frame/s
Cost
Nikon D100 ~$2,500
Canon 300D ~$800
1.4、红外焦平面器件
Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA 第三代红外热像技术
红外热像仪的基本结构 红外热像仪的核心----红外焦平面器件
热成像技术的优势：
•克服了主动红外夜视需要依靠人工热辐射，并由 此产生容易自我暴露的缺点； •克服了被动微光夜视完全依赖于环境自然光和无 光不能成像的缺点; •穿透烟雾和尘埃的能力很强； •目标伪装困难； •远距离、全天候观察； •有很高的温度灵敏度和较高的空间分辨能力
在像元内引入缓冲器或放大器， 可改善像元性能，称为有源像素传 感器。功耗小，量子效率高。每个 像元有3个晶体管。大多数中低性 能的应用 。
光栅型有源像素结构（GP－APS）
光栅型有源像素型CMOS每个 像素5个晶体管，采用0.25um CMOS工艺允许达到5um像素间距， 浮置扩散电容的典型值为10-14F量 级，产生20uV/e的增益，读出噪声 可达5-20均方根电子。成像质量高。
辐射对比度——背景温度变化1K所引起光子通量变 化与整个光子通量的比值，它随波长增长而减小。
IRFPA工作条件：高背景、低对比度
2 、IRFPA的分类
按照结构可分为单片式和混合式 按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型 按照读出电路可分为CCD、MOSFET和CID等类型 按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型 按照响应波段与材料可分为
10 ≈1
1、IRFPA的工作条件
波长/μm 300K背景辐射光子通量密度
/(光子/cm2·s) 光积分时间（饱和时间）μs 对比度（300K背景）/（％）
1～3 ≈1012
106 ≈10
3～5 ≈1016
102 ≈3
8～12 ≈1017
10 ≈1
通常光子密度高于1013/cm2s的背景称为高背景条件，
微透镜改善低光特性
CMOS APS图像传感器的功耗较小。但与PPS相比，有源 像素结构的填充系数小，典型值为20%-30%。像素尺寸减小后 低光照下灵敏度迅速降低，采用滤色片和在CMOS上制作微透 镜组合以及CMOS工艺的优势，前景好于CCD。
2、CMOS摄像器件的总体结构
外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑 单元选通相应的行像素单元，单元内信号电荷通过各 自所在列总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及 A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。 行选通单元扫描方式：逐行扫描和隔行扫描。
1.3、CMOS摄像器件
1990’s，CMOS技术用于图像传感器，其优点结 构简单，耗电量是普通CCD的1/3，制造成本比CCD 低，可将处理电路等完全集成。
1、CMOS像素结构
无源像素型（PPS）和有源像素型（APS）
无源像素结构，1967，Weckler
由一反向偏置光 敏二极管和一个开关 管构成，开关管开启， 二极管与垂直列线连 通，信号电荷 读出。
红外焦平面器件结构
成像透镜
由于这类器件工作是一般安放在成像透镜的焦面上， 所以它们又被叫做红外焦平面器件（IRFPA）。
1、IRFPA的工作条件
IRFPA通常工作于1~3um、3~5um和8~12um的红外 波段并多数探测300K背景中的目标;
红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为0.1K 的目标;
Integration Power
Consumption Resolution Image
Quality Speed
Poor 2-5 W Up to 14 Mpix Historically best Usually up to 100
frame/s
Excellent 20-50 mW Up to 12 Mpix Being improved Up to thousands
隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的 清晰度。
行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现 图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像 信息。
MOS 摄像器件的工作原理：
X 移位寄存器
ΦX1
φX2
信号输出
RL
Y
MOS 开关
E
移
位
A/D
ห้องสมุดไป่ตู้
寄
存
数字信号输出
器
ΦY1 ΦY2
光电二极管
3、CMOS与CCD器件的比较
无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量
子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大， CMOS无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着 像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。
有源像素结构APS（Active Pixel Structure )
光电二极管型有源像素（PP－APS）1994，哥伦比亚大学
工作过程： 光生信号电荷积分在光栅PG下，浮置扩散节点
A复位（电压VDD）；然后改变光栅脉冲，收集在光 栅下的信号电荷 转移到扩散节点。复位电压水平与 信号电压水平之差即传感器的输出信号。
1997年，东芝公司研制成功640*640像素光敏二极 管型CMOS APS，像素尺寸5.6um*5.6um，具有彩色 滤色膜和微透镜阵列。 2000年，美国Foveon公司和美国国家半导体公司 采用0.18umCMOS工艺研制成功4096*4096像素 CMOS APS，像素尺寸5um*5um，管芯尺寸 22mm*22mm，是集成度最高，分辨率最高的CMOS 固体摄像器件。
CCD摄像器件 灵敏度高、噪声低、像素面积小 难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用
相对高的工作电压，制造成本比较高
CMOS摄像器件 集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、
动态范围宽、抗辐射和制造成本低 需进一步提高器件的信噪比和灵敏度
CMOS与CCD器件的对比
CCD vs. CMOS
随波长的变长，背景辐射的光子密度增加。
由普朗克定律计算出红外波段300K背景的光谱辐射光子密度。
波长/μm 300K背景辐射光子通量密度
/(光子/cm2·s) 光积分时间（饱和时间）μs 对比度（300K背景）/（％）
1～3 ≈1012
106 ≈10
3～5 ≈1016
102 ≈3
8～12 ≈1017