光电检测成像器件PPT讲稿.ppt

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1、光电检测成像器件第1页，共65页，编辑于2022年，星期四1转换系数转换系数(增益增益)L：光电成像器件在法线方向输出的亮度：光电成像器件在法线方向输出的亮度E：输入光电成像器件的辐照度：输入光电成像器件的辐照度2.光电灵敏度（响应度）光电灵敏度（响应度）二、光电成像器件的特性3时间响应特性时间响应特性 光电成像器件的惰性来源于光电导效应的滞后和光电成像器件的惰性来源于光电导效应的滞后和电容效应的滞后。电容效应的滞后。在提取动态信号时，摄像管的光电流输出滞后于输在提取动态信号时，摄像管的光电流输出滞后于输入的光信号辐射，摄像管的惰性入的光信号辐射，摄像管的惰性第2页，共65页，编辑于2022年

2、，星期四n4 4 图像信号的概念图像信号的概念。图像信噪比图像信噪比 两个相邻的像元，具有不同的辐射亮度。令两个像元的辐射两个相邻的像元，具有不同的辐射亮度。令两个像元的辐射量子数分别为量子数分别为n1和和n2。两个像元的差异就代表了图像细节的信号。两个像元的差异就代表了图像细节的信号。图像信号为图像信号为 根据统计光学理论，弱光满足泊松分布，其均方根方差根据统计光学理论，弱光满足泊松分布，其均方根方差等于均值，所以有等于均值，所以有图像噪声图像噪声n5 5 图像噪声图像噪声。第3页，共65页，编辑于2022年，星期四6 6 图像分辨图像分辨力力 分辨分辨力力是以人眼做为接收器，所判定的极限分

3、辨能力。通是以人眼做为接收器，所判定的极限分辨能力。通常用光电成像常用光电成像在一定距离内能分辨的等宽黑白条纹数在一定距离内能分辨的等宽黑白条纹数来表示。来表示。直视型光电成像器件：取输入像面上直视型光电成像器件：取输入像面上每毫米每毫米所能分辨的所能分辨的等宽黑等宽黑白条纹数白条纹数表示分辨表示分辨力力。记为：。记为：lpmm-1 非直视型光电成像器件：取扫描线方向，非直视型光电成像器件：取扫描线方向，图像范围内图像范围内所能分辨的所能分辨的等宽黑白条纹数等宽黑白条纹数表示分辨表示分辨力力。简称为电视线。（。简称为电视线。（水平水平分辨力分辨力为为466线，线，垂直垂直分辨力分辨力为为400

4、线线.）第4页，共65页，编辑于2022年，星期四 把各种不可见图像把各种不可见图像(包括红外图像，紫外图像及射包括红外图像，紫外图像及射线图像线图像)转换成可见图像的器件称为转换成可见图像的器件称为变像管变像管。把强度低于视觉阈值的图像增强到可以观察程度把强度低于视觉阈值的图像增强到可以观察程度的器件称为的器件称为像增强管像增强管。变像管与变像管与像增强管统称为像增强管统称为像管，像管，三三 非扫描型像管非扫描型像管第5页，共65页，编辑于2022年，星期四1）变像管变像管光电阴极光电阴极(光敏面光敏面)、电子光学系统、电子光学系统、荧光屏荧光屏高真空管壳高真空管壳 组成。组成。工作过程：工

5、作过程：辐射图像形成在光电阴极上，光电阴极上各点产生正比辐射图像形成在光电阴极上，光电阴极上各点产生正比与入射辐射的电子发射，形成电子图像与入射辐射的电子发射，形成电子图像 电子光学系统将电子像传递到荧光屏上，在传递过程中将电子光学系统将电子像传递到荧光屏上，在传递过程中将电子像放大电子像放大 荧光屏受电子轰击发光，形成可见光图像，完成光电转换荧光屏受电子轰击发光，形成可见光图像，完成光电转换第6页，共65页，编辑于2022年，星期四对对光电阴极光电阴极要求是：要求是：具有很高的光谱响应灵敏度，具有很高的光谱响应灵敏度，热发射电流小，均匀性好热发射电流小，均匀性好。像管的光电阴极像管的光电阴极

6、S-25(Sb-Na-K-Cs)S-20(Sb-K-Na-Cs)GaAs变像管的电子光学系统变像管的电子光学系统第7页，共65页，编辑于2022年，星期四变像管的荧光屏变像管的荧光屏 像管对荧光屏的主要要求是像管对荧光屏的主要要求是：适合人眼观察的发光光谱；适合人眼观察的发光光谱；足够高的发光亮度；足够高的发光亮度；高分辨力和好的传输函数；高分辨力和好的传输函数；合适的余辉时间；合适的余辉时间；良好的机械强度、化学稳定性和热稳定性。良好的机械强度、化学稳定性和热稳定性。(Zn(ZnCd)SCd)SAgAg荧光粉荧光粉，其发光颜色为，其发光颜色为黄绿色，黄绿色，峰值波长峰值波长0.560 0.5

7、60 m m，1010余辉时间余辉时间0.050.052ms2ms。像管的荧光屏是由荧光物质像管的荧光屏是由荧光物质(粉粒粉粒)刷涂在基底上制成。它刷涂在基底上制成。它是像管中完成电光转换的部件。是像管中完成电光转换的部件。第8页，共65页，编辑于2022年，星期四2）像增强器）像增强器 通常将增强器管通常将增强器管(增像管增像管)与高压电源经灌封工艺组装成整体与高压电源经灌封工艺组装成整体的组件，称为微光像增强器，裸管为增像管或单管。的组件，称为微光像增强器，裸管为增像管或单管。微光像增微光像增强器的组强器的组成及工作成及工作原理原理输输入入图图像像输输出出图图像像光电光电阴极阴极荧光荧光屏

8、屏输入光纤板输入光纤板输出光纤板输出光纤板加速加速电极电极聚焦聚焦电极电极电子电子轨迹轨迹 像像增强器基本结构类似于变像管：光电阴极，电子光学系统，增强器基本结构类似于变像管：光电阴极，电子光学系统，电子倍增器，荧光屏电子倍增器，荧光屏第9页，共65页，编辑于2022年，星期四 对对光电阴极光电阴极要求是：要求是：具有很高的光谱响应灵敏度，具有很高的光谱响应灵敏度，热发热发射电流小，切均匀性好射电流小，切均匀性好。一种典型的一种典型的锑钾钠铯多碱锑钾钠铯多碱阴极，编号为阴极，编号为s s2020。像管的光电阴极像管的光电阴极 s s25 25（锑钠钾铯锑钠钾铯）光电阴极的光电阴极的光谱响应向红

9、外有所延光谱响应向红外有所延伸，用于第一代和第二代增像管。伸，用于第一代和第二代增像管。第三代像增强器是在二代近贴管的基础上，将第三代像增强器是在二代近贴管的基础上，将s s2525阴极置换阴极置换为为砷化镓负电子亲和势光电阴极砷化镓负电子亲和势光电阴极(GaAs NEA)(GaAs NEA)。其灵敏度几乎。其灵敏度几乎是二代光电阴极的是二代光电阴极的3 34 4倍。倍。第10页，共65页，编辑于2022年，星期四三种光电阴极的光谱响应效率曲线三种光电阴极的光谱响应效率曲线S-25(Sb-Na-K-Cs)S-20(Sb-K-Na-Cs)GaAs第11页，共65页，编辑于2022年，星期四一一代

10、代管管单单管管结结构构第12页，共65页，编辑于2022年，星期四第一代三级级联象增强管第一代三级级联象增强管第13页，共65页，编辑于2022年，星期四微通道式像增强管微通道式像增强管（二代管）（二代管）静电聚焦微通道像静电聚焦微通道像增强管。增强管。第14页，共65页，编辑于2022年，星期四光光阴阴极极微微通通道道板板荧荧光光屏屏近贴式第二代像管结构近贴式第二代像管结构第15页，共65页，编辑于2022年，星期四二代近贴管二代近贴管光阴极光阴极MCPMCP荧光屏荧光屏光纤扭曲器光纤扭曲器光纤面板光纤面板第16页，共65页，编辑于2022年，星期四微光像增强器的性能参数微光像增强器的性能参

11、数 有效光电阴极直径有效光电阴极直径 在像管输入端上与光电在像管输入端上与光电轴轴同心、能完全成像于荧光屏上的同心、能完全成像于荧光屏上的最大圆直径。最大圆直径。光通量增益光通量增益G G。用色温为用色温为2856K2856K土土50K50K的钨丝白炽灯照射像管的光电阴极，荧的钨丝白炽灯照射像管的光电阴极，荧光屏输出的光通量光屏输出的光通量出出与输入到光电阴极的光通量与输入到光电阴极的光通量入入之比为光通之比为光通量增益，即：量增益，即：有效荧光屏直径有效荧光屏直径 在像管输出端上与光电轴同心，并与有效光电阴极直在像管输出端上与光电轴同心，并与有效光电阴极直径成物像关系的圆直径。径成物像关系的

12、圆直径。第17页，共65页，编辑于2022年，星期四光亮度增益光亮度增益G GL L 荧光屏的法向输出光亮度荧光屏的法向输出光亮度L L出出与光电阴极输入光照度与光电阴极输入光照度E E之比即为光亮度增益，即：之比即为光亮度增益，即：暗背景光亮度暗背景光亮度 光电阴极无光照时，处于工作状态的像管荧光屏上的光电阴极无光照时，处于工作状态的像管荧光屏上的输出光亮度称为输出光亮度称为暗背景光亮度暗背景光亮度。Cdm-2Lx-1第18页，共65页，编辑于2022年，星期四放大率放大率 荧光屏上输出像的几何大小与光电阴极上输入像的几何大荧光屏上输出像的几何大小与光电阴极上输入像的几何大小之比。小之比。分

13、辨力分辨力 像管分辨相邻两个物点或像点的能力。像管分辨相邻两个物点或像点的能力。畸变畸变 距离光电轴中心不同位置处各点放大率不同的表征。以距离光电轴中心不同位置处各点放大率不同的表征。以该点处的放大率与中心放大率的差除以中心放大率表示该点处的放大率与中心放大率的差除以中心放大率表示第19页，共65页，编辑于2022年，星期四WJII型头盔式微光夜视仪型头盔式微光夜视仪第20页，共65页，编辑于2022年，星期四四四 扫描型摄像管扫描型摄像管 能够输出视频信号的一类真空光电管能够输出视频信号的一类真空光电管称为称为摄象管摄象管。将二维空间。将二维空间分布的光学图像转化为一维时序电信号分布的光学图

14、像转化为一维时序电信号光电发射式摄象管光电发射式摄象管光电导式摄象管光电导式摄象管R R靶靶电子束电子束电子枪电子枪R R光光电电阴阴极极靶靶电子束电子束电子枪电子枪移像区移像区第21页，共65页，编辑于2022年，星期四光电发射式摄象管光电发射式摄象管光电导式摄象管光电导式摄象管R R靶靶电子束电子束电子枪电子枪R R光光电电阴阴极极靶靶电子束电子束电子枪电子枪移像区移像区光电摄像器件的工作过程：光电摄像器件的工作过程：1、光电转换：光学图像投射到器件光敏面上，以象素为单元分别、光电转换：光学图像投射到器件光敏面上，以象素为单元分别进行光电转换，形成电量的潜像。进行光电转换，形成电量的潜像。

15、2、光电信号的存储：每个象素在扫描周期内对转换的电量进行存储。、光电信号的存储：每个象素在扫描周期内对转换的电量进行存储。3、扫描：扫描线按一定轨迹逐点采集转换后的电量，形成输出信、扫描：扫描线按一定轨迹逐点采集转换后的电量，形成输出信号。号。第22页，共65页，编辑于2022年，星期四RLC防反防反射膜射膜信号板信号板光光导导靶靶1）光导靶）光导靶 由光窗、信号板和靶组成。由光窗、信号板和靶组成。靶面的轴向电阻小，横向电阻大，靶面的轴向电阻小，横向电阻大，有利于保持光电转换有利于保持光电转换形成电量的潜象形成电量的潜象，并在扫描周期内实现积分存储。并在扫描周期内实现积分存储。视象管的基本结构

16、：视象管的基本结构：光导靶光导靶和和电子枪电子枪。一）光电导式摄象管（视象管）一）光电导式摄象管（视象管）第23页，共65页，编辑于2022年，星期四RLC防反防反射膜射膜信号板信号板光光导导靶靶聚焦线圈聚焦线圈偏转线圈偏转线圈校正校正线圈线圈聚焦电极聚焦电极加速电极加速电极K聚焦线圈聚焦线圈校正校正线圈线圈偏转线圈偏转线圈G2）电子枪）电子枪 电子枪的作用是产生热电子，并使它聚焦成很细的电子射线，电子枪的作用是产生热电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面。按着一定的轨迹扫描靶面。逐点地采集这些转换后的电量形成串行逐点地采集这些转换后的电量形成串行输出信号。输出信号。第24页

17、，共65页，编辑于2022年，星期四3 3）视频信号的形成）视频信号的形成 帧图像可分成四十多万个像元。每个像元可用一个电阻和帧图像可分成四十多万个像元。每个像元可用一个电阻和电容电容c c来等效。来等效。电容电容c c起存储信息的作用，电阻起存储信息的作用，电阻R R随着光照度的增大而变小，无随着光照度的增大而变小，无光照时光照时R R为暗电阻为暗电阻R R0 0、光照后变为、光照后变为Rc(E)Rc(E)，是与照度有关的变量。，是与照度有关的变量。视频信号视频信号RLCLEK每个象元（象素）有序的转化为视频电信号每个象元（象素）有序的转化为视频电信号第25页，共65页，编辑于2022年，星

18、期四（1）硅靶摄象管）硅靶摄象管 硅靶是贴在信号板上的一块硅片，朝着电子枪一面生成几十硅靶是贴在信号板上的一块硅片，朝着电子枪一面生成几十万个相互隔离的万个相互隔离的PN结结(光电二极管光电二极管)。硅靶窗口玻璃内表面涂有一层很薄的金属膜，有引线同负载相硅靶窗口玻璃内表面涂有一层很薄的金属膜，有引线同负载相连，称为信号板。连，称为信号板。玻璃面板玻璃面板信号板信号板电阻海电阻海RL工作过程：光照在工作过程：光照在P型岛上形成电势型岛上形成电势电子线扫描连线形成电流电子线扫描连线形成电流在在输出电阻上产生与视频对应的电压信号（输出电阻上产生与视频对应的电压信号（P型岛拉回低电位）型岛拉回低电位）

19、第26页，共65页，编辑于2022年，星期四硅靶的特性硅靶的特性1)1)抗烧伤性抗烧伤性 耐强光、耐高温耐强光、耐高温2)2)光谱特性及灵敏度光谱特性及灵敏度 硅靶的光谱响应范围为硅靶的光谱响应范围为 0.40.41.11.1m m 峰值波长为峰值波长为 0.650.85m。3)暗电流暗电流 硅靶的暗电流较大，约为硅靶的暗电流较大，约为10 nA10 nA，且随温度每升高，且随温度每升高99，暗电流约增加一倍。暗电流约增加一倍。第27页，共65页，编辑于2022年，星期四（2）氧化铅靶摄像管）氧化铅靶摄像管 PbOPbO靶摄像管的特点是：靶摄像管的特点是：PINPIN结构结构，工作原理与硅靶类

20、似，工作原理与硅靶类似 灵敏度较高，可达灵敏度较高，可达400400A Almlm；暗电流小，低于暗电流小，低于1nA,1nA,光电特性好；惰性小，三场后残余信号光电特性好；惰性小，三场后残余信号不大于不大于4 4。N I PSnO2 透透明导电膜明导电膜玻玻璃璃RLVT（4060V）信号板信号板第29页，共65页，编辑于2022年，星期四（3 3）碲化锌镉靶）碲化锌镉靶摄摄像管像管 碲化锌锡靶碲化锌锡靶摄摄像管的灵敏度很高，可在星光下获得可用像管的灵敏度很高，可在星光下获得可用的图象，多用于微光电视。的图象，多用于微光电视。Sb2S2ZnxCd1-xTeZnSe信号板信号板SnO2 ZnSe

21、（N）无光电效应，增强短波光吸收，）无光电效应，增强短波光吸收，提供可见光灵敏度，与第二层提供可见光灵敏度，与第二层ZnxCd1-xTe（P）形成异质结。形成异质结。第三层第三层Sb2S2减小电子束注入效应，减小电子束注入效应，减小暗电流和惰性减小暗电流和惰性第30页，共65页，编辑于2022年，星期四二）光电发射式摄像管二）光电发射式摄像管光电变换部分和光光电变换部分和光信息存储部分彼此信息存储部分彼此分离，组成为分离，组成为移象移象区区。Al2O3加速电压加速电压8kVALAL2 2O O3 3信号板（信号板（AlAl膜）膜）疏松的疏松的KCl（1 1）二次电子导电摄像管）二次电子导电摄像

22、管(SEC)(SEC)工作过程：光学图像在光电阴极上产生相应光电子发射工作过程：光学图像在光电阴极上产生相应光电子发射加速打到加速打到SEC靶上产生二次电子发生靶上产生二次电子发生形成电势分布形成电势分布后面与光电导输出一后面与光电导输出一样样第31页，共65页，编辑于2022年，星期四 SECSEC管的主要特性管的主要特性：1)1)灵敏度灵敏度 SECSEC管整管的灵敏度与光电阴极的灵敏度、加速电管整管的灵敏度与光电阴极的灵敏度、加速电压和靶有关，一般可达压和靶有关，一般可达2000020000A Almlm。2)2)分辨率分辨率 25mm25mm管中心分辨事约为管中心分辨事约为600TvL

23、600TvLH H 3)3)惰性惰性 三场后残余信号小于三场后残余信号小于5 5 4)4)存储性能存储性能 SECSEC靶的电阻率大于靶的电阻率大于10101010cmcm-1-1，漏电极小，暗电流小于，漏电极小，暗电流小于0.10.1A A，因此信息电荷可在靶上长时间存储而不泄漏。，因此信息电荷可在靶上长时间存储而不泄漏。第32页，共65页，编辑于2022年，星期四 （2 2）硅增强靶摄像管硅增强靶摄像管(SIT)(SIT)用硅靶代替用硅靶代替SEC管管KCl靶即构成靶即构成硅增强靶摄像管硅增强靶摄像管(SIT)靶增益为靶增益为SEC管的管的10倍以上，通过改变倍以上，通过改变移像区的施加电

24、压可改移像区的施加电压可改变靶的电子增益。变靶的电子增益。移像区移像区电子枪电子枪光电阴极光电阴极靶靶第33页，共65页，编辑于2022年，星期四 用光学纤维面板将像增强器与硅增强靶管耦合在一起就组成用光学纤维面板将像增强器与硅增强靶管耦合在一起就组成了超高灵敏度的硅增强靶管，通常称为了超高灵敏度的硅增强靶管，通常称为ISIT管或管或IEBS管。管。（3）超高灵敏度的硅增强靶管（超高灵敏度的硅增强靶管（ISIT）硅靶硅靶光阴极光阴极光阴极光阴极2光阴极光阴极1阳极阳极1阳极阳极2第34页，共65页，编辑于2022年，星期四五、固体成像器件固体成像器件（电荷耦合器件）1 1）电荷耦合器件的工作原

25、理）电荷耦合器件的工作原理 MOS结构结构 与电荷存储与电荷存储 CCD是由金属氧化物半导是由金属氧化物半导体构成的密排器件，简称体构成的密排器件，简称MOS结结构，它实际就是一个构，它实际就是一个MOS电容。电容。电荷耦合器件电荷耦合器件(简称简称CCD)是一种用电荷量表示信号并用耦是一种用电荷量表示信号并用耦合方法传输信号的器件，它具有信号探测、延时、传输和积分的合方法传输信号的器件，它具有信号探测、延时、传输和积分的多种功能。多种功能。P P或或n n型型硅衬底硅衬底SiO2金属金属(栅）VG第35页，共65页，编辑于2022年，星期四EvEFp金属金属氧化物氧化物P P型半导体型半导体

26、ECEFm 栅极电压栅极电压Vg=0Vg=0,p,p型半型半导体中均匀的空穴（多导体中均匀的空穴（多数载流子）分布，半导数载流子）分布，半导体中能量线延伸到表面体中能量线延伸到表面并与表面垂直。并与表面垂直。栅极电压栅极电压Vg0Vg0,电场电场排斥电子吸引空穴，使排斥电子吸引空穴，使表面电子能量增大，表表面电子能量增大，表面处能带向上弯曲，越面处能带向上弯曲，越接近表面空穴浓度越大，接近表面空穴浓度越大，形成空穴形成空穴积累层积累层。EvEFp金属金属氧化物氧化物P P型半导体型半导体ECEFmVG0Vg0Vg0,电场排电场排斥空穴吸引电子，越接近斥空穴吸引电子，越接近表面空穴浓度越小，形成

27、表面空穴浓度越小，形成空穴空穴耗尽层耗尽层。EvVG0EFp金属金属氧化物氧化物P P型半导体型半导体ECEFmW 栅极电压栅极电压VgVg0 0,电场排电场排斥空穴吸引电子，越接近表斥空穴吸引电子，越接近表面空穴浓度越小，电子浓度面空穴浓度越小，电子浓度甚至超过空穴浓度，形成甚至超过空穴浓度，形成反反型层型层。EvEFp金属金属氧化物氧化物P P型半导体型半导体ECEFmVG0WEvEFp金属金属氧化物氧化物P P型半导体型半导体ECEFmVG0WVg0SiO2栅电极栅电极反型层反型层P-SiVg0SiO2栅电极栅电极耗尽层耗尽层P-Si第37页，共65页，编辑于2022年，星期四 半导体表

28、面与衬底的电压，常称为半导体表面与衬底的电压，常称为表面势表面势，（用，（用VG表示）表示）外加电压越大，对应有越大的表面电势，能带弯曲的越厉害，相外加电压越大，对应有越大的表面电势，能带弯曲的越厉害，相应的能量越低，储存电子的能力越大，通常称其为应的能量越低，储存电子的能力越大，通常称其为势阱势阱。注入。注入电子形成电子形成电荷包电荷包表面势与势阱表面势与势阱VG 0 51015伏伏VG空势阱空势阱P-SiVG=12伏伏全满势阱全满势阱P-SiVG=12伏伏填满填满1/3势阱势阱P-Si第38页，共65页，编辑于2022年，星期四 反型层的出现在反型层的出现在S Si iOO2 2衬底之间建

29、立了导电机构，衬底之间建立了导电机构，Vg0SiO2栅电极栅电极反型层反型层P-SiP P型衬底型衬底n n沟道沟道Vg0SiO2栅电极栅电极反型层反型层n-Sin n型衬底型衬底p p沟道沟道 n n型衬底，栅极加负电压，反型型衬底，栅极加负电压，反型层是正电荷，称为层是正电荷，称为p p沟道沟道。p p型衬底，栅极加正电压，反型型衬底，栅极加正电压，反型层是负电荷，称为层是负电荷，称为n n 沟道，沟道，第39页，共65页，编辑于2022年，星期四Vg=0SiO2栅电极栅电极P-SiVg0SiO2栅电极栅电极耗尽层耗尽层P-SiVg0SiO2栅电极栅电极反型层反型层P-SinnP-Si 衬

30、底源漏输出栅转移栅电极SiO2n-沟道第40页，共65页，编辑于2022年，星期四电荷包转移和三相时钟电荷包转移和三相时钟2伏伏2伏伏10伏伏VGP-Si 2伏伏2伏伏10伏伏VGP-Si VG2伏伏2伏伏10伏伏P-Si2伏伏 VG1 12 23 3t2 t4t1 t3 t51 12 23 3t1 t3 t510伏伏2伏伏2伏伏2伏伏VGP-Si VG2伏伏2伏伏10伏伏P-Si 第41页，共65页，编辑于2022年，星期四p p衬底衬底铝栅铝栅多晶硅栅多晶硅栅1 12 2势势阱阱深深度度1 1高电位高电位 2 2低电位低电位 1 1 2 2 同电位同电位1 1低电位低电位 2 2高电位高电

31、位 2 2）两相）两相CCDCCD结构和工作原理结构和工作原理第42页，共65页，编辑于2022年，星期四3 3）电荷耦合器件的性能参数）电荷耦合器件的性能参数 电荷转移效率电荷转移效率电荷损失率电荷损失率 工作频率工作频率 电荷本身从一个电极转移到另电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时间一个电极所需要的时间t tr r不能大于不能大于驱动脉冲使其转移的时间驱动脉冲使其转移的时间T/3T/3，因此，因此，上限频率上限频率 下限频率决定于少数下限频率决定于少数载流子寿命载流子寿命第43页，共65页，编辑于2022年，星期四 电荷负载量电荷负载量电极下能容纳的电荷数量电极下能容纳的电荷数量

32、 探测噪声探测噪声n 电荷转移次数；电荷转移次数；fc 时钟频率时钟频率产生于界面态或体态与电荷包相互作用的电荷转移起伏；产生于界面态或体态与电荷包相互作用的电荷转移起伏；背景光辐背景光辐射引起的电荷变化与暗电流噪声；射引起的电荷变化与暗电流噪声；输出级的复位过程与输出放大器噪声。输出级的复位过程与输出放大器噪声。有转移损失就会有附加的噪卢。通过有转移损失就会有附加的噪卢。通过n n次电荷转移后，次电荷转移后，电流电流的转移噪声将为的转移噪声将为第44页，共65页，编辑于2022年，星期四 电荷耦合摄像器件就是用于摄像的电荷耦合摄像器件就是用于摄像的CCDCCD。它的功能是把成像在。它的功能是

33、把成像在CCDCCD的光的光敏面上的二维光学图像信号，转变成少数载流子数密度信号存储于敏面上的二维光学图像信号，转变成少数载流子数密度信号存储于MOSMOS电容中电容中,再转移到再转移到CCDCCD的移位寄存器的移位寄存器(转移电极上的势阱）中，在驱转移电极上的势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为一维视频信号输出。动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为一维视频信号输出。4）电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件输出CCDCCD移位寄存器移位寄存器光敏区转移栅CCDCCD移位寄存器时钟移位寄存器时钟单沟道线型单沟道线型ICCDICCD第45页，共65页，编辑于2022年，星期四光敏区转移栅A输

34、出ACCDCCD移位寄存器移位寄存器A ACCDCCD移位寄存器时钟移位寄存器时钟A A输出BCCDCCD移位寄存器移位寄存器B BCCDCCD移位寄存器时钟移位寄存器时钟B B转移栅B隔离区隔离区具有双读出寄存器的线阵具有双读出寄存器的线阵摄像器件摄像器件CCDCCD第46页，共65页，编辑于2022年，星期四光敏区转移栅输出CCDCCD读出移位寄存器读出移位寄存器A ACCDCCD移位寄存器时钟移位寄存器时钟C CCCDCCD移位寄存移位寄存器时钟器时钟A A 存储区隔离区隔离区CCDCCD移位寄存移位寄存器时钟器时钟B B面阵面阵CCDCCD三相面三相面阵帧转阵帧转移摄像移摄像器器第47

35、页，共65页，编辑于2022年，星期四CCD器件器件第48页，共65页，编辑于2022年，星期四5）微光电荷耦合成像器件）微光电荷耦合成像器件（I-CCD）普通普通CCDCCD能够在能够在(1.5(1.52.0)l02.0)l0-2-21x1x下成像，低于下成像，低于l0l0-2-21x1x成像需成像需要采用图像增强手段要采用图像增强手段,这样构成的这样构成的 I-CCD,I-CCD,既具有既具有CCDCCD成像器件所具成像器件所具有的优点同时又能在夜天微光下工作有的优点同时又能在夜天微光下工作.用像增强器与用像增强器与CCD耦合耦合在一起构成图像增强型在一起构成图像增强型I-CCD。第49页

36、，共65页，编辑于2022年，星期四6）电子轰击型）电子轰击型(EB-CCD)入射光子在光电阴极上转化为光电子，光电子被加速并聚焦在入射光子在光电阴极上转化为光电子，光电子被加速并聚焦在CCD芯芯片上，光电子穿过器件正面覆盖层，在片上，光电子穿过器件正面覆盖层，在CCD上上产生电荷包产生电荷包，一个，一个光电子光电子 个电子，高灵敏度，但高速电子轰击个电子，高灵敏度，但高速电子轰击产生损伤，工作寿命短产生损伤，工作寿命短CCD光电阴极光电阴极光学纤光学纤维板维板1.015kv-+CCD光电阴极光电阴极光学纤光学纤维板维板1.015kv-+CCD光光阴阴极极光光学学纤纤维维板板1.015kvCC

37、D光光阴阴极极光光学学纤纤维维板板1.015kvCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁11.5kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁115kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁11.5kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁115kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁11.5kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁115kV静电聚焦型静电聚焦型EB-CCD磁聚焦型磁聚焦型EB-CCD近贴型型近贴型型EB-CCD。第50页，共65页，编辑于2022年，星期四7）单光子阵列成像）单光子阵列成像EMCCD EMCCD(Electron-Multiplying,CCD)技术

38、，有时也被称作技术，有时也被称作“片上增益片上增益”技术技术,它与普通的科学级它与普通的科学级CCD 探测器的主要区别在于其读出（转移）寄存器探测器的主要区别在于其读出（转移）寄存器后又接续有一串后又接续有一串“增益寄存器增益寄存器”增益寄存器中有两个电极，电极增益寄存器中有两个电极，电极2 2 提供时钟脉冲，提供时钟脉冲，电极电极1 1 被加以电压比转移电荷所需要的电压高很多（约被加以电压比转移电荷所需要的电压高很多（约404060V60V）。在电极）。在电极1 1 与电极与电极2 2 间产生的电场其强度足以使电子在转移过程中产生间产生的电场其强度足以使电子在转移过程中产生“撞击离子化撞击离

39、子化”效应，从而产生了新的电子，即所谓的倍增或者说是增益；效应，从而产生了新的电子，即所谓的倍增或者说是增益；如此过程重复相当多次（如陆续经过几千个增益寄存器的转移），可达如此过程重复相当多次（如陆续经过几千个增益寄存器的转移），可达1000 1000 倍以上。倍以上。第51页，共65页，编辑于2022年，星期四8）红外电荷耦合器件）红外电荷耦合器件(IR-CCD)-红外焦平面凝视列阵红外焦平面凝视列阵 普通的普通的Si-CCDSi-CCD不能不能直接用于红外条件下直接用于红外条件下的凝视模式工作。背的凝视模式工作。背景积累会使器件过载。景积累会使器件过载。单片式单片式IR-CCD混合式混合式

40、IR-CCD第52页，共65页，编辑于2022年，星期四1、单片式、单片式(IR-CCD)单片式又称整体式，即整个单片式又称整体式，即整个IR-CCDIR-CCD做在一块芯片上。它做在一块芯片上。它具体又可分为两种情况，具体又可分为两种情况，一种是一种是CCDCCD本身就对红外敏感。本身就对红外敏感。另一种是把红外探测器做在同一基底上基底通常用硅，另一种是把红外探测器做在同一基底上基底通常用硅，而探测器部分常用本征窄带或非本征材料，而探测器部分常用本征窄带或非本征材料，采用采用MIS(MIS(即金属即金属绝缘物绝缘物半导体半导体)器件工艺，由此制成本征窄带半导体器件工艺，由此制成本征窄带半导体

41、IR-IR-CCDCCD及非本征及非本征IR-CCDIR-CCD。非本征半导体非本征半导体IR-CCDIR-CCD是单片式是单片式IR-CCDIR-CCD的另一种形式。它利用非本征材料作探的另一种形式。它利用非本征材料作探测器，然后转移送给同一芯片上的测器，然后转移送给同一芯片上的CCDCCD。第53页，共65页，编辑于2022年，星期四2、混合式、混合式IR-CCD 混合式混合式IR-CCDIR-CCD结构的根本特点是把探测器和结构的根本特点是把探测器和CCDCCD移位寄存移位寄存器分开。器分开。CCDCCD仍用普通硅制版工艺已相对成热。仍用普通硅制版工艺已相对成热。对几个重要的红外波段，则

42、采用性能优良的本征红外对几个重要的红外波段，则采用性能优良的本征红外探测器。探测器。第54页，共65页，编辑于2022年，星期四CCD的现状的现状 第一、特殊第一、特殊CCD传感器，传感器，如红外如红外CCD芯片（红外焦平面阵列器件）、高灵敏度背照式芯片（红外焦平面阵列器件）、高灵敏度背照式BCCD和电子轰击式和电子轰击式EBCCD等，另外还有大靶面如等，另外还有大靶面如20482048、40964096可见光可见光CCD传感器、宽光谱范围（紫外光传感器、宽光谱范围（紫外光可见光可见光近红外近红外光光3-5m中红外光中红外光8-14um远红外光远红外光)焦平面阵列传感器等。焦平面阵列传感器等。

43、第二、通用型或消费型第二、通用型或消费型CCD传感器传感器 在许多方面都有较大地进展，如在许多方面都有较大地进展，如CMOS型摄像头。总的方向是型摄像头。总的方向是提高提高CCD摄像机的综合性能。摄像机的综合性能。第55页，共65页，编辑于2022年，星期四第三、其他固态摄像器件第三、其他固态摄像器件（1）电荷注入器件）电荷注入器件(CID)CID的基本结构与的基本结构与CCD相似，也是相似，也是种种MOS列阵。列阵。CIDCID与与CCDCCD的主要区别在于读出过程：的主要区别在于读出过程：在在CCD中，信号电荷必须经过转移才能读出。中，信号电荷必须经过转移才能读出。在在CID中，信号电荷不

44、用转移，是中，信号电荷不用转移，是直接注入体内形成电流来读出的直接注入体内形成电流来读出的。整个列阵的信号读出是通过一种叫做整个列阵的信号读出是通过一种叫做“寻址读出寻址读出”方式进行的，方式进行的，每一次只选中一个光敏单元。例如，当水平移位寄存器电压脉冲每一次只选中一个光敏单元。例如，当水平移位寄存器电压脉冲出现在第出现在第m位，垂直移位寄存器电压脉冲出现在第位，垂直移位寄存器电压脉冲出现在第n位时，所选中的光位时，所选中的光敏元位置为敏元位置为(m，n)。第56页，共65页，编辑于2022年，星期四（）（）CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconduct

45、or互补金属氧化物半导体集成电路）互补金属氧化物半导体集成电路）基本单元电路反相器由基本单元电路反相器由N沟道和沟道和P沟沟道道 MOS场效应晶体管（场效应晶体管（P沟道金属沟道金属-氧化氧化物物-半导体集成电路半导体集成电路和和N沟道金属沟道金属-氧化物氧化物-半导体集成电路半导体集成电路）构成，以推挽形式工）构成，以推挽形式工作作,能实现一定逻辑功能的能实现一定逻辑功能的集成电路集成电路,简称简称CMOS。第57页，共65页，编辑于2022年，星期四CMOS（互补金属氧化物半导体集成电路互补金属氧化物半导体集成电路）影像传感器）影像传感器 （Complementary Metal Oxid

46、e Semiconductor）CMOS像传感器按信号读出方法，可分为：像传感器按信号读出方法，可分为：无源像素图像传感器无源像素图像传感器(PPS)；光敏单元驱动能力弱，且固定结构噪声光敏单元驱动能力弱，且固定结构噪声FPN较大。较大。有源像素图像传感器有源像素图像传感器(APS)，性能优良，性能优良 CMOSCMOS最明显的优势是集成度高、功耗小、生产成本低、容最明显的优势是集成度高、功耗小、生产成本低、容易与其他芯片整合。易与其他芯片整合。CMOSCMOS像感器的芯片上可以很容易集成各种数字电路。从而像感器的芯片上可以很容易集成各种数字电路。从而可构成单片视频摄像机。可构成单片视频摄像机

47、。CMOSCMOS像传感器的光谱响应宽于像传感器的光谱响应宽于CCDCCD像传感器像传感器 ，在红外成像领域将，在红外成像领域将具有广阔的应用前景具有广阔的应用前景 第58页，共65页，编辑于2022年，星期四 集成度高、功耗小、生产成本低、容易与其他芯片整合。光谱响集成度高、功耗小、生产成本低、容易与其他芯片整合。光谱响应宽，图像响应均匀性较差，应宽，图像响应均匀性较差，具有较高的暗电流，信号读出速率信号读出速率 高，高，1000 M 像素数/s.CMOS CMOS 图像传感器及其工作原理图像传感器及其工作原理第59页，共65页，编辑于2022年，星期四 CCD CCD 图像传感器及其工作原

48、理图像传感器及其工作原理 传感器灵敏度较CMOS图像传感器高3050%，动态范围约较CMOS的高2倍，图像响应均匀性好，具有优良的电子快门功能，信号读出速率较低：70M 像素数/s.第60页，共65页，编辑于2022年，星期四CCD与与CMOS图像传感器的特性比较图像传感器的特性比较灵敏度CCD图像传感器灵敏度较CMOS图像传感器高3050%。电子电压转换率CMOS图像传感器在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构，其电压转换率略优于CCD图像传感器。动态范围 表示器件的饱和信号电压与最低信号阈值电压的比值。CCD动态范围约较CMOS的高2倍。响应均匀性CMOS图像传感器由于每个像元中均有开环放

49、大器，器件加工工艺的微小变化导致放大器的偏置及增益产生可观的差异，CMOS图像传感器的响应均匀性较CCD有较大差距 暗电流CMOS图像传感器具有较高的暗电流，暗电流密度为1nA/cm2量级 第61页，共65页，编辑于2022年，星期四电子快门CCD像感器特别是内线转移结构像感器具有优良的电子快门功能 速度信号读出速率 CCD:70 Mpixels/s.CMOS:1000 Mpixels/s.偏置、功耗与可靠性 CMOS图像传感器通常在单一的较低外接信号偏置电压与时钟电平下工作,CCD像感器需要几组较高的偏置电压才能工作，输出放大器偏压仍较高 抗晕能力CMOS的像元结构具有自然的抗晕能力 窗口

50、CMOS由于采用XY寻址方式，具有读出任意局部画面的能力，CCD的顺序读出信号结构决定它的画面开窗口的能力受到限制。第62页，共65页，编辑于2022年，星期四（）（）电荷耦合光电二极管器件（电荷耦合光电二极管器件（CCPD）MOSMOS结构的结构的CCDCCD光敏元有两个缺点光敏元有两个缺点 :由于光栅多晶硅薄膜对光子有一定吸收由于光栅多晶硅薄膜对光子有一定吸收;MOS MOS电容的多层介质膜结构，将使入射光在通过这些电容的多层介质膜结构，将使入射光在通过这些多层介质膜时，发生干涉，使光谱响应出现许多峰谷。多层介质膜时，发生干涉，使光谱响应出现许多峰谷。为克服这些缺点，用光电二极管代替为克服