圖像傳感器檢測(cè)系統(tǒng)硬件原理.ppt

6. 1 固體圖像傳感器檢測(cè)技木,第六章 圖像傳感器檢測(cè)系統(tǒng),電荷耦合器件,電荷耦合器件(chargeCoupled Devices)簡(jiǎn)稱 CCD，是1970年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首先研制出來的新型固體器件。作為MOS技術(shù)的延伸而產(chǎn)生的一種半導(dǎo)體器件。,CCD作為一種多功能器件，有三大應(yīng)用領(lǐng)域：攝像、信號(hào)處理和存貯。特別是在攝像領(lǐng)域，作為二維傳感器件， CCD與真空攝像器件相比，具有無灼傷，無滯后，體積小，低功耗、低價(jià)格、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。,廣播級(jí)電視攝像機(jī)中， CCD攝像機(jī)可與真空器件攝像機(jī)“平分秋色”。而在閉路電視、家庭用攝像方面， CCD攝像機(jī)則呈現(xiàn)出“一統(tǒng)天下”的趨勢(shì)。 在工業(yè)、軍事和科學(xué)研究等領(lǐng)域中的應(yīng)用，如方位測(cè)量、遙感遙測(cè)、圖像制導(dǎo)，圖像識(shí)別等方面更呈現(xiàn)出其高分辮力，高準(zhǔn)確度，高可靠性等突出優(yōu)點(diǎn)。,圖像傳感器實(shí)際上只能記錄光線的灰度，也就是說，它能記錄光線的強(qiáng)弱，但卻沒有辦法分辨顏色，而我們最需要的卻是光線的顏色。目前CCD主要的解決方式是在每一個(gè)光電二極管上都采用了濾光器，使對(duì)應(yīng)的光電二極管只能記錄相應(yīng)單色光。,各種單色分別被相鄰的光電二極管記錄下來，生成的圖像顏色是分離的，最后還需要通過一些處理過程把這些數(shù)值合成為彩色的圖像。數(shù)碼相機(jī)里面，這個(gè)處理過程稱之為插值。通常的做法是計(jì)算1個(gè)像素周圍8個(gè)像素的顏色值，然后根據(jù)它自身所記錄的顏色值，結(jié)合計(jì)算出最終像素的混合顏色值。,CCD攝像機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景,由于CCD攝像機(jī)所具有的各種突出優(yōu)點(diǎn)，所以從發(fā)明至今僅20多年其發(fā)展速度驚人。近10年來，CCD攝像機(jī)的應(yīng)用已深入到各個(gè)領(lǐng)域，可以說是跨行業(yè)、跨專業(yè)多方面應(yīng)用的一種光電產(chǎn)品。它的用量以每年20%的速度遞增。具不完全統(tǒng)計(jì)，1997年1998年僅中國(guó)大陸彩色和黑白CCD攝像機(jī)的用量就達(dá)60-70萬臺(tái)，這些產(chǎn)品大多數(shù)來自國(guó)外或者由臺(tái)灣地區(qū)和國(guó)內(nèi)組裝。從1998年日本出版的技術(shù)市場(chǎng)雜志獲悉,世界上已把CCD列為未來10年可能增益100倍的高技術(shù)產(chǎn)品.據(jù)國(guó)外專家統(tǒng)計(jì),1997年CCD世界市場(chǎng)規(guī)劃為16億美元,而實(shí)際上1997年為50億美元,1998年為65億美元.日本松下公司對(duì)CCD攝像機(jī)的世界市場(chǎng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè),如表1所示。,一、概述,由于CCD攝像機(jī)所具有的各種突出優(yōu)點(diǎn)，所以從發(fā)明至今僅20多年其發(fā)展速度驚人。近10年來，CCD攝像機(jī)的應(yīng)用已深入到各個(gè)領(lǐng)域，可以說是跨行業(yè)、跨專業(yè)多方面應(yīng)用的一種光電產(chǎn)品。它的用量以每年20%的速度遞增。,一、概述,CCD傳感器有兩種 第一、特殊CCD傳感器，如紅外CCD芯片（紅外焦平面陣列器件）、高靈敏度背照式和電子轟擊式CCD、EBCCD等，另外還有大靶面如20482048、40964096可見光CCD傳感器、寬光譜范圍（紫外光可見光近紅外光3-5m中紅外光8-14um遠(yuǎn)紅外光)焦平面陣列傳感器等。目前已有商業(yè)化產(chǎn)品,并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。,CCD攝像機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì) 1、CCD攝像機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 CCD攝像機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)展，應(yīng)用技術(shù)的深化又促進(jìn)CCD攝像機(jī)的多樣化產(chǎn)品的生產(chǎn)。 總體有MOBILE、PUBLIC、HOME三個(gè)方面，其中有：,（1）Camcorder攝錄一體化CCD攝像機(jī)。從中國(guó)電子工業(yè)部市場(chǎng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)獲悉，2000年需求量可達(dá)150萬臺(tái)。 （2）TV phone據(jù)資料介紹，有些移動(dòng)電話公司正在研發(fā)可帶視頻圖像攝入和顯示的手機(jī)即大哥大。,（3）PC camera到21世紀(jì)初葉，隨著電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展，PC Camera作為電腦前端和圖像輸入系統(tǒng)，CCD攝像機(jī)將以不可阻擋的發(fā)展勢(shì)頭深入到各種電腦應(yīng)用的方方面面，也會(huì)很快進(jìn)入家庭。借助電腦網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)音、視頻同步遠(yuǎn)程通訊。預(yù)計(jì)到2000年，我國(guó)PC機(jī)年銷量將為1056萬臺(tái)，僅按計(jì)算機(jī)配套率20%估算，PC camera的需求量將為211.2萬臺(tái)。,（4）Door phone隨著住宅商品化，各種現(xiàn)代化住宅樓像雨后春筍般撥地而起，民用住宅的安全防范已提到日程上來，許多住宅可在室內(nèi)及時(shí)地看到來訪客人的實(shí)時(shí)圖像和室外局部區(qū)域的情況，也為防范壞人入室作案起到有效的監(jiān)控作用。,（5）Scanner由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及，所以為了提高各種資料、文字的輸入速度，可采用各種掃描儀，讀取經(jīng)過文字識(shí)別的資料，可將讀入的文字資料轉(zhuǎn)換成文件存入計(jì)算機(jī)進(jìn)行編輯，以便在網(wǎng)絡(luò)上交流。按PC機(jī)配套率10%計(jì)算，可需線陣和面陣CCD傳感器105.6萬臺(tái)。,（6）Bar Code Register（BCR）條形碼記錄器在各種商業(yè)流通領(lǐng)域如商場(chǎng)、倉(cāng)儲(chǔ)連鎖店等普遍采用。條形碼物品記錄識(shí)別系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)可隨時(shí)取得各種數(shù)據(jù)。 （7）Medical醫(yī)用顯微內(nèi)窺鏡利用超小型的CCD攝像機(jī)或光纖圖像傳輸內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)人體顯微手術(shù)，減小手術(shù)刀口的尺寸，減小傷口感染的可能性，減輕病人的痛苦。同時(shí)還可進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程會(huì)診和現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。,（8）Vehicle Camera在各種車輛中加裝CCD攝像機(jī)可以使駕駛?cè)藛T借助車內(nèi)CCD攝像機(jī)、車上的后視鏡系統(tǒng)和駕駛員前面的顯示器，不僅可隨時(shí)看到車內(nèi)的情況，而且可在倒車時(shí)觀察后面的道路情況，在向前行進(jìn)過程中也能隨時(shí)看到后方車輛所保持的距離，提高了行車安全。,（9）Closed Circuit Television（CCTV）CCTV是近幾年被大家廣泛注意的電視監(jiān)控系統(tǒng)，目前，已發(fā)展成為一種新的產(chǎn)業(yè)。以CCD攝像機(jī)為主要前端傳感器，帶動(dòng)了一系列各種配套的主機(jī)和配套設(shè)備以及傳輸設(shè)備的研制和生產(chǎn)企業(yè)。,（11）Personal Data Assistant（PDA）個(gè)人數(shù)據(jù)秘書系統(tǒng)是一種體積小于筆記本的電腦，是功能齊全的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以完成多種數(shù)據(jù)管理功能，并可借助移動(dòng)電話上的Internet網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳送資料、發(fā)傳真等。,（12）Digital Signal Camera（DSC）數(shù)碼照相機(jī)是近兩三年投放市場(chǎng)的一種新型照相機(jī)。由CCD傳感器采集的圖像信號(hào)經(jīng)過數(shù)字處理后，可被記錄在磁卡上，由計(jì)算機(jī)讀取磁卡上的圖像數(shù)據(jù)再現(xiàn)出圖像，并可借助各種圖像處理軟件進(jìn)行圖像編輯和圖像處理。,1 CCD的物理基礎(chǔ),CCD是基于 MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)電容器在非穩(wěn)態(tài)下工作的一種器件。因此，必須了解 MOS電容器的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)工作及其與 CCD的關(guān)系。,1.1 穩(wěn)態(tài)下的 MOS電容器 (一)理想 MOS系統(tǒng) MOS結(jié)構(gòu)如圖13l所示。在硅片上，生長(zhǎng)一層 SiO2層 F，厚度為dox 再蒸鍍上一層金屬鋁作為柵電極。硅下端制成歐姆接觸，便構(gòu)成一個(gè) MOS二極管或 MOS電容器。VG為加在柵電極上的偏壓，當(dāng)柵電極對(duì)地為正時(shí)，則 VG為正；反之， VG為負(fù)。,半導(dǎo)體作為底電極，稱為“襯底”。襯底分為 P型硅襯底和 N型硅襯底，它對(duì)應(yīng)不同的溝道形式，由于電子遷移率高，所以，大多數(shù) CCD選用 P型硅襯底。下面以 P型硅襯底 MOS電容器為參照進(jìn)行說明。,MOS電容器的狀態(tài)是隨柵極電壓 VG的變化而不同的。在 VG為零時(shí)， Si表面沒有電場(chǎng)的作用，其載流子濃度與體內(nèi)一樣。 Si本身呈電中性，電子能量從體內(nèi)到表面都相等，所以能帶是平坦的，不存在表面空間電荷區(qū)。這種狀態(tài)稱為 “平帶狀態(tài)”。,當(dāng)在柵極加上電壓，即 VG不為零時(shí)， Si表面的電荷和電勢(shì)分布可通過求解下面的泊松方程式得到：,式中，為電荷密度； 為硅的介電常數(shù)。下面分三種情況討論：,1 VG 0的多數(shù)載流子積累狀態(tài) 當(dāng)在金屬柵極上加上直流負(fù)偏壓，即 VG 0時(shí)，電場(chǎng)使 Si內(nèi)一部分可移動(dòng)空穴集中到 SiSiOz界面，在 Si表面形成多數(shù)載流子積累層。這種狀態(tài)稱為“積累狀態(tài)”。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)， VG的一部分降落在 SiOz層內(nèi)，其余部分將作用于半導(dǎo)體表面而引起表面勢(shì)Vs。由于Vs 0，則-eVs 0，表面處能帶向上彎曲，從而導(dǎo)致表面附近的價(jià)帶中比體內(nèi)有更多的空穴，使表面呈現(xiàn)強(qiáng) P型。,為了保持 MOS系統(tǒng)的電中性條件，金屬柵極上的負(fù)電荷與半導(dǎo)體積累層中的正電荷正好相互補(bǔ)償。但金屬的費(fèi)米能級(jí)與半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)并不 相等，即EFM EFS ，其差值正好是 VG與電子電荷的乘積。若此時(shí)在 VG上疊加交流小信號(hào)時(shí)，積累在界面處的空穴數(shù)將相應(yīng)于交流信號(hào)的變化而變化。,交流響應(yīng)的時(shí)間為 。，這里是硅電阻率。硅的響應(yīng)時(shí)間 約為10-12S所以，積累狀態(tài)下可將半導(dǎo)體襯底同金屬板一樣對(duì)待，則每單位柵面積下的 MOS電容為 式中， ox為 SiOz的介電常數(shù)。,2 VG 0的多數(shù)載流子耗盡狀態(tài) 當(dāng)在柵電極上加上 VG 0的小電壓時(shí)， P型襯底中的空穴從界面處被排斥到襯底的另一側(cè)，在 Si表面處留下一層離化的受主離子，這種狀態(tài)稱為多數(shù)載流子“耗盡狀態(tài)”。這種情況相當(dāng)于 MOS電容器充負(fù)電?？蓪⒖臻g電荷區(qū)中的負(fù)電荷密度寫為,但由于是 P型村底，故 ND0；在耗盡時(shí)，空間電荷區(qū)中p(x)NA, 空間電荷區(qū)中的電子濃度n(x)NA,所以，在耗盡近似下，上式可簡(jiǎn)化為,該充電區(qū)域(空間電荷區(qū))稱為耗盡層。此時(shí)表面勢(shì) VS0，則 -e VS0，表面處能帶向下彎曲，如圖所示。由于能帶彎曲，越接近表面，費(fèi)米能級(jí) EFS與價(jià)帶頂E+的間隔越大，構(gòu)成空穴勢(shì)壘，表面處空穴濃度比體內(nèi)少，甚至于完全沒有空穴，即多子從表面耗盡。,耗盡層中的電勢(shì)分布可通過求解泊松方程得出，即 用 xxd處，V0, 即體內(nèi)電勢(shì)為零，及dV/dx0的邊界條件求解上式，得,式中，xd為耗盡層厚度，坐標(biāo)原點(diǎn)取在 SiSiO2界面上。,當(dāng) x0時(shí)，表面勢(shì)如下 由此可求得耗盡層厚度為 空間電荷區(qū)內(nèi)單位面積的電荷量為,界面處的電場(chǎng)為,柵電壓 VG為 SiO2中的電壓降和表面勢(shì)之和 當(dāng)柵電壓有微小變化 VG時(shí)，有,柵電極中的電荷量與硅中的電荷量大小相等，符號(hào)相反。若 VG引起電極上電荷量的變化為Q，則,寫成電容形式，即有 (13一16) 式中， 為耗盡層電容。從上述各式可得到柵電容與柵電壓 VG的函數(shù)關(guān)系如下 (13一17),表面勢(shì)的概念對(duì)理解電荷耦合器件工作原理是很重要的，由 可知，在一定的摻雜濃度下，表面勢(shì) VS與柵極偏壓VG有關(guān)，因?yàn)?xd與 VG有關(guān)。,3 VGVth0的反型狀態(tài) 在上述基礎(chǔ)上正電壓 VG進(jìn)一多增加，表面處能帶相對(duì)體內(nèi)進(jìn)一步向下彎曲，當(dāng) VG超過某一閾值時(shí)，將使得表面處禁帶中央能級(jí)Ei降到EFS以下，導(dǎo)帶底E-離費(fèi)米能級(jí)置EFS ，更近一些。這表明表面處電子濃度超過空穴濃度，已由 P型變?yōu)?N型。這種情況稱之為“反型狀態(tài)”。而從圖中還可看出，反型層到半導(dǎo)體內(nèi)部之間還夾有一層耗盡層。,反型狀態(tài)可分為弱反型和強(qiáng)反型兩種情況。當(dāng)表面勢(shì) VS增加到正好等于體內(nèi)費(fèi)米勢(shì)F 時(shí)， 在表面EF達(dá)到Ei，表明表面處電子濃度開始超過空穴濃度。這種情況稱為“弱反型”。,所謂強(qiáng)反型狀態(tài)定義為表面處反型載流子濃度ns已達(dá)到體內(nèi)多數(shù)載流子p0的濃度，即ns p0 表面處電子濃度可寫為,式中， no和p0分別為 p型半導(dǎo)體內(nèi)熱平衡時(shí)的電子濃度和空穴濃度。,通常發(fā)生強(qiáng)反型的條件寫成,從式中可以看出，半導(dǎo)體襯底摻雜濃度 NA越高，半導(dǎo)體表面越不易反型。,在強(qiáng)反型狀態(tài)下，表面處電子濃度隨VS增加呈指數(shù)地增長(zhǎng)，而VS隨耗盡層寬度 xd呈二次函數(shù)增加。因此，一旦出現(xiàn)反型層，即使提高柵電壓，使柵極的正電荷進(jìn)一步增加，但由于反型層中的電子也增加而維持平衡，結(jié)果耗盡層寬度幾乎不變，即達(dá)到耗盡層寬度最大值。 可得,該式也表明在一定溫度下， NA越大，則xdmax越小。聚集在反型層中的電子由耗盡層中的熱激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)供給。由于這種機(jī)構(gòu)產(chǎn)生比較緩慢，即使在直流電壓上疊加上小的交流電壓，反型層的電子數(shù)也不能響應(yīng)這種交流變化。所以在強(qiáng)反型狀態(tài)下，耗盡層達(dá)到最大寬度 xdmax而且不隨 VG而變化， MOS電容將達(dá)到極小值并大致保持恒定。,在 MOS結(jié)構(gòu)中，表面出現(xiàn)強(qiáng)反型狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的外加偏壓 VG稱為閾值電壓(又叫開啟電壓)，常用 Vth表示。,從圖中的能帶看到，對(duì)表面反型層的電子來說，一邊是 SiO2絕緣層，它的導(dǎo)帶比半導(dǎo)體高許多。另一邊是彎曲的導(dǎo)帶形成的一個(gè)陡坡，其代表由空間電荷區(qū)電場(chǎng)形成的勢(shì)壘。,所以，反型層中的電子實(shí)際上是被限制在表面附近能量最低的一個(gè)狹窄區(qū)域。因此，常稱反型層為溝道。 P型半導(dǎo)體的表面反型層是由電子構(gòu)成的，所以稱為 N溝道。反之， N型半導(dǎo)體稱為 P溝道。,2 CCD的工作原理和結(jié)構(gòu),CCD是一行行緊密排列在硅襯底上的MOS電容器陣列，它具有存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移信息的能力，故又稱為動(dòng)態(tài)移位寄存器。為了了解 CCD的工作原理，必須了解MOS電容之間的耗盡層耦合。,2.1 耗盡層耦合,考察兩個(gè)間隔較大的 MOS電容器，在兩個(gè)金屬柵極之間沒有被金屬覆蓋那部分的氧化物下的表面勢(shì)，將由氧化層上面的情況、固定氧化物電荷 Qf及襯底摻雜濃度等確定。,在這種情況下，不可能使一個(gè) MOS電容器中存貯的信息電荷轉(zhuǎn)移到另一個(gè) MOS電容器中。,當(dāng)兩個(gè)金屬柵極彼此足夠靠近時(shí)，其間隙下的表面勢(shì)將由兩個(gè)金屬柵極上的電位決定，從而就能夠形成兩個(gè) MOS電容器下面耗盡層的耦合，使一個(gè) MOS電容器中存貯的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到下一個(gè) MOS電容器中去.,CCD能否成功地工作，首先決定于金屬電極的排布情況。為了找出最佳的間隙寬度，必須對(duì)各種尺寸的器件求解二維泊松方程并給出表面勢(shì)作為間隙的函數(shù)曲線。,從所得結(jié)果看，為保證表面勢(shì)不形成高的勢(shì)壘，間隙寬度g應(yīng)小于3m。如果g等于3 m，勢(shì)壘基本消失。 g3 m時(shí)邊緣效應(yīng)還可以加速電荷的轉(zhuǎn)移。上述模型中取dox03 m，但實(shí)際中常采用dox 0.1 m。這樣，要實(shí)現(xiàn)相鄰 MOS電容的勢(shì)阱良好耦合，必須要求間隙里g1 m 。,2.2 CCD的工作原理,當(dāng) CCD工作時(shí)，可以用光注入或電注入的方法向勢(shì)阱注入信號(hào)電荷，以獲得自由電子或自由空穴。勢(shì)阱所存貯的自由電荷通常也稱為電荷包。在提取信號(hào)時(shí)，需要將電荷包有規(guī)則地傳遞出去，即進(jìn)行電荷的轉(zhuǎn)移。,CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。為此， MOS電容器列陣上所加的電位脈沖必須嚴(yán)格滿足相位時(shí)序要求，使得任何時(shí)刻勢(shì)附的變化總是朝著一個(gè)方向。,如圖所示，當(dāng)電荷從左向右轉(zhuǎn)移時(shí)，在任何時(shí)刻，當(dāng)存貯有信號(hào)電荷的勢(shì)斷抬起時(shí)，與之相鄰的右邊的勢(shì)階總比該勢(shì)斷深，這樣才能保證電荷始終朝右邊轉(zhuǎn)移。,通常在 CCD的 MOS列陣上將幾個(gè)相鄰的 MOS電容器劃分為一個(gè)單元而無限循環(huán)，每一單元稱為一位。將每一位中對(duì)應(yīng)位置上的電容柵極分別連在各自共同的電極線上，稱之為相線。如圖1310(a)中所示，三相 CCD中 l、4、7為一共同相線，2、5、8及3、6、9分別為另外二個(gè)共同相線。可見，一位 CCD中包含的電容器個(gè)數(shù)即為 CCD的相數(shù)，或者說每相線連起來的電容器的個(gè)數(shù)即為 CCD的位數(shù)。,圖中給的是 N襯底 P溝道情況，而對(duì) P襯底 N溝道情況，只需將所加電壓反極性即可。 上述這種 P溝道情況，因其必須加負(fù)極性柵壓，且空穴的遷移率低，故除特殊用途外，通常大多都是使用N溝道 CCD。,CCD中信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移還必須沿確定的路線。所以，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮好溝道與溝阻。電荷轉(zhuǎn)移的通道稱為溝道。而限定溝道的部分稱為溝阻，根據(jù)前邊的討論，在相同 VG下， NA越高，Vs越低。所以可以在設(shè)計(jì)為溝阻的部位做更高摻雜，形成溝阻，從而確定溝道。,23 CCD的基本結(jié)構(gòu),1轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)通常按照每位采用的電極相數(shù)來劃分。對(duì)于普通結(jié)構(gòu)的 CCD，為了使電荷包單向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)的 CCD，也可采用二相供電或四相供電等方式。,(l)三相電極結(jié)構(gòu)(三相 CCD) 三相 CCD的結(jié)構(gòu)使電荷定向運(yùn)動(dòng)，采用對(duì)稱電極結(jié)構(gòu)，三相 CCD是最簡(jiǎn)單的電極結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵谀骋淮_定的時(shí)刻，對(duì)存貯有電荷的電極而言，兩個(gè)相鄰電極，需要一個(gè)被“打”開，另一個(gè)保持“關(guān)”閉，以阻止電荷倒流。通常這種電極結(jié)構(gòu)有三種形式：, 三相單層鋁電極結(jié)構(gòu) ： 它是一個(gè)完整的三相 CCD單層鋁電極結(jié)構(gòu)。是在輕摻雜的硅襯底上先生成一層0.1m的 SiO2，而后在 SiO2上蒸發(fā)一層鋁，采用光刻工藝形成間隙很窄的電極。這種結(jié)構(gòu)存在明顯的缺點(diǎn)。電極間隙處 SiO2表面裸露在周圍氣氛中，有可能沾污 SiO2表面，造成表面勢(shì)不穩(wěn)定，影響轉(zhuǎn)移效率。, 三相電阻海結(jié)構(gòu) ： 為得到封閉的電極結(jié)構(gòu)，采用的方法之一就是引用硅柵結(jié)構(gòu)。在氧化物層上沉積一層多晶硅，然后按要求對(duì)電極區(qū)域選擇摻雜(硼或磷)，形成三相電極形狀，電極間互連和焊接區(qū)采用蒸鋁來實(shí)現(xiàn)。,這種結(jié)構(gòu)是封閉式，性能穩(wěn)定，成品率高。但由于光刻和多晶硅定域摻雜難以保證電極間高阻區(qū)很窄，使得每個(gè)單元尺寸較大，這樣的結(jié)構(gòu)僅用于小型列陣器件。而且電極低阻區(qū)的電阻率必須合適，既要低得足以使電勢(shì)能跟隨時(shí)鐘波形的變化，又不能產(chǎn)生過大的功率耗散，這是難以掌握的困難問題。,三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)： 三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)是常用三相交疊電極結(jié)構(gòu)形式。 電極間窄間隙，又封閉的電極結(jié)構(gòu)。 三相交疊電極可以是多晶硅，也可以是鋁金屬，或者兩種混用。,三相交疊硅柵的形成工藝是，先在硅表面生成一層高質(zhì)量的氧化物，跟著沉積一層多晶硅，摻雜后按規(guī)定圖案光刻出第一組電極；而后再進(jìn)行熱氧化，形成一層氧化物，再沉積多晶硅、摻雜，第二次光刻出第二組電極；第三組電極形成方法與第二組電極相同。,柵介質(zhì)層也可采用復(fù)合介質(zhì)層，如 SiO2-氮化硅。若采用鋁柵，則用陽極氧化法來形成電極間的絕緣層。這種結(jié)構(gòu)可得到小至幾百納米的電極間隙，單元尺寸也小，溝道又是封閉式的，因而受到歡迎。,為了發(fā)揮各類 CCD結(jié)構(gòu)的最佳性能，對(duì)時(shí)鐘脈沖有一定的要求。對(duì)三相時(shí)鐘脈沖有三點(diǎn)要求： 三相時(shí)鐘脈沖有一定的交疊，在交疊區(qū)內(nèi)，電荷電源勢(shì)阱與接收勢(shì)阱同時(shí)共存，以保證電荷在這兩個(gè)勢(shì)阱間充分轉(zhuǎn)移； 時(shí)鐘脈沖的低電平必須保證溝道表面處于耗盡狀態(tài)； 時(shí)鐘脈沖幅度選取適當(dāng)。,(2)二相 CCD電極結(jié)構(gòu) 為使 CCD能在二相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下工作，電極本身必須設(shè)計(jì)成不對(duì)稱性，在這種不對(duì)稱電極下產(chǎn)生體內(nèi)勢(shì)壘，保證電荷能定向運(yùn)動(dòng)。,實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱電極結(jié)構(gòu)，可利用同一電極下不同氧化物厚度臺(tái)階和離子注人來產(chǎn)生體內(nèi)勢(shì)壘，,二相多晶硅柵極結(jié)構(gòu)。二相時(shí)鐘方法在結(jié)構(gòu)上和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)上都很簡(jiǎn)單。但它也有缺點(diǎn)，即因?yàn)楹裱趸瘜酉旅媸亲钃鮿?shì)壘，不能存貯電荷，加之勢(shì)阱勢(shì)壘差減小，所以，能夠存貯在勢(shì)阱中的信號(hào)電荷量比三相時(shí)鐘情況少。,二相 CCD結(jié)構(gòu)可以采用 l（1/2）工作模式驅(qū)動(dòng)，即一個(gè)柵電極加一定的直流偏壓，另一個(gè)柵電極加時(shí)鐘脈沖。雖然這種工作模式比一般的二相方式的時(shí)鐘脈沖擺幅要大些，但驅(qū)動(dòng)的外圍電路可以簡(jiǎn)化，受到用戶歡迎。,(3)四相 CCD電極結(jié)構(gòu) 奇數(shù)電極位于厚 SiOz上，偶數(shù)電極位于薄SiOz上。因此，即使在同一柵電壓下，偶數(shù)電極下面的耗盡層要深一些。,四相 CCD工作狀態(tài)與三相器件、二相器件相比，較為適合于工作時(shí)鐘頻率很高的情況(如100MHz)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)波形接近正弦波。,除了上述三種電極形式 CCD外，還有一種虛相 CCD結(jié)構(gòu)形式。這種形式可以看作是二相 CCD的 l（1/2）工作驅(qū)動(dòng)模式的推廣，即把保持直流電壓的電極不做在柵氧化層上面，而是在柵氧化層下硅表面上注入一淺的 P型層作閾值位移用。只要注入劑量足夠大，則不管柵壓為正為負(fù)，表面勢(shì)將始終鉗位在零，故其上有無電極已無所謂。實(shí)際上是堆積在表面的薄空穴層對(duì)下面的埋溝起著“虛”柵的作用。這樣驅(qū)動(dòng)虛相 CCD實(shí)際上只要一個(gè)時(shí)鐘相脈沖，從而將大大地簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路。,以上的討論也告訴我們，器件驅(qū)動(dòng)電路的簡(jiǎn)化是以器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化為代價(jià)而得到的。,2轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu) CCD的電荷轉(zhuǎn)移溝道有兩種形式，即表面溝道和體內(nèi)或埋溝道形式。前者稱為表面 CCD，簡(jiǎn)記為 SCCD；后者稱為埋溝 CCD，簡(jiǎn)記為 BCCD。前面介紹的原理都是表面 CCD的，因此，這里只介紹埋溝CCD。,表面 CCD存在如電荷轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率低等問題。其主要原因是受表面態(tài)和遷移率的影響。在 Si和 SiO2界面處的表面態(tài)，能夠接受電荷包中的電子，也能向電荷包發(fā)射電子。,當(dāng)電荷包轉(zhuǎn)移時(shí)，空的界面態(tài)從溝道中獲得電子，如果它能很快地把這些電子釋放出來，隨原電荷包一起前進(jìn)，將不影響轉(zhuǎn)移效率；,但若釋放慢，則電子將進(jìn)入后續(xù)的電荷包，造成信息損失。為了避免表面態(tài)的這種影響，將電荷轉(zhuǎn)移溝道做在體內(nèi)，從而形成埋溝 CCD。,埋溝 CCD的原理如圖所示。設(shè)襯底為 P 型，在硅的表面注入雜質(zhì)，如磷，典型濃度為1012cm2：使之形成 N型薄層。在 N型層的兩端做上 N+層，起源和漏的作用。,設(shè)開始時(shí)， VG0， N+區(qū)加上足夠的正偏壓，并取襯底為零電位，這樣?xùn)艠O相對(duì)于 N層為負(fù)，于是在 N區(qū)形成場(chǎng)感應(yīng)耗盡層(電子耗盡)，其厚度為dl，同時(shí)由于 N和 P之間施以反偏壓，故形成體內(nèi)耗盡層，其厚度為 d2十d3。,d2和 d3分別為耗盡層擴(kuò)展到 N區(qū)及 P區(qū)的部分。 d2 d3 隨偏壓的升高而增大。但當(dāng)d2 同d1相接觸時(shí)， N區(qū)全部電離， d2不能再增加。若設(shè)d1同d2的交界線為 z，則在極限情況下， Vz不隨偏壓而改變。,埋溝 CCD的能帶圖。從圖中可以看出最低勢(shì)能不在界面處，而是在體內(nèi)。此處能夠收集電子，作為電子通道。當(dāng)通道內(nèi)有自由電荷時(shí)，勢(shì)能發(fā)生變化。,埋溝 CCD與表面 CCD電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理的區(qū)別在于： 前者攜帶信息的電子是 N層中的多子，而后者則是 P層中的少子； 表面 CCD中的信號(hào)電荷集中在界面處很薄的反型層中，而埋溝 CCD的信號(hào)電荷集中在體內(nèi)的 z平面附近。,如果施以正的柵壓，則勢(shì)能曲線下降，且 P區(qū)耗盡層加寬。,典型的埋溝 CCD結(jié)構(gòu)如圖1325所示。它的輸入與輸出部分與表面 CCD相似。,埋溝 CCD在性能上則至少在以下幾點(diǎn)上優(yōu)于表面 CCD： 因信號(hào)電荷在體內(nèi)存貯和轉(zhuǎn)移，避開了界面態(tài)俘獲信號(hào)電荷的不良影響，所以轉(zhuǎn)移損失率較小，一般比表面 CCD小 1一2個(gè)數(shù)量級(jí)。, 由于各柵電壓間具有較強(qiáng)的耦合，這種耦合隨溝道加深而變強(qiáng)，從而增加了邊緣電場(chǎng)。另外，硅體內(nèi)遷移率比表面遷移率高約一倍，因此埋溝 CCD的工作頻率較高，已證實(shí)在135MHz的時(shí)鐘頻率下仍可工作。, 埋溝 CCD的最大優(yōu)點(diǎn)是噪聲低。這種低噪聲和高傳輸效率相結(jié)合，可使埋溝 CCD成為低照度下較為理想的攝像器件。,3輸入、輸出結(jié)構(gòu) 典型的 CCD的輸入、輸出結(jié)構(gòu)如圖所示。在 CCD的主體兩端分別加上輸入二極管(ID)和輸入柵(IG)構(gòu)成電荷的輸入結(jié)構(gòu)，輸出控制柵(OG)和輸出二極管(OD)構(gòu)成電荷的輸出結(jié)構(gòu)。,(l)信號(hào)電荷的注入 表面 CCD的信號(hào)電荷注人有光注入和電注入兩種形式。作為光注入，只要把光敏區(qū)的光敏元柵極施加正電壓使柵極下產(chǎn)生耗盡勢(shì)阱，則光敏區(qū)產(chǎn)生的光生載流子被收集到這個(gè)勢(shì)阱中去。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵為高電平時(shí)，信號(hào)電荷將從光敏區(qū)寄存器轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器，完成光注入。,所謂電注入，實(shí)際上就是對(duì) CCD勢(shì)阱電容注入電荷。完成這種輸入的結(jié)構(gòu)通常是由一個(gè)輸入二極管，一個(gè)或幾個(gè)輸入控制柵構(gòu)成。其工作模式可以是多種多樣，但總的要求是輸入線性好，噪聲低。常用的方法有動(dòng)態(tài)電流積分法、二極管截止法和電位平衡法等。但在實(shí)際中，電位平衡法應(yīng)用最廣泛，所以我們只重點(diǎn)介紹該方法。,電位平衡法是利用輸入柵 Gl表面勢(shì)與存貯柵 G2表面勢(shì)平衡來獲得信號(hào)電荷的，如圖1327所示。其具體步驟是：,輸入柵壓Gl保持恒定電壓。輸入信號(hào)加在 G2上，開始時(shí)輸入二極管加低電位脈沖，此時(shí)由于 VG2。VD，故信號(hào)電荷注滿 G2勢(shì)斷。然后立即升高二極管電位，使之處于強(qiáng)反偏狀態(tài)。,這樣 G2存貯勢(shì)阱中多余的電荷則向二極管區(qū)倒流，直到 Gl下面的表面勢(shì)同 G2下面的表面勢(shì)相等為止，,平衡時(shí) Gl下無電荷， G2勢(shì)阱中的電荷由式 從上式可知，電位平衡法注入的信號(hào)電荷與兩個(gè)相鄰柵極的電勢(shì)差成正比，但因 VGl是固定的，所以 Qs同信號(hào)電壓 VG2成正比。,這樣的電荷可以分為信號(hào)電荷和襯底電荷，也就是說，注人到勢(shì)阱的絕對(duì)電荷量不代表信號(hào)電荷，而電荷量的差值才是信號(hào)電荷。這個(gè)襯底電荷相當(dāng)于“胖0”電荷。,電位平衡法不僅線性特性好，有高信噪比，而且信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過程中，不會(huì)因界面態(tài)及電荷轉(zhuǎn)移不完全而使信號(hào)失真。此外，電位平衡法消除了柵注人法所帶來的隨機(jī)噪聲。它是目前表面 CCD作為模擬信號(hào)處理較理想的輸入方法。,(2)信號(hào)電荷的輸出 信號(hào)電荷經(jīng)輸入結(jié)構(gòu)變成大小不同的電荷包后，就在時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下沿 CCD溝道轉(zhuǎn)移，很快轉(zhuǎn)移到輸出端的最后一個(gè)時(shí)鐘電極下面。如何將電荷包無破壞地檢測(cè)出來是輸出結(jié)構(gòu)的任務(wù)。通常 CCD輸出信號(hào)電荷的檢測(cè)有電流輸出和電壓輸出兩種方式。, 電流輸出 常用的電流輸出結(jié)構(gòu)如圖1328所示。采用反偏二極管，外加片外放大器構(gòu)成輸出電路。 3下面的電荷包經(jīng)輸出柵 OG后，進(jìn)入強(qiáng)反偏的擴(kuò)散層二極管 OD，使之表面勢(shì)升高。,當(dāng)復(fù)位電壓使二極管重新回到原電位時(shí)，就有電流流人體外放大管。該方法有較好的線性，但需外接放大器構(gòu)成大的電容。由于電荷轉(zhuǎn)移到偏置的輸出擴(kuò)散結(jié)是完全的電荷轉(zhuǎn)移過程，本質(zhì)上是無噪聲的。影響讀出線性和加入噪聲的主要是與輸出二極管相關(guān)的電容大小，及放大器的噪聲。, 電壓輸出 常用的電壓輸出有浮置擴(kuò)散放大器輸出(FDA)和浮置柵放大器輸出(FGA)等方式。這里主要介紹浮置擴(kuò)散放大器輸出，其輸出結(jié)構(gòu)如圖1329所示。,結(jié)構(gòu)中， 除輸出柵和輸出二極管外，還在同一芯片上集成一個(gè)復(fù)位 MOS-FET(Tl)和一個(gè)讀出 MOS-FET(T2)。浮置擴(kuò)散層的輸出信號(hào)直接送給讀出 MOS-FET的柵極。,開始時(shí)，擴(kuò)散層在復(fù)位晶體管 Tl的復(fù)位電位作用下處于強(qiáng)反型狀態(tài)。當(dāng)電荷流人時(shí)，擴(kuò)散層下的表面勢(shì)升高。升高量為 式中， CFD為浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)上的總電容。,在上述電路中， T2具有低的輸入電容和低的輸出電阻。二極管的耗盡層電容隨其上的電位而變化下構(gòu)成非線性因素。這個(gè)因素可通過采用小的耗盡層電容來減少。如采用高阻襯底材料和小的二極管面積，或連接一個(gè)比二極管大的固定負(fù)載電容。,浮置柵放大器輸出結(jié)構(gòu)如圖1330所示。其特點(diǎn)是，用于取出信號(hào)的柵極浮置于溝道上面的氧化層中間，加有固定的偏置電壓。當(dāng)電荷包在浮置柵下通過時(shí)，浮置柵上由于電容耦合產(chǎn)生電位變化。,6.2 真空攝像系統(tǒng),電視型電真空成像原理,電視技術(shù)的出現(xiàn)，使人類擺脫了必須面對(duì)景物才能觀察的限制，從而開拓了一條實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)募夹g(shù)途徑。 電視是利用無線電或有線電電子學(xué)的方法來傳送和顯示遠(yuǎn)距離景物圖像的設(shè)備。它不僅能超越障礙提供遠(yuǎn)距離景物的圖像，而且能夠在大屏幕上顯示，其亮度和對(duì)比度還可以調(diào)節(jié)。,一 電視攝像的基本原理,電視攝像過程是將兩維空間分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為一維時(shí)間變化的視頻電信號(hào)。完成這一過程的器件稱為攝像管。具體的攝像過程可分為如下的三個(gè)步驟： 攝像管的光敏元件接受輸入圖像的輻照進(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空間分布的電量；,攝像管的電荷存貯元件在一幀的周期內(nèi)連續(xù)積累由光敏元件產(chǎn)生的電量，并保持電荷量在空間的分布。這一存貯電荷的元件稱之為靶； 攝像管的電子槍產(chǎn)生空間兩維掃描的電子束，在一幀的周期內(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貯存的電荷量相關(guān)，因此掃描電子束的電流被靶面電荷量所制，從而在輸出電路上即可得到視頻信號(hào)。,二 攝像管的基本原理和分類,為了完成攝像任務(wù)，攝像管必須具有圖像的寫入、存貯過程即輸入的光學(xué)圖像照射在靶面上產(chǎn)生電荷(電位)圖像；圖像的閱讀、抹除過程即掃描電子束從靶面上取出視頻信號(hào)。,一般攝像管應(yīng)具有的結(jié)構(gòu) 它主要由兩大部分組成 光電變換與存貯部分 信號(hào)閱讀部分。,1光電變換與存貯部分 ( 1) 光電變換部分 將光學(xué)圖像變成電荷圖像的任務(wù)是由光電變換部分來完成的。該部分由光敏元件構(gòu)成。常用的材料有光電發(fā)射體和光電導(dǎo)體。,光電發(fā)射體。 用于像管中的各種光陰極，都可以作攝像管中的光電發(fā)射體。光陰極在光照下產(chǎn)生與光通量成正比的光電子流，這既可以利用光電子流進(jìn)行放大處理，以作為信號(hào)輸出，也可以利用因光電子發(fā)射而提高的光陰極電位作為信號(hào)輸出。,光電導(dǎo)體。 光電導(dǎo)體是目前攝像管中應(yīng)用最廣泛的光電變換材料。這類攝像管的光電變換基于內(nèi)光電效應(yīng)的原理。它的光敏面和靶是合而為一的元件。此元件即具有光電變換功能，又具有存貯與積累電荷的作用。該元件稱之為攝像管的靶。光電導(dǎo)攝像管簡(jiǎn)稱為視像管。,光電導(dǎo)體的光電變換原理 在光電導(dǎo)層上接有數(shù)十伏的直流電壓，形成跨層電場(chǎng)。當(dāng)受光照時(shí)，靶的電導(dǎo)率升高，由此使正電荷從電位較高的一邊流向較低的一邊(如圖從左到右)。使靶右邊的正電荷增加，即電位上升。電位升高量與光照相對(duì)應(yīng)。這樣就把人射在光電導(dǎo)左邊的光學(xué)圖像，轉(zhuǎn)換成了右面的電位圖像(電荷圖像)。,(2)電荷存貯與積累部分 由于光電變換所得的瞬時(shí)信號(hào)很弱，所以現(xiàn)在攝像管均采用積累元件。它對(duì)圖像上的任一像元，在整個(gè)幀周期內(nèi)不斷地積累電荷信號(hào)。因?yàn)橐e累和存貯信號(hào)，所以在幀周期內(nèi)要求信號(hào)不能漏走。因此要求存貯元件應(yīng)具有足夠的絕緣能力。,常用的存貯元件有： 二次電子發(fā)射積累。 在光陰極僅作為光電變換元件的攝像管中，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的積累，還必須具有電荷積累和存貯元件，二次電子發(fā)射靶就是其中之一。,二次電子發(fā)射積累電荷的原理 工作時(shí)，均勻的光陰極發(fā)射出與光通量成比例的光電子，它們?cè)诩铀賵?chǎng)的作用下，以高速轟擊二次電子發(fā)射靶。由于靶是絕緣體，所以發(fā)射的部分將維持正電位，并隨著光的繼續(xù)照射而積累下去，直到閱讀時(shí)才被取出。,二次電子導(dǎo)電積累。 上述的二次電子發(fā)射積累，是指二次電子跑出靶層以外，飛向收集極。這樣二次電子應(yīng)該具有較大的能量，或處于較強(qiáng)的電場(chǎng)下才能到達(dá)收集極。而二次電子導(dǎo)電型與此不同，其原理如圖84所示。,光電子在加速電場(chǎng)的作用下穿過透明的支撐膜和導(dǎo)電膜，轟擊二次電子導(dǎo)電層，產(chǎn)生二次電子。二次電子導(dǎo)電層是疏松的纖維狀結(jié)構(gòu)。由它所產(chǎn)生的二次電子并不跑出靶外，而仍在層內(nèi)運(yùn)動(dòng)。由于信號(hào)板上總加有固定正電壓，所以二次電子不斷地流入信號(hào)板，從而使靶的自由面(左)帶上正電荷，電位升高。電位升高量與景物入射照度相一致，在電子束掃描之前，靶電荷將一直積累下去。,電子轟擊感應(yīng)電導(dǎo)積累。 利用二次電子發(fā)射積累，需要較大的一次電子能量，如果采用電子轟擊感應(yīng)電導(dǎo)積累，則一次電子的能量要節(jié)省得多。因?yàn)椴恍枰央娮哟虻襟w外，只需將其激發(fā)到導(dǎo)帶。這種積累型式如圖85所示，只需把二次電子發(fā)射靶換成該靶。,工作時(shí)，光電子以高速轟擊靶面，使靶電導(dǎo)率增加，由于電導(dǎo)率增加，使得信號(hào)板上的正電荷向靶的自由面轉(zhuǎn)移。從而在靶表面上建立起電位圖像。閱讀時(shí)，用慢電子束掃描，使靶面電位恢復(fù)到電子槍陰極電位，同時(shí)有信號(hào)輸出。,光電導(dǎo)積累。 在這種積累形成中，光電導(dǎo)層既是光電變換元件又是電荷積累元件。其原理如圖86所示。,光電導(dǎo)靶是半導(dǎo)體，未接受光照時(shí)具有較高的電阻率，通常約為1012cm。在靶的受光表面上是導(dǎo)電的輸出信號(hào)電極，其上接有數(shù)十伏的工作電壓。但由于靶的電阻率較高，因此靶的另一表面與工作電壓絕緣。當(dāng)電子束掃描這一絕緣表面時(shí)，電子束的電子將到達(dá)這一表面。由于電子槍發(fā)射電子的陰極電位為零伏，所以靶的絕緣表面電位經(jīng)電子束掃描后將穩(wěn)定在電子槍陰極的電位上。因此靶的兩個(gè)表面間產(chǎn)生了數(shù)十伏的電壓差。,光電導(dǎo)攝像管工作時(shí)，靶面接受光學(xué)圖像的輻照。當(dāng)入射光子的能量大于光電導(dǎo)靶的禁帶寬度時(shí)，就構(gòu)成本征吸收，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶產(chǎn)生光生載流子。光生載流子的密度分布與輸入圖像的照度分布一致。因此由光生載流子所產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化也與圖像照度分布相一致。這一電導(dǎo)率的增加將導(dǎo)致靶的兩表面間產(chǎn)生相應(yīng)的放電電流，因此靶的絕緣面電位隨之上升。電位上升的數(shù)值對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)的輸入圖像照度值。由于輸入的光學(xué)圖像是連續(xù)輻照在靶面上，所以在電子束掃描一幀圖像的時(shí)間間隔內(nèi)靶的兩個(gè)表面間的放電電荷是連續(xù)積累的，這表明光電攝像管在攝取一幀圖像時(shí)，它的靶面通過光電導(dǎo)效應(yīng)連續(xù)放電而形成了電荷圖像,2信號(hào)閱讀部分 從靶面上取出信號(hào)的任務(wù)是由閱讀部分來完成的。閱讀部分是掃描電子槍系統(tǒng)。它由細(xì)電子束的發(fā)射源、電子束的聚焦系統(tǒng)和電子束的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)三部分組成。,細(xì)電子束的發(fā)射源通常采用間熱式氧化物陰極，并帶有負(fù)偏壓的控制柵極、加速電極和電子束限制膜孔。一般間熱式的氧化物陰極所發(fā)射的電流密度為0.51uA，陰極的電位定為零電位。當(dāng)控制柵極的負(fù)電位增加時(shí)，陰極發(fā)射的電子束流將受到抑制。因此電子束流可以通過調(diào)節(jié)控制柵極的負(fù)電位來實(shí)現(xiàn)控制。加速電極接正電位，以提供電子束連續(xù)發(fā)射的加速電場(chǎng)。,電子束限制膜孔通常設(shè)置在電子束交叉點(diǎn)的后方，膜孔直徑為30m左右。膜孔限制了電子束直徑，并保持電子束具有較小的發(fā)散角，以減小聚焦系統(tǒng)產(chǎn)生的像差。同時(shí)也攔截了徑向初速較大的電子，以便形成一個(gè)擴(kuò)展小、速度分散小的電子束。,電子束的聚焦系統(tǒng)有靜電聚焦和電磁復(fù)合聚焦兩種類型，后者的像差較小而被廣泛采用。 電磁復(fù)合聚焦系統(tǒng)是由準(zhǔn)直電極、場(chǎng)網(wǎng)、長(zhǎng)磁聚焦線圈及校正線圈所組成。場(chǎng)網(wǎng)是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的電極，位于貼近靶面處，其作用是使靶面附近形成均勻電場(chǎng)，使電子垂直著靶，減小電子著靶時(shí)能量的差異。校正線圈是用來校正電子束的入射方向，以便電子束軌跡與聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)線圈的對(duì)稱軸線一致。,電子束的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是由兩對(duì)磁偏轉(zhuǎn)線圈構(gòu)成，如果采用靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)則是兩對(duì)偏轉(zhuǎn)電極。 攝像管的電子束偏轉(zhuǎn)角不宜過大，一般要小于10。,2 視頻信號(hào)的形成 視像管靶的膜層是連成一片的，然而它具有很高的電阻率(1012cm)，以致在掃描面上各點(diǎn)積累的電荷不至于在一幀周期(如 l25s)內(nèi)泄漏。這樣，就可把接收?qǐng)D像的靶面分割成很多像元，按我國(guó)的電視制式，一幀圖像可分成四十多萬個(gè)像元。每個(gè)像元可用一個(gè)電阻R和電容 C來等效。電容 C起存儲(chǔ)信息的作用，電阻R隨著光照度的增大而變小，無光照時(shí)R為暗電阻Rd，光照后及變?yōu)镽c(E)，是與照度E有關(guān)的變量。,視像管信號(hào)輸出等效電路。Ri與 Ci表示第i個(gè)像元的電容和電阻，所有像元的左側(cè)通過導(dǎo)電半導(dǎo)體薄膜、銦電極、負(fù)載電阻RL與電源相連。視頻信號(hào)通過 CL輸出。,當(dāng)電子束掃描時(shí)，從陰極發(fā)射出的電子束，通過場(chǎng)網(wǎng)后進(jìn)入強(qiáng)烈的減速場(chǎng)，以慢速落到靶的右側(cè)上。由于靶壓很低，二次電子發(fā)射系數(shù)小于 l，因此進(jìn)入靶的電子比出來的電子多，到一定程度就完全阻止電子繼續(xù)上靶。這時(shí)，靶右側(cè)掃描面的電壓將等于陰極電位。也就是使像元電容器 C兩端的電位差達(dá)到靶壓，因此是充電過程。電子束在每個(gè)像元上停留的時(shí)間即充電時(shí)間約0.1us。,下面討論像元從無光照到受強(qiáng)光照射輸出信號(hào)的過程。設(shè)在無光照時(shí)，某一像元的暗電阻為Rd, 在被電子束掃瞄以后，電容器開始沿RdC回路放電，但不輸出信號(hào)電流。靶的外側(cè)B電位固定為靶壓 VT ; 掃描側(cè) A的電位 VAd隨像元電容器 C的放電而從零上升，如圖88所示的 a線段，其值為,像元的放電時(shí)間近似地等于幀周期Tf即4ms。因此，在下一次電子束對(duì)像元掃描以前，在掃描側(cè) A點(diǎn)電位的最大值,如果暗電阻Rd很大，則 Vad0。,當(dāng)像元再次掃描時(shí)，電流通過束電阻Rb、電容 C、負(fù)載電阻RL、靶電源和地，構(gòu)成回路而向電容器 C充電。在充電過程中， A點(diǎn)電位的變化如圖88所示的 b線段，其值,因?yàn)镽d通常為10M ，而 RLlM ，所以 充電電流在 RL上產(chǎn)生電壓降 Vd，此電位變化通過電容器 CL輸出，稱為黑色電平。,當(dāng)用強(qiáng)光照射時(shí)，由于光電導(dǎo)增大而使電阻R變小。在放電過程中，A點(diǎn)的電位上升，如圖 88所示的C線段，最高的電位 VAem 等于： 而在電子束再一次掃描充電時(shí)，電位下降，如d線段所示，其變化為,這樣，由于光照產(chǎn)生的有效信號(hào) 由此信號(hào)電壓引起的充電電流在RL上產(chǎn)生電壓降 VL， VL被稱為白電平。此電位變化將作為由光照產(chǎn)生的信號(hào)電壓通過 CL輸出，即視頻信息的白電平。然而，由于電子束對(duì)靶的掃描面不斷地從左到右，從上到下掃描，因此實(shí)際輸出的是相對(duì)于空間照度分布的、時(shí)間序列脈沖的視頻信號(hào)。,3 攝像管的分類 發(fā)展到目前，由于對(duì)攝像管的各種不同用途的需要，其種類極為繁多，它的分類方法也很多。通常可按下述方法分類：,1) 按電荷積累方式分類 二次電子發(fā)射積累型，如超正析攝像管； 二次電子導(dǎo)電積累型，如 SEC攝像管； 光電導(dǎo)積累型，如各種視像管； 電子轟擊感應(yīng)電導(dǎo)積累型；如電子轟擊硅靶攝像管。,2) 按光電變換形式分類 外光電變換型，它是利用外光電效應(yīng)變換的光電發(fā)射型攝像管，即帶光陰極的攝像管。 內(nèi)光電變換型，它是利用內(nèi)光電效應(yīng)變換的視像管。,3) 按視頻信號(hào)讀出方式分類 信號(hào)板輸出型，利用上靶的電子取出信號(hào)，由于信號(hào)板和靶是固定在一起的，故又稱為靶輸出型。 雙面靶輸出型，利用從靶面反射電子取出信號(hào)，故又稱為返束輸出型。,三 攝像管的主要特性參數(shù),衡量攝像管優(yōu)劣的總標(biāo)準(zhǔn)是： 在測(cè)試臺(tái)的監(jiān)視器上能否分辨一定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖案。 圖案的清晰程度是由許多因素決定的。為了分析和研究各種因素對(duì)像質(zhì)的影響，必須規(guī)定出具體的特性參數(shù)。 攝像管的最主要特性參數(shù)是：靈敏度、惰性、分辨力和光電轉(zhuǎn)換特性等。 其中靈敏度和惰性主要決定于靶面，分辨力主要決定于掃描電子槍。,1) 攝像管的靈敏度 靈敏度S是攝像管的一個(gè)極其重要的特性參數(shù)。 它定義為輸出信號(hào)電流與輸入光通量(或照度)的比值。其單位為 Alm或 A1x。,光電導(dǎo)攝像管的靈敏度公式為,式中的 N是靶面的像元總數(shù)。由于靶面每個(gè)像元接受光照的時(shí)間是電子束掃描時(shí)間的 N倍，所以每個(gè)像元在幀周期 Tf內(nèi)輸入的光通量為。N，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)電流為 Is，,2) 攝像管的惰性 在攝取動(dòng)態(tài)圖像時(shí)，攝像管的輸出信號(hào)滯后于輸入照度的變化，這一現(xiàn)象稱為惰性。 當(dāng)輸入照度增加時(shí)，輸出信號(hào)的滯后稱為上升惰性。 當(dāng)輸入照度減小時(shí)，輸出信號(hào)的滯后稱為衰減惰性。,對(duì)于電視攝像管的惰性指標(biāo)，通常采用輸入照度截止后第三場(chǎng)和第十二場(chǎng)(以幀周期0.04s計(jì)為60ms和240ms)剩余信號(hào)所占的百分?jǐn)?shù)來表示。 攝像管產(chǎn)生惰性的主要原因有兩個(gè)：一是圖像寫入時(shí)的光電導(dǎo)惰性；二是圖像讀出時(shí)掃描電子束的等效電阻與靶的等效電容所構(gòu)成的充放電惰性。,3 ) 攝像管的分辨力 電視攝像管在攝像時(shí)對(duì)圖像細(xì)節(jié)的分辨能力是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。由于電視系統(tǒng)采用掃描方式，故分辨力在垂直和水平方向上是不同的。因而分成垂直分辨力和水平分辨力即以畫面垂直方向或水平方向尺寸內(nèi)所能分辨的黑白條紋數(shù)來表示。這一極限分辨的線條數(shù)簡(jiǎn)稱為電視線(TLV)。對(duì)攝像管亦應(yīng)如此。,1垂直分辨力(或稱分解力) 在整個(gè)畫面上，沿垂直方向所能分辨的像元數(shù)或黑白相間的水平等寬矩形條紋數(shù)，稱為垂直分辨力。比如，若能夠分辨600行，即垂直分辨力為600TVL。 靶面像元的大小是由電子束落點(diǎn)尺寸，掃描行數(shù)和掃描位置所決定的。它們決定了垂直分辨力的上限，當(dāng)這些因素確定之后，靶本身的質(zhì)量就決定著分辨力的大小。,掃描行數(shù)的影響。水平掃描行數(shù)為600行的電視系統(tǒng)，其垂直分辨力絕對(duì)不會(huì)超過600TVL?？紤]實(shí)際掃描過程中的消隱行數(shù)，最高垂直分辨力總要低于掃描行數(shù)。,掃描位置的影響。如果掃描中心線的位置不當(dāng)，會(huì)使應(yīng)有的分辨力下降。設(shè)被傳送的是黑白測(cè)試圖案，線條數(shù)為 N，當(dāng)掃描中心線與條紋中心線正好重合時(shí)，分辨力最高，如圖810(a)所示。此時(shí)垂直分辨力等于有效掃描行數(shù)(不考慮其它因素)。,當(dāng)掃描中心線與條紋邊界線重合時(shí)，垂直分辨力最低，圖案難以分辨。如圖810(b)所示。但是如果圖案線條加寬一倍，仍可分辨，但垂直分辨力下降一半。如圖810(c)所示。,如果掃描中心線介于線條的中心線和邊界線之間，垂直分辨力將介于以上兩種情況之間。,掃描電子束落點(diǎn)尺寸及其電流密度分布。以上是假設(shè)掃描電子柬落點(diǎn)尺寸正好等于線寬的情況。如果不等，垂直分辨力隨著束點(diǎn)尺寸的變化而變化。如果束點(diǎn)尺寸增大，垂直分辨力將會(huì)下降。這是由于在掃描時(shí)，同時(shí)取走了相鄰線條的信號(hào)，使它們相互混淆所致。,此外，垂直分辨力還與束點(diǎn)上的電流密度分布有關(guān)。通常束截面上的電流密度服從高斯分布。所以束點(diǎn)中心和邊緣部分的閱讀能力不同。如果設(shè)計(jì)均勻密度分布的束點(diǎn)，閱讀效果及分辨力會(huì)大大改善。,2水平分辨力 整個(gè)畫面上，沿水平方向所能分辨的像元數(shù)，稱為水平分辨力。習(xí)慣上也用電視線(TVL)來表示。 由于在水平方向上，掃描電子束是連續(xù)移動(dòng)的，所以它同垂直方向上的情況不同。因此二者的分辨力也不相等。除了靶和屏以外，影響水平分辨力的因素主要有以下幾種：,掃描電子束落點(diǎn)尺寸的影響。如圖所示。由于以直徑為d的束點(diǎn)進(jìn)行掃描，所以使黑白邊界變得模糊。模糊的范圍與d相等。 束點(diǎn)尺寸對(duì)水平分辨力的影響稱為孔闌效應(yīng)。為了減小孔闌效應(yīng)，應(yīng)縮小束點(diǎn)的水平尺寸。,訊道頻帶寬度的影響。當(dāng)電子束掃描靶面時(shí)，像元上的信號(hào)接連不斷地輸送出去。像元數(shù)越多，輸出脈沖頻率越高。這就要求訊道有足夠的帶寬。如果帶寬不夠，就會(huì)限制水平分辨力。根據(jù)我國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn)，可以算出訊道帶寬為 f 00128M (MHz) 式中， M為垂直分辨力。,攝像管的分辨力通常以電視線或電視的行幀高表示。也可以換算成以 線對(duì)毫米表示的分辨力，即 式中， h， l 分別為光柵高度和對(duì)角線的長(zhǎng)度。 例如，某攝像管分辨力為400TVL，靶面有效直徑為16mm，則靶面上的分辨力應(yīng)為,4） 攝像管的其它特性參數(shù) 1攝像管的信噪比 攝像管信噪比的定義為輸出視頻信號(hào)電流峰一峰值，與輸出電流中所含噪聲均方根值的比值。,攝像管的噪聲來源很多，主要有： 光子、光電子、載流子、二次發(fā)射電子、掃描電子的散粒噪聲； 載流子的產(chǎn)生一復(fù)合噪聲； 熱噪聲； 1 / f 噪聲； 預(yù)放器噪聲。,噪聲大時(shí)在圖像上反映為大量隨機(jī)移動(dòng)的黑點(diǎn)和亮點(diǎn)。不同的探測(cè)目的，要求攝像管信噪比是不一樣的。為使觀察者感覺不到噪聲，光電導(dǎo)視像管的信噪比應(yīng)大于25。 而攝像管靈敏度可定義為：當(dāng)輸出視頻信號(hào)一定時(shí)(剛好滿足信噪比要求)，光敏面上所需的最小輻射照度的倒數(shù)。所以攝像管的靈敏度與信噪比密切相關(guān)。,通常在光電導(dǎo)視像管中，放大器噪聲是主要的；在高增益的電子轟擊感應(yīng)電導(dǎo)型及帶移像部分的攝像管中，光子、光電子及預(yù)放器噪聲共同起作用。,2光電轉(zhuǎn)換特性(特性) 光電轉(zhuǎn)換特性表征輸出視頻信號(hào)電流 I與光敏面上的輻照度E的關(guān)系曲線，如圖所示。,值又稱為灰度系數(shù)。 l時(shí)，灰度等級(jí)均勻； 1 時(shí)，有均勻的灰度畸變。但此時(shí)提高了弱照度時(shí)的靈敏度，而使強(qiáng)照度時(shí)的光電特性呈一定的飽和狀態(tài)。前者有利于提高暗場(chǎng)時(shí)的信噪比，后者有利于擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。 l是不適用的。,3動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍 攝像管所能允許的光照強(qiáng)度變化的范圍稱為動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。其下限決定于低照度下的信噪比，而上限決定于靶面貯存電荷的能力。通常靶的電位起伏最高限為幾伏，否則會(huì)影響電子柬的聚焦與邊緣電子束的著靶。,除以上評(píng)價(jià)攝像管性能的參數(shù)外，還有暗電流、畸變、暈光、壽命、機(jī)械強(qiáng)度等參數(shù)。,6.3 像 管,一 像管成像的物理過程,1 像管實(shí)現(xiàn)圖像的電磁波譜轉(zhuǎn)換和亮度增強(qiáng)是通過三個(gè)環(huán)節(jié)來完成的: 首先是將接受的微弱的或不可見的輸入輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像； 其次是使電子圖像獲得能量或數(shù)量增強(qiáng)，并聚焦成像； 第三是將增強(qiáng)的電子圖像轉(zhuǎn)換成可見的光學(xué)圖像。,上述三個(gè)環(huán)節(jié)分別由 光陰極 電子光學(xué)系統(tǒng) 熒光屏 完成。這三部分共同封在一個(gè)高真空的管殼內(nèi)。,像管的輸入端面是采用光電發(fā)射