价的。当要求连续调整白炽灯的光照情况下一般采用功率较低的白炽灯为好。当白炽灯工作在标称电压的以下时灯几乎不发光。然而此时的能量损耗依然不小。因此当调光到这种程度时应该将它熄灭。白炽灯的灯丝温度常在K远比太阳表层的温度K低得多因此它的色温偏低颜色偏红。卤钨灯卤钨灯是一种改进的钨丝白炽灯。钨丝在高温下蒸发使灯泡变黑如果降低白炽灯的灯丝温度则发光效率降低。在灯泡中充入价元素氟、氯、溴或碘等卤族元素使它们与蒸发在玻璃壳上的钨形成卤化物。当这些卤化物回到灯丝附近时遇到高温便会分解钨又回到钨丝上。这样灯丝的温度可以大大提高而玻璃壳也不会发黑。因此灯丝发光亮度高、效率高使卤钨灯具有形体小成本低的特点。常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯。在光电传感器技术中应用最多的卤钨灯为溴钨灯。图所示为种溴钨灯的外形尺寸图。其中(a)与(c)型为低功率的溴钨仪器灯(a)型灯为具有矩形灯丝的面光源灯它基本能满足测量仪器对光源均匀性的要求。而(c)灯的灯丝很小近似为“点”光源用于要求光源发光面尽量小的测量仪器中。表仪器用国产卤钨灯H=型号规格光通量(Lm)平均寿命(h)主要尺寸图号(V)(W)最大直径D全长L光中心高H灯丝尺寸d·l或A·B开档d`LYQ~×cLYQ~×aLYQ~~×aLYQ~×cLYQ~×aLYQ~×dLYQ~×dLYQ~×dLYQ~×dLYQ~×dLYQ~×b气体放电灯气体放电灯包含汞灯、钠灯、氙灯和铟灯等。它们是通过高压使气体电离放电产生很强的光辐射而不象钨丝灯那样是通过加热灯丝使其发光因而也称气体放电灯它为冷光源。气体放电灯的共同特点是发出的光谱为线光谱或带状光谱因为它们的发光机理属于等离子体发光。气体放电在紫外线或在宇宙射线作用下会有少量气体分子被电离成正、负离子和自由电子电压增高后将出现如图所示的激发光现象。在辉光放电时将产生明暗相间的区域各区域的电势和光强分布如图所示弧光放电发出的光极其明亮可用在电影放映和公共场所照明。无论辉光放电或弧光放电都是气体的场致发光现象。在气体放电过程中由于电场的作用使带电粒子动能增加到足以能电离其他气体分子时气体分子吸收带电粒子的能量使其电子处于激发状态。这种激发态是不稳定的一般在s以内。从激发态回到低能态或基态以发光的形式放出能量。如钠蒸汽原子辐射出×m、×m的双黄光。金属蒸气灯水银蒸气灯(汞灯)汞灯是在石英玻璃管内充入汞当灯点燃时灯中汞被蒸发汞蒸气压强增至几个大气压从而产生辉光放电。如图(a)所示为高压汞灯的基本结构图它由灯座灯内支持架与内部发光室(那里汞蒸气被两电极间的电场所激发)由于汞灯是金属汞蒸气在高压下被激发产生汞光谱的多条特征谱线。这些谱线的强弱与光谱分布均与汞元素有关常将其用作标定光谱仪器的已知光谱光源。钠灯在钠钙玻璃内充入钠蒸汽当钨丝点燃后只发射nm、nm的双黄光为此可用来校正光谱仪器或作其他用途。此外还有氢灯、氘灯等光谱定标用灯。这里不再讨论需要这方面内容时可查找“光学技术手册”。半导体发光二极管光源年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。年代末人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。进十年来发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高用发光二极管作光源有许多优点。发光二极管的发光机理发光二极管(即LED)是一种注入电致发光器件它由P型和N型半导体组合而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光两种。PN结注入发光PN结处于平衡时存在一定的势垒区其能带如图所示。当加正偏压时PN结区势垒降低从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光并主要发生在p区。异质结注入发光为了提高载流子注入效率可以采用异质结。图a表示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等当加上正向电压时小区的势垒降低两区的价带几乎相同空穴就不断向n区扩散。对n区电子势垒仍然较高不能注入p区。这样禁带宽的p区成为注入源禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区(图b)。例如禁带宽EG=eV的pGaAs与禁带宽EG=eVpGaAs与禁带宽EG=eV的nGaSb组成异质结后nGaAs的空穴注入nGaAs区复合发光。由于n区所发射的光子能量hv比EG小得多它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去。发光强度电流特性在正向配置电压的作用下流过发光二极管PN节的正向电流If使注入到PN结内的载流子在P区复合而发光其发光强度IV为式中ηv为发光二极管的发光效率。图所示为GaP(红色)发光二极管发光强度与电流密度If的关系曲线可以看出发光二极管发光强度基本与流过的电流If成正比。说明可以通过控制电流If对LED发出的光强IV进行控制。由于发光二极管的正向伏安特性曲线在发光区呈现为I=Iexp(qUnkT)指数形式并且<n<较小通常可以略求出发光强度Iv与发光二极管两端电压U的关系为:()光电传感器应用系统中光源与照度的匹配光源的选择图像传感器的应用系统大致可分为图像传感、图像分析和图像检测三种类型。不同的应用类型对照明光源的要求也不相同应该根据具体的需要选用不同的照明光源。()摄像(图像传感)应用系统摄像是为了真实地记录景物的结构、状态和颜色。根据色度学的基本常识景物的颜色与照明光源的光谱功率分布有关。直接选用太阳光照明或选用接近太阳光谱的闪灯为照明光源。()图像检测系统图像检测系统一般有两种:一种是通过测量被检测物体的像来测量被检测物体的某些特征参数另一种是通过测量被检物体的空间频谱分布确定被检物体的某些特征参数。前者只要选用白炽灯或卤钨灯作为照明光源就可以了后者应选用激光照明因为它能满足单色性好、相干性好、光束准直精度高等特点。()图像分析系统图像分析系统所用光源必须根据提取图像信息的有利因数采取必要的照明方式问题的难度和复杂度都很高其基本思路是从颜色、照明角度、照明方式上想办法突出被检测图像的信息。照度匹配半导体集成图像传感器大部分为光积分型的器件(如电荷耦合摄像器件)它的输出电流不但与光敏面上的照度有关也和两次取样的间隔时间即积分时间有关。若以Io代表它的输出电流信号Ev代表光敏面上的照度t代表两次取样的间隔时间则在正常工作范围内有()式中k为比例常数Qv=Evt称为曝光量单位为lx·s。因为Qv=Evt所以可通过适当选择CCD器件光敏面上照度Ev和两次采样间隔时间t来达到Qv<Qsat。但是t一般由驱动器的转移脉冲周期TSH确定当采用石英晶体振荡器为主时钟设计驱动器时TSH可认为是常数。调节曝光量通常是通过调节CCD光敏面上的光照度来实现的。要求光敏面上任何点的照度应满足()光敏面的照度也不能太低。如果某些点的照度低于CCD器件的灵敏阈这些较暗部便无法测出从而降低画面亮度的层次或产生测量误差。最好是把光敏面上的最大照度Emax调节为略低于以充分利用器件的动态范围。发光特性接近于余弦辐射体的物体经光学系统成像其轴上像点的照度和轴外像点照度可分别用下列两式表示()()式中n'和n分别为光学系统的像方和物方介质的折射率k为光学系统的透过率L为物体的亮度U'为像方孔径角ω为所考虑点对应的视场角。对于观察或测量自然景物由于景物的亮度不易改变一般选取U'角取得合适的像面照度。对于观察无限远景物应使用望远镜这时轴上像点的照度为()这种情况下像面照度与相对孔径Df的平方成正比主要靠选择望远镜的相对孔径来达到像面照度与CCD光敏特性相匹配。用人工照明的观测目标可用合理选择照明光源的功率及照明系统的参数来调节被观测对像的亮度值L进行匹配以便合适的观测光学系统对像面照度的要求。有些测量系统像面或谱面照度分布不均匀最大和最小照度之差远超过CCD器件的响应范围这时单靠调节照明和光学系统的参数不能达到目的。例如。调节光源或光学系统孔径角使像面照度最大值则暗区照度过低无法检测如调节使暗区照度达可测值则。滤光补偿法也是常用的一种获得高清晰信息的方法在CCD器件光敏面前放置一块透过率按一定规律分布的滤光镜使高照度区的照度降下来达到而低照度区的照度不受影响或少受影响。()为使整个像面或谱面测量值均在可测范围之内各点的实际照度E(xy)可由实测照度E(xy)和滤光镜相应点的透过率τ(xy)求得实际上滤光镜的透过率不要求制作得很准确准确值可在系统组装后通过实验标定。

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