圖像傳感技術(shù)

遙感技術(shù)多應(yīng)用于5～10μm的紅外波段，現(xiàn)有的基于MOS器件的圖像傳感器和CCD圖像傳感器均無法直接工作于這一波段，因此，需要研究專門的紅外圖像傳感技術(shù)及器件來實現(xiàn)紅外波段的圖像探測與采集。目前，紅外CCD圖像傳感器有集成（單片）式和混合式兩種。

（1）集成紅外圖像傳感器

集成紅外CCD固態(tài)圖像傳感器是在一塊襯底上，同時集成光敏元件和電荷轉(zhuǎn)移部件而構(gòu)成的，整個片體要進(jìn)行冷卻。目前使用的紅外CCD傳感器多為混合式的。除了光敏部件，單片紅外CCD圖像傳感器的電荷轉(zhuǎn)移部件同樣需要在低溫狀態(tài)工作，這實現(xiàn)起來有一定困難，目前尚未實用。

（2）混合式紅外圖像傳感器

混合式紅外CCD圖像傳感器的感光單元與電荷轉(zhuǎn)移部件相分離，工作時，紅外光敏單元處于冷卻狀態(tài)，而Si-CCD的電荷轉(zhuǎn)移部件工作于室溫條件。這克服了單片式固態(tài)紅外傳感器的難點，但光敏單元與電荷轉(zhuǎn)移部件的連線過長將帶來其他困難。目前，正在研制光敏單元與電荷轉(zhuǎn)移部件比較靠近的固態(tài)紅外光電圖像傳感器。此外，提高光敏單元的紅外光圖像分辨率將提高芯片的集成度，這又會導(dǎo)致光敏單元與電荷轉(zhuǎn)移部件的連線加長，這也是紅外CCD器件發(fā)展中亟待解決的一個問題。

超導(dǎo)傳感器包括超導(dǎo)紅外傳感器、超導(dǎo)可見光傳感器、超導(dǎo)微波傳感器、超導(dǎo)磁場傳感器等。超導(dǎo)傳感器的最大特點是噪聲很小，其噪聲電平小到接近量子效應(yīng)的極限，因此，超導(dǎo)傳感器具有極高的靈敏度。

超導(dǎo)圖像傳感器隧道結(jié)疊層斷面如圖4所示。這個結(jié)由氮化銀膜基底電極，NbN自然氧化膜（隧道絕緣膜）和對置鉛膜電極構(gòu)成。隧道結(jié)布設(shè)在9 mm×6 mm的硅襯底上，形成由9個結(jié)構(gòu)成的線陣SIS器件，然后再將它們裝入低溫恒溫器中冷卻至4.2 K左右。

使用時，還要配以準(zhǔn)光學(xué)結(jié)構(gòu)組成的測量系統(tǒng)。來自電磁喇曼的被測波圖像，通常用光學(xué)透鏡聚光，然后在傳感器上成像。因此，在水平和垂直方向上微動傳感器總是能夠探測空間的圖像。這種測量系統(tǒng)適用于毫米波段。利用線陣隧道結(jié)器件的圖像傳感器可以測量35GHz空間電場強度分布，這種傳感器已應(yīng)用于生物斷層檢測，也可用于乳腺癌的非接觸探測等。

固態(tài)圖像傳感器是利用光敏元件的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號“圖像”，即將光強的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強成比例的電荷包空間分布，然后利用移位寄存器功能將這些電荷包在時鐘脈沖控制實現(xiàn)讀取與輸出，形成一系列幅值不等的時鐘脈沖序列，完成光圖像的電轉(zhuǎn)換。

1.1 固態(tài)圖像傳感器的特點

固態(tài)圖像傳感器是在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件而構(gòu)成的集成化、功能化的光電器件，其核心是電荷轉(zhuǎn)移器件（Charge Transfer Device，CTD），包括電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）、電荷注入器件（Charge Injected Device，CID）、金屬氧化物半導(dǎo)體器件等，最常用的是CCD。自1970年問世以后，CCD圖像傳感器以它的低噪聲、易集成等特點，已廣泛應(yīng)用于微光電視攝像、信息存儲和信息處理等眾多領(lǐng)域。

圖1給出了光導(dǎo)攝像管與固態(tài)圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)，其中（a）為光導(dǎo)攝像管，（b）為固態(tài)圖像傳感器。

與光導(dǎo)攝像管相比，固態(tài)圖像傳感器再生圖像失真度極小，因此，非常適合測試技術(shù)及圖像識別技術(shù)。此外，固態(tài)圖像傳感器還具有體積小、重量輕、堅固耐用、抗沖擊、抗振動、抗電磁干擾能力強以及耗電少等許多優(yōu)點。又因為固態(tài)圖像傳感器所用的敏感元件易于批量生產(chǎn)，所以固態(tài)圖像傳感器的成本較低。

固態(tài)圖像傳感器也有不足之處，例如分辨率和圖像質(zhì)量都不如光導(dǎo)攝像管。此外，固態(tài)圖像傳感器的光譜響應(yīng)通常只能限定在0.4～1.2μm（可見光與近紅外光）范圍內(nèi)，應(yīng)用有一定的局限性。

1.2 固態(tài)圖像傳感器分類

固態(tài)圖像傳感器一般都包括光敏單元和電荷寄存器兩個主要部分。根據(jù)光敏元件排列形式不同，固態(tài)圖像傳感器可分為線形和面型兩種。根據(jù)所用的敏感器件不同，又可分為CCD、MOS線型傳感器以及CCD、CID、MOS陣列式面型傳感器等。

1.2.1線型圖像傳感器

線型固態(tài)傳感器有4種類型，分別為：

l MOS式，以光電二極管構(gòu)成，如圖2（a）所示；

l 光積蓄式，采用CCD元件構(gòu)成，如圖2（b）所示；

l 分離式，即光敏單元與電荷寄存器分離，采用CCD元件構(gòu)成，如圖2（c）所示；

l 光敏單元兩側(cè)放置電荷寄存器的雙讀出式，采用CCD元件，如圖2（d）所示。

其中，雙讀出式器件是線型固態(tài)圖像傳感器的主要形式。

1.2.2面型圖像傳感器

固態(tài)面型圖像傳感器主要有4種類型：

l X-Y選址式，由MOS或CID器件構(gòu)成，如圖3（a）所示；

l 行選址式，由CCD器件構(gòu)成，如圖3（b）所示；

l 幀場傳輸式，由CCD器件構(gòu)成，如圖3（c）所示；

l 行間傳輸式，由CCD器件構(gòu)成，如圖3（d）所示。

上述面型圖像傳感器中，基于MOS元件的X-Y選址式傳感器最早出現(xiàn)。因圖像質(zhì)量不佳，MOS型傳感器正在被CID型X-Y選址式圖像傳感器取代。幀場傳輸式和行間傳輸式是比較實用的面型圖像傳感器。

目前，面型CCD圖像傳感器使用得越來越多，產(chǎn)品的單元數(shù)也越來越多。無論面型或是線型，CCD圖像傳感器都是當(dāng)今圖像探測技術(shù)的主流。

圖像可以分解為結(jié)構(gòu)和紋理2大部分，其中的結(jié)構(gòu)信息體現(xiàn)的是圖像的整體框架，包含圖像的邊緣等重要的描述信息，而紋理信息體現(xiàn)的是圖像框架中的細(xì)節(jié)部分。

TV模型容易在各向異性擴散的過程中，將平滑區(qū)域噪聲作為邊緣而產(chǎn)生階梯效應(yīng)，而分解出來的結(jié)構(gòu)圖像，去除了圖像的噪聲。因此，對圖像的結(jié)構(gòu)部分使用基于TV模型圖像修復(fù)，就能避免噪聲干擾引入的階梯效應(yīng)，但是此時還存在一個問題，利用結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行TV模型的擴散修復(fù)，僅能避免原來圖像中噪聲對圖像造成的階梯效應(yīng)，而對于圖像中的邊緣部分圖像梯度變化大的地方即圖像的特征點，如還沿著梯度的垂直方向擴散，則必然會造成圖像特征點的迷糊化，因此，為保證圖像的特征點的保持，必須在修復(fù)過程中將圖像的特征點提取出，保證對特征點不沿著圖像的梯度正交方向擴散。

在圖像的結(jié)構(gòu)部分采用以下的修復(fù)方程：

該修復(fù)方程利用圖像分解技術(shù)提取圖像結(jié)構(gòu)部分，避免了原始TV模型容易引入的階梯效應(yīng)，防止修復(fù)結(jié)果出現(xiàn)假邊緣，同時，對于圖像中存在的特征點能很好地實現(xiàn)保留。