光電成像系統(tǒng)

光度學(xué)參數(shù)的定義和推算光電成像系統(tǒng)光電成像系統(tǒng)的基本組成框圖其中光電成（攝）像器件是光電成像系統(tǒng)的核心1、光電成像器件的發(fā)展

近年來，利用光電成像器件構(gòu)成圖像傳感器進(jìn)行光學(xué)圖像處理與圖像測量已成為現(xiàn)代光學(xué)儀器、現(xiàn)代測控技術(shù)的重要發(fā)展方向。它廣泛應(yīng)用于遙感、遙測技術(shù)、圖形圖像測量技術(shù)和監(jiān)控工程等，成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。0、光電成像概述什么叫成像？圖像是由空間變化的光強(qiáng)信息所組成，圖像傳感器或探測器必須能感受空間不同位置的光強(qiáng)變化，這個(gè)過程叫成像。1934年研制出光電像管，應(yīng)用于廣播電視攝像。靈敏度相當(dāng)?shù)?，需要不低?0000lx的照度。1947年超正析攝像管面世，使最低照度降至2000lx。1954年靈敏度較高的攝像管投入市場。成本低，體積小，靈敏度和分辨率較高，但不適于高速和彩色。1、光電成像器件的發(fā)展1965年，氧化鉛管成功代替正析攝像管，廣泛應(yīng)用。使彩色攝像機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)飛躍。1976年，靈敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶管。1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)表電荷耦合器件（CCD）原理，從此光電成像器件的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段——CCD固體攝像器件的發(fā)展階段。光電成像涉及到一系列復(fù)雜的信號傳遞過程。有四個(gè)方面的問題需要研究：能量方面——物體、光學(xué)系統(tǒng)和接收器的光度學(xué)、輻射度學(xué)性質(zhì)，解決能否探測到目標(biāo)的問題成像特性——能分辨的光信號在空間和時(shí)間方面的細(xì)致程度，對多光譜成像還包括它的光譜分辨率2、光電成像系統(tǒng)要研究的問題噪聲方面——決定接收到的信號不穩(wěn)定的程度或可靠性信息傳遞速率方面——

成像特性、噪聲信息傳遞問題，決定能被傳遞的信息量大小3、光電成像器件分類4、像管1）像管的工作原理直視型光電成像器件稱為像管1物鏡：將自然界圖像成像到光陰極；2光陰極：利用外光電效應(yīng)將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)為電子圖像;3電子透鏡：對電子圖像進(jìn)行聚焦成像；4熒光屏：將電子圖像轉(zhuǎn)換為光學(xué)圖像；5目鏡：便于眼睛觀察。2）變像管工作于非可見輻射：近紅外、紫外、χ射線、γ射線光電陰極材料：Ag-O-Cs3）像管的特性與技術(shù)參數(shù)光譜響應(yīng)特性：實(shí)際上是光陰極的光譜響應(yīng)特性，它決定了像管應(yīng)用的光譜范圍。增益：像管輸出的圖像亮度即與入射圖像的照度有關(guān)，又取決于像管本身對輻射能量的變換與增強(qiáng)的能力。常用增益特性有亮度增益。放大率：定義為像物尺寸比。取決于光學(xué)成像系統(tǒng)放大率和電子成像系統(tǒng)放大率?；儯侯愃朴趲缀喂鈱W(xué)的概念，只不過電子光學(xué)系統(tǒng)的邊緣放大率比近軸放大率高，所以一般只產(chǎn)生枕形畸變。分辨率：輸出圖像中肉眼可分辨的最高分辨率，以線對（空間頻率）表示。目前常用MTF來評定成像器件的象質(zhì)。

此外，還有如等效背景照度等特性參數(shù)。4）像管的缺點(diǎn)

像管可拓展人的視覺光譜范圍和視覺靈敏度。甚至在完全沒有光線的場合，也可以通過紅外變像器觀察到很多的目標(biāo)圖像信息。

但像管也是實(shí)時(shí)實(shí)地的圖像觀察模式，無法對圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸，也不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀察。傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)也可以拓展人的視覺能力，但同樣不能實(shí)現(xiàn)圖像的存儲(chǔ)和傳輸，傳統(tǒng)光學(xué)攝像技術(shù)雖可以記錄圖像但不具備對圖像的二次處理能力。5、真空型攝像管

真空攝像管可將輸入光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌趥鬏數(shù)碾娮訄D像信號—視頻信號，利用無線電或有線電子學(xué)的方法將電子信號進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送和圖像重現(xiàn)，顯像管等設(shè)備可將處理后的視頻信號轉(zhuǎn)換為輸出光學(xué)圖像。進(jìn)行大屏幕顯示，而且其亮度和對比度還可以調(diào)節(jié)。真空型攝像管的成像原理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。完成這一過程的器件就是攝像管。具體的攝像過程：6、傳統(tǒng)光電成像器件的缺陷1.不能永久保存圖像真空管只能直播圖像，不能進(jìn)行視視剪輯，如公交監(jiān)視系統(tǒng)。2.不具備對圖像的二次處理能力只能在采集圖像時(shí)對圖像進(jìn)行初步處理，無法利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算功能進(jìn)行軟件算法處理；3、器件/設(shè)備體積龐大，功耗大，壽命有限；不利于產(chǎn)品輕型化、個(gè)性化，難以降低成本。一、固體攝像器件固體攝像器件，又稱固體像探測器。（solidstateimagingsensor,SSIS）主要功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息（可見光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號——視頻信號。其視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。主要分類：電荷耦合器件，CCD,噪聲低；自掃描光電二極管陣列，SSPD,靈敏度和響應(yīng)度好；

電荷耦合光電二極管陣列，

CCPD,兼具二者優(yōu)點(diǎn)；

電荷注入器件（ChargeInjectionDevice，CID）同電子束攝像管相比，優(yōu)點(diǎn)：全固體化、體積小、重量輕、工作電壓和功耗都很低，耐沖擊性好、可靠性高、壽命長；基本不保留殘像（電子束攝像管有15%-20%的殘像），無像元燒傷、扭曲，不受電磁干擾；紅外敏感性。SSPD光譜響應(yīng)范圍：0.25-1.1um；CCD可做成紅外敏感型；CID：2-5um；像元的幾何尺寸精度高（優(yōu)于1um)，因而可用于非接觸式精密尺寸測量系統(tǒng)；視頻信號與微機(jī)接口容易。1.1、電荷耦合器件，ChargeCoupledDevice

電荷耦合器件簡稱CCD，生于20世紀(jì)70年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室，是在MOS集成電路技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體器件，1983年美國RGA公司推出了3板式CCD彩色攝像機(jī),90年代初專業(yè)級CCD彩色攝像機(jī)開始進(jìn)入我國電視領(lǐng)域。。W.S.Boyle,G.E.Smith.Chargecoupledsemiconductordevices.BellSyst.Tech.Jour.,1970,49:587-593.CCD由多個(gè)光敏像元組成，每一個(gè)光敏像元就是一個(gè)MOS電容器。但工作原理與MOS晶體管不同。

電荷耦合器件（CCD）特點(diǎn)——以電荷作為信號。

CCD的基本功能——電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移。

CCD工作過程——信號電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測的過程。電荷的產(chǎn)生------依靠半導(dǎo)體的光電特性用光注入辦法產(chǎn)生。CCD具有集成度高、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，故在固體圖像傳感，信息存儲(chǔ)和處理等方面有廣泛應(yīng)用。（1）CCD的基本結(jié)構(gòu)包括：轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號輸入結(jié)構(gòu)、信號輸出結(jié)構(gòu)、信號檢測結(jié)構(gòu)。構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容。1、電荷耦合器件的基本原理

在P型或N型單晶硅的襯底上用氧化的辦法生成一層厚度約為100～150nm的SiO2絕緣層，再在SiO2表面按一定層次蒸鍍一金屬電極或多晶硅電極，在襯底和電極間加上一個(gè)偏置電壓（柵極電壓），即形成了一個(gè)MOS電容器（如圖所示）1：金屬；2：絕緣層SiO2MOS電容的結(jié)構(gòu)

以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡稱為N型CCD。而以空穴為信號電荷的CCD簡稱為P型CCD。n型CCD比p型CCD的工作頻率高很多。（2）電荷存儲(chǔ)

以襯底為P型硅構(gòu)成的MOS電容為例。

當(dāng)柵極施加正偏壓UG后，產(chǎn)生耗盡區(qū)；偏壓增加，耗盡區(qū)向半導(dǎo)體內(nèi)延伸。

當(dāng)在金屬電極加上一個(gè)正階梯電壓時(shí)，輕摻雜半導(dǎo)體中的少子很少,不能立即建立反型層，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向體內(nèi)延伸,而且,柵極的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)上,形成深耗盡層

（非平衡狀態(tài)），電子在那里勢能較低-形成了一個(gè)勢阱。

當(dāng)UG>Uth時(shí),半導(dǎo)體與絕緣體截面上的電勢(常稱為表面勢,用ΦS

表示)很高,將少子吸引到表面,形成極薄的但電荷濃度很高的反型層，MOS電容達(dá)到熱平衡狀態(tài)（慢過程）；如有信號電荷（自由電子），將逐漸填充勢阱，聚集在柵極下表面，實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)。此時(shí)耗盡層變薄，勢阱變淺。勢阱的深淺,即表面勢大小決定存儲(chǔ)電荷能力的大小，表面勢依柵電壓大小而定。若無信號電荷，耗盡層區(qū)域一定溫度下產(chǎn)生的電子將逐漸填充勢阱，當(dāng)界面勢φs=2φF時(shí)，達(dá)到熱平衡狀態(tài)，這種熱激發(fā)載流子電流稱為暗電流，有別于光照產(chǎn)生的載流子。因此電荷耦合器件必須工作在深度耗盡狀態(tài)才能存儲(chǔ)電荷。（3）電荷轉(zhuǎn)移CCD的轉(zhuǎn)移電極相數(shù)有二相、三相、四相等。對于單層金屬化電極結(jié)構(gòu)，為了保證電荷的定向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。這里以三相表面溝道CCD（即SurfaceChannelCCD，轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件）為例。時(shí)鐘脈沖，有嚴(yán)格的相位要求。電荷包電荷轉(zhuǎn)移過程：

一個(gè)時(shí)鐘周期后，電荷包移動(dòng)一個(gè)柵周期（也稱一位），因此時(shí)鐘的周期變化使CCD中各單元的電荷包在電極下轉(zhuǎn)移到輸出端，類似于數(shù)字電路中的移位寄存器，自掃描方式。CCD電極間隙很?。?um），若較大，會(huì)有什么問題？針對問題1的結(jié)構(gòu)改進(jìn)：1、利用多晶硅沉積和擴(kuò)散工藝，做成三相“電阻海硅柵”CCD結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單，成品率高，性能穩(wěn)定，但單元尺寸大；2、多晶硅交疊柵結(jié)構(gòu)：單元尺寸小，溝道封閉，但高溫工序多，需防層間短路；3、減小時(shí)鐘脈沖相數(shù)，采用二相電極結(jié)構(gòu)，同時(shí)改變電極結(jié)構(gòu)形式：為實(shí)現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)換：

1、必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。2、控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處。3、在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。利用斜角蒸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)的城墻狀氧化物結(jié)構(gòu)的二相CCD結(jié)構(gòu)

采用離子注入技術(shù)，在電極下面不對稱位置注入勢壘區(qū)，可達(dá)到定向轉(zhuǎn)移電荷，防止電荷倒流的目的。

與三相結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)點(diǎn)是簡化電路，同時(shí)鐘頻率下，信號電荷轉(zhuǎn)移一次所需時(shí)間較短。不足之處是單元所容納電荷量較小，有效勢阱深度較小。體內(nèi)溝道器件（或埋溝道CCD）：

BCCD（BulkorBuriedChannelCCD）——用離子注入技術(shù)摻入雜質(zhì)的方法，在Si表面形成反型薄層，從而改變轉(zhuǎn)移溝道的結(jié)構(gòu)，從而使勢能極小值脫離界面而進(jìn)入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)的轉(zhuǎn)移溝道，避免了表面態(tài)的影響，使得該種器件的轉(zhuǎn)移效率高達(dá)99.999％以上，工作頻率可高達(dá)100MHz，且能做成大規(guī)模器件。

表面溝道器件的特點(diǎn)：工藝簡單，動(dòng)態(tài)范圍大，但信號電荷的轉(zhuǎn)移受表面態(tài)的影響，轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率低，工作頻率一般在10MHz以下。解決方法，采用“胖零（fatzero）”工作模式（背景電荷填充表面態(tài)）。（4）電荷檢測（輸出）

電荷輸出結(jié)構(gòu)有多種形式，如電流輸出結(jié)構(gòu)、浮置柵輸出結(jié)構(gòu)、浮置擴(kuò)散輸出結(jié)構(gòu)等。OG：輸出柵;FD：浮置擴(kuò)散區(qū);R:復(fù)位柵;RD:復(fù)位漏;T:輸出場效應(yīng)管。

浮置柵是指在P型硅襯底表面用V族雜質(zhì)擴(kuò)散形成小塊的n+區(qū)域，當(dāng)擴(kuò)散區(qū)不被偏置，其處于浮置狀態(tài)。VOG為一定值正電壓，在OG柵極下形成耗盡層，使Φ3與FD之間建立導(dǎo)電溝道；Φ3高電位期間，電荷存儲(chǔ)在Φ3電極下；

復(fù)位柵R加正復(fù)位脈沖ΦR

，使FD區(qū)與RD區(qū)導(dǎo)通。因VRD為正十幾伏的直流偏置電壓，則FD區(qū)的電荷被RD區(qū)抽走；復(fù)位正脈沖過去后，F(xiàn)D區(qū)與RD區(qū)呈夾斷狀態(tài)，F(xiàn)D區(qū)具有一定的浮置電位。之后Φ3轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢?，?電極下面的電荷包通過OG下的溝道轉(zhuǎn)移到FD區(qū)。FD區(qū)的電位變化量（下降）ΔVA：

電荷包的輸出過程：1.7

浮置柵CCD放大輸出信號的特點(diǎn)：信號電壓是在浮置電平基礎(chǔ)上的負(fù)電壓；每個(gè)電荷包的輸出占有一定的時(shí)間長度T0；在輸出信號中疊加有復(fù)位期間的高電平脈沖。?

對CCD的輸出信號進(jìn)行處理時(shí)，較多地采用了取樣技術(shù)，以去除浮置電平、復(fù)位高脈沖及抑制噪聲。2、電荷耦合攝像器件的工作原理按結(jié)構(gòu)可分為線陣列CCD和面陣列CCD按光譜可分為可見光CCD、紅外CCD、X光CCD

和紫外CCD

可見光CCD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD電荷耦合攝像器件的分類

線陣CCD可分為雙溝道（雙排）傳輸與單溝道（單排）傳輸兩種結(jié)構(gòu)。下圖(a)為單溝道，(b)為雙溝道。（1）線陣CCD雙溝道單溝道

線陣CCD的工作原理基本結(jié)構(gòu)：光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器、電荷注入電路和信號讀出電路；光敏元：MOS結(jié)構(gòu)和CCPD結(jié)構(gòu);

轉(zhuǎn)移柵：控制光敏元?jiǎng)葳逯行盘栯姾上駽CD中轉(zhuǎn)移

移位寄存器（CCD）：通常具有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)；Φ1Φ2Φ1Φ2OG加ΦR脈沖NN-1N-2321光敏區(qū)轉(zhuǎn)移柵區(qū)CCD電荷進(jìn)入Φ1電荷從Φ2進(jìn)入T3SΦPΦTRGVRDVODT2T3T1CRL注：對雙溝道輸出，另一路的電荷從Φ2進(jìn)入T3（同一個(gè)）工作過程：

光敏元始終在光圖像信號的積分；當(dāng)轉(zhuǎn)移柵加高電平時(shí)，Φ

1電極也為高電平，N個(gè)光信號電荷包并行轉(zhuǎn)移到對應(yīng)CCD中；轉(zhuǎn)移柵加低電平，光敏區(qū)與Φ1勢阱隔斷，繼續(xù)進(jìn)行光積分；

CCD中N個(gè)電荷包依次沿CCD串行傳輸，每驅(qū)動(dòng)一個(gè)周期，電荷包向輸出端轉(zhuǎn)移一位。直到第N位電荷包輸出，第一行讀完；轉(zhuǎn)移柵接收觸發(fā)信號變?yōu)楦唠娖?，將新一行N個(gè)電荷包并行轉(zhuǎn)移到CCD中，開始新一行信號傳輸和讀出。工作脈沖波形Φ2Φ1ΦRVoutΦPΦTt1t2t3t4轉(zhuǎn)移準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移結(jié)束（即ΦSH）轉(zhuǎn)移CCD工作波形圖光有效積分時(shí)間TΦP光有效積分時(shí)間由具體應(yīng)用的光強(qiáng)決定，復(fù)位脈沖頻率是Φ1Φ2頻率的兩倍。線陣CCD的應(yīng)用：尺寸測量被測對象長度L=?LM601線陣CCD光強(qiáng)儀結(jié)構(gòu)圖光敏元數(shù)光敏元尺寸光敏元中心距光敏元線陣有效長光譜響應(yīng)范圍光譜響應(yīng)峰值2592個(gè)11×11μm11μm28.67mm0.35~0.9μm0.56μm輸出波形典型參數(shù)（2）面陣CCD行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)如圖，由若干個(gè)單溝道傳輸?shù)腃CD線陣列圖像傳感器按垂直方向并排，再在垂直陣列的盡頭設(shè)置一條水平CCD，水平與垂直CCD每一位都一一對應(yīng)。工作過程：先水平轉(zhuǎn)移一位垂直CCD信號，然后再由水平CCD串行輸出，依次進(jìn)行第二行直至場信息讀完，再進(jìn)行下場信息電荷讀出。特點(diǎn)：芯片尺寸較小，轉(zhuǎn)移距離短，有較高工作頻率，轉(zhuǎn)移次數(shù)少，但單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法采用背面光照方式。幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)及基本原理包括光敏區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)和水平讀出區(qū)，均為CCD結(jié)構(gòu)。同時(shí)存儲(chǔ)區(qū)及水平區(qū)用鋁層覆蓋實(shí)現(xiàn)光屏蔽。工作過程：光敏區(qū)的場信息轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)后光敏區(qū)重新開始光積分，時(shí)鐘A停在一相高電平，一相低電平狀態(tài)。到達(dá)存儲(chǔ)區(qū)的光信號逐行進(jìn)行水平CCD后再水平串行讀出。特點(diǎn)：芯片尺寸大，單元結(jié)構(gòu)簡單，易實(shí)現(xiàn)多像元化，允許采用背面光照來增加靈敏度，光敏區(qū)占空因子高。面陣CCD的應(yīng)用：光學(xué)文字識別光學(xué)文字識別裝置(OCR)原理圖CCD驅(qū)動(dòng)電路與信號采集電路1、直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)方法數(shù)字門電路+時(shí)序電路：振蕩器+單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器+計(jì)數(shù)器。特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)頻率高，但邏輯設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。

2、單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法由單片機(jī)I/O輸出驅(qū)動(dòng)，由程序指令間的延時(shí)產(chǎn)生時(shí)序。

特點(diǎn)是調(diào)節(jié)時(shí)序靈活方便、編程簡單，但通常驅(qū)動(dòng)頻率低。如使用高速單片機(jī)，則可以克服這一缺點(diǎn)。

幾種常用的CCD驅(qū)動(dòng)方法幾種常用的CCD驅(qū)動(dòng)方法3、EPROM驅(qū)動(dòng)方法在EPROM中先存放驅(qū)動(dòng)CCD的所有時(shí)序信號數(shù)據(jù)，并由計(jì)數(shù)電路產(chǎn)生EPROM的地址使之輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序。

這種方法結(jié)構(gòu)簡明，與單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法相似。4、專用IC驅(qū)動(dòng)方法利用專用集成電路產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序，集成度高、功能強(qiáng)、使用方便。在大批量生產(chǎn)中，驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)等視頻領(lǐng)域首選此法，但在工業(yè)測量中又顯得靈活性不好?？捎每删幊踢壿嬈骷ù妗皩Ｓ肐C驅(qū)動(dòng)方法”。目前主要有三片式、二片式和單片式三種三片式CCD及二片式CCD(a)三板式的棱鏡分光(b)二板式的二向色棱鏡分光棱鏡和濾色片分光基本特點(diǎn)：成像質(zhì)量好，主要用于高質(zhì)量攝像機(jī)。（3）彩色CCD單片式CCD單片式的方格圖案濾色片分光行間排列的濾色器濾色片陣列排列方式：拜爾方式濾色器圖像重現(xiàn)時(shí)存在黃、藍(lán)閃爍現(xiàn)象。單片式CCD結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格較低，工業(yè)、家庭中常用。CCD彩色攝像機(jī)三板式CCD攝像機(jī)二板式CCD攝像機(jī)1.2、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)電荷包從一個(gè)柵轉(zhuǎn)移到下一個(gè)柵時(shí)，有η部分的電荷轉(zhuǎn)移過去，余下ε部分沒有被轉(zhuǎn)移，稱轉(zhuǎn)移效率:

1、轉(zhuǎn)移效率

一個(gè)電荷量為Q0的電荷包，經(jīng)過n次轉(zhuǎn)移后的輸出電荷量應(yīng)為：總效率為：二相1024位CCD，當(dāng)η=0.999時(shí)，總效率小于0.13。一定的η值，限定了器件的最長位數(shù)。埋溝道CCD比表面溝道可研制的位數(shù)大得多。1.101.111.122、不均勻度(非均勻性)光敏元的不均勻CCD的不均勻（近似均勻，轉(zhuǎn)移效率一致）一般認(rèn)為CCD是近似均勻的，即每次轉(zhuǎn)移的效率是一樣的。光敏元響應(yīng)的不均勻是工藝過程及材料不均勻性引起的，大規(guī)模器件的均勻性問題是非常突出的，這也是成品率下降的重要原因。定義光敏元響應(yīng)的均方根偏差對平均響應(yīng)的比值為CCD的不均勻度σ：——第n

個(gè)光敏元原始響應(yīng)的等效電壓——平均原始響應(yīng)等效電壓N——線列CCD的總位數(shù)P是CCD的相數(shù)測得，小光點(diǎn)掃描系統(tǒng)CCD的總損失率***轉(zhuǎn)移效率比較高時(shí)，可認(rèn)為CCD的輸出信號就是光敏元的原始信號。CCD成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱暗信號，即暗電流。暗電流的起因：耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā)

由于工藝過程不完善及材料不均勻等因素的影響，CCD中暗電流密度的分布是不均勻的3、暗電流暗電流的危害有兩個(gè)方面：限制器件的低頻限，縮短信號電荷的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移時(shí)間；引起固定圖像噪聲，出現(xiàn)暗電流尖峰，圖像上產(chǎn)生某些“亮點(diǎn)或亮條”。5、光譜響應(yīng)

CCD的光譜響應(yīng)是指等能量相對光譜響應(yīng)，最大響應(yīng)值歸一化為100%所對應(yīng)的波長，稱峰值波長，通常將10%（或更低）的響應(yīng)點(diǎn)所對應(yīng)的波長稱截止波長。長波端的截止波長與短波端的截止波長之間所包括的波長范圍稱光譜響應(yīng)范圍。6、噪聲

散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲

4、靈敏度（響應(yīng)度）V/W

在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號電壓。CCD光譜響應(yīng)噪聲種類噪聲電子數(shù)注入噪聲~400轉(zhuǎn)移噪聲SCCDBCCD~1000~100輸出噪聲~400總均方根載流子變化SCCD1150BCCD570CCD的噪聲7、分辨率

分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它是指攝像器件對物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力，測試時(shí)用專門的測試卡。目前國際上一般用ＭＴＦ（調(diào)制傳遞函數(shù)）來表示分辨率，像元分辨率。8、動(dòng)態(tài)范圍與線性度線性度是指在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號與曝光量的關(guān)系是否成直線關(guān)系(動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，線性度好）1.3、CMOS攝像器件

1990’s，CMOS技術(shù)用于圖像傳感器，其優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，耗電量是普通CCD的1/3，制造成本比CCD低，可將處理電路等完全集成。1、CMOS像素結(jié)構(gòu)

無源像素結(jié)構(gòu)，1967，Weckler無源像素單元具有結(jié)構(gòu)簡單、像素填充率高及量子效率比較高的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于傳輸線電容較大，CMOS無源像素傳感器的讀出噪聲較高，而且隨著像素?cái)?shù)目增加，讀出速率加快，讀出噪聲變得更大。無源像素型（PPS）和有源像素型（APS）由一反向偏置光敏二極管和一個(gè)開關(guān)管構(gòu)成，開關(guān)管開啟，二極管與垂直列線連通，信號電荷讀出。有源像素結(jié)構(gòu)APS（ActivePixelStructure

)光電二極管型有源像素（PP－APS）1994，哥倫比亞大學(xué)在像元內(nèi)引入緩沖器或放大器，可改善像元性能，稱為有源像素傳感器。功耗小，量子效率高。每個(gè)像元有3個(gè)晶體管。大多數(shù)中低性能的應(yīng)用。光柵型有源像素結(jié)構(gòu)（PG－APS）光柵型有源像素型CMOS每個(gè)像素5個(gè)晶體管，采用0.25umCMOS工藝允許達(dá)到5um像素間距，浮置擴(kuò)散電容的典型值為10-14F量級，產(chǎn)生20uV/e的增益，讀出噪聲可達(dá)5-20均方根電子。成像質(zhì)量高。工作過程：

光生信號電荷積分在光柵PG下，浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)A復(fù)位（電壓VDD）；然后改變光柵脈沖，收集在光柵下的信號電荷轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)。復(fù)位電壓水平與信號電壓水平之差即傳感器的輸出信號。1997年，東芝公司研制成功640*640像素光敏二極管型CMOSAPS，像素尺寸5.6um*5.6um，具有彩色濾色膜和微透鏡陣列。2000年，美國Foveon公司和美國國家半導(dǎo)體公司采用0.18umCMOS工藝研制成功4096*4096像素CMOSAPS，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固體攝像器件。微透鏡改善低光特性CMOSAPS圖像傳感器的功耗較小。但與PPS相比，有源像素結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)小，典型值為20%-30%。像素尺寸減小后低光照下靈敏度迅速降低，采用濾色片和在CMOS上制作微透鏡組合以及CMOS工藝的優(yōu)勢，前景好于CCD。外界光照射像素陣列，產(chǎn)生信號電荷，行選通邏輯單元選通相應(yīng)的行像素單元，單元內(nèi)信號電荷通過各自所在列總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理器(ASP)及A/D變換器，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字圖像信號輸出。行選通單元掃描方式：逐行掃描和隔行掃描。隔行掃描可以提高圖像的場頻，但會(huì)降低圖像的清晰度。行選通邏輯單元和列選通邏輯單元配合，可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能，讀出感興趣窗口內(nèi)像元的圖像信息。2、CMOS攝像器件的總體結(jié)構(gòu)3、CMOS與CCD器件的比較

CCD攝像器件靈敏度高、噪聲低、像素面積小難與驅(qū)動(dòng)電路及信號處理電路單片集成，需要使用相對高的工作電壓，制造成本比較高CMOS攝像器件集成能力強(qiáng)、體積小、工作電壓單一、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍寬、抗輻射和制造成本低需進(jìn)一步提高器件的信噪比和靈敏度CMOS與CCD器件的對比

CCDvs.CMOSIntegrationPowerConsumptionResolutionImageQualitySpeedCostExcellent20-50mWUpto12MpixBeingimprovedUptothousands

frame/sPoor2-5WUpto14MpixHistoricallybestUsuallyupto100frame/sNikonD100~$2,500Canon300D~$8001.4、紅外焦平面器件

第三代紅外熱像技術(shù)InfraredFocalPlaneArrays,

IRFPA

由于這類器件工作是一般安放在成像透鏡的焦面上，所以它們又被叫做紅外焦平面器件（IRFPA）。成像透鏡紅外焦平面器件結(jié)構(gòu)

紅外熱像儀的基本結(jié)構(gòu)紅外熱像儀的核心----紅外焦平面器件克服了主動(dòng)紅外夜視需要依靠人工熱輻射，并由此產(chǎn)生容易自我暴露的缺點(diǎn)；?克服了被動(dòng)微光夜視完全依賴于環(huán)境自然光和無光不能成像的缺點(diǎn);?穿透煙霧和塵埃的能力很強(qiáng)；?目標(biāo)偽裝困難；?遠(yuǎn)距離、全天候觀察；?有很高的溫度靈敏度和較高的空間分辨能力熱成像技術(shù)的優(yōu)勢：1、IRFPA的工作條件IRFPA通常工作于1~3um、3~5um和8~12um的紅外波段并多數(shù)探測300K背景中的目標(biāo);紅外成像條件是在300K背景中探測溫度變化為0.1K的目標(biāo);隨波長的變長，背景輻射的光子密度增加。由普朗克定律計(jì)算出紅外波段300K背景的光譜輻射光子密度。通常光子密度高于1013/cm2s的背景稱為高背景條件，輻射對比度——背景溫度變化1K所引起光子通量變化與整個(gè)光子通量的比值，它隨波長增長而減小。IRFPA工作條件：高背景、低對比度

1、IRFPA的工作條件2、IRFPA的分類

按照結(jié)構(gòu)可分為單片式和混合式按照光學(xué)系統(tǒng)掃描方式可分為掃描型和凝視型按照讀出電路可分為CCD、MOSFET和CID等類型按照制冷方式可分為制冷型和非制冷型

1~3μm波段

代表材料HgCdTe—碲鎘汞3~5μm波段

代表材料HgCdTe、InSb—銻化銦、

PtSi—硅化鉑8~12μm

波段

代表材料HgCdTe

按照響應(yīng)波段與材料可分為表：一些典型的各波段探測器。

3、IRFPA的結(jié)構(gòu)——材料的紅外光譜響應(yīng)——有利于電荷的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移紅外光敏部分信號處理部分

目前沒有能同時(shí)很好地滿足二者要求的材料

——IRFPA結(jié)構(gòu)多樣性單片式混合式類似于可見光CCD，紅外光敏陣列和轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)同做在窄禁帶本征或摻雜非本征半導(dǎo)體材料上?；旌鲜剑杭t外光敏做在上述半導(dǎo)體材料上，信號處理部分則做在硅片上。兩者之間用導(dǎo)線連接。單片式IRFPA非本征硅（P型）單片式IRFPA，基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)主要有三種類型本征單片式IRFPA，基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

肖特基勢壘單片式IRFPA，基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

混合式IRFPA直接注入方式

是將探測器陣列與轉(zhuǎn)移部分直接用導(dǎo)線相連。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、功耗低，有直流成分。間接注入方式

是通過緩沖級（有源網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行連接。

改善探測器陣列同轉(zhuǎn)移部分的匹配性能。增加器件功耗，增大尺寸和工藝復(fù)雜性。

探測器陣列采用窄禁帶本征半導(dǎo)體材料制成，電荷轉(zhuǎn)移部分用硅材料。電學(xué)連接方式：探測器陣列與轉(zhuǎn)移部分的連接：倒裝式

互連技術(shù)：每個(gè)探測器與多路傳輸器對準(zhǔn)配接。采用背照方式4、典型的IRFPA1、InSbIRFPA2、Hg1-xCdxTeIRFPA

3、硅肖特基勢壘IRFPA4、非制冷IRFPA5、多量子阱（MQW）IRFPA4、典型的IRFPAInSb是一種比較成熟的中波紅外探測器材料。InSbIRFPA是在InSb光伏型探測器基礎(chǔ)上，采用多元器件工藝制成焦平面陣列，然后與信號處理電路進(jìn)行混合集成。采用前光照結(jié)構(gòu)的1×32、1×128、1×256、1×512的線列IRFPA和背光照結(jié)構(gòu)的58×62、128×128、256×256、640×480、1024×1024的面陣IRFPA

InSbIRFPAHg1-xCdxTeIRFPA

通常HgCdTeIRFPA是由HgCdTe光伏探測器陣列和CCD或