第五章光電成像器件

1、第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、光電成像器件的發(fā)展一、光電成像器件的發(fā)展1934年，光電像管（Iconoscope），應(yīng)用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。靈敏度非常低，需要10000lx的照度，達(dá)到圖像信噪比的要求；1947年，超正析像管（Image Orthicon），照度降低到2000lx；1954年，視像管，靈敏度分辨率高，成本低，體積小，慣性大，不適用于高速運動圖像測量，不能取代超正析像管用于彩色廣播電視攝像機；1965年，氧化鉛管（Plumbicon），成功取代超正析像管，慣性小，廣泛應(yīng)用于彩色電視攝像機，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，靈敏度分辨率都很高。1976年，硒靶管硅靶管，靈敏度進一步提高且成本更低；

2、1970年后，CCD的出現(xiàn)使光電成像器件進入新的階段。體積更小，靈敏度更高，應(yīng)用更靈活、更方便。二、光電成像器件的類型二、光電成像器件的類型光電成像器件（成像原理）掃描型非掃描型真空電子束掃描固體自掃描：CCD光電型熱電型：熱釋電攝像管光電發(fā)射式攝像管光電導(dǎo)式攝像管變像管（完成圖像光譜變換）紅外變像管紫外變像管X射線變像管像增強管（圖像強度的變換）串聯(lián)式級聯(lián)式微通道板式負(fù)電子親和勢陰極常由像敏面，電子透鏡顯像面構(gòu)成三、光電成像器件的基本特性三、光電成像器件的基本特性1、光譜響應(yīng)相對靈敏度波長1231多堿氧化物光陰極像管，屬于外光電效應(yīng)攝像管，光譜響應(yīng)由光陰極材料決定；2氧化鉛攝像管，屬于內(nèi)光電

3、效應(yīng)的攝像管，光譜響應(yīng)由靶材料決定；3CCD攝像器件，光譜響應(yīng)由硅材料決定；另熱釋電攝像管基于材料的熱釋電效應(yīng)，光譜響應(yīng)特性近似直線。2、轉(zhuǎn)換特性（光電成像器件的輸出量與對應(yīng)的輸入量的比值關(guān)系）變像管：轉(zhuǎn)換系數(shù)C表示evC光通量輻通量像增強管：亮度轉(zhuǎn)換增益GL來表示vvLEMG vvLMvvLELG(lm/W)光出射度光照度無量綱亮度（cd/lm）攝像器件：靈敏度S表示eEIS eISvEIS vIS電視系統(tǒng)：光電導(dǎo)材料的值來表示vEAIlnlnln視像管的信號電流常數(shù)視像管靶面照度1，弱光信號被提高灰度系數(shù)3、分辨率（表示能夠分辯圖像中明暗細(xì)節(jié)的能力）極限分辨率（主觀）：人眼觀察分辯專門測試

4、卡成像在靶面上且在熒光屏上顯示出的最細(xì)線條數(shù)。調(diào)制傳遞函數(shù)（客觀）：簡稱MTF，輸出調(diào)制度與輸入調(diào)制度之比。iMMfT0)(MTF隨頻率增加而衰減，一般將MTF值為10所對應(yīng)的線數(shù)定為攝像管的極限分辨率。同步掃描視頻信號景物光學(xué)成像光電變換圖像分割傳送同步掃描視頻解調(diào)圖像再現(xiàn)攝像部分顯像部分光電成像系統(tǒng)原理方框圖光電成像原理：光學(xué)物鏡 將景物所反射出來的光成像到光電成像器件的像敏面上形成二維光學(xué)圖像，經(jīng)光電成像器件將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成二維電氣圖像（超正析像管為電子圖像，視像管為電阻圖像或電勢圖像，面陣CCD為電荷圖像），然后進行圖像分割，并按照一定的規(guī)則將所分割的電氣圖像轉(zhuǎn)變成一維時序信號（視

5、頻信號），將視頻信號送入監(jiān)視器，控制顯像管電子槍的強度，顯像管電子槍與攝像管的電子槍作同步掃描，可將攝像管攝取得圖像顯示出來。（如將視頻信號經(jīng)調(diào)制放大成高頻射頻信號發(fā)送出去，再用天線系統(tǒng)將射頻信號接收到，經(jīng)過解調(diào)獲取視頻信號，控制電視顯像管電子槍的掃描可以獲得攝像管攝取得景物圖像 ）二、電視制式1、電視圖像的寬高比：圖像寬度高度之比，一般為4：3。2、幀頻與場頻：幀頻為每秒鐘電視屏幕變化的數(shù)目。一般場頻為50赫茲，幀頻為25赫茲。在電視中采用隔行掃描的方式。3、掃描行數(shù)與行頻：組成每幀圖像的行數(shù)行頻。我國現(xiàn)行電視制式（PLA制式）：寬高比為4：3，場頻為50赫茲，行頻為15625赫茲，場周期為

6、20毫秒，其中正程掃描時間為18.4毫秒，逆程掃描時間為1.6毫秒，行周期為64微秒，其中正程掃描時間為52微秒，逆程掃描時間為12微秒。視頻信號靶網(wǎng)電極聚焦線圈偏轉(zhuǎn)線圈校正線圈聚焦極2聚焦極1陰極控制柵極加速極RLVT（1）管子結(jié)構(gòu)當(dāng)攝像管有光學(xué)圖像輸入時，則入射光子打到靶上。由于本征層占有靶厚的絕大部分，入射光子大部分被本征層吸收，產(chǎn)生光生載流子。且在強電場的作用下，光生載流子一旦產(chǎn)生，便被內(nèi)電場拉開，電子拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)。這樣，若假定把曝光前本征層兩端加有強電場看作是電容充電，則此刻由于光生載流子的漂移運動的結(jié)果相當(dāng)于電容的放電。其結(jié)果，在一幀的時間內(nèi)，在靶面上便獲得了與輸入圖像

7、光照分布相對應(yīng)的電位分布，完成了圖像的變換記錄過程。（2）靶結(jié)構(gòu)玻璃PINSnO2（透明導(dǎo)電膜）RLVT（4060V）在入射窗的內(nèi)表面首先蒸上一層極薄的SnO2透明導(dǎo)電膜，再蒸涂氧化鉛本征層，然后，氧化處理形成P型層。由于氧化鉛與二氧化錫兩者的接觸而在交界面處形成N形薄層，這樣就構(gòu)成了NIP型異質(zhì)結(jié)靶。又稱信號板。其反偏電壓主要施加在本征層。二、硅靶結(jié)構(gòu)視頻信號電阻海P型島SiO2PPPnR2N+左邊是光的入射面，右邊是電子束掃描面，靶的基體實N型單晶硅薄片。其上有大量微小的P型島。由P型小島與N型基底之間構(gòu)成密集的光敏二極管陣列。并在P型島之間的N型硅表面覆蓋高絕緣的二氧化硅薄膜，另外在N型

8、基底的外表面上形成一層極薄的N+層，在P型島地外表面上形成一層半導(dǎo)體層稱為電阻海?？偤穸燃s為20微米。工作時，在N+層加515伏電壓，使硅光電二極管處于反向偏置工作狀態(tài)。無光照時，反壓將一直保持。當(dāng)有光學(xué)圖像輸入時，N型硅將吸收光子產(chǎn)生電子空穴對，它們在電場的作用下作漂移運動，空穴通過PN結(jié)移到P型島，此動作在一幀的周期內(nèi)連續(xù)進行，從而提高了P型島的電位。其電位的升高的數(shù)值正比于該點的曝光量。因此，靶面的P型島上形成了積累得電荷圖像。這時通過電子束的掃描，即可得到視頻信號。三、攝像管的性能參數(shù)1、光電轉(zhuǎn)換特性輸入面照度（勒克斯）輸出視頻信號電流硅電子倍增靶視像管二次電子導(dǎo)電管超正析像管分流管曲

9、線的斜率為管子的灰度系數(shù)。超正析像管在高光照時輸出信號電流飽和，曲線彎曲。2、光譜響應(yīng)靈敏度波長abcdegfaSb2S3光導(dǎo)攝像管bPbO光導(dǎo)攝像管（標(biāo)準(zhǔn)型）cPbO光導(dǎo)攝像管（全色型，接近于人眼的光譜響應(yīng)，在彩色攝像時可獲得色調(diào)的高保真度）dCdSe光導(dǎo)攝像管e硅靶攝像管（光譜響應(yīng)范圍最寬，適用于近紅外攝像）fSeAsTe光導(dǎo)攝像管gZnCdTe光導(dǎo)攝像管3、時間響應(yīng)特性（滯后特性）滯后輸入面照度硅電子倍增管分流管二次電子導(dǎo)電管超正析像管硅靶管在攝像管輸入光照度突然截止后，取其第三場或第十二場衰減的輸出信號電流占未截止光照時的輸出信號電流的百分比值為表示攝像管滯后特性的指標(biāo)。4、輸出信噪比

10、輸入面照度信噪比硅電子倍增靶分光管二次電子導(dǎo)電管超正析像管視像管輸出信噪比取決于光陰極的量子噪聲，靶噪聲，掃描電子束噪聲，二次電子倍增器以及前置放大器的噪聲等。5、動態(tài)范圍其取決于攝像管的暗電流飽和電流。暗電流所引起的噪聲決定了攝像管的最低輸入照度，飽和電流決定了攝像管的最高入射照度。而最高入射照度與最低輸入照度的比值為改攝像管的動態(tài)范圍。6、圖像傳遞特性它用輸出信號電流的調(diào)制度來表示。其取決于：移像區(qū)的電子光學(xué)系統(tǒng)的像差；靶的電荷圖像像差以及掃描電子束的彌散滯后等因素。四、各種視像管主要性能比較物鏡目鏡陰極陽極熒光屏目標(biāo)物所發(fā)出某波長范圍的輻射通過物鏡在半透明光電陰極上形成目標(biāo)的像，引起光電

11、發(fā)射。陰極面每一點發(fā)射的電子束密度正比于該點的輻照度。這樣，光陰極將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成電子數(shù)密度圖像。通過陽極的電子透鏡作用，使陰極發(fā)出的光電子聚焦成像在熒光屏上。熒光屏在一定速度的電子轟擊下發(fā)出可見的熒光，最終，在熒光屏上便可得到目標(biāo)物的可見圖像。涂在光陰極面上的材料若對紅外或紫外光線敏感，則為變像管，若只對微弱的可見光敏感，則為像增強管。二、性能參數(shù)1、光電陰極靈敏度光陰極的量子效率決定了管子的靈敏度，量子效率對波長的依賴性決定了管子的光譜響應(yīng)，光陰極的暗電流量子效率決定了像的對比度最大信噪比，對比度信噪比又決定了照度最低情況下的分辨率。2、放大率畸變熒光屏上像點到光軸的距離與陰極面上對應(yīng)點到

12、光軸距離之比稱為變像管點所在環(huán)帶的放大率?；儯篋=/0-1若D0,則為枕形畸變，DuthuGuthuG=0SUGP型硅雜質(zhì)濃度Nd=1021m-3反型層電荷QINV=0 1.0V 1.4VUth= 2.2V 3.0Vdox=0.1um0.30.40.6表面勢與柵極電壓的關(guān)系SQINVdox=0.1umdox=0.2umUG=15VUG=10V表面勢與反型層電荷密度的關(guān)系曲線的直線特性好，說明兩者有著良好的反比例線性關(guān)系?？梢浴皠葳濉钡母拍顏斫忉尅010V10VUG=5VUG=10VUG=15V空勢阱填充1/3勢阱全滿勢阱電子被加有柵極電壓的MOS結(jié)構(gòu)吸引到勢能最低的氧化層與半導(dǎo)體地交界面處

13、。MOS電容存儲信號電荷的容量為：Q=CoxUGA2V10V 2V2Va存有電荷的勢阱b2V10V2V10V2V2V10V 10V 2V2V10V2V10V 2V2V2V10V 2Vcdef123材料的量子效率入射光的光子流速率0ATqQeonIP光敏電壓的受光面積光注入時間U+U+勢壘P-Si背面照射式光注入IDuINuIDN+IG1232PID為源極，IG為柵極,而2為漏極，當(dāng)它工作在飽和區(qū)時，輸入柵下溝道電流為：22UUUCLWIIGINGs經(jīng)過Tc時間注入后，其信號電荷量為：cIGINGsTUUUCLWQ22IDIG213231N+P-Si電壓注入法與電流注入法類似，但輸入柵極IG加與

14、2同位相的選通脈沖，在選通脈沖作用下，電荷被注入到第一個轉(zhuǎn)移柵極2下的勢阱里，直到阱的電位與N+區(qū)的電位相等時，注入電荷才停止。往下一級轉(zhuǎn)移前，由于選通脈沖的終止，IG的勢壘把2N+的勢阱分開。電荷注入量與時鐘脈沖頻率無關(guān)。2、電荷的檢測信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時鐘脈沖無任何電容耦合，而在輸出端需選擇適當(dāng)?shù)剌敵鲭娐芬詼p小時鐘脈沖容性的饋入輸出電路的程度。（1）電流輸出：如圖a。由反向偏置二極管收集信號電荷來控制A點電位的變化，直流偏置的輸出柵極OG用來使漏擴散時鐘脈沖之間退耦，由于二極管反向偏置，形成一個深陷落信號電荷的勢阱，轉(zhuǎn)移到2電極下的電荷包越過輸出柵極，流入到深勢阱中。UDRDRgAOG12放大P-Si圖aN+OG12浮置擴散T1（復(fù)位管）T2（放大管）RgUDD(2)浮置擴散放大器輸出：如圖b.圖b復(fù)位管在2下的勢阱未形成前，在RG端加復(fù)位脈沖，使復(fù)位管導(dǎo)通，把浮置擴散區(qū)剩余電荷抽走，復(fù)位到UDD，而當(dāng)電荷到來時，復(fù)位管截止，由浮置擴散區(qū)收集的信號電荷來控制放大管柵極電位變化。（3）浮置柵放大器輸出：如下圖。浮柵T2UDD1321323T2的柵極不是直接與信號電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當(dāng)信號電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道時，在浮置柵上感應(yīng)出鏡像電荷，以此來控制T2的柵極電位。 01QtQ1(t)Q(0)/C5MHz1MHz影響電荷轉(zhuǎn)移效率的主