第07章-光電成像器件1

光電探測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器：－－單元器件

“點源”探測，跟蹤制導等AIM-9M紅外制導導彈點擊圖片播放光電成像器件：－－陣列器件

“面源”探測，目標識別等成像制導攻擊目標點擊圖片播放第07章光電成像器件夜視儀輸出圖像信號：－－直視型光電成像器件第07章光電成像器件輸出視頻信號：－－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）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：像管變像管像增強管電真空攝像管固體攝像器件攝像管有無掃描機構變像管像增強器像管攝像管把不可見變可見把微弱增強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（變像管和像增強器）7.1.1像管基本結構原理7.1.2變像管7.1.3像增強器三個基本部分：光電變換部分電子光學部分電光變換部分7.1像管7.1.1像管基本結構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亮度：使圖像亮度接近人眼的視覺響應峰值光學成像：將電子圖像在熒光屏上變成光學圖像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大于1.15μm間接變像（利用光電導技術）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（利用光電導技術）紅外光像電勢分布像電子流調(diào)制熒光屏成像基本變像方法導通截止選通式變像管

（導通和截止可控）基本變像方法選通式變像管

（導通和截止可控）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比度同步工作基本變像方法選通式變像管

（導通和截止可控）討論：強光保護的可行性導通截止7.1像管（變像管和像增強器）7.1.1像管基本結構原理7.1.2變像管7.1.3像增強器7.1像管像增強器

－－亮度低圖像

亮度高圖像微光夜瞄鏡7.1.3像增強器

7.1.3像增強器1、級聯(lián)式圖像增強器2、微通道板式圖象增強器三、變像管1、級聯(lián)式圖像增強器三級級聯(lián)像增強器結構示意圖亮度增益可達105體積大、重量重、防強光能力差。7.1.3像增強器2、微通道板式圖象增強器結構原理：7.1.3像增強器MicroChannelPlate，簡稱MCP2、微通道板式圖象增強器7.1.3像增強器MicroChannelPlate，簡稱MCP

優(yōu)點：設有電子光學系統(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器7.1.3像增強器用PMT探測生物超微弱發(fā)光～千個光子/S·cm2

同步單光子技術探測系統(tǒng)結構簡圖2、微通道板式圖象增強器7.1.3像增強器用MCPPMT探測成像--同時獲得有機體超微弱發(fā)光強度的時間和空間信息超微弱發(fā)光圖的探測系統(tǒng)結構簡圖像管（變像管和像增強器）像增強器總結：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狀況：－－第三代像增強器微通道板＋負電子親和勢光電陰極光度學靈敏度：3000μA/lm輻射度學靈敏度：100mA/W（波長0.85μm）亮度增益：1×104cd/(m2·lx)分辨率：36lp/mm2、微通道板式圖象增強器7.1.4像增強器目前技術狀況：－－第四代像增強器在第三代像增強器的基礎上，通過進一步改進微通道板的性能，或者利用門控電源技術，提高像增強器的分辨率、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器。2、微通道板式圖象增強器7.1.5像增強器涂覆于真空管內(nèi)壁的光電發(fā)射材料薄膜紅外：銀氧銫；可見：單堿和多堿；紫外；負電子親和勢。（參見書第四章）光電陰極非聚焦型像管（近貼型）兩個平行電極間形成均勻電場從同一點出發(fā)不同初速的電子，在均勻電場作用下，以拋物線軌跡向熒光屏投射均勻電場只有加速投射作用，沒有聚焦成像作用電子不能會聚成像點，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)射電子從陽極中小孔通過，電子被聚焦加速當各電極電壓之比保持不變時，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）電磁復合聚焦型由磁場聚焦和電場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，聚焦于同一點。用于需高性能像質的場合，如天文測量。三大類像管（3）作用是將電子動能轉換為光能。高轉換效率發(fā)射譜與人眼或下級光電陰極的光譜響應特性匹配。熒光屏光譜響應特性和光譜匹配光譜響應特性指：光電陰極的光譜響應特性，它決定管子所能應用的光譜范圍。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：無光照射時熒光屏的發(fā)光。熒光屏上的目標疊加了一個背景亮度，使圖像對比度下降，嚴重時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，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；像增強器在10-7lx量級。像管的主要特性參數(shù)變像管和像增強器

－－在軍事上的應用1.主動紅外夜視儀7.1像管變像管和像增強器

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

增強約5萬倍10-5lx7.1像管微光夜視儀

目標光電陰極

微光像增強管熒光屏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鏡的新5.8毫米班用機槍我軍微光夜視技術達到國際“二代半”水平7.1像管微光夜視儀的觀察效果可見的目標圖像不易見的目標圖像7.1像管①受強光照射時，屏幕圖像出現(xiàn)面積較大的暈斑。微光像增強技術的局限性②有效作用距離較短（~300米）。③觀測效果依賴夜天微光“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：－－直視型光電成像器件第07章光電成像器件輸出視頻信號：－－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：變像管像增強管電真空攝像管固體攝像器件隨著半導體微電子集成電路技術發(fā)展，CCD等典型固體攝像器件逐步成為攝像器件領域的主流器件。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圖像一維時序電信號還原二維光學圖像例：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序電信號稱為視頻信號攝像頭攝像是將空間分布的光學圖像信號轉換為一維時間變化的視頻信號的過程，完成這一過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電真空攝像管的結構原理7.2電真空攝像管7.2.1電視制式1.掃描2.視頻信號3.我國電視標準1.掃描光電圖像將光電圖像分割為很多細小的單元，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）信號讀出的過程，稱為掃描。－－圖像的分割與象素7.2.1電視制式一幀：一行掃描點從起始點出發(fā)再次回到該點，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)視人眼覺時間特性，無閃爍顯示活動圖象要高于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－－奇數(shù)場－－偶數(shù)場1352467.2.1電視制式隔行掃描方式根據(jù)視覺時間特性，無閃爍地顯示活動圖象要高于48次/秒的刷新速率場頻：50Hz幀頻：25Hz－－無閃爍－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正程顯示信息行逆程場逆程消隱1.掃描7.2.1電視制式2.視頻信號行正程（信息）行逆程（消隱）行信號波形一行視頻信號行同步7.2.1電視制式2.視頻信號場正程（信息）場逆程（消隱）場信號波形一場視頻信號場同步7.2.1電視制式3.我國電視標準

我國電視標準采用PAL制：場頻fv=50Hz，幀頻fZ=25Hz；隔行掃描，每幀625行；場周期TV=20ms；行周期TH=64s；視頻信號帶寬BW=6MHzPAL－－德國NTSC－－美國7.2.1電視制式7.2電真空攝像管一、電視制式小結1.掃描3.我國電視標準

隔行掃描場頻50Hz逐行掃描

隔行掃描行幀場625行/幀正程

逆程－PAL制2.視頻信號

信息信號同步脈沖消隱脈沖7.2電真空攝像管7.2.1電視制式7.2.2電真空攝像管的結構原理7.2.2電真空攝像管結構原理光電轉換信號存儲掃描輸出－－光電導式/熱釋電攝像管1.三個基本功能7.2電真空攝像管光像電子槍利用電子槍發(fā)射出來的電子束依次掃描靶面各像素，將靶面的電荷（或電勢）圖像有序地轉變成視頻信號輸出，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電真空攝像管結構原理2.電子束掃描輸出水平偏轉線圈垂直偏轉線圈－－行掃描－－場掃描消隱脈沖控制柵極逆程電子束截止7.2.2電真空攝像管結構原理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電真空攝像管結構原理第07章光電成像器件7.1像管（變像管和像增強器）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,采用半導體工藝制成。（對比：真空成像器件采用真空玻璃殼中的靶進行圖像轉換）成像：利用半導體材料的光電效應，實現(xiàn)光電轉換，通過驅動電信號實現(xiàn)光學圖像的轉換、信息存貯及按順序輸出，形成電子圖像。（對比：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)點體積小，重量輕，功耗低，耐沖擊，可靠，壽命長；掃描線性，畸變小，重復性好，適用于尺寸測量、定位和圖像傳感等方面；光譜響應范圍較廣，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量精度；與微機接口容易實現(xiàn)?！癈CD是數(shù)碼相機的電子眼,它革新了攝影術?，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圖像的處理和發(fā)送。無論是我們大海中深邃之地,還是宇宙中的遙遠之處,它都能給我們帶來水晶般清晰的影像”。CCD的發(fā)明者獲得2009年諾貝爾獎1970年，Boyle(左)和Smith(右)在測試用最初狀態(tài)的CCD元件組裝的簡易拍攝裝置。1973年，仙童公司的產(chǎn)品，第一塊商用CCD柯達的塞尚先生被尊為數(shù)碼相機之父，而1975年，他的第一臺電子相機使用的核心成像元件正是一塊5萬像素的仙童產(chǎn)CCD

數(shù)碼相機之父親70年代末，RCA對天文拍攝用CCD的研究，使其得以因基特峰國家天文臺的1米望遠鏡安裝了其自產(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成像設備拍攝的遙遠的深空天體

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，······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簡稱CCD1.CCD的結構與工作原理2.CCD的主要特性參數(shù)3.CCD攝像器件CCD電荷存儲電荷轉移電荷注入電荷輸出7.3.1電荷耦合器件1.CCD的結構與工作原理1)CCD單元結構由多個像素組成線陣,金屬柵極是分立的，氧化物與半導體是連續(xù)的PMOS結構單元－像素7.3.1電荷耦合器件1）正偏（VG<0負電壓）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，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Vs很強→耗盡區(qū)內(nèi)熱激發(fā)的電子空穴對中的電子（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的結構與工作原理7.3.1電荷耦合器件基本名詞：勢阱勢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：勢阱柵極正向電壓增加時，勢阱變深。－－改變UG，調(diào)節(jié)勢阱深度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－－信號電荷（包）產(chǎn)生電子－空穴對空穴－－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系7.3.1電荷耦合器件電荷的注入--有關參數(shù)與CCD電荷生成過程有關的參數(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，電極材料應該是完全透明的，實際上這些材料對光都有一些吸收和反射。如多晶硅電極對短波光有較強的吸收和反射，減少了最終到達硅片的光子數(shù)量，如圖中λ1和λ2所表示的情況。

x：吸收y：復合材料的吸收系數(shù)和反射率與波長有關，在可見光波段，波長越短吸收系數(shù)和反射率越大。圖中光線的顏色只是示意，不代表光譜！CCD短波限制與結構及材料有關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，對藍光的響應非常差。其電極結構不容許采用提高性能的增透膜技術。增透膜技術在薄型背照明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對近紅外光線幾乎透明，因此長波響應很差。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?shù)拇胧┫@種反射，否則硅CCD只能探測到2/3的入射光子。增透膜可以解決這個問題。硅的折射率(ns)很高，很多入射光子會在其表面反射。nins在兩種不同折射率物質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是專為提高藍光譜響應設計的，其增透膜最佳工作波長為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1.CCD的結構與工作原理CCD工作過程的第二步是電荷的存儲，是將入射光子激勵出的電荷存儲起來成為信號電荷包的過程。為了存儲電荷，必須制造一個存儲區(qū)。不僅要把生成的電荷盡量存儲起來，而且保證所存儲的電荷不被復合。存儲區(qū)：勢阱。3)電荷包的存儲1.CCD的結構與工作原理在柵極未施加電壓時，P型半導體分布均勻的空穴（多數(shù)載流子）－柵極加正向電壓，空穴遠離柵極，形成耗盡層－電壓提高，耗盡層擴散，形成反型層（電子被表面勢吸引，極薄，密度極高）－反型層形成時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，則反型層為空穴－深度耗盡狀態(tài)，CCD工作狀態(tài)（因為少數(shù)載流子缺乏，反型層不能立即形成）氧化層厚度對表面勢的影響同樣柵極電壓下，不同厚度的氧化層有著不同的表面勢3)電荷包的存儲7.3.1電荷耦合器件3)電荷包的存儲單元最大存儲信息電荷量：如果在MOS柵極G上施加足夠大的正電壓VG，由此產(chǎn)生的半導體與絕緣體界面上的電勢（稱為表面勢）很高，多數(shù)載流子空穴被排斥到襯底的底側，硅表面處留下不能移動的帶負電的粒子，產(chǎn)生耗盡區(qū)此時若有電子，將被吸引到表面處，稱此種狀態(tài)為非穩(wěn)態(tài)VG越大，表面勢越大，勢阱越深。即使光照停止，一定時間內(nèi)也不會損失，光信息就這樣被記錄下來了。

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

基本思想：－－調(diào)節(jié)勢阱深度－－利用勢阱耦合勢阱耦合7.3.1電荷耦合器件4)電荷包的轉移7.3.1電荷耦合器件4)電荷包的轉移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：檢測二極管、二極管偏置電阻、源極輸出放大器和復位場效應管等構成CR2下的勢阱－>輸出柵下的勢阱－>反向偏置二極管（相對于深勢阱）－>產(chǎn)生電流IdQs＝IddtId使得A點的電位變化，反應注入到二極管電荷量的大小通過隔直電容檢測出A點的電位變化，就可以檢測出電荷量的大小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)構成輸出二極管（反偏壓）復位脈沖RS10－>2V5V7.3.1電荷耦合器件1.CCD的結構與工作原理1前照明光輸入1背照明光輸入2電荷生成3電荷存儲4電荷轉移5電荷輸出視頻輸出7.3.1電荷耦合器件CCD電荷存儲電荷轉移電荷注入電荷輸出7.3.1電荷耦合器件1.CCD的結構與工作原理小結：7.3.1電荷耦合器件1.CCD的結構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，不同于其他探測器的“電流”或“電壓”耦合－－器件內(nèi)部信息的傳遞是通過勢阱的藕合完成的，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簡稱CCD1.CCD的結構與工作原理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.轉移效率，損耗率2.暗電流3.靈敏度和量子效率4.光譜響應特性5.CCD噪聲6.分辨率7.工作頻率8.動態(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)轉移效率，損耗率

η總=ηn

例：η=0.999，二相1024器件，η總<13%預先輸入一定的背景電荷，零信號也有一定電荷－－“胖零”技術。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其暗電流應該是零，但部分游離電荷會殘存在電極之間，導致沒有光線下CCD還是『感應』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)生的信號電流影響靈敏度的因素：開口率，（感光單元面積與一個像素總面積之比）、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在不同波長下的響應值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：微觀粒子無規(guī)律，信號電荷有一定不確定性轉移噪聲：轉移時剩下少部分電荷熱噪聲：信號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每一個元素，像素越多，圖像越清晰44萬（768*576）、100萬（1024*1024）200萬（1600*1200）、600萬（2832*2128）電視線---簡稱線(TVLINES)，彩色攝像頭一般330~500線，黑白可以達到600線。電視線與CCD和鏡頭有關，還與攝像頭電路通道的頻帶寬度直接相關，通常規(guī)律是1MHz的頻帶寬度相當于清晰度為80線。頻帶越寬，圖像越清晰，線數(shù)值相對越大?；叶燃?--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，它決定了顯示圖像的清晰程度，分辨率越高，圖像細節(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)驅動頻率下限少數(shù)載流子平均壽命上限——電荷來不及轉移電荷從一個電極轉移到另一個電極的固有時間電荷從一個電極轉移到另一個電極所用的時間t下限與少數(shù)載流子的壽命有關，而少數(shù)載流子的壽命與器件的工作溫度有關，工作溫度越高，壽命越短，下限頻率越高載流子的遷移率/電極長度，襯底雜質的濃度、溫度有關7.3.1電荷耦合器件2.CCD的特性參數(shù)8)動態(tài)范圍輸出端峰值電壓與均方根噪聲電壓之比動態(tài)范圍由它的信號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實際感光面積占像素面積的比值理想值-100%實際值-30%（隔行傳輸式CCD）通過微型鏡頭改善（但微型鏡頭的應用會影響紫外光的檢測）填充因子是影響靈敏度的一個因數(shù)7.3.1電荷耦合器件（CCD器件）ChargeCoupledDevie簡稱CCD1.CCD的結構與工作原理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

放大器結構：轉移柵光敏區(qū)CCD移位寄存器3.CCD攝像器件放大器工作過程：光敏區(qū)轉移柵移位寄存器1)三相單溝道線陣CCD

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

3.CCD攝像器件3)面陣CCD攝像器件

幀轉移面陣CCD結構：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)場正程期間：場逆程期間：光學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)場正程期間：水平讀出寄存器行逆程期間暫存區(qū)的信號電荷產(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3)面陣CCD攝像器件

暫存區(qū)場正程期間：水平讀出寄存器行逆程期間暫存區(qū)的信號電荷產(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3)面陣CCD攝像器件

暫存區(qū)場正程期間：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)的信號電荷產(chǎn)生一行平移3)面陣CCD攝像器件

暫存區(qū)場正程結束時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3)面陣CCD攝像器件

工作過程：3.面陣CCD攝像器件（小結）

3.CCD攝像器件成像區(qū)暫存區(qū)水平讀出寄存器場正程場逆程行逆程行正程結構：圖像－>電荷成像區(qū)－>暫存區(qū)場正程電荷平移輸出信號思考：如何實現(xiàn)逆程消隱的？CCD攝像器件掃描輸出的特點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微電子電路脈沖信號光敏區(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電真空攝像管－－電子槍按規(guī)律偏轉電子束掃描輸出電信號電子槍3.CCD攝像器件對比：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電真空攝像管－－電子槍按規(guī)律偏轉電子束掃描輸出電信號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：用于測量－CCD玻璃管測控儀（生產(chǎn)線）測量尺寸及精度要求：外徑φ20±0.3mm、φ28±0.4mm壁厚（1.2±0.05）mm、（2±0.07）mm3.CCD攝像器件光強均勻的平行光束照射玻璃管線陣CCD輸出信號波形電視型成像器件小結：1.電視制式：掃描、行、幀、場3.CCD成像器件：單元結構、轉移、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－－簡稱CMOSCMOS數(shù)碼相機用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉換器、存儲器、數(shù)字信號處理器和計算機接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件

結構簡單

處理功能多

成品率高

價格低廉

成像質量差

像敏單元尺寸小

填充率低

響應速度慢1.CMOS成像器件單元結構:被動像敏單元結構(無源結構）主動像敏單元結構（有源結構）7.3.2CMOS圖像傳感器1.CMOS成像器件單元結構:被動像敏單元結構(無源結構）7.3.2CMOS圖像傳感器由一個光電二極管和一個選址開關組成當?shù)刂烽_關選通時，光電二極管中由于光照產(chǎn)生的相應電荷就傳送到了列選擇線下端的大器將該信號轉化為電壓輸出；光電二極管中產(chǎn)生的電荷與光信號成一定的比例關系；無源像素單元PPS結構簡單，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成像器件單元結構:主動像敏單元結構(有源結構）7.3.2CMOS圖像傳感器每個像敏單元都經(jīng)過放大后，才傳輸，所以噪聲大為降低，圖像信號的信噪比顯著提高。當復位脈沖到來時，T1導通，光敏二極管被瞬時復位；而當復位脈沖消失后，T1截止，光敏二極管開始積分光信號。T2為源極跟隨器，它將光電二極管的高阻抗輸出信號進行電流放大。T3用做選址模擬開關，當選通脈沖到來時，T3導通，使被放大的光電信號輸送到列總線上。2.CMOS成像器件結構:信號讀出采用X－Y尋址方式，具有讀出任意局部畫面的能力7.3