光電成像器件課件

光電成像器件光電成像器件光電成像器件第一節(jié)、概述光電成像器件光電成像器件光電成像器件第一節(jié)、概述1第一節(jié)、概述第一節(jié)、概述21、光譜響應光電成像器件的光譜響應取決于光電轉換材料的光譜響應，其短波限有時受窗口材料的吸收特性影響。在選用光電成像器件時，應當考慮器件的光譜響應與被測景物輻射光譜的匹配。一、光電成像器件的基本特性1、光譜響應光電成像器件的光譜響應取決于光電轉換32、轉換特性光電成像器件的輸出物理量與相對應的輸入物理量的比值關系稱為轉換特性。轉換特性的參量有靈敏度（或響應度）、轉換系數(shù)及亮度增益等。⑴像管的輸入量有輻射和光度兩種度量單位，輸出量常為光度量單位，它們的轉換特性常用轉換系數(shù)C表示：2、轉換特性光電成像器件的輸出物理量與相對應4⑵像增強管的輸入量和輸出量常常采用光度量單位，它們的轉換特性常用亮度轉換增益GL表示，它的定義為：像管熒光屏的光出射度與照射在光電陰極面上的光照度之比，即：⑵像增強管的輸入量和輸出量常常采用光度量5⑶攝像器件的輸入量為輻射量和光度量，輸出量為信號電流（或電壓），因此，攝像器件的靈敏度單位較多。①若攝像器件的輸入量為輻射照度或輻射通量，則靈敏度為：②若攝像器件的輸入量為光照度或光通量，則靈敏度為：⑶攝像器件的輸入量為輻射量和光度量，輸出6為了保證攝像器件的光電轉換特性為線性，希望器件的靈敏度S在一定范圍內為一恒定值。對于光電發(fā)射式或硅靶及CCD攝像器件，其光電轉換的線性關系是較好的。

為了保證攝像器件的光電轉換特性為線性，希73、分辨率分辨率是衡量成像器件與成像系統(tǒng)優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。分辨率是用來表示能夠分辨圖像中明暗細節(jié)的能力。分辨率常用兩種方式來描述：極限分辨率和調制傳遞函數(shù)。3、分辨率分辨率是衡量成像器件與成像系統(tǒng)優(yōu)劣8極限分辨率是在一定的測試條件之下定義的。當以一定性質的鑒別率圖案（有100%對比度的專門的測試卡）投射到CCD光敏面時，在輸出端觀察到的最小空間頻率（即用眼睛分辨的最細黑白條紋對數(shù)）就是該器件的極限分辨率。

⑴極限分辨率極限分辨率是在一定的測試條件之下定義的。當9各種分辨率測試卡圖片各種分辨率測試卡圖片10①變像管與像增強管的極限分辨率用每毫米線對數(shù)（lp/mm）表示。②攝像管的極限分辨率用在圖像范圍內所能分辨的等寬度黑白線條數(shù)來表示。攝像管的分辨率又有水平分辨率和垂直分辨率之分。①變像管與像增強管的極限分辨率用每毫米線對11優(yōu)點：極限分辨率的表示方法有專門的測試卡測量而使用方便。缺點：極限分辨率的表示方法不客觀科學。其原因是因為：

①每個人的視覺不一樣，觀測值帶有主觀性；

②測試卡的對比度與幾何尺寸以及觀測時的照度不一樣，觀測的結果也會有不同。如當被攝圖像對比度低于30%時，觀測的分辨率值就會明顯下降；

③觀測的分辨率值是系統(tǒng)的總體特性，而不能分攤到各個部件上。優(yōu)點：極限分辨率的表示方法有專門的測試卡測量而使用方便。缺12⑵調制傳遞函數(shù)調制傳遞函數(shù)是光學系統(tǒng)傳遞對比度的能力。是輸出調制度與輸入調制度之比的百分數(shù)。或者說調制傳遞函數(shù)是調制度與空間頻率的關系。當輸入正弦光波（即一個確定的空間頻率的物象投射在CCD上）時，CCD的輸出也將是隨時間變化的一種正弦波，設波峰為A，波谷為B，則調制傳遞函數(shù)為：⑵調制傳遞函數(shù)調制傳遞函數(shù)是光學系統(tǒng)傳遞對比度13圖象在傳送過程中，調制度M是隨空間頻率的增大而減小的。如果把調制度的損失程度以百分數(shù)表示（以零頻時的調制度為100%），則調制度與空間頻率的關系曲線，就是調制傳遞函數(shù)。MTF能夠用儀器測量，因此它能客觀地表示器件對不同空間頻率目標的傳遞能力。調制傳遞函數(shù)曲線圖象在傳送過程中，調制度M是隨空間頻率的增大而減小的14它廣泛應用于夜視技術、電視技術、工件的圖象測量、精密零件的微小尺寸測量、產品外觀檢測、應力應變場分析、機器人視覺、交通管理與指揮、定位、跟蹤遙感、遙測技術和監(jiān)控工程等，成為現(xiàn)代科學技術的重要組成部分。二、光電成像器件的應用它廣泛應用于夜視技術、電視技術、工件的圖象測15第二節(jié)、光電成像原理一、光電成像原理景物→光學成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號│攝像部分│傳送→同步掃描→視頻調輝→圖像再現(xiàn)│顯像部分│第二節(jié)、光電成像原理一、光電成像原理景物→光學成像→光電變換16⑴光學成像：光學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圖像。⑵光電變換：光學成像器件將二維光學圖像轉變成二維“電氣”圖像的工作。

景物→光學成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號│攝像部分│⑴光學成像：光學物鏡將景物所反射出來的光成像到光電17景物→光學成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號│攝像部分│⑶圖像分割：“電氣”圖像的電氣量在二維空間的分布與光學圖像的光強分布保持著線性對應關系。組成一幅圖像的最小單元稱作像素，像素單元的大小或一幅圖像所含像素數(shù)決定了圖像的清晰度。像素數(shù)愈多，或像素幾何尺寸愈小，反映圖像的細節(jié)愈強，圖像愈清晰，圖像質量愈高。這就是圖像分割。景物→光學成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號18景物→光學成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號│攝像部分│⑷同步掃描：按著一定的規(guī)律將所分割的電氣圖像轉變成一維時序信號，即將電氣圖像從左向右，又從上向下的規(guī)律輸出即為掃描。從左向右的掃描稱為行掃描，從上向下的掃描稱為場掃描。為了保證圖像中的任意一點的信息能夠穩(wěn)定的顯示在熒光屏的某一確定點上，在進行、場掃描時還必須給出同步控制信號，常稱為行、場同步脈沖。景物→光學成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號19⑸視頻信號：由于監(jiān)視器的顯象管幾乎都是利用電子束掃描熒光屏，熒光屏又具有一定的余輝效應，便可在顯象管上獲得可供觀察的圖像。行掃描：電子束在屏幕水平方向的掃描（從左到右的掃描稱為正程，從右向左的掃描稱為逆程）。

幀掃描（場掃描）：電子束在垂直方向的掃描（從上到下的掃描為正程，從下到上的掃描為逆程）。景物→光學成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號│攝像部分│傳送→同步掃描→視頻調輝→圖像再現(xiàn)│顯像部分│⑸視頻信號：由于監(jiān)視器的顯象管幾乎都是利用電子束掃20目前，世界上主要使用的電視廣播制式有PAL（正交平衡調幅逐行倒相制）、NTSC（正交平衡調幅制）、SECAM（行輪換調頻制）三種。如中國、德國、英國及其它一些西北歐國家使用PAL制式。日本、韓國等東南地區(qū)及美國、加拿大等國家使用NTSC制式。法國、俄羅斯及一些東歐國家則使用SECAM制式。二、電視制式目前，世界上主要使用的電視廣播制式有PAL（21影響電視系統(tǒng)性能的因素：電視畫面的寬高比、幀頻、場頻、行頻等等。1、電視系統(tǒng)的寬高比電視屏幕上顯示出來的圖像寬度W和圖像高度H之比稱為圖像的寬高比，用α表示。早期電視選用了電影畫面的寬高比(4:3)：當觀察者坐在影院中心位置與銀屏保持適當?shù)木嚯x，當畫面的寬高比為4:3時，多數(shù)觀眾看電影時頭不需要擺動，眼球也不需要上下或左右轉動，感到輕松、舒適。影響電視系統(tǒng)性能的因素：電視畫面的寬高比、幀22電腦及普通電視信號的寬高比為是4:3。電影及DVD和高清晰度電視的寬高比是16:9。當輸入源圖像的寬高比與顯示設備支持的寬高比不一樣時，就會有畫面變形和缺失的情況出現(xiàn)。

16:9的圖像在4:3屏幕上顯示時有3種方式：第一種是變形方式，在水平充滿的情況下，垂直拉長，直到充滿屏幕，這樣圖像看起來比原來瘦；第二種方式是字符框-A方式，16:9的圖像保持其不失真，但在屏幕上下各留下一條黑條；第三種方式是字符框-B方式，是前兩種方式的折中，水平方向兩側各超出屏幕一部分，垂直上下黑條也比第二種窄一些，圖像的寬高比為14:9。目前的家用投影機為了迎合家庭影院的需求，通常屏幕寬高比為16:9。電腦及普通電視信號的寬高比為是4:3。232、幀頻與場頻

幀頻：也稱刷新頻率，是每秒鐘電視屏幕變化的數(shù)目，即電視圖像的重復頻率。電視熒光屏上的掃描頻率（即幀頻）有30Hz和25Hz兩種，即電視每秒鐘可傳送30幀或25幀圖像，30Hz和25Hz分別與相應國家電源的頻率一致。2、幀頻與場頻幀頻：也稱刷新頻率，是每秒鐘電視24由于受信號帶寬的限制，電視采用隔行掃描的方式滿足這一要求。每幀分兩場掃描，每個場消隱期間熒光屏不發(fā)光，于是熒屏亮度每秒閃爍50次（25幀）和60次（30幀）。這就是電影和電視幀頻不同的歷史原因。但是電影的標準(48次24幀）在世界上是統(tǒng)一的。紅為奇數(shù)場，藍為偶數(shù)場由于受信號帶寬的限制，電視采用隔行掃描的方式滿足這一25現(xiàn)在，隨著器件的發(fā)展，逐行系統(tǒng)也就應運而生了，因為它的一幅畫面不需要第二次掃描，所以場的概念也就可以忽略了，同樣是在單位時間內完成的事情，由于沒有時間的滯后及插補的偏差，逐行的質量要好得多，這就是大家要求棄場的原因了，當然代價是，要求硬件（如電視）有雙倍的帶寬，和線性更加優(yōu)良的器件，如行場鋸齒波發(fā)生器及功率輸出級部件，其特征頻率必然至少要增加一倍。當然，由于逐行生成的信號源（碟片）具有先天優(yōu)勢，所以同為隔行的電視播放，效果也是有顯著的差異的?，F(xiàn)在，隨著器件的發(fā)展，逐行系統(tǒng)也就應運而生263、掃描行數(shù)與行頻確定掃描行數(shù)，實際上就是確定電子束在水平方向上的掃描速度Vhf，因為在場頻一定的情況下，行數(shù)越多，掃描速度就需要越快。由于圖像信號的低頻分量可以接近于零頻，所以電視系統(tǒng)中直接用視頻信號的上限頻率fB來代表視頻帶寬。因此所傳送圖像的視頻帶寬與行數(shù)(掃描速度)之間需要折衷。選擇時，應兼顧到圖像的清晰度和電視設備的成本。3、掃描行數(shù)與行頻確定掃描行數(shù)，實際上就是確27習題5-1一、填空題1、光電成像器件包括（）（）。2、掃描型光電成像器件又稱（）。3、分辨率是用來表示能夠分辨圖像中明暗細節(jié)的能力。分辨率常用兩種方式來描述（）分辨率和（）函數(shù)。習題5-1一、填空題28第三節(jié)、真空攝像管

按結構分，常把有移象區(qū)的攝象管稱為光電發(fā)射式攝象管，它的光電變換部分和光信息存儲部分是由兩部分來完成的，彼此分離，總稱為移象區(qū)。把沒有移象區(qū)的攝象管稱為光電導式攝象管或視象管，它的兩部分功能全由一個靶來完成。一、定義：能夠輸出視頻信號的一類真空光電管稱為攝象管。二、分類：第三節(jié)、真空攝像管按結構分，常把有移象區(qū)的攝象29⑴電子槍部分二者基本相同。⑵光電發(fā)射式攝象管的光電變換部分和光信息存儲部分是由兩部分來完成的。光電導式攝象管光電變換部分和光信息存儲部分是由一個靶來完成的。⑶光電發(fā)射式攝象管歷史最早，信號質量也最高，但體積大，結構復雜，調整麻煩，所以目前除特殊場合（微光攝象領域）外一般用得較少。光電導式攝象管比前者體積小，結構簡單，信號質量有的也接近于前者，所以電視領域中用得較為普遍。攝象管示意圖光電發(fā)射式攝象管和光電導式攝象管的比較發(fā)射式攝象管

光電導式攝象管⑴電子槍部分二者基本相同。攝象管示意圖光電發(fā)射30三、氧化鉛視像管的結構它是由光電導靶、掃描電子槍和管體組成。靶是視像管的光電轉換元件。它安置在入射窗的內表面上，光學圖像直接投射在靶面上。三、氧化鉛視像管的結構它是由光電導靶、掃描電子槍31窗口玻璃內壁是一層極薄的二氧化錫（SnO2）透明導電膜，稱為信號板。接著就是PbO靶，靶的成象面一邊為N-PbO，掃描面一邊為P-PbO，兩者之間夾著一層（相對）很厚的本征氧化鉛I-PbO，因而具有PIN結構。1、靶的結構窗口玻璃內壁是一層極薄的二氧化錫（SnO2）透明32工作時，信號板通過負載和靶電源的正極相接，電子槍的熱陰極接地，當掃描電子束掃描靶面時，相當于對PIN進行反偏置。靶電源電壓約45V左右。由于本征層的電阻率高，所以外加的反偏電壓主要是施加在本征層上。

2、工作原理工作時，信號板通過負載和靶電源的正極相接，電子33當攝像管有光學圖像輸入時，則入射光子打到靶上。由于本征層占有靶厚的絕大部分，入射光子的大部分被本征層吸收，產生光生載流子。強電場的作用下，光生載流子被內電場拉開，電子拉向N區(qū)，空穴拉向P區(qū)。其結果，在一幀的時間內，在靶面上便獲得了與輸入圖像光照分布相對應的電位分布，完成了圖像變換和記錄的過程。

氧化鉛攝像管的閱讀同樣是由掃描電子槍來實現(xiàn)。當掃描電子束掃描某個像元時，電子束將中和該像元的空穴形成電流，便在輸出電阻上產生視頻信號輸出。當攝像管有光學圖像輸入時，則入射光子打到靶上。由34

攝象管輸出的光電流與入射的光照度之間的函數(shù)關系。常表示為

其中Ip：光電流;E：照度;γ：光照指數(shù);k：比例系數(shù)四、攝像管的性能參數(shù)1、光電轉換特性

攝象管輸出的光電流與入射的光照度之間的函數(shù)關系。四352、時間響應特性

攝象管的光電流輸出滯后于光信息輸入的一種現(xiàn)象。攝像管輸入光照度突然截止后，取其第三場衰減的輸出信號電流占未截止光照時的輸出電流的百分比值來表示攝像管滯后特性的指標。這里所說的場，是指電視場，按我國的電視制式，場周期為20ms，三場后殘余信號的百分比，即光信息變化60ms后的輸出電信號，對于60ms前原輸出電信號的百分比。2、時間響應特性

攝象管的光電流輸出滯后于光信息363、動態(tài)范圍

攝象管的動態(tài)范圍取決于攝像管的暗電流及其飽和電流。暗電流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輸入照度。最高輸入照度與最低輸入照度之差稱為該攝像管的動態(tài)范圍。3、動態(tài)范圍

攝象管的動態(tài)范圍取決于攝像管37第四節(jié)、電荷耦合器件電荷耦合器件的突出特點是以電荷作為信號，其基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移。CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產生、存儲、傳輸、檢測。

第四節(jié)、電荷耦合器件電荷耦合器件的突出特點381、電荷存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏敚@類器件稱為表面溝道CCD(簡稱SCCD)。2、電荷存儲在離半導體表面一定深度的體內，并在半導體體內沿一定方向傳輸。這類器件稱為體溝道或埋溝道器件(簡稱BCCD)。CCD有兩種基本類型：1、電荷存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?，這類器39CCD單元部分，就是一個由金屬-氧化物-半導體組成的電容器，簡稱MOS結構。柵極加電壓之前，P型半導體的載流子的分布是均勻的。一、CCD單元結構CCD單元部分，就是一個由金屬-氧化物-半導體組成的40二、電荷存儲⑴如果襯底接地，給柵極加一個正的電壓UG(UG<Uth時)，則金屬極板和襯底之間就會產生一個電場(也稱表面勢)。這個電場就要迫使半導體表面部分的空穴離開表面入地，從而在表面附近形成一個帶負電荷的耗盡區(qū)，這個耗盡區(qū)也稱為表面勢阱。表面勢阱的深度，近似地與極板上所加的電壓成正比。二、電荷存儲⑴如果襯底接地，給柵極加一個正的電壓U41⑵當UG>Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢（表面勢Φs）變高，以至于將半導體內的電子吸引到表面，形成一層極薄的但電荷濃度很高的反型層。反型層電荷的存在表明了MOS結構存儲電荷的功能。

⑵當UG>Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢（表面42⑶當柵極電壓由零突變到高于閾值電壓時，雜質半導體中的少數(shù)載流子比較少，不能立即建立反型層。在此情況下，耗盡層將進一步向體內延伸，而且，柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)上。如果隨后可獲得少數(shù)載流子，那么耗盡區(qū)將收縮，表面勢下降。當提供足夠的少數(shù)載流子時，表面勢可降低到半導體材料費米能級的兩倍。極板上的正電荷總量恒等于勢阱中自由電荷加上負離子的總和。⑶當柵極電壓由零突變到高于閾值電壓時，雜質半導體中的少43形成反型層之前表面勢、柵極電壓、絕緣層的厚度關系形成反型層之前表面勢、柵極電壓、絕緣層的厚度關系44表面勢、反型層電荷密度、絕緣層的厚度關系表面勢、反型層電荷密度、絕緣層的厚度關系45⑷如果以某種方式（電注入或光注入）向勢阱中注入電子，則這些電子將要聚集于表面附近，稱為電荷包。因為每個CCD單元都是一個電容器，所以它能儲存電荷。每個極板下的勢阱中所能儲存的最大信息電荷量Q為Cox：MOS的電容容量；A：柵極電極的面積；UG：柵極電壓⑷如果以某種方式（電注入或光注入）向勢阱中注入電子，則46

CCD中電荷包的轉移是由各極板下面的勢阱不對稱和勢阱耦合引起的。三、電荷轉移CCD中電荷包的轉移是由各極板下面的勢阱不對稱和勢47通過將一定規(guī)則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導體表面按一定方向移動。通常把CCD電極分為幾組，并施加同樣的時鐘脈沖。CCD的內部結構決定了使其正常工作所需的相數(shù)。

CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個電極轉移道相鄰電極下。如果電極間隙比較大，兩相鄰電極間的勢阱將被勢壘隔開，不能合并，電荷也不能轉移，CCD就不能正常工作。能夠產生電荷轉移的最大電極間隙一般由具體電極結構、表面態(tài)密度等因素決定。一般要求間隙應小于3μm。通過將一定規(guī)則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下48三相CCD的電荷包轉移過程將線陣列各極板分為三組，然后分別加以相位不同的時鐘脈沖驅動，這即是所謂的三相CCD。這時，由于同一時刻三相脈沖的電平不同，各極板下面所造成的勢阱深度也就不同。從而電荷包就要沿著表面從電勢能高的地方向電勢能低的地方流動。三相CCD的電荷包轉移過程三相CCD的電荷包轉移過程將線陣列各極板分為三組，然后49以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡稱N型CCD。以空穴為信號電荷的CCD稱為P型溝道CCD，簡稱P型CCD。

由于電子的遷移率遠大于空穴的遷移率，因此N型CCD的工作頻率比P型CCD的工作頻率高得多。以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD，501、電荷的注入電荷的注入有兩大類：電注入和光注入。⑴光注入：當光照射CCD硅片時，在柵極附近的半導體體內產生電子－空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。四、電荷的注入與檢測1、電荷的注入電荷的注入有兩大類：電注入和51⑵電注入：CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，將信號電壓或電流轉換為信號電荷。P⑵電注入：CCD通過輸入結構對信號電壓或電522、電荷的檢測CCD電荷包輸出機構的形式很多，其中最簡單的是利用二極管的輸出機構。⑴電流輸出：2、電荷的檢測CCD電荷包輸出機構的形式很多，其中53

圖中，與φ1φ2φ3相連的電極稱為柵極，與OG相連的電極稱為輸出柵，輸出柵的右邊就是輸出二極管。輸出柵和其它柵極一樣，加正電壓時，它下面的半導體表面也產生勢阱。它的勢阱介于φ3的勢阱和輸出二極管耗盡區(qū)之間，能夠把二者連通起來，因此可以通過改變OG上所加的電壓來控制它下面的通道。例如，電荷包已由φ2轉入φ3，當φ3下的勢阱由深變淺的同時，OG下的勢阱正好也比較深，這時φ3勢阱中的電荷包就能夠通過OG下的勢阱流入輸出二極管的耗盡區(qū)。

圖中，與φ1φ2φ3相連的電極稱為柵極，與OG相連54

因輸出二極管是反偏置的，內部有很強的自建電場，因此電荷包一進入二極管的耗盡區(qū)，即可被迅速地拉走，成為輸出回路的電子流。因此，在沒有電荷包輸出時，a點為高電平，而有電荷包輸出時，因為電子流通過負載電阻要產生電壓降，a點則為低電平，a點電壓降低的程度正比于電荷包所攜帶的電量，所以這個電壓變化即是輸出信號。

因輸出二極管是反偏置的，內部有很強的自建電場，因55⑵浮置擴散放大器輸出：⑵浮置擴散放大器輸出：56圖中，V1為復位管，R1為限流電阻，V2為輸出管，RL為負載電阻，C為等效電容。電荷包輸出前，要先給V1的柵極加一窄的復位脈沖φR，這時，V1導通，C被充電到電源電壓，V2管的源極S2的電壓也跟隨上升接近于電源電壓。φR變?yōu)榈碗娖揭院?，V1截止，但V2在柵極電壓的控制下仍為導通狀態(tài)。當電荷包經過輸出柵OG流過來時，C被放電，V2的源極電壓也跟隨下降，下降的程度則正比于電荷包所攜帶的電量，即構成輸出信號。圖中，V1為復位管，R1為限流電阻，V2為輸出管，R571、轉移效率η和轉移損失率ε⑴電荷包從一個勢阱向另一個勢阱中轉移，不是立即的和全部的，而是有一個過程。為了描述電荷包轉移的不完全性，引入轉移效率的概念。在一定的時鐘脈沖驅動下，設電荷包的原電量為Q(0)，在時間t時，大多數(shù)電荷在電場的作用下向下一個電極轉移，但總有一小部分電荷某種原因留在該電極下，若被留下來的電荷為Q(t)，則轉移效率η定義為

五、CCD的特性參數(shù)1、轉移效率η和轉移損失率ε⑴電荷包從一個勢阱向另58⑵

轉移損失率定義為殘留于原勢阱中的電量與原電量之比，即則轉移效率和轉移損失率之間的關系為η=1-ε如果線陣列CCD共有n個極板，則總轉換效率為ηn，輸出端的電荷為⑵轉移損失率定義為殘留于原勢阱中的電量與原電量之比，59

⑴引起電荷包轉移不完全的主要原因是表面態(tài)對電子的俘獲和時鐘頻率過高。⑵所以表面溝道CCD在使用時，為了減少損耗，提高轉移效率，常采用偏置電荷技術，即在接收信息電荷之前，就先給每個勢阱都輸入一定量的背景電荷，使表面態(tài)填滿。這樣，即使是零信息，勢阱中也有一定量的電荷。因此，也稱這種技術為“胖零（fatzero）”技術。⑶體內溝道CCD采取體內溝道的傳輸形式，有效避免了表面態(tài)俘獲，提高了轉移效率和速度。提高轉移效率的方法

⑴引起電荷包轉移不完全的主要原因是表面態(tài)對電子602、工作頻率CCD是利用極板下半導體表面勢阱的變化來儲存和轉移信息電荷的，所以它必須工作于非熱平衡態(tài)。時鐘頻率過低，熱生載流子就會混入到信息電荷包中去而引起失真。時鐘頻率過高，電荷包來不及完全轉移，勢阱形狀就變了，這樣，殘留于原勢阱中的電荷就必然多，損耗率就必然大。因此，使用時，對時種頻率的上、下限要有一個大致的估計。2、工作頻率CCD是利用極板下半導體表面勢阱的變化61

為了避免由于熱平衡載流子的干擾，注入電荷從一個電極轉移到另一個電極所用的時間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命τ（一般為毫秒量級）即對于三相CCD，電荷包從前一個勢阱轉移到后一個勢阱所需的時間為T/3，所以

⑴時鐘頻率的下限f下

為了避免由于熱平衡載流子的干擾，注入電荷從一個電62

當時鐘頻率過高時，若電荷本身從一個電極轉移到另一個電極所需的時間t大于時鐘脈沖使其轉移的時間T/3，那么，信號電荷跟不上驅動脈沖的變化，轉移效率大大下降。f上決定于電荷包轉移的損耗率ε，就是說，電荷包的轉移要有足夠的時間，電荷包轉移所需的時間應使之小于所允許的值。⑵時鐘頻率的上限f上

當時鐘頻率過高時，若電荷本身從一個電極轉移到另63現(xiàn)在固件攝象器件中的感光元件都是用半導體硅材料來作的，所以靈敏范圍為0.4μm～1.15μm左右，但光譜特性曲線不象單個硅光電二極管那么銳利，峰值波長為0.65μm～0.9μm左右。3、光譜特性和光電特性在低照度下，CCD的輸出電壓與照度有良好的線性關系。照度超過1001x以后，輸出有飽和現(xiàn)象。現(xiàn)在固件攝象器件中的感光元件都是用半導體硅材料來作的641、工作原理電荷耦合攝像器件是用于攝像或像敏的器件，簡稱ICCD。它的功能是把二維光學圖像信號轉變成一維時序的視頻信號輸出。

它的工作原理是用光學成像系統(tǒng)將景物圖像成像在CCD的像敏面上，像敏面將照在每一像敏單元上的圖像照度信號轉變?yōu)樯贁?shù)載流子數(shù)密度信號存儲于像敏單元中。然后，再轉移到CCD的移位寄存器（轉移電極下的勢阱）中，在驅動脈沖的作用下有順序地移出器件，成為視頻信號。六、電荷耦合攝像器件1、工作原理電荷耦合攝像器件是用于攝像或像敏的器件65實用固體攝象器件都是在一塊硅片上同時制作出光電二極管陣列和CCD移位寄存器兩部分。光電二極管陣列專門用來完成光電變換和光積分，CCD移位寄存器專門用來完成光生電荷轉移。因為這種轉移不是借助于外來的掃描，而是依靠驅動脈沖來完成的，故也稱為自掃描。根據光敏象素的排列方式，CCD攝象器件分為線陣列和面陣列兩大類。線型器件可以直接接受一維光信息，而不能直接將二維圖像轉變?yōu)橐曨l信號輸出。為了得到整個二維圖像的視頻信號，就必須用掃描的方式來實現(xiàn)。實用固體攝象器件都是在一塊硅片上同時制作出光電二極66⑴線型CCD攝像器件：

特點：單側傳輸?shù)奶攸c是結構簡單，但電荷包轉移所經過的極板數(shù)多，傳輸效率低。雙側傳輸?shù)奶攸c是結構復雜一些，但電荷包轉移所經過的極板數(shù)只是單側傳輸?shù)囊话?，所以損耗小，傳輸效率高。一般光敏元位數(shù)少的片子，多采用單側傳輸結構，而位數(shù)多的片子，則多采用雙側傳輸結構。

結構種類：對于線陣列CCD攝象器件來說，不論是三相的還是二相的，都有單側傳輸和雙側傳輸兩種結構形式。⑴線型CCD攝像器件：特點：單側傳輸?shù)奶攸c是結構簡67工作過程：①光電二極管陣列和CCD移位寄存器統(tǒng)一集成在一塊半導體硅片上，分別由不同的脈沖驅動。設襯底為P－Si，光電二極管陣列中各單元彼此被SiO2隔離開，排成一行，每個光電二極管即為一個象素。各光電二極管的光電變換作用和光生電荷的存儲作用，與分立元件時的原理相同。工作過程：①光電二極管陣列和CCD移位寄存器統(tǒng)一集68如圖中φp（行掃描電壓）為高電平時，各光電二極管為反偏置，光生的電子空穴對中的空穴被PN結的內電場推斥，通過襯底入地，而電子則積存于PN結的耗盡區(qū)中。在入射光的持續(xù)照射下，內電場的分離作用也在持續(xù)地進行，從而即可得到光生電荷的積累。如圖中φp（行掃描電壓）為高電平時，各光電二極管為反69

②轉移柵（φx）由鋁條或多晶硅構成，轉移柵接低電平時，在它下面的襯底中將形成高勢壘，使光電二極管陣列與CCD移位寄存器彼此隔離。轉移柵接高電平時，它下面襯底中的勢壘被拆除，成為光生電荷（電荷包）流入CCD的通道。這時，電荷包并行地流入CCD移位寄存器，接著，在驅動脈沖的作用下，電荷包按著它在CCD中的空間順序，通過輸出機構串行地轉移出去。

②轉移柵（φx）由鋁條或多晶硅構成，轉移柵接低電平時70

③對于二相CCD，時鐘電壓波形，每變化T/2，電荷包將轉移過一個極板，變化一個周期，則轉移過二個極板。因為二相CCD是二個極板對應著一個光敏元，所以時鐘波形變化一個周期，電荷包所轉移過的空間距離也是一個光敏元的中心距。對于三相CCD，時鐘電壓波形每變化T/3周期，電荷包就要轉移過一個極板，每變化一個周期，即轉移過三個極板，時鐘電壓波形變化一個周期，電荷包所轉移過的空間距離，正好是一個光敏元的中心距。這就是線陣列固體攝象器件大致的工作過程。

③對于二相CCD，時鐘電壓波形，每變化T/2，電荷包71⑵面型CCD攝像器件：二維固體攝象器件中，電荷包轉移情況與線陣列器件類似，只是它的形式較多。有的結構簡單，但攝象質量不好，有的攝象質量好些，但驅動電路復雜，目前比較常用的形式是幀轉移結構。⑵面型CCD攝像器件：二維固體攝象器件中，電荷包轉移72光敏區(qū)是由光敏CCD陣列構成的，其作用是光電變換和在自掃描正程時間內進行光積分，暫存區(qū)是由遮光的CCD構成的，它的位數(shù)和光敏區(qū)一一對應，其作用是在自掃描逆程時間內，迅速地將光敏區(qū)里整幀的電荷包轉移到它里面暫存起來。然后，光敏區(qū)開始進行第二幀的光積分，而暫存區(qū)則利用這個時間，將電荷包一次一行地轉移給CCD移位寄存器，變?yōu)榇行盘栞敵?。當CCD移位寄存器將其中的電荷包輸出完了以后，暫存區(qū)里的電荷包再向下移動一行給CCD移位寄存器。當暫存區(qū)中的電荷包全部轉移完畢后，再進行第二幀轉移。光敏區(qū)是由光敏CCD陣列構成的，其作用是光電變換和在自732、ICCD的基本特性參數(shù)

ICCD中，電荷包是由入射光子被硅襯底吸收所產生的少數(shù)載流子形成的。它有良好的轉換特性，它的光電轉換因子可達到99.7％。⑴光電轉換特性⑵光譜響應

ICCD接受光的方式由兩種：正面照射和背面照射。正面照射時由于電極的反射和散射作用，其光譜靈敏度較低。所以常用背面照射方式,它的光譜響應范圍為0.4～1.1μm,平均量子效率為25％，絕對響應為0.1～0.2A·W-1。2、ICCD的基本特性參數(shù)

ICCD中，電荷包是74⑶動態(tài)范圍

動態(tài)范圍由勢阱的最大電荷存儲量與噪聲電荷量之比決定。勢阱的最大電荷存儲量與電極的面積成正比，與柵極電壓成正比，與單位面積的氧化層電容成正比。噪聲的來源有電荷注入噪聲、電荷轉移噪聲、檢測時產生的噪聲等等。⑷暗電流

沒有光照或其它方式對器件進行電荷注入的情況下，器件存在暗電流。它是判斷一個攝像器件好壞的重要標志。⑸分辨率

它是圖像傳感器的重要特性，常用調制傳遞函數(shù)來評價。⑶動態(tài)范圍

動態(tài)范圍由勢阱的最大電荷存儲量與噪聲75二、簡答題1、以三相CCD為例具體研究一下CCC電荷包的轉移過程。2、為什么CCD必須在動態(tài)下工作？其驅動脈沖的上、下限頻率受哪些條件限制，應如何估算？3、簡述線陣列固體攝象器件大致的工作過程。一、概念題:1、轉移效率2、轉移損失率習題5-2二、簡答題一、概念題:習題5-276三、分析題分析浮置擴散放大器輸出的工作原理。

三、分析題77第五節(jié)、變像管和像增強管

象管是變象管和圖象增強管的統(tǒng)稱。變象管是指能夠把不可見光圖象變?yōu)榭梢姽鈭D象的真空光電管。圖象增強管是指能夠把亮度很低的光學圖象變?yōu)橛凶銐蛄炼葓D象的真空光電管。第五節(jié)、變像管和像增強管象管是變象管和圖象增78象管有三個基本部分：

光電變換部分，即光電陰極；

電子光學部分，即電子透鏡；

電光變換部分，即熒光屏。一、典型結構與工作原理象管有三個基本部分：一、典型結構與工作原理79⑴目標物所發(fā)出的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的像，引起光電發(fā)射。陰極面每一點發(fā)射的電子數(shù)密度正比于該點的輻射照度。這樣，光陰極將光學圖像轉變?yōu)殡娮訑?shù)密度圖像。⑵加有正高壓的陽極形成很強的靜電場，合理的安排陽極的位置和形狀，讓它對電子密度圖像起到電子透鏡的作用，使陰極發(fā)出的光電子聚焦成像在熒光屏上。它還使光電陰極發(fā)射出來的光電子圖象，在保持相對分布不變的情況下進行加速。⑶熒光屏在一定速度的電子轟擊下發(fā)出可見的熒光，這樣，在熒光屏上便可得到目標物的可見圖像。⑴目標物所發(fā)出的某波長范圍的輻射通過物鏡在半80

變像管還是像增強管取決于陰極材料。如果陰極材料對紅外或紫外光線敏感，則它就是變像管；如果它只對微弱的可見光敏感，則它就是像增強管。⑴它們都是通過兩次變換得到可見圖像的。都屬于非掃描的光電成像器件。⑵它們都具有圖像增強的作用，實現(xiàn)圖像增強一般有兩種方法：增強電子圖像密度和增強電子的動能。

增強電子圖像密度，一般利用二次電子發(fā)射來實現(xiàn)；

增強電子動能，用增強電場或磁場的方法。變像管還是像增強管取決于陰極材料。如果陰極材81二、性能參數(shù)1、光電陰極靈敏度光電陰極性能的好壞直接對管子的工作特性有很大的影響。⑴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關系決定了管子的光譜響應。⑵光陰極的暗電流和量子效率決定了像的對比度和最大信噪比，對比度和信噪比又決定了照度最低情況下的分辨率。二、性能參數(shù)1、光電陰極靈敏度光電陰極性能的822、放大率和畸變

熒光屏上像點到光軸的距離H`與陰極面上對應點到光軸距離H之比稱為變像管點所在環(huán)帶的放大率β。由于存在著畸變，陰極面上的各環(huán)帶的放大率數(shù)值不相等，軸上（或近軸）放大率稱為理想放大率β0。⑴若放大率隨離軸距離H的增加而增大的畸變稱為枕形畸變。⑵若放大率隨離軸距離H的增加而減小的畸變稱為桶形畸變。2、放大率和畸變熒光屏上像點到光軸的距離H`833、亮度轉換增益設從光陰極發(fā)出的光電子能全部到達熒光屏，光陰極面接收的輻射通量為φ，輻射照度為E，在額定陽極電壓UA下，變像管熒光屏的光出射度MV，則變像管的亮度轉換增益為：3、亮度轉換增益設從光陰極發(fā)出的光電子能全部844、分辯率一般指在照度足夠的情況下（以100勒克斯為宜），通過像管所剛剛分辨出的黑白條紋數(shù)目。5、暗背景亮度在無光照射下，光陰極產生的暗電流在陽極電場的作用下轟擊熒光屏使之發(fā)光，這時熒光屏的亮度稱之為暗背景亮度。4、分辯率一般指在照度足夠的情況下（以100856、觀察靈敏閾在極限觀察的情況下，光電陰極面的極限照度E稱為觀察靈敏閾。通常