第6章 光电成像器件

1、6.1 光电成像器件概论 光电成像器件的发展 光电像管超正析像管视像管氧化铅管硒靶 管（硅靶管）CCD/CMOS 6.1.1 光电成像器件的类型:扫描和非扫描 6.1.2 成像原理 热电型：热释电摄像管 光电导式摄像管 光电发射式摄像管 光电型 真空电子束扫描型 射线变像管 紫外变像管 红外变像管 变像管 X 强管负电子亲和势阴极像增 微通道板式像增强管 级联式像增强管 串联式像增强管 像增强管 固体摄像器件固体摄像器件 1、扫描型：、扫描型： 2、非扫描型、非扫描型 光电发射式摄像管 光电型 真空电子束扫描型光电导式摄像管 光热型:热释电摄像管 扫描型 电荷耦合器件（CCD） 固体自扫描型

2、自扫描光电二极管阵列（SSPD） 电荷注入器件（CID） 光电成像器件 红外变像管 变像管 紫外变像管 X射线变像管 非扫描型 串联式像增强管 级联式像增强管 像增强管 微通道板式像增强管 负电子亲和势阴极像增强管 6.1.3 光电成像器件的基本特性 1.光谱响应：与器件材料有关，应与被测景物辐射光谱匹 配。 2.转换特性： 灵敏度（响应度） 转换系数 亮度增益 3.分辨率 极限分辨率 调制传递函数 调制度M 一、光电成像原理 光电成像系统由光学成像系统、光电变换器、 同步扫描和控制系统、视频信号处理系统和荧 光显示系统构成。 二、电视制式 1.电视画面的宽高比 2.帧频与场频 扫描行数与行频

3、 光电成像系统构成：光电成像系统构成： 光学成像系统光学成像系统 光电变换系统光电变换系统 同步扫描和控制系统同步扫描和控制系统 视频信号处理系统视频信号处理系统 荧光显示系统荧光显示系统 CCD以电荷作为信号。基本功能是电荷的 存储和转移，因此，CCD的工作过程的主 要问题是信号电荷的产生、存储、传输和 检测。 6.3.1 电荷耦合器件原理 1、电荷存储 2、电荷耦合 3、电荷的注入和检测 1.电荷的注入 光注入光注入 电注入电注入 2.电荷的检测（输出方式） 电流输出 浮置扩散放大器输出 浮置栅放大器输出 6.3.2、CCD的特性参数 1、转移效率 转移损失率 2、工作频率 3、电荷贮存容

4、量 ：表示在电极下的势阱中能 容纳的电荷量 。 如果SiO2氧化层的厚度为d，则每一个电极下 的势阱中，最大电荷贮存容量 ： 4、CCD的噪声 散粒噪声、转移噪声及热噪声。 ox QCV A A d V q AVC N sox 0 max 6.3.3 电荷耦合摄像器件 工作原理 1 线型CCD摄像器件：两种基本形式 2 面阵ICCD 帧转移面阵ICCD 隔列转移型面阵ICCD 线转移型面阵ICCD 4.ICCD的基本特性参数 光电转换特性 光谱响应 动态范围 陷阱的最大电荷存储量 噪声 暗电流 分辨力 在表面电极加正偏压时（N型衬底加负偏压），P型衬底中形成耗尽层 （势阱），耗尽层的深度随正偏

5、电压升高而增大。衬底中的少数载流子电子 被吸引到最深的势阱，但是没有源极提供电子，靠本身的少数载流子形成导电沟道的 时间很长，需要零点几秒甚至几十秒。所以不会形成导电沟道。 2、电荷的储存 若P2的电位比其他相邻的两个电极都高，则电极P2下面的耗尽层要比其他电极 下的耗尽层深，形成势阱。若势阱边缘两侧有负电荷存在，在电场力 作用下，会落入势阱，储存起来。 因为衬底本身的少数载流子自由电子不能马上填满势阱，而数字系统的时钟脉冲 周期远小于十分之几秒，因此在时钟脉冲控制下，势阱中的电荷只与是否有电荷注入 （输入信息），而与衬底本身无关。 3、电荷的定向转移 每一个像素上有三个金属电极P1、P2、P

6、3，依次在其上施加三个相位不同控制脉冲 1、2、3（三相时钟脉冲控制）。 输入栅加高电压，电荷通过输入二极管注入。设t0时刻，P1到达最高正电压，其下 方形成的势阱最深，电荷被吸引到P1下方形成电荷包。t1时刻P2上加上和P1相等的高电 压，则在两电极下同时形成势阱（势阱耦合），电荷在两电极下分布。t2时刻，P1回到 低电位，电荷包全部落入P2下的势阱。然后电荷移动到P3下形成电荷包。这样电荷由 CCD一端移至终端。这时在输出栅上加高电压，使输出二极管反偏收集电荷，并将电荷 送至放大器。 二、线型CCD图像传感器基本结构 线型CCD图像传感器由一行光敏元件与一行CCD并行且对应地构成一个 主体

7、。在他们之间设有一个转移控制栅（对应CCD上的电极）。每一个光敏 元件上都有一个梳状公共电极（对应于输入栅），由一个P型沟阻使电气上隔 开。 当光照射到光敏元件（如光敏二极管）时，且梳状电极加高电压，光敏元件聚集 光电荷。光电荷与光照强度和光照时间成比例。光照结束后，转移栅上电平提高，然 后降低梳状电极电压，各光敏元件中积累的光电荷并行转移到移位寄存器中（电荷的 储存）。转移完毕后，转移栅电平降低，梳状电极电压升高，准备接受下一次光照信 号。同时在移位寄存器上加时钟脉冲，将存储的电荷从CCD中转移，由输出端输出。 线型CCD主要应用于扫描仪和传真机，下面简单介绍扫描仪的工作原理。 平板式扫描仪

8、的外部结构 上盖主要是将要扫描的原 稿压紧，以防止扫描灯光 线泄露。 原稿台主要是用来放置扫 描原稿的地方，其四周设 有标尺线以方便原稿放置 平板式扫描仪的内部结构（反射型） 扫描头的光源一般采用冷 阴极辉光放电灯管，灯管 两端没有灯丝，只有一根 电极 反光镜将原稿的信息反射 到镜头上，由镜头将扫描 信息传送到CCD感光器件， 最后由CCD将照射到的光 信号转换为电信号。 扫描精度即是指扫描仪的光 学分辨率，主要是由镜头的 质量和CCD的数量决定。由 于受制造工艺的限制，目前 普通扫描头的最高分辨率为 20000像素 扫描仪对图像画面进行扫描时，线性CCD将扫描图像分割成线状，每条线的宽度大约

9、 为10 m。光源将光线照射到待扫描的图像原稿上，产生反射光(反射稿所产生的)或透 射光(透射稿所产生的)，然后经反光镜组反射到线性CCD中。CCD图像传感器根据反 射光线强弱的不同转换成不同大小的电荷或电流，经AD转换处理，将电信号转换成 数字信号，即产生一行图像数据。同时，机械传动机构在控制电路的控制下，步进电 机旋转带动驱动皮带，从而驱动光学系统和CCD扫描装置在传动导轨上与待扫原稿做 相对平行移动，将待扫图像原稿一条线一条线的扫入，最终完成全部原稿图像的扫描。 如下图所示。 多数平板式扫描仪使用光电耦合器(CCD)为光电转换元件，它在图像扫描设备中 最具代表性。 扫描仪的简单工作过程就

10、是利用光电元件将检测到的光信号转换成电信号，再将电 信号通过模拟数字转换器转化为数字信号传输到计算机中。无论何种类型的扫描 仪，它们的工作过程都是将光信号转变为电信号。所以，光电转换是它们的核心工 作原理 。 扫描仪的工作过程 (1) CCD的种类： CCD摄像机 按成象器件分类：线阵CCD、面阵CCD 按颜色分类：黑白摄像机、彩色摄像机 按输出信号分类：模拟式、数字式 黑白摄像机：信息量小，时间、空间少 彩色摄像机：信息量大，时间、空间多 线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低； 面阵CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大； 按扫描方式分类：逐行扫描、隔行扫描 逐行扫描：高速运动，避免边缘

11、模糊 数字摄像机 - 电子快门 曝光时间: 1/50s、1/125s、1/250s、1/500s、 1/1000s、1/2000s、1/4000s、1/8000s、 1/16000s、1/32000s 按形状分类：长形、短形、方块形、半球形、单板形 6.4 CMOS图像传感器 CMOS图像传感器从原理可分为无源像素传感器 PPS(Passive-Pixel Sensor)和有源像素传感器APS(Active- Pixel Sensor)两大类。从结构上讲，主要包括光敏二极管型无源、 有源像素图像传感器和光电栅型有源像素图像传感器。 光敏单元 行 线 列 线 下图简单的说明了光敏二极管型无源图像

12、传感器和光敏二极管型有源图像传感器感 光单元的结构 。 一、光敏二极管型CMOS图像传感器结构 在光敏二极管型无源图像传感器中，光敏二极管受光照将光子变成电子，通过行选 择开关将电荷读到列输出线上；在光敏二极管型有源CMOS图像传感器中，则通过复位 开关和行选择开关将放大后的光生的电荷读到感光阵列外部的信号放大电路。无源像素 图像传感器仅仅是一种具有行选择开关的光电二极管，通过控制行选择开关把光生的电 荷信号传送到像素阵列外的放大器；有源像素图像传感器的每个像元内部都包含一个有 源单元，即包含由一个或多个晶体管组成的放大电路在像元内部先进行电荷放大再被读 出到外部电路。 二、光电栅型有源像素图

13、像CMOS传感器 光电栅型APS CMOS像素单元 框图如右图所示。像素单元包括 光电栅PG（Photogate）、浮置扩 输出FD(Flcating Diffusion)、 传输电栅TX(Transfer Gate)、复 位晶体管MR(Reset Transistor)、 作为源极跟随器的输入晶体管MIN、 以及行晶体管MX，实际上，每个 像元内部就是一个小小的表面沟 道CCD。每列单元共用一个读出电 路，它包括第一源极跟随器的负 载晶体管MLN以及两个用于存储信 号电平和复位电平的双采样和保 持电路。这种对复位和信号电平 同时采样的相关双采样电路CDS能 抑制来自像元浮置节点的复位噪 声。

14、 CCD 和 CMOS 使用相同的光敏材料， 因而受光后产生电子 的原理相同, 并且具有相同的灵敏度和光谱特性，但是读取过程不 同：CCD 是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移， 整个电路非常复杂；CMOS 则以类似 DRAM 的方式读出信号，电路 简单。CCD的时钟驱动、逻辑时序和信号处理等其他辅助功能难以 与 CCD 集成到一块芯片上，这些功能可由 38 个芯片组合实现， 同时还需要一个多通道非标准供电电压来满足特殊时钟驱动的需要； 而借助于大规模集成制造工艺，CMOS 图像传感器能容易地把上述 功能集成到单一芯片上。 CCD 大多需要三种电源供电，功耗较大，体积也比较大. CMOS 只需一个 (35) V 单电源，其功耗相当于 CCD 的 1/10； 高度集成 CMOS 芯片可以做的比人的大拇指还小。到目前为止，面 向数码相机的CCD固体摄像元件的最高像素已超过800万，而像素最 高为1680万的CMOS图像传感器正在开发中。 需要指出，电荷耦