第07章-光電成像器件1

光電探測(cè)器光電成像器件微光夜瞄鏡

微光夜視眼鏡熱像儀光電探測(cè)器：－－單元器件

“點(diǎn)源”探測(cè)，跟蹤制導(dǎo)等AIM-9M紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈點(diǎn)擊圖片播放光電成像器件：－－陣列器件

“面源”探測(cè)，目標(biāo)識(shí)別等成像制導(dǎo)攻擊目標(biāo)點(diǎn)擊圖片播放第07章光電成像器件夜視儀輸出圖像信號(hào)：－－直視型光電成像器件第07章光電成像器件輸出視頻信號(hào)：－－攝像型光電成像器件攝像頭第07章光電成像器件光電成像器件是一類能夠輸出圖像信息（圖像或視頻信號(hào)）的功能器件，也稱光電圖像傳感器。PhotoelectronicImagingDevices光電成像器件攝像型：直視型：像管變像管像增強(qiáng)管電真空攝像管固體攝像器件攝像管有無(wú)掃描機(jī)構(gòu)變像管像增強(qiáng)器像管攝像管把不可見變可見把微弱增強(qiáng)電子束掃描后顯示第07章光電成像器件第07章光電成像器件7.1像管（變像管和像增強(qiáng)器）7.2電真空攝像管7.3固體成像器件7.1像管（變像管和像增強(qiáng)器）7.1.1像管基本結(jié)構(gòu)原理7.1.2變像管7.1.3像增強(qiáng)器三個(gè)基本部分：光電變換部分電子光學(xué)部分電光變換部分7.1像管7.1.1像管基本結(jié)構(gòu)原理三大功能變換光譜：將紅外、紫外的輻射圖像變成可見圖像增強(qiáng)亮度：使圖像亮度接近人眼的視覺響應(yīng)峰值光學(xué)成像：將電子圖像在熒光屏上變成光學(xué)圖像7.1.2變像管變像管

－－不可見光圖像

可見光圖像紅外夜視儀7.1像管基本變像方法直接變像（依光波長(zhǎng)改變光電陰極材料）近紅外光像1.15μm紫外光像<0.32μm

7.1.2變像管基本變像方法紅外光像波長(zhǎng)大于1.15μm間接變像（利用光電導(dǎo)技術(shù)）7.1.2變像管7.1.2變像管基本變像方法紅外光像

1~4μm

間接變像（利用光電導(dǎo)技術(shù)）紅外光像電勢(shì)分布像電子流調(diào)制熒光屏成像基本變像方法導(dǎo)通截止選通式變像管

（導(dǎo)通和截止可控）基本變像方法選通式變像管

（導(dǎo)通和截止可控）激光脈沖輻射圖像控制柵電壓波形熒光屏圖像提高圖像對(duì)比度同步工作基本變像方法選通式變像管

（導(dǎo)通和截止可控）討論：強(qiáng)光保護(hù)的可行性導(dǎo)通截止7.1像管（變像管和像增強(qiáng)器）7.1.1像管基本結(jié)構(gòu)原理7.1.2變像管7.1.3像增強(qiáng)器7.1像管像增強(qiáng)器

－－亮度低圖像

亮度高圖像微光夜瞄鏡7.1.3像增強(qiáng)器

7.1.3像增強(qiáng)器1、級(jí)聯(lián)式圖像增強(qiáng)器2、微通道板式圖象增強(qiáng)器三、變像管1、級(jí)聯(lián)式圖像增強(qiáng)器三級(jí)級(jí)聯(lián)像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)示意圖亮度增益可達(dá)105體積大、重量重、防強(qiáng)光能力差。7.1.3像增強(qiáng)器2、微通道板式圖象增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)原理：7.1.3像增強(qiáng)器MicroChannelPlate，簡(jiǎn)稱MCP2、微通道板式圖象增強(qiáng)器7.1.3像增強(qiáng)器MicroChannelPlate，簡(jiǎn)稱MCP

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)有電子光學(xué)系統(tǒng)，整管可以做得很短

散焦：微管直徑只有十幾微米MCP光電倍增管（多通道）2、微通道板式圖象增強(qiáng)器7.1.3像增強(qiáng)器用PMT探測(cè)生物超微弱發(fā)光～千個(gè)光子/S·cm2

同步單光子技術(shù)探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2、微通道板式圖象增強(qiáng)器7.1.3像增強(qiáng)器用MCPPMT探測(cè)成像--同時(shí)獲得有機(jī)體超微弱發(fā)光強(qiáng)度的時(shí)間和空間信息超微弱發(fā)光圖的探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖像管（變像管和像增強(qiáng)器）像增強(qiáng)器總結(jié)：7.1像管紫外光像X射線像紅外光像微弱光像（微通道板）光敏面熒光屏可見光像目前技術(shù)狀況：－－第三代像增強(qiáng)器微通道板＋負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極光度學(xué)靈敏度：3000μA/lm輻射度學(xué)靈敏度：100mA/W（波長(zhǎng)0.85μm）亮度增益：1×104cd/(m2·lx)分辨率：36lp/mm2、微通道板式圖象增強(qiáng)器7.1.4像增強(qiáng)器目前技術(shù)狀況：－－第四代像增強(qiáng)器在第三代像增強(qiáng)器的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)微通道板的性能，或者利用門控電源技術(shù)，提高像增強(qiáng)器的分辨率、信噪比等性能參數(shù)。它們分別屬于超三代和第四代像增強(qiáng)器。2、微通道板式圖象增強(qiáng)器7.1.5像增強(qiáng)器涂覆于真空管內(nèi)壁的光電發(fā)射材料薄膜紅外：銀氧銫；可見：?jiǎn)螇A和多堿；紫外；負(fù)電子親和勢(shì)。（參見書第四章）光電陰極非聚焦型像管（近貼型）兩個(gè)平行電極間形成均勻電場(chǎng)從同一點(diǎn)出發(fā)不同初速的電子，在均勻電場(chǎng)作用下，以拋物線軌跡向熒光屏投射均勻電場(chǎng)只有加速投射作用，沒有聚焦成像作用電子不能會(huì)聚成像點(diǎn)，而是彌散圓斑分辨率低三大類像管（1）靜電聚焦型像管陰極發(fā)射電子從陽(yáng)極中小孔通過(guò)，電子被聚焦加速當(dāng)各電極電壓之比保持不變時(shí)，電子軌跡也基本不變，各電極電壓多用電阻鏈分壓的辦法供給。成倒像三大類像管（2）電磁復(fù)合聚焦型由磁場(chǎng)聚焦和電場(chǎng)加速共同完成成像作用。軸向有相同初速度的電子，以螺旋線前進(jìn)，聚焦于同一點(diǎn)。用于需高性能像質(zhì)的場(chǎng)合，如天文測(cè)量。三大類像管（3）作用是將電子動(dòng)能轉(zhuǎn)換為光能。高轉(zhuǎn)換效率發(fā)射譜與人眼或下級(jí)光電陰極的光譜響應(yīng)特性匹配。熒光屏光譜響應(yīng)特性和光譜匹配光譜響應(yīng)特性指：光電陰極的光譜響應(yīng)特性，它決定管子所能應(yīng)用的光譜范圍。Q：由上面的特性可以聯(lián)系到什么器件？光譜匹配：在像管的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)光源與光電陰極、光電陰極與熒光屏、熒光屏與人眼視覺函數(shù)之間的光譜分布匹配，匹配好，則像管靈敏度高。像管的主要特性參數(shù)光譜匹配函數(shù)增益特性亮度增益：熒光屏的光出射度和入射至光電陰極表面上的照度之比。像管的主要特性參數(shù)等效背景照度暗背景：無(wú)光照射時(shí)熒光屏的發(fā)光。熒光屏上的目標(biāo)疊加了一個(gè)背景亮度，使圖像對(duì)比度下降，嚴(yán)重時(shí)可能使微光圖像淹沒在背景中。等效背景照度EBI：熒光屏上產(chǎn)生與暗背景相等亮度時(shí)，光電陰極面上需輸入的照度值。Bb為暗背景亮度，單位為cd/m2；Gb為亮度增益。變像管的EBI在10-3lx量級(jí)；像增強(qiáng)器在10-7lx量級(jí)。像管的主要特性參數(shù)變像管和像增強(qiáng)器

－－在軍事上的應(yīng)用1.主動(dòng)紅外夜視儀7.1像管變像管和像增強(qiáng)器

－－在軍事上的應(yīng)用2.微光夜視儀（10－5lx）7.1像管微光圖像亮度增強(qiáng)夜天微光目標(biāo)像像增強(qiáng)器夜視儀熒光屏圖象與普通電視屏幕圖像的亮度相當(dāng)

增強(qiáng)約5萬(wàn)倍10-5lx7.1像管微光夜視儀

目標(biāo)光電陰極

微光像增強(qiáng)管熒光屏7.1像管美軍微光夜視器材微光夜瞄鏡

7.1像管手持式觀察鏡微光夜視眼鏡

我軍微光夜視器材裝有微光瞄準(zhǔn)鏡的新5.8毫米班用機(jī)槍我軍微光夜視技術(shù)達(dá)到國(guó)際“二代半”水平7.1像管微光夜視儀的觀察效果可見的目標(biāo)圖像不易見的目標(biāo)圖像7.1像管①受強(qiáng)光照射時(shí)，屏幕圖像出現(xiàn)面積較大的暈斑。微光像增強(qiáng)技術(shù)的局限性②有效作用距離較短（~300米）。③觀測(cè)效果依賴夜天微光“照明”，光夜視儀不能在“全黑”環(huán)境清晰成像。7.1像管第07章光電成像器件夜視儀輸出圖像信號(hào)：－－直視型光電成像器件第07章光電成像器件輸出視頻信號(hào)：－－攝像型光電成像器件攝像頭第07章光電成像器件攝像型：直視型：變像管像增強(qiáng)管電真空攝像管固體攝像器件隨著半導(dǎo)體微電子集成電路技術(shù)發(fā)展，CCD等典型固體攝像器件逐步成為攝像器件領(lǐng)域的主流器件。第07章光電成像器件7.1像管（變像管和像增強(qiáng)器）7.2電真空攝像管7.3固體成像器件攝像頭7.2電真空攝像管二維光學(xué)圖像一維時(shí)序電信號(hào)還原二維光學(xué)圖像例：電視監(jiān)控系統(tǒng)傳輸和接收規(guī)則－－電視制式按照電視制式輸出的一維時(shí)序電信號(hào)稱為視頻信號(hào)攝像頭攝像是將空間分布的光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為一維時(shí)間變化的視頻信號(hào)的過(guò)程，完成這一過(guò)程的功能器件稱為攝像器件。7.2電真空攝像管7.2電真空攝像管7.2.1電視制式7.2.2電真空攝像管的結(jié)構(gòu)原理7.2電真空攝像管7.2.1電視制式1.掃描2.視頻信號(hào)3.我國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn)1.掃描光電圖像將光電圖像分割為很多細(xì)小的單元，稱為像素7.2.1電視制式－－圖像的分割與象素1.掃描電信號(hào)光電圖像按一定規(guī)律依次將圖像中的每一像素的電（電荷）信號(hào)讀出的過(guò)程，稱為掃描。－－圖像的分割與象素7.2.1電視制式一幀：一行掃描點(diǎn)從起始點(diǎn)出發(fā)再次回到該點(diǎn)，輸出的全部圖像信息稱為一幀。1.掃描－－行、幀7.2.1電視制式隔行掃描方式逐行掃描方式1.掃描－－兩種掃描方式7.2.1電視制式逐行掃描方式根據(jù)視人眼覺時(shí)間特性，無(wú)閃爍顯示活動(dòng)圖象要高于48次/秒刷新速率幀頻：50Hz行數(shù)：625行頻：降低行頻閃爍感？隔行掃描方式1.掃描－－兩種掃描方式7.2.1電視制式隔行掃描方式一幀分為兩場(chǎng)－－奇數(shù)場(chǎng)－－偶數(shù)場(chǎng)1352467.2.1電視制式隔行掃描方式根據(jù)視覺時(shí)間特性，無(wú)閃爍地顯示活動(dòng)圖象要高于48次/秒的刷新速率場(chǎng)頻：50Hz幀頻：25Hz－－無(wú)閃爍－降低行頻7.2.1電視制式隔行掃描方式逐行掃描方式－高清晰成像測(cè)量系統(tǒng)－工業(yè)民用電視系統(tǒng)1.掃描－－兩種掃描方式7.2.1電視制式－－正程和逆程行正程場(chǎng)正程顯示信息行逆程場(chǎng)逆程消隱1.掃描7.2.1電視制式2.視頻信號(hào)行正程（信息）行逆程（消隱）行信號(hào)波形一行視頻信號(hào)行同步7.2.1電視制式2.視頻信號(hào)場(chǎng)正程（信息）場(chǎng)逆程（消隱）場(chǎng)信號(hào)波形一場(chǎng)視頻信號(hào)場(chǎng)同步7.2.1電視制式3.我國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn)采用PAL制：場(chǎng)頻fv=50Hz，幀頻fZ=25Hz；隔行掃描，每幀625行；場(chǎng)周期TV=20ms；行周期TH=64s；視頻信號(hào)帶寬BW=6MHzPAL－－德國(guó)NTSC－－美國(guó)7.2.1電視制式7.2電真空攝像管一、電視制式小結(jié)1.掃描3.我國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn)

隔行掃描場(chǎng)頻50Hz逐行掃描

隔行掃描行幀場(chǎng)625行/幀正程

逆程－PAL制2.視頻信號(hào)

信息信號(hào)同步脈沖消隱脈沖7.2電真空攝像管7.2.1電視制式7.2.2電真空攝像管的結(jié)構(gòu)原理7.2.2電真空攝像管結(jié)構(gòu)原理光電轉(zhuǎn)換信號(hào)存儲(chǔ)掃描輸出－－光電導(dǎo)式/熱釋電攝像管1.三個(gè)基本功能7.2電真空攝像管光像電子槍利用電子槍發(fā)射出來(lái)的電子束依次掃描靶面各像素，將靶面的電荷（或電勢(shì)）圖像有序地轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)輸出，這就完成了掃描輸出的功能。－－加速電極－－聚焦電極－－聚焦線圈－－偏轉(zhuǎn)線圈－－燈絲－－熱陰極－－控制柵極掃描輸出2.電子束掃描輸出7.2.2電真空攝像管結(jié)構(gòu)原理2.電子束掃描輸出水平偏轉(zhuǎn)線圈垂直偏轉(zhuǎn)線圈－－行掃描－－場(chǎng)掃描消隱脈沖控制柵極逆程電子束截止7.2.2電真空攝像管結(jié)構(gòu)原理2.電子束掃描輸出－－燈絲－－熱陰極－－控制柵極－－加速電極－－聚焦電極－－聚焦線圈－－偏轉(zhuǎn)線圈電真空攝像管由于其重量和體積的限制，其研究與發(fā)展已經(jīng)告一段落，它正逐步被固體攝像器件所代替。7.2.2電真空攝像管結(jié)構(gòu)原理第07章光電成像器件7.1像管（變像管和像增強(qiáng)器）7.2電真空攝像管7.3固體成像器件固體：器件為固態(tài)器件,采用半導(dǎo)體工藝制成。（對(duì)比：真空成像器件采用真空玻璃殼中的靶進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換）成像：利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電信號(hào)實(shí)現(xiàn)光學(xué)圖像的轉(zhuǎn)換、信息存貯及按順序輸出，形成電子圖像。（對(duì)比：真空成像器件采用電子束掃描方式）73圖像傳感器固體圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)體積小，重量輕，功耗低，耐沖擊，可靠，壽命長(zhǎng)；掃描線性，畸變小，重復(fù)性好，適用于尺寸測(cè)量、定位和圖像傳感等方面；光譜響應(yīng)范圍較廣，從近紫外到近紅外；空間分辨率高，像元間距的幾何位置精確，可以獲得很高的定位與測(cè)量精度；與微機(jī)接口容易實(shí)現(xiàn)?！癈CD是數(shù)碼相機(jī)的電子眼,它革新了攝影術(shù)?，F(xiàn)在光可以被電子化記錄,取代了膠片。這一數(shù)字形式極大地方便了對(duì)圖像的處理和發(fā)送。無(wú)論是我們大海中深邃之地,還是宇宙中的遙遠(yuǎn)之處,它都能給我們帶來(lái)水晶般清晰的影像”。CCD的發(fā)明者獲得2009年諾貝爾獎(jiǎng)1970年，Boyle(左)和Smith(右)在測(cè)試用最初狀態(tài)的CCD元件組裝的簡(jiǎn)易拍攝裝置。1973年，仙童公司的產(chǎn)品，第一塊商用CCD柯達(dá)的塞尚先生被尊為數(shù)碼相機(jī)之父，而1975年，他的第一臺(tái)電子相機(jī)使用的核心成像元件正是一塊5萬(wàn)像素的仙童產(chǎn)CCD

數(shù)碼相機(jī)之父親70年代末，RCA對(duì)天文拍攝用CCD的研究，使其得以因基特峰國(guó)家天文臺(tái)的1米望遠(yuǎn)鏡安裝了其自產(chǎn)的320*512像元制冷CCD而名聲大造天文攝影中，使用的大型CCD陣列，由多塊不同尺寸，不同特性的CCD成像元件組成天文攝影用CCD成像設(shè)備拍攝的遙遠(yuǎn)的深空天體

7.3固體成像器件CCD攝像器件CMOS圖像傳感器體積小，重量輕，工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)，······7.3固體成像器件7.3.1電荷耦合器件（CCD器件）7.3.2CMOS圖像傳感器7.3.3紅外焦平面陣列器件（IRFPA）7.3.1電荷耦合器件（CCD器件）ChargeCoupledDevice簡(jiǎn)稱CCD1.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理2.CCD的主要特性參數(shù)3.CCD攝像器件CCD電荷存儲(chǔ)電荷轉(zhuǎn)移電荷注入電荷輸出7.3.1電荷耦合器件1.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理1)CCD單元結(jié)構(gòu)由多個(gè)像素組成線陣,金屬柵極是分立的，氧化物與半導(dǎo)體是連續(xù)的PMOS結(jié)構(gòu)單元－像素7.3.1電荷耦合器件1）正偏（VG<0負(fù)電壓）P-Si中的多子（空穴）向（SiO2，P-Si）界面積累（“多子堆積狀態(tài)”），相當(dāng)于普通電容器（C=Cox）

2）反向弱偏置（VG>0，較?。㏄-Si中的多子（空穴）推開（SiO2，P-Si）界面附近。平衡時(shí)，在界面附近形成一定深度（△x）的耗盡區(qū)（受主離子區(qū)）→多子耗盡狀態(tài)1)2)3)3）反向強(qiáng)偏置（VG≥Vth<0）P-Si中的多子（空穴）推開（O-S）界面推開，且界面處正表面電勢(shì)Vs很強(qiáng)→耗盡區(qū)內(nèi)熱激發(fā)的電子空穴對(duì)中的電子（電荷）遷移→在（O-S）界面附近形成n型（反型層）“載流子反型層狀態(tài)”1.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理7.3.1電荷耦合器件基本名詞：勢(shì)阱勢(shì)阱施加正電壓空穴耗盡區(qū)電子的“陷阱”7.3.1電荷耦合器件基本名詞：勢(shì)阱柵極正向電壓增加時(shí)，勢(shì)阱變深。－－改變UG，調(diào)節(jié)勢(shì)阱深度7.3.1電荷耦合器件2)電荷包的注入（光注入、電注入）光注入：電子－－信號(hào)電荷（包）產(chǎn)生電子－空穴對(duì)空穴－－柵極電壓排斥光注入方式又可分為正面照射式及背面照射式。光注入的電荷量Neo與入射的光譜輻射通量成線性關(guān)系7.3.1電荷耦合器件電荷的注入--有關(guān)參數(shù)與CCD電荷生成過(guò)程有關(guān)的參數(shù)是量子效率(QE)和暗電流。影響QE的因素有吸收(absorption)、反射(reflection)和穿透(transmission)等。影響暗電流的因素主要是溫度。7.3.1電荷耦合器件電荷的注入理想情況下，電極材料應(yīng)該是完全透明的，實(shí)際上這些材料對(duì)光都有一些吸收和反射。如多晶硅電極對(duì)短波光有較強(qiáng)的吸收和反射，減少了最終到達(dá)硅片的光子數(shù)量，如圖中λ1和λ2所表示的情況。

x：吸收y：復(fù)合材料的吸收系數(shù)和反射率與波長(zhǎng)有關(guān)，在可見光波段，波長(zhǎng)越短吸收系數(shù)和反射率越大。圖中光線的顏色只是示意，不代表光譜！CCD短波限制與結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)7.3.1電荷耦合器件厚型前照明CCD光在表面電極產(chǎn)生反射和吸收，使這種CCD的量子效率比較低，對(duì)藍(lán)光的響應(yīng)非常差。其電極結(jié)構(gòu)不容許采用提高性能的增透膜技術(shù)。增透膜技術(shù)在薄型背照明CCD可以采用。電荷的注入-降低反射7.3.1電荷耦合器件硅片減薄到15m左右，光線由背面射入，避免了電極對(duì)光線的阻擋，可以得到很高的量子效率。由于可以在硅表面制作減反膜，短波響應(yīng)將得到很大提高。薄型背照明CCD電荷的注入-降低反射薄型CCD對(duì)近紅外光線幾乎透明，因此長(zhǎng)波響應(yīng)很差。7.3.1電荷耦合器件空氣或真空的折射率為1.0，硅為3.6。利用上述方程式可以得出在空氣中硅的反射率是32%。除非采取適當(dāng)?shù)拇胧┫@種反射，否則硅CCD只能探測(cè)到2/3的入射光子。增透膜可以解決這個(gè)問題。硅的折射率(ns)很高，很多入射光子會(huì)在其表面反射。nins在兩種不同折射率物質(zhì)的界面上光子的反射率為=[]ns-nins+ni2電荷的注入-降低反射空氣硅7.3.1電荷耦合器件右圖是EEV42-80CCD的反射率曲線。這種薄型CCD是專為提高藍(lán)光譜響應(yīng)設(shè)計(jì)的，其增透膜最佳工作波長(zhǎng)為400nm。在400nm反射率下降到左右1%。電荷的注入-降低反射提高量子效率最有效的方法是背照明！7.3.1電荷耦合器件電荷的注入各種不同CCD的量子效率的比較思考：CCD的窗口玻璃影響性能嗎？為什么？7.3.1電荷耦合器件3)電荷包的存儲(chǔ)1.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理CCD工作過(guò)程的第二步是電荷的存儲(chǔ)，是將入射光子激勵(lì)出的電荷存儲(chǔ)起來(lái)成為信號(hào)電荷包的過(guò)程。為了存儲(chǔ)電荷，必須制造一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)。不僅要把生成的電荷盡量存儲(chǔ)起來(lái)，而且保證所存儲(chǔ)的電荷不被復(fù)合。存儲(chǔ)區(qū)：勢(shì)阱。3)電荷包的存儲(chǔ)1.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理在柵極未施加電壓時(shí)，P型半導(dǎo)體分布均勻的空穴（多數(shù)載流子）－柵極加正向電壓，空穴遠(yuǎn)離柵極，形成耗盡層－電壓提高，耗盡層擴(kuò)散，形成反型層（電子被表面勢(shì)吸引，極薄，密度極高）－反型層形成時(shí)的外加電壓稱為閾值電壓－MOS電容的襯底材料由P型換成N型，偏置電壓也反號(hào)，則反型層為空穴－深度耗盡狀態(tài)，CCD工作狀態(tài)（因?yàn)樯贁?shù)載流子缺乏，反型層不能立即形成）氧化層厚度對(duì)表面勢(shì)的影響同樣?xùn)艠O電壓下，不同厚度的氧化層有著不同的表面勢(shì)3)電荷包的存儲(chǔ)7.3.1電荷耦合器件3)電荷包的存儲(chǔ)單元最大存儲(chǔ)信息電荷量：如果在MOS柵極G上施加足夠大的正電壓VG，由此產(chǎn)生的半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)（稱為表面勢(shì)）很高，多數(shù)載流子空穴被排斥到襯底的底側(cè)，硅表面處留下不能移動(dòng)的帶負(fù)電的粒子，產(chǎn)生耗盡區(qū)此時(shí)若有電子，將被吸引到表面處，稱此種狀態(tài)為非穩(wěn)態(tài)VG越大，表面勢(shì)越大，勢(shì)阱越深。即使光照停止，一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損失，光信息就這樣被記錄下來(lái)了。

注意：熱激發(fā)也會(huì)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，其產(chǎn)生電子也會(huì)吸引到勢(shì)阱中，當(dāng)表面處電子（少數(shù)載流子）濃度超過(guò)了空穴濃度(多數(shù)載流子）時(shí)，即此處由P型變?yōu)镹型，形成一層反型層，當(dāng)勢(shì)阱中填滿了電子,勢(shì)阱中的電子不再增加了，便達(dá)到穩(wěn)態(tài)（熱平衡狀態(tài)）。因此信號(hào)電荷的儲(chǔ)存必須在達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前完成。（0.1~10s）7.3.1電荷耦合器件3)電荷包的存儲(chǔ)存儲(chǔ)電荷P單元最大存儲(chǔ)信息電荷量：7.3.1電荷耦合器件3)電荷包的存儲(chǔ)P電荷存儲(chǔ)收集的效率與電勢(shì)的分布、復(fù)合壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度有關(guān)。復(fù)合壽命由光子激發(fā)出的電子在重新躍遷回價(jià)帶(與空穴復(fù)合)之前可以在硅晶格內(nèi)活動(dòng)的時(shí)間是有限的。這個(gè)過(guò)程的時(shí)間常數(shù)稱為復(fù)合壽命，其大小取決于硅的質(zhì)量和摻雜的濃度。越長(zhǎng)，信號(hào)電子被收集的可能性就越大，量子效率就越高。擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度表示光生電子復(fù)合前移動(dòng)的平均距離。當(dāng)電子是在復(fù)合壽命很長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)生成，但是它必須移動(dòng)到指定的收集區(qū)去時(shí)，這個(gè)電子是否能夠被收集取決于它向制定區(qū)域運(yùn)動(dòng)的機(jī)制。7.3.1電荷耦合器件4)電荷包的轉(zhuǎn)移三相時(shí)鐘脈沖電壓按組（相）加到CCD各電極上電荷包的轉(zhuǎn)移，是將所收集起來(lái)的電荷包從一個(gè)像元轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像元，直到全部電荷包輸出完成的過(guò)程。7.3.1電荷耦合器件4)電荷包的轉(zhuǎn)移

基本思想：－－調(diào)節(jié)勢(shì)阱深度－－利用勢(shì)阱耦合勢(shì)阱耦合7.3.1電荷耦合器件4)電荷包的轉(zhuǎn)移7.3.1電荷耦合器件4)電荷包的轉(zhuǎn)移P7.3.1電荷耦合器件5)電荷包的輸出電流輸出方式：襯底P和N+區(qū)構(gòu)成輸出二極管（反偏壓）反偏二極管7.3.1電荷耦合器件5)電荷包的輸出電流輸出方式：檢測(cè)二極管、二極管偏置電阻、源極輸出放大器和復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管等構(gòu)成CR2下的勢(shì)阱－>輸出柵下的勢(shì)阱－>反向偏置二極管（相對(duì)于深勢(shì)阱）－>產(chǎn)生電流IdQs＝IddtId使得A點(diǎn)的電位變化，反應(yīng)注入到二極管電荷量的大小通過(guò)隔直電容檢測(cè)出A點(diǎn)的電位變化，就可以檢測(cè)出電荷量的大小7.3.1電荷耦合器件5)電荷包的輸出電流輸出方式：襯底P和N+區(qū)構(gòu)成輸出二極管（反偏壓）復(fù)位脈沖RS10－>2V5V7.3.1電荷耦合器件1.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理1前照明光輸入1背照明光輸入2電荷生成3電荷存儲(chǔ)4電荷轉(zhuǎn)移5電荷輸出視頻輸出7.3.1電荷耦合器件CCD電荷存儲(chǔ)電荷轉(zhuǎn)移電荷注入電荷輸出7.3.1電荷耦合器件1.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理小結(jié)：7.3.1電荷耦合器件1.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理為什么稱為電荷耦合器件？電荷－－器件中的信息是以電荷形式出現(xiàn)的，不同于其他探測(cè)器的“電流”或“電壓”耦合－－器件內(nèi)部信息的傳遞是通過(guò)勢(shì)阱的藕合完成的，完全不同于電子槍的“掃描輸出”形式7.3.1電荷耦合器件（CCD器件）ChargeCoupledDevie簡(jiǎn)稱CCD1.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理2.CCD的特性參數(shù)3.CCD攝像器件7.3.1電荷耦合器件2.CCD的主要特性參數(shù)1.轉(zhuǎn)移效率，損耗率2.暗電流3.靈敏度和量子效率4.光譜響應(yīng)特性5.CCD噪聲6.分辨率7.工作頻率8.動(dòng)態(tài)范圍9.填充因子7.3.1電荷耦合器件2.CCD的特性參數(shù)1)轉(zhuǎn)移效率，損耗率

η總=ηn

例：η=0.999，二相1024器件，η總<13%預(yù)先輸入一定的背景電荷，零信號(hào)也有一定電荷－－“胖零”技術(shù)。7.3.1電荷耦合器件2.CCD的特性參數(shù)2)暗電流暗電流是指在沒有入射光的情況下CCD所仍具有之電荷量，理想的CCD其暗電流應(yīng)該是零，但部分游離電荷會(huì)殘存在電極之間，導(dǎo)致沒有光線下CCD還是『感應(yīng)』到些許的『電荷』存在，形成了『看到了』的雜像！危害：限制器件低頻限。引起圖像固定噪聲！

7.3.1電荷耦合器件2.CCD的特性參數(shù)3)靈敏度和量子效率單位光功率產(chǎn)生的信號(hào)電流影響靈敏度的因素：開口率，（感光單元面積與一個(gè)像素總面積之比）、感光單元電極形式和材料、CCD內(nèi)的噪聲等

量子效率產(chǎn)生的光電子數(shù)量與入射光光子的數(shù)量比，用以表訴CCD在不同波長(zhǎng)下的響應(yīng)值7.3.1電荷耦合器件2.CCD的特性參數(shù)5)CCD噪聲散粒噪聲：微觀粒子無(wú)規(guī)律，信號(hào)電荷有一定不確定性轉(zhuǎn)移噪聲：轉(zhuǎn)移時(shí)剩下少部分電荷熱噪聲：信號(hào)電荷注入回路及讀出回路上產(chǎn)生總噪聲為三者的均方根

7.3.1電荷耦合器件2.CCD的特性參數(shù)6)分辨率像素---CCD每一個(gè)元素，像素越多，圖像越清晰44萬(wàn)（768*576）、100萬(wàn)（1024*1024）200萬(wàn)（1600*1200）、600萬(wàn)（2832*2128）電視線---簡(jiǎn)稱線(TVLINES)，彩色攝像頭一般330~500線，黑白可以達(dá)到600線。電視線與CCD和鏡頭有關(guān)，還與攝像頭電路通道的頻帶寬度直接相關(guān)，通常規(guī)律是1MHz的頻帶寬度相當(dāng)于清晰度為80線。頻帶越寬，圖像越清晰，線數(shù)值相對(duì)越大?；叶燃?jí)---灰度分辨率、色彩分辨率，1/2n位數(shù)：8位（bit）、10位、11位、12位、位數(shù)越多，圖像越清晰。

是CCD的主要性能指標(biāo)，它決定了顯示圖像的清晰程度，分辨率越高，圖像細(xì)節(jié)的表現(xiàn)越好。7.3.1電荷耦合器件2.CCD的特性參數(shù)7)驅(qū)動(dòng)頻率下限少數(shù)載流子平均壽命上限——電荷來(lái)不及轉(zhuǎn)移電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的固有時(shí)間電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所用的時(shí)間t下限與少數(shù)載流子的壽命有關(guān)，而少數(shù)載流子的壽命與器件的工作溫度有關(guān)，工作溫度越高，壽命越短，下限頻率越高載流子的遷移率/電極長(zhǎng)度，襯底雜質(zhì)的濃度、溫度有關(guān)7.3.1電荷耦合器件2.CCD的特性參數(shù)8)動(dòng)態(tài)范圍輸出端峰值電壓與均方根噪聲電壓之比動(dòng)態(tài)范圍由它的信號(hào)處理能力和噪聲電平?jīng)Q定，反映了器件的工作范圍，取決于勢(shì)阱能收集的最大電荷量與受噪聲限制的最小電荷量之差

。7.3.1電荷耦合器件2.CCD的特性參數(shù)9)填充因子填充因子（FillFactor）-CCD實(shí)際感光面積占像素面積的比值理想值-100%實(shí)際值-30%（隔行傳輸式CCD）通過(guò)微型鏡頭改善（但微型鏡頭的應(yīng)用會(huì)影響紫外光的檢測(cè)）填充因子是影響靈敏度的一個(gè)因數(shù)7.3.1電荷耦合器件（CCD器件）ChargeCoupledDevie簡(jiǎn)稱CCD1.CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理2.CCD的特性參數(shù)3.CCD攝像器件3.CCD攝像器件7.3.1電荷耦合器件2048×2048面陣CCD5000像元線陣CCD1.三相單溝道線陣CCD2.雙溝道線陣CCD3.面陣CCD攝像器件

1)三相單溝道線陣CCD

放大器結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)移柵光敏區(qū)CCD移位寄存器3.CCD攝像器件放大器工作過(guò)程：光敏區(qū)轉(zhuǎn)移柵移位寄存器1)三相單溝道線陣CCD

3.CCD攝像器件放大器工作過(guò)程：光敏區(qū)轉(zhuǎn)移柵移位寄存器三相時(shí)鐘脈沖視頻信號(hào)輸出1)三相單溝道線陣CCD

3.CCD攝像器件3)面陣CCD攝像器件

幀轉(zhuǎn)移面陣CCD結(jié)構(gòu)：成像區(qū)暫存區(qū)水平讀出寄存器3.CCD攝像器件成像區(qū)暫存區(qū)場(chǎng)正程期間：場(chǎng)逆程期間：光學(xué)圖像電荷包圖像電荷包圖像3)面陣CCD攝像器件

暫存區(qū)場(chǎng)正程期間：水平讀出寄存器行逆程期間行正程期間電荷包圖像3)面陣CCD攝像器件

暫存區(qū)場(chǎng)正程期間：水平讀出寄存器行逆程期間暫存區(qū)的信號(hào)電荷產(chǎn)生一行平移行正程期間電荷包圖像3)面陣CCD攝像器件

暫存區(qū)場(chǎng)正程期間：水平讀出寄存器行逆程期間行正程期間電荷包圖像水平讀出寄存器輸出一行視頻信號(hào)3)面陣CCD攝像器件

暫存區(qū)場(chǎng)正程期間：水平讀出寄存器行逆程期間暫存區(qū)的信號(hào)電荷產(chǎn)生一行平移行正程期間電荷包圖像3)面陣CCD攝像器件

暫存區(qū)場(chǎng)正程期間：水平讀出寄存器行逆程期間行正程期間電荷包圖像水平讀出寄存器輸出一行視頻信號(hào)3)面陣CCD攝像器件

暫存區(qū)場(chǎng)正程期間：水平讀出寄存器行逆程期間行正程期間電荷包圖像暫存區(qū)的信號(hào)電荷產(chǎn)生一行平移3)面陣CCD攝像器件

暫存區(qū)場(chǎng)正程結(jié)束時(shí)水平讀出寄存器行逆程期間行正程期間電荷包圖像水平讀出寄存器輸出一行視頻信號(hào)3)面陣CCD攝像器件

工作過(guò)程：3.面陣CCD攝像器件（小結(jié)）

3.CCD攝像器件成像區(qū)暫存區(qū)水平讀出寄存器場(chǎng)正程場(chǎng)逆程行逆程行正程結(jié)構(gòu)：圖像－>電荷成像區(qū)－>暫存區(qū)場(chǎng)正程電荷平移輸出信號(hào)思考：如何實(shí)現(xiàn)逆程消隱的？CCD攝像器件掃描輸出的特點(diǎn)CCD攝像管－－微電子電路按規(guī)律發(fā)出脈沖掃描輸出電信號(hào)微電子電路脈沖信號(hào)光敏區(qū)暫存區(qū)輸出端3.CCD攝像器件－－自掃描電真空攝像器件掃描輸出的特點(diǎn)電真空攝像管－－電子槍按規(guī)律偏轉(zhuǎn)電子束掃描輸出電信號(hào)電子槍3.CCD攝像器件對(duì)比：二者掃描方式的差別CCD攝像管－－微電子電路按規(guī)律發(fā)出脈沖掃描輸出電信號(hào)電真空攝像管－－電子槍按規(guī)律偏轉(zhuǎn)電子束掃描輸出電信號(hào)3.CCD攝像器件電真空攝像管由于其重量和體積的限制，其研究與發(fā)展已經(jīng)告一段落，它正逐步被固體攝像器件所代替。例1：用于成像－CCD微光電視攝像3.CCD攝像器件－－像增強(qiáng)器與CCD芯片的耦合CCD芯片例1：CCD微光電視攝像3.CCD攝像器件例2：用于測(cè)量－CCD玻璃管測(cè)控儀（生產(chǎn)線）測(cè)量尺寸及精度要求：外徑φ20±0.3mm、φ28±0.4mm壁厚（1.2±0.05）mm、（2±0.07）mm3.CCD攝像器件光強(qiáng)均勻的平行光束照射玻璃管線陣CCD輸出信號(hào)波形電視型成像器件小結(jié)：1.電視制式：掃描、行、幀、場(chǎng)3.CCD成像器件：?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移、自掃描2.電真空攝像管：電子槍、掃描4.CMOS圖像傳感器5.IRFPA陣列器件7.3固體成像器件7.3.1電荷耦合器件（CCD器件）7.3.2CMOS圖像傳感器7.3.3紅外焦平面陣列器件（IRFPA）7.3.2CMOS圖像傳感器ComplementaryMetalOxideSemiconductor－－簡(jiǎn)稱CMOSCMOS數(shù)碼相機(jī)用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

處理功能多

成品率高

價(jià)格低廉

成像質(zhì)量差

像敏單元尺寸小

填充率低

響應(yīng)速度慢1.CMOS成像器件單元結(jié)構(gòu):被動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)(無(wú)源結(jié)構(gòu)）主動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)（有源結(jié)構(gòu)）7.3.2CMOS圖像傳感器1.CMOS成像器件單元結(jié)構(gòu):被動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)(無(wú)源結(jié)構(gòu)）7.3.2CMOS圖像傳感器由一個(gè)光電二極管和一個(gè)選址開關(guān)組成當(dāng)?shù)刂烽_關(guān)選通時(shí)，光電二極管中由于光照產(chǎn)生的相應(yīng)電荷就傳送到了列選擇線下端的大器將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓輸出；光電二極管中產(chǎn)生的電荷與光信號(hào)成一定的比例關(guān)系；無(wú)源像素單元PPS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，像素填充率高，量子效率高。但它的讀出噪聲大，一般為250rms而商用CCD的讀出噪聲可低于20rms1.CMOS成像器件單元結(jié)構(gòu):主動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)(有源結(jié)構(gòu)）7.3.2CMOS圖像傳感器每個(gè)像敏單元都經(jīng)過(guò)放大后，才傳輸，所以噪聲大為降低，圖像信號(hào)的信噪比顯著提高。當(dāng)復(fù)位脈沖到來(lái)時(shí)，T1導(dǎo)通，光敏二極管被瞬時(shí)復(fù)位；而當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，T1截止，光敏二極管開始積分光信號(hào)。T2為源極跟隨器，它將光電二極管的高阻抗輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大。T3用做選址模擬開關(guān)，當(dāng)選通脈沖到來(lái)時(shí)，T3導(dǎo)通，使被放大的光電信號(hào)輸送到列總線上。2.CMOS成像器件結(jié)構(gòu):信號(hào)讀出采用X－Y尋址方式，具有讀出任意局部畫面的能力7.3