第四章-光电成像器件

1、知识回顾：知识回顾：可擦重写光盘可擦重写光盘写、读、擦激光脉冲与其效应的相变过程知识回顾：知识回顾：可擦重写光盘可擦重写光盘磁光介质的写、读、擦原理示意图知识回顾：知识回顾：持续光谱烧孔光存储示意图持续光谱烧孔光存储示意图知识回顾：知识回顾：电子俘获材料的能级分布知识回顾：知识回顾：第四章第四章 光电成像器件光电成像器件光电成像器件是能够光电成像器件是能够输出图像信息输出图像信息的一类器件的一类器件l摄像器件：使光学图像变成视频信号摄像器件：使光学图像变成视频信号 摄像管摄像管 电荷耦合器件电荷耦合器件 CMOS CMOS图像传感器图像传感器l像管：使光学图像增强或改变光谱像管：使光学图像增强

2、或改变光谱 像增强器像增强器 变像管变像管摄像头一、光电成像器件的类型一、光电成像器件的类型光电成像器件（成像原理）扫描型非扫描型真空电子束扫描固体自扫描：CCD光电型热电型：热释电摄像管光电发射式摄像管光电导式摄像管变像管（完成图像光谱变换）红外变像管紫外变像管X射线变像管像增强管（图像强度的变换）串联式级联式微通道板式负电子亲和势阴极常由像敏面，电子透镜显像面构成二、光电成像器件的基本特性（二、光电成像器件的基本特性（P261）1、光谱响应相对灵敏度波长1231多碱氧化物光阴极像管，属于外光电效应摄像管，光谱响应由光阴极材料决定；2氧化铅摄像管，属于内光电效应的摄像管，光谱响应由靶材料决定

3、；3CCD摄像器件，光谱响应由硅材料决定；另热释电摄像管基于材料的热释电效应，光谱响应特性近似直线。2、转换特性（光电成像器件的输出量与对应的输入量的比值关系）变像管：转换系数C表示evC光通量辐通量像增强管：亮度转换增益GL来表示vvLEMG vvLMvvLELG(lm/W)光出射度光照度无量纲亮度（cd/lm）摄像器件：灵敏度S表示eEIS eISvEIS vIS电视系统：光电导材料的值来表示vEAIlnlnln视像管的信号电流常数视像管靶面照度1，弱光信号被提高灰度系数3、分辨率（表示能够分辩图像中明暗细节的能力）极限分辨率（主观）：人眼观察分辩专门测试卡成像在靶面上且在荧光屏上显示出的

4、最细线条数。调制传递函数（客观）：简称MTF，输出调制度与输入调制度之比。iMMfT0)(MTF随频率增加而衰减，一般将MTF值为10所对应的线数定为摄像管的极限分辨率。光电成像原理同步扫描视频信号景物光学成像光电变换图像分割传送同步扫描视频解调图像再现摄像部分显像部分光电成像系统原理方框图三、光电成像原理与电视摄像制式三、光电成像原理与电视摄像制式三、光电成像原理与电视摄像制式三、光电成像原理与电视摄像制式 光学物镜将景物所反射出来的光成像到光电成像器件的像敏面上形成二维光学图像。 光学成像器件将二维光学图像转变成二维“电气”图像的工作。 景物光学成像光电变换图像分割同步扫描视频信号 摄 像

5、 部 分 “电气”图像的电气量在二维空间的分布与光学图像的光强分布保持着线性对应关系。组成一幅图像的最小单元称作像素，像素单元的大小或一幅图像所含像素数决定了图像的清晰度。像素数愈多，或像素几何尺寸愈小，反映图像的细节愈强，图像愈清晰，图像质量愈高。这就是图像分割。景物光学成像光电变换图像分割同步扫描视频信号摄 像 部 分 三、光电成像原理与电视摄像制式三、光电成像原理与电视摄像制式景物光学成像光电变换图像分割同步扫描视频信号 摄 像 部 分 按着一定的规律将所分割的电气图像转变成一维时序信号，即将电气图像从左向右，又从上向下的规律输出即为扫描。由于监视器的显象管几乎都是利用电子束扫描荧光屏，

6、便可在显象管上获得可供观察的图像。三、光电成像原理与电视摄像制式三、光电成像原理与电视摄像制式摄像头二维光学图像一维时序电信号还原二维光学图像传输和接收规则电视制式按照电视制式输出的一维时序电信号称为视频信号摄像是将空间分布的光学图像信号转换为一维时间变化的视频信号的过程，完成这一过程的功能器件称为摄像器件。1. 扫 描光电图像 将光电图像分割为很多细小的单元，称为像素图像的分割与象素1. 扫 描电信号光电图像按一定规律依次将图像中的每一像素的电（电荷）信号读出的过程，称为扫描。 图像的分割与象素一帧：一行：从左向右的扫描称为扫描点从起始点出发再次回到该点，输出的全部图像信息称为一帧。 1.

7、扫 描 行、帧一场：从上向下的扫描称为正程和逆程行正程场正程 显 示信 息行逆程 场逆程 消 隐1. 扫 描1. 扫 描 两种扫描方式根据人眼视觉时间特性，无闪烁显示活动图象要高于48次/秒刷新速率 帧频：50Hz 行数：625行频：h5062531250Hzf 降低行频1. 扫 描 两种扫描方式一帧分为两场奇数场偶数场135246根据视觉时间特性，无闪烁地显示活动图象要高于48次/秒的刷新速率 场频： 50Hz帧频：25Hz 无闪烁降低行频1. 扫 描 两种扫描方式我国电视标准采用PAL制：场频fv=50Hz，帧频fZ=25Hz；隔行扫描，每帧625行；场周期TV=20ms；行周期TH=64

8、s；视频信号带宽BW=6MHz四、电真空摄像管结构原理四、电真空摄像管结构原理光电转换信号存储光电导式/热释电摄像管 光像利用电子枪发射出来的电子束依次扫描靶面各像素，将靶面的电荷（或电势）图像有序地转变成视频信号输出，这就完成了扫描输出的功能。 a) 光电发射式摄象管 b) 光电导式摄象管 分类：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，以象素为单元分别进行光电转换，形成电量的潜像。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。3、扫描：扫描线按一定轨迹逐点采集转换后的电量，形成输出信号。1）光电发射体：光电阴极 光照下光电阴极产生与光通量成正比的光电

9、子流，既可利用光电子流进行放大处理作为信号输出；也可以利用以光电子发射而提高的光电阴极电位作输出。入射光光电子发射光电阴极光电变换示意图（1）、光电变换部分2）光电导体 光照时靶的电导率升高，正电荷顺电场方向移动而积累，电位升高，升高量与光照相对应。E光电导体光电变换示意图工作原理：外光电效应光电子发射光电发射体内光电效应导体内有电流光电导体移走的电子数或留下的正电荷数发射的电子数或留下的正电荷数信号光电转换介质变换方式光电变换部分管子结构管子结构氧化铅氧化铅PIN靶靶PIN光电靶光电靶 ：反向偏置反向偏置，扫描面形成正电位图像扫描面形成正电位图像电子枪电子枪 ： 发射电子束发射电子束，按电视

10、制式扫描正电按电视制式扫描正电 位图像位图像，输出视频信号输出视频信号视象管的基本结构：光导靶和电子枪。 RLC防反射膜信号板光导靶1）光导靶 由光窗、信号板和靶组成。 靶面的轴向电阻小，横向电阻大，有利于保持光电转换形成电量的潜象，并在扫描周期内实现积分存储。氧化铅靶 靶的成象面一边为N-PbO，扫描面一边为P-PbO，两者之间夹着一层(相对)很厚的本征氧化铅I-PbO，因而具有PIN结构。N I PSnO2 透明导电膜玻璃RLVT （4060V）信号板视频信号RLCLEK每个象元（象素）有序的转化为视频电信号 帧图像可分成四十多万个像元。每个像元可用一个电阻帧图像可分成四十多万个像元。每个

11、像元可用一个电阻和电容和电容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随着光照度的增大而变小，无光照时小，无光照时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)，是与照度有是与照度有关的变量。关的变量。 在电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电在电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电源正极和阴极结成通路。这个像素的光电流由源正极和阴极结成通路。这个像素的光电流由PN，流过负载，流过负载RL, ,产生负极性图像信号输出。产生负极性图像信号输出。同时，同时，扫描电子束使扫描电子束使P层电位降至阴极电位（图层

12、电位降至阴极电位（图像擦除）像擦除）。光电导靶（视象管） 光进入到每个PN结区将产生电子空穴对，它们被结的内电场分离以后，光生的电子通过信号板等外电路入地，光生的空穴则被积累于P型岛上。 如果光照是均匀的，靶的扫描面电位只是均匀地升高。如果光照不均匀，是一幅光学图象，则扫描面上各P型岛的电势分布，将正比于入射光学图象的亮度分布，亮度高的点，所对应的P型岛的电势也高。 硅靶 灯丝、热阴极、控制栅极、各加速电极和聚焦电极、靶网电极和管外的聚焦线圈、偏转线圈、校正线圈等，它的作用是产生电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面。电子枪扫描输出信号 电子枪的作用是产生热电子，并使它聚焦成

13、很细的电子射线，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输出信号。 电真空摄像管由于其重量和体积的限制，其研究与发展已经告一段落，它正逐步被固体摄像器件所代替。RLC防反射膜信号板光导靶聚焦线圈偏转线圈校正线圈聚焦电极加速电极K聚焦线圈校正线圈偏转线圈G知识回顾：知识回顾：光像利用电子枪发射出来的电子束依次扫描靶面各像素，将靶面的电荷（或电势）图像有序地转变成视频信号输出，这就完成了扫描输出的功能。 知识回顾：知识回顾：靶的成象面一边为N-PbO，扫描面一边为P-PbO，两者之间夹着一层(相对)很厚的本征氧化铅I-PbO，因而具有PIN结构。N I PSnO2 透明导电膜玻璃

14、RLVT （4060V）信号板知识回顾：知识回顾： 在电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电在电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电源正极和阴极结成通路。这个像素的光电流由源正极和阴极结成通路。这个像素的光电流由PN，流过负载，流过负载RL, ,产生负极性图像信号输出。产生负极性图像信号输出。同时，同时，扫描电子束使扫描电子束使P层电位降至阴极电位（图层电位降至阴极电位（图像擦除）像擦除）。4.3 4.3 电荷耦合器件电荷耦合器件lCCDCCD图像传感器主要特点：图像传感器主要特点：固体化摄像器件固体化摄像器件很高的空间分辨率很高的空间分辨率很高的光电灵敏度和大的动态范围很高的光电灵敏度和大的动态

15、范围光敏元间距位置精确光敏元间距位置精确, ,具有高的定位和测量精度具有高的定位和测量精度信号与微机接口容易信号与微机接口容易CCD(Charge Coupled Devices)主要内容：一. CCD的结构与工作原理二. CCD的主要特性参数三. CCD摄像器件CCD电荷存储电荷转移电荷注入电荷输出一. CCD的结构与工作原理特点：以电荷作为信号基本功能：电荷的存贮和转移一. CCD的结构与工作原理为什么称为电荷耦合器件？电荷器件中的信息是以电荷形式出现的，不同于其他探测器的“电流”或“电压”耦合器件内部信息的传递是通过势阱的藕合完成的，完全不同于电子枪的“扫描输出”形式CCD光敏元显微照片

16、光敏元显微照片CCD读出移位寄存器读出移位寄存器的的数据面显微照片数据面显微照片 彩色CCD显微照片（放大7000倍）一. CCD的结构与工作原理1 CCD的单元结构MOS结构单元像素由多个像素组成线阵,金属栅极是分立的，氧化物与半导体是连续的EvEFp金属氧化物P型半导体ECEFm 栅极电压Vg=0,p型半导体中均匀的空穴（多数载流子）分布，半导体中能量线延伸到表面并与表面垂直。 栅极电压Vg0,电场排斥电子吸引空穴，使表面电子能量增大，表面处能带向上弯曲，越接近表面空穴浓度越大，形成空穴积累层。EvEFp金属氧化物P型半导体ECEFmVG0Vg0,电场排斥空穴吸引电子，越接近表面空穴浓度越

17、小，形成空穴耗尽层。EvVG0EFp金属氧化物P型半导体ECEFmW 栅极电压Vg0,电场排斥空穴吸引电子，越接近表面空穴浓度越小，电子浓度甚至超过空穴浓度，形成反型层。 EvEFp金属氧化物P型半导体ECEFmVG0WEvEFp金属氧化物P型半导体ECEFmVG0WVg0SiO2栅电极反型层P-SiVg0SiO2栅电极耗尽层P-Si 半导体表面与衬底的电压，常称为表面势，（用VG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，相应的能量越低，储存电子的能力越大，通常称其为势阱。注入电子形成电荷包表面势与势阱VG 0 51015伏VG空势阱P-SiVG=12伏全满势阱P-SiVG=

18、12伏填满1/3势阱P-Si 势 阱 施加正电压 空穴耗尽区 栅极正向电压增加时，势阱变深。改变UG，调节势阱深度2）电荷的存储 MOS电容具有存储电荷的能力dGoxAUCQ 反型层的出现在SiO2衬底之间建立了导电机构，Vg0SiO2栅电极反型层P-SiP型衬底n沟道Vg0SiO2栅电极反型层n-Sin型衬底p沟道 n型衬底，栅极加负电压，反型层是正电荷，称为p沟道。 p型衬底，栅极加正电压，反型层是负电荷，称为n 沟道，4 信号电荷包的传输1）通过控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷包由势阱浅的位置流向势阱深的位置。2）必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS

19、电容的势阱相互沟通，即相互耦合。3）栅极脉冲电压必须严格满足位相时序要求，保证信号转移按确定方向进行。CCD中电荷包的转移：将电荷包从一个势阱转入相邻的深势阱。 基本思想： 调节势阱深度 利用势阱耦合Vg=0SiO2栅电极P-SiVg0SiO2栅电极耗尽层P-SiVg0SiO2栅电极反型层P-SinnP-Si 衬底源漏输出栅转移栅电极SiO2n-沟道电荷包转移2伏2伏10伏VGP-Si 2伏2伏10伏VGP-Si VG2伏2伏10伏P-Si2伏 VG123t2 t4t1 t3 t5123t1 t3 t510伏2伏2伏2伏VGP-Si VG2伏2伏10伏P-Si MOS上三个相邻电极，每隔两个所

20、有电极接在一起。由3个相位差120时钟脉冲驱动。三相CCD中电荷包的转移过程： .9 , 6 , 3.8 , 5 , 2.741321驱动驱动，驱动t1时刻，1为高电平， 2 3为低电平，1电极下形成深势阱，储存电荷形成电荷包t2-t3时刻，1电压线性减小，1电极下势阱变浅， 2为高电平，2电极下形成深势阱，信号电荷从1电极向2电极转移，直到t3时刻，信号电荷全部转到2电极下。重复上述过程，信息电荷从2电极转移到3电极，到t5时刻， 信号电荷全部转移到3电极下。经过一个时钟周期，信号电荷包向右转移一级，t6时刻信号电荷全部转移4电极下。依次类推，信号电荷依次由1，2，3，4.N向右转移直至输出

21、移位寄存器电子 被吸入产生电子空穴对空穴 栅极电压排斥2、信号电荷的注入光注入： 产生电子空穴对（1）光注入当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。它有可分为正面照射式背面照射式。其光注入电荷：材料的量子效率入射光的光子流速率0ATqQeonIP光敏电压的受光面积光注入时间U+U+势垒P-Si背面照射式光注入IDuINuIDN+IG1232PID为源极，IG为栅极,而2为漏极，当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为：22UUUCLWIIGINGs经过Tc时间注入后，其信号电荷量为：cIGINGsTUUUCL

22、WQ22IDIG213231N+P-Si电压注入法与电流注入法类似，但输入栅极IG加与2同位相的选通脉冲，在选通脉冲作用下，电荷被注入到第一个转移栅极2下的势阱里，直到阱的电位与N+区的电位相等时，注入电荷才停止。往下一级转移前，由于选通脉冲的终止，IG的势垒把2N+的势阱分开。电荷注入量与时钟脉冲频率无关。由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化，直流偏置的输出栅极OG用来使漏扩散时钟脉冲之间退耦，由于二极管反向偏置，形成一个深陷落信号电荷的势阱，转移到2电极下的电荷包越过输出栅极，流入到深势阱中。UDRDRgAOG12放大P-SiN+2、电荷的检测（1）电流输出：2、电荷的检测（1

23、）电流输出：OG12浮置扩散T1（复位管）T2（放大管）RgUDD(2)浮置扩散放大器输出：复位管在2下的势阱未形成前，在RG端加复位脉冲，使复位管导通，把浮置扩散区剩余电荷抽走，复位到UDD，而当电荷到来时，复位管截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管栅极电位变化。(2)浮置扩散放大器输出：（3）浮置栅放大器输出：如下图。浮栅T2UDD1321323T2的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接，而是与沟道上面的浮置栅相连。当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅上感应出镜像电荷，以此来控制T2的栅极电位。（3）浮置栅放大器输出：如下图。习题讲解：习题讲解： 光电倍增管的供电电路种类

24、很多，可以根据应用的情况设计出各具特色的供电电路。本节介绍最常用的电阻分压式供电电路。 习题讲解：习题讲解： 考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的电子流按放大倍率分布，其中，阳极电流电子流按放大倍率分布，其中，阳极电流Ia最大。因此，最大。因此，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当流过分压电阻的电流流过分压电阻的电流IR远远大于远远大于Ia时，即时，即 IR Ia时，流时，流过各分压电阻过各分压电阻Ri的电流近似相等。工程上常设计的电流近似相等。工程上常设计IR大于等大于等于

25、于10倍的倍的Ia电流。电流。 IR10Ia选择的太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高导致性能的降低，以至于温升太高而无法工作。 习题讲解：习题讲解：R=Ubb/IR各分压电阻Ri 为Rbbi1.5)(NIUR而R1应为（第一级和阴极距离较远，最后一级电流容易饱和）R1=1.5 Ri选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值R 习题讲解：习题讲解：电源电压电源电压 极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数，或管子的增益G。因此，根据增益G的要求可以设计出极间供电电压UDD与电源电压Ubb。 0.7nDDn(0.2) UG nDDn(0.025) UG 由可以计算出UDD与Ubb。习

26、题讲解：习题讲解：末极的并联电容末极的并联电容 习题讲解：习题讲解：习题讲解：习题讲解：末极的并联电容末极的并联电容 当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。 电容C1、C2与C3的计算公式为 DDam1LN70UIC 式中N为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，为脉冲的持续时间，UDD为极间电压，L为增益稳定度的百分数。 12CC 213CC 习题讲解：习题讲解：电源电压的稳定度电源电压的稳定度 可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间

27、电压稳定度的关系 DDDD7 . 0UUNGGbbbb7 . 0UUNGG对锑化铯倍增极 0.7NDDN(0.2) UG NDDN(0.025) UG 习题讲解：习题讲解：bbbbUUnGG 由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkvRL，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关 bbbbUUnGGUU对银镁合金倍增极 在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电压稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。 知识回顾：知识回顾：1 CCD的单元结构MOS结构单元像素由多个像素组成线阵,金属栅极是分立的，氧化物与半导体是连续的知识回顾：知

28、识回顾： 栅极电压Vg0,电场排斥空穴吸引电子，越接近表面空穴浓度越小，形成空穴耗尽层。EvVG0EFp金属氧化物P型半导体ECEFmW 栅极电压Vg0,电场排斥空穴吸引电子，越接近表面空穴浓度越小，电子浓度甚至超过空穴浓度，形成反型层。 EvEFp金属氧化物P型半导体ECEFmVG0WEvEFp金属氧化物P型半导体ECEFmVG0WVg0SiO2栅电极反型层P-SiVg0SiO2栅电极耗尽层P-Si知识回顾：知识回顾： 半导体表面与衬底的电压，常称为表面势，（用VG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，相应的能量越低，储存电子的能力越大，通常称其为势阱。注入电子形成电荷

29、包表面势与势阱VG 0 51015伏VG空势阱P-SiVG=12伏全满势阱P-SiVG=12伏填满1/3势阱P-Si知识回顾：知识回顾：电荷包转移2伏2伏10伏VGP-Si 2伏2伏10伏VGP-Si VG2伏2伏10伏P-Si2伏 VG123t2 t4t1 t3 t5123t1 t3 t510伏2伏2伏2伏VGP-Si VG2伏2伏10伏P-Si 知识回顾：知识回顾：电子 被吸入产生电子空穴对空穴 栅极电压排斥光注入： 产生电子空穴对材料的量子效率入射光的光子流速率0ATqQeonIP光敏电压的受光面积光注入时间知识回顾：知识回顾：由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化，直流偏置的

30、输出栅极OG用来使漏扩散时钟脉冲之间退耦，由于二极管反向偏置，形成一个深陷落信号电荷的势阱，转移到2电极下的电荷包越过输出栅极，流入到深势阱中。UDRDRgAOG12放大P-SiN+2、电荷的检测（1）电流输出： 表面沟道电荷耦合器件（SCCD）信号电荷存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输。 体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD）信号电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内部沿一定方向传输。 按电荷转移的沟道分：按光敏元的排列分： 线阵CCD面阵CCD1. 转移效率，损耗率6. 暗电流4. 光谱响应特性3. 光电转换特性5. 分辨率2. 工作频率7. 动态范围转移效率：当C

31、CD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移的电荷量，Q0为原始电荷01QQ转移损失率：表示残留于原势阱中的电量Q与原电量Q0之比定义为转移损耗1若CCD有n个栅极板时，则总转移效率为nnnQQ)1 (00100QQQQQ1 转移效率和转移损失率 1）所以表面沟道CCD在使用时，为了减少损耗，提高转移效率，常采用偏置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。时钟频率过高表面态对电子俘获的原因%100 预先输入一定的背景电荷，零信号也有一定电荷“胖零（fat zero）”技术。2）采取体内沟道的传输形式，有效避免了表面态俘获，提高了转移效率和速

32、度。2 工作频率（a）工作频率的下限f下 -取决于非平衡载流子的平均寿命c 电荷包在相邻两电极之间的转移时间t tc三相CCD： 二相CCD ： （b）工作频率的上限f上 cfTt31,3下cfTt21,2下三相CCD g31f电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间 gc3131 f 在低照度下，CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过1001x以后，输出有饱和现象。3光电特性4光谱特性 n44万（768*576）、100万（1024*1024）、200万（1600*1200）、600万（2832*2128）CCD光谱响应与光敏面结构、光束入射角及各层介质的折射率、厚度、消光系数等多

33、个因素有关。 5分辨率：实际中，CCD器件的分辨率一般用像素数表示，像素越多，则分辨率越高。 2048 2048 面阵CCD5000像元线阵CCD1. 三相单沟道线阵CCD 2. 双沟道线阵CCD（1) 三相单沟道线阵CCD 放大器结 构：转移栅光敏区CCD移位寄存器1 线阵列CCD摄象器件 放大器工作过程：光 敏 区转 移 栅 移 位 寄 存 器（1) 三相单沟道线阵CCD 工作过程：三相时钟脉冲视频信号输出 （1) 三相单沟道线阵CCD 光 敏 区转 移 栅 移 位 寄 存 器放大器 特点是结构简单，但电荷包转移所经过的极板数多，。（1) 三相单沟道线阵CCD (2) 双沟道线阵CCD 特

34、点是结构复杂一些，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧传输的一半，所以损耗小，。2 面阵列CCD摄象器件 帧转移面阵CCD 成像区 暂存区 水平读出 寄存器 2 面阵列CCD摄象器件 1)结构成像区 暂存区 场正程期间： 场逆程期间： 光学图像电荷包图像电荷包图像2)工作过程 暂存区 场正程期间： 水平读出 寄存器 行逆程期间 行正程期间 电荷包图像 暂存区 场正程期间： 水平读出 寄存器 行逆程期间 暂存区的信号电荷产生一行平移行正程期间 电荷包图像 暂存区 场正程期间： 水平读出 寄存器 行逆程期间 行正程期间 电荷包图像水平读出寄存器输出一行视频信号 暂存区 场正程期间： 水平读出 寄存器

35、 行逆程期间 暂存区的信号电荷产生一行平移行正程期间 电荷包图像 暂存区 场正程期间： 水平读出 寄存器 行逆程期间 行正程期间 电荷包图像水平读出寄存器输出一行视频信号 暂存区 场正程期间： 水平读出 寄存器 行逆程期间 行正程期间 电荷包图像暂存区的信号电荷产生一行平移 暂存区 场正程结束时 水平读出 寄存器 行逆程期间 行正程期间 电荷包图像水平读出寄存器输出一行视频信号 工作过程： 面阵面阵CCDCCD摄像器件摄像器件 （小结）（小结） 成像区 暂存区 水平读出 寄存器 场正程场逆程结构： 图 像 电 荷成像区暂存区 场正程行逆程行正程电荷平移输出信号 光敏区存储区读出寄存器3 CCD

36、3 CCD的特点的特点l体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。l空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。l光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高高 。l高速扫描，基本上不保留残象高速扫描，基本上不保留残象(电子束摄象管有电子束摄象管有1520的残象的残象)l集成度高集成度高l非接触测量。非接触测量。l无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。l有数字扫描能力。像素位置信息准确、像元的位置可有数字扫描能力。像素位置信息准确、像元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。由数字代码确定，便于与计算机结合接口。互补金属氧化物场效应管7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器Complementary Metal Oxide Semiconductor 简称 CMOS特点：成品率高、价格低廉，像质量？ C