第五章+光电成像检测器件

1、光电成光电成像器件像器件真空成真空成像器件像器件固体成像器件固体成像器件像管像管变像管变像管像增强管像增强管摄像管摄像管光电发射型像管（摄像管）光电发射型像管（摄像管）光电导型像管（视像管）光电导型像管（视像管）无存储无存储直视直视不可见光不可见光可见光可见光弱光弱光强光强光有存储有存储非直视非直视物体(信号源)传输介质光学系统(信号分析器)光电摄像器件(信号变换器)显示器人眼光源光信号光信号光信号信号信号背景噪声背景噪声噪声噪声光电成像系统的基本组成成像转换过程有四个方面的问题需要研究：能量方面物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题成像特性能分辨的光信号在空间

2、和时间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率噪声方面决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性信息传递速率方面信息传递问题，决定能被传递的信息量大小像管像管变像管：变像管：能够把不可见光的图像变为可见光的图像能够把不可见光的图像变为可见光的图像图像增强管：图像增强管：把亮度很低的光学图像转变为高亮度的图像把亮度很低的光学图像转变为高亮度的图像光电阴极光电阴极电子透镜电子透镜萤光面萤光面照像机照像机或人眼或人眼 像管结构原理示意图像管结构原理示意图5.1.1 像管结构和工作原理像管结构和工作原理光电阴极光电阴极电子透镜电子透镜萤光面萤光面照像机照像机或人眼或人眼 像管结构原理示意图像管结构原

3、理示意图使不可见光图像或亮度很低的使不可见光图像或亮度很低的光图像转化为电子图像光图像转化为电子图像常用的光电阴极有：常用的光电阴极有：银氧铯光电阴极、单碱或多碱光电阴极、各种紫外光电阴极、银氧铯光电阴极、单碱或多碱光电阴极、各种紫外光电阴极、及负电子亲合势光电阴极及负电子亲合势光电阴极非聚焦型（近贴式像管）：非聚焦型（近贴式像管）：光电阴极光电阴极萤光面萤光面分辨率低分辨率低聚焦型：聚焦型： 电磁聚焦型像管中电子的运动电磁聚焦型像管中电子的运动线圈线圈设渡越时间为设渡越时间为:t电子运动一圈的时间电子运动一圈的时间为：为： Tt=nT在高速电子的轰击下将电子在高速电子的轰击下将电子图像转化为

4、可见光图像图像转化为可见光图像光电阴极光电阴极电子透镜电子透镜萤光面萤光面照像机照像机或人眼或人眼 像管结构原理示意图像管结构原理示意图5.1.2 像管的特性参数像管的特性参数光谱响应特性：光谱响应特性：由光电阴极决定由光电阴极决定光谱匹配：光谱匹配：光源与光电阴极光源与光电阴极; 荧光屏与人眼视觉函数荧光屏与人眼视觉函数图像增强管的亮度增益图像增强管的亮度增益-荧光屏上的荧光屏上的光亮度光亮度Ba与入射到像管光电阴与入射到像管光电阴极上的照度极上的照度Ek之比：之比：单级图像增强单级图像增强管的增益为管的增益为aKKBAAUSGkaBEBG光电阴极光电阴极电子透镜电子透镜萤光面萤光面照像机照

5、像机或人眼或人眼 像管结构原理示意图像管结构原理示意图荧光屏的荧光屏的发光效率发光效率光电阴极对光电阴极对光源的积分光源的积分灵敏度灵敏度阳极电压阳极电压光电子透光电子透过系数过系数阴极面积阴极面积阳极面积阳极面积等效背景照度：等效背景照度：指当像管受微弱光指当像管受微弱光照时，在荧光屏上产生与暗背景相照时，在荧光屏上产生与暗背景相同的亮度时，入射到光电阴极面上同的亮度时，入射到光电阴极面上的照度的照度值值,以以EBI表示。表示。Bb是暗背景是暗背景亮度。亮度。暗背景：暗背景：在无输入图像时加上工在无输入图像时加上工作电压时荧光屏上仍然有一定的作电压时荧光屏上仍然有一定的亮度，称为暗背景亮度，

6、称为暗背景BbGBEBI在荧光屏上每毫米内人眼能分辨出的在荧光屏上每毫米内人眼能分辨出的明暗条纹的最大对数明暗条纹的最大对数lP/mm光电阴极光电阴极电子透镜电子透镜萤光面萤光面照像机照像机或人眼或人眼 像管结构原理示意图像管结构原理示意图5.1.3 常见像管常见像管一一. 常见变像管常见变像管光电阴极多为光电阴极多为S-I 、(Ag-O-Cs) 阴极，可使波长小于阴极，可使波长小于1.15m的红外光变成光电子。的红外光变成光电子。负电子亲合势阴极：可把波长大于负电子亲合势阴极：可把波长大于1.15m的红外光变成光电的红外光变成光电子。子。A图边缘像质差，图边缘像质差，b图质量高图质量高窗口材

7、料为石英材料，光电阴极为窗口材料为石英材料，光电阴极为S-11，锑铯阴极，可，锑铯阴极，可以使波长大于以使波长大于200nm的紫外光变成光电子，紫外变像的紫外光变成光电子，紫外变像管与光学显微镜结合可用于医学和生物学方面的研究。管与光学显微镜结合可用于医学和生物学方面的研究。增加了一对带孔阑的增加了一对带孔阑的金属电极金属电极-控制栅极控制栅极即成为选通式变像管，即成为选通式变像管，只要改变栅极电压就只要改变栅极电压就可控制变像管的导通，可控制变像管的导通，只要使变像管的工作只要使变像管的工作周期与光源的调制周周期与光源的调制周期同步即可提高图像期同步即可提高图像的对比度和图像质量。的对比度和

8、图像质量。二二. 常见像增强管常见像增强管为保证级联后的成像效果应：为保证级联后的成像效果应：第一、第一、级间的输入级间的输入-输出是用光输出是用光纤面板制成纤面板制成第二、荧光屏发射的光谱峰值第二、荧光屏发射的光谱峰值与光电阴极吸收的峰值波长相与光电阴极吸收的峰值波长相接近，接近，注意最后一级荧光屏的注意最后一级荧光屏的发射光谱特性要与人眼视觉光发射光谱特性要与人眼视觉光谱效率曲线相吻合谱效率曲线相吻合(第一代第一代)双双 近近 贴贴 式式这种管子体积小、重这种管子体积小、重量轻、使用方便，但量轻、使用方便，但像质和分辨率较差像质和分辨率较差倒倒 像像式式电子经过聚焦后又进电子经过聚焦后又进

9、入微通道板，所以像入微通道板，所以像质和分辨率比较高质和分辨率比较高由第二代像微通道板像增强管由第二代像微通道板像增强管+负电子亲合势光电阴极的使用负电子亲合势光电阴极的使用构成。构成。将不可见的将不可见的X射线图像转变为可见光图像，射线图像转变为可见光图像，并进一步的增强，并进一步的增强，常用于医疗诊断和工业探伤常用于医疗诊断和工业探伤5.1.4 摄像管摄像管一一. 摄像管的作用及结构及分类摄像管的作用及结构及分类1.摄像管的作用：摄像管的作用：将空间光强分布的光学图像记录并转换成视将空间光强分布的光学图像记录并转换成视频信号的成像装置。频信号的成像装置。-利用外光电效应进行光电转换的利用外

10、光电效应进行光电转换的1）光电发射型摄像管）光电发射型摄像管2.分类分类光电转换光电转换电荷的积累电荷的积累电信号的存储和扫描电信号的存储和扫描有移像区有移像区2）光电导型摄像管（视像管）光电导型摄像管（视像管） -利用光电导器件进行光电转换利用光电导器件进行光电转换无移像区无移像区两者的两者的不同不同之处之处: 前者有移像区前者有移像区,后者无后者无光电阴极光电阴极电子光学系统电子光学系统移移像像区区两者相同之处两者相同之处:扫描区扫描区电子枪电子枪灯丝灯丝,热阴极热阴极,控制栅极控制栅极,各加速电极各加速电极,聚焦线圈聚焦线圈,偏转线圈偏转线圈,校正线圈校正线圈摄像管原理 先将输入的光学图

11、像转换成电荷图像，然后通过电荷的积累和储存构成电位图像，最后通过电子束扫描把电位图像读出，形成视频信号。一一. 视像管靶视像管靶5.1.5 光导靶和存储靶光导靶和存储靶N信号板信号板 硅靶结构图硅靶结构图 视像管等效电路图视像管等效电路图INPSnO2RL光光a）硒化镉）硒化镉（CdSe）靶）靶b）硒砷碲）硒砷碲（SeAsTe）靶）靶c）碲化锌镉）碲化锌镉（ZnCdTe）靶）靶像元连续，像元连续，分辨率高分辨率高光谱响应范围宽，动态范围光谱响应范围宽，动态范围大，信号电流大，暗电流小，大，信号电流大，暗电流小，分辨率高，惰性小分辨率高，惰性小X值小，灵敏度高，暗值小，灵敏度高，暗电流增大，光谱

12、特性峰电流增大，光谱特性峰值波长向长波方向移动值波长向长波方向移动二二. 光电发射型摄像管靶光电发射型摄像管靶-存储靶存储靶 支撑层支撑层（Al2O3）信号板（信号板（Al膜）膜）疏松的疏松的KCl电子束电子束三个过程：三个过程：（1）无光照扫描）无光照扫描 零电位零电位（2）有光照无扫描）有光照无扫描 电位升高电位升高（3）电子束再次扫描）电子束再次扫描 输出输出一次电子加速电压为一次电子加速电压为8KV时的二次电子增益时的二次电子增益约为约为（133）左右左右特点：响应率高，改变加速电压的大小可得到特点：响应率高，改变加速电压的大小可得到80200倍的增倍的增益，但极限分辨率稍低益，但极限

13、分辨率稍低 .0eeU0ISN 硅靶结构图硅靶结构图电电子子增强硅靶灵敏度比硅靶灵敏增强硅靶灵敏度比硅靶灵敏度大两个数量级，靶不易烧度大两个数量级，靶不易烧伤，寿命长。伤，寿命长。Al光光电子电子轰击硅靶轰击硅靶电子空穴对电子空穴对光电阴极光电阴极PNU0U0Is 氧化铅视像管氧化铅视像管 以氧化铅为光电材料的光电导摄像管。氧化铅管是彩色广播电视中采用的主要管型。它由阅读系统和光电导靶两大部分组成。光电导靶为结型PIN三层结构,即：由受光面的透明导电层SnO2和PbO接触面形成的N型层;由本征PbO形成的中间层，即I层；作为靶扫描面的P型层，即掺有受主杂质的 PbO层。光电导靶涂覆在管子玻璃面

14、板的内表面上。 阅读系统包括电子枪、聚焦线圈和偏转线圈。工作时，SnO2导电层上加有固定正电压,慢速电子束扫描P层，使电位下降到阴极零电位，在靶上建立反向电场。当光学图像透过窗口玻璃和信号电极入射到 PbO本征层上时，产生电子-空穴对，它们在反向电场作用下被分离,并分别到达靶面的两边。这样使得靶扫描面上电位升高，从而建立起与景物照度分布相对应的电位图像。当电子束再次扫描时，中和正电荷，靶面恢复零电位，同时从信号电极输出视频信号。利用不同的制管工艺可调节氧化铅管对红绿蓝光的灵敏度，然后以三只视像管为一组，装于彩色摄像机中。 高灵敏度摄像管 主要有硅增强靶摄像管、次级电子导电摄像管、超正析像管、分

15、流管、返束视像管等。 5.1.6 摄像管的特性参数摄像管的特性参数一一. 摄像管的特性参数摄像管的特性参数如果如果=1表表示示线性关系线性关系如如11时灰度畸变，时灰度畸变，一般一般1EKu1lm/A10IS6Su黑白条纹总合为黑白条纹总合为N（垂直分辨力）：（垂直分辨力）：TVL/H（1）极限分辨力）极限分辨力极限分辨率：极限分辨率：则黑白条纹对数为则黑白条纹对数为:h2NhN2（2）调制传递函数）调制传递函数BABAMf 调制度传递函数曲线调制度传递函数曲线 MTF（%）%100ioMMMTF产生惰性的原因产生惰性的原因一是：光电导惰性一是：光电导惰性 二是：电容性惰性二是：电容性惰性惰性

16、会引起图像模糊，或彩色拖尾等问题惰性会引起图像模糊，或彩色拖尾等问题暗电流暗电流-PN结摄像管：暗电流很小结摄像管：暗电流很小光电发射摄像管：光电阴极的热发射电子、场致发射电子、光电发射摄像管：光电阴极的热发射电子、场致发射电子、离子流等引起离子流等引起.噪声噪声-视像管的主要噪声：前置放大器噪声、负载电阻的热噪声。视像管的主要噪声：前置放大器噪声、负载电阻的热噪声。光电发射摄像管：管内噪声光电发射摄像管：管内噪声照度下限：照度下限：由噪声决定由噪声决定照度上限：照度上限：由受靶面像元的存贮信息容量决定，照度太高，由受靶面像元的存贮信息容量决定，照度太高，局部像素上信号超过容量时光电子将向临近

17、像素扩散，会出局部像素上信号超过容量时光电子将向临近像素扩散，会出现现“开花开花”现像现像二二. 不同视像管的特性参数比较不同视像管的特性参数比较5.1.7. 摄像管的发展方向摄像管的发展方向发展趋势：高灵敏度、高像质、小型化。发展趋势：高灵敏度、高像质、小型化。高像质拍摄采用像增强器与摄像管的连接形式，即高像质拍摄采用像增强器与摄像管的连接形式，即像增强器的输出光纤面板与摄像管的光纤面板窗口像增强器的输出光纤面板与摄像管的光纤面板窗口相结合的方式。相结合的方式。目前各国都在研制超小型、高性能的摄像管，目前目前各国都在研制超小型、高性能的摄像管，目前有超小型有超小型1/2 英寸高性能摄像管，管

18、径英寸高性能摄像管，管径14毫米，管长毫米，管长67.5毫米，采用磁聚焦、静电偏转形式，优点是灵毫米，采用磁聚焦、静电偏转形式，优点是灵敏度高、分辨率高。敏度高、分辨率高。体积小、重量轻、功耗低；耐冲击，可靠性高，寿命长体积小、重量轻、功耗低；耐冲击，可靠性高，寿命长无像元烧伤、扭曲，不受电磁场干扰无像元烧伤、扭曲，不受电磁场干扰SSPA的光谱响应范围从的光谱响应范围从0.251.1m，对红外线也敏，对红外线也敏感感 ,CCD也可做成红外敏感型。也可做成红外敏感型。电荷耦合器件的结构电荷耦合器件的结构像元尺寸精度优于像元尺寸精度优于1m，分辨率高。，分辨率高。可进行非接触位移测量。可进行非接触

19、位移测量。基本上不保留残像（真空摄像管有基本上不保留残像（真空摄像管有15%20%的残像）。的残像）。视频信号与微机接口容易视频信号与微机接口容易P型或型或N型硅衬型硅衬底底生长一层生长一层120150nm的的SiO2多个金属电极多个金属电极一、电荷耦合摄像器件一、电荷耦合摄像器件CCD的基本功能电荷存储和电荷转移CCD工作过程信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程，作为摄像器件，电荷的产生是依靠半导体的光电特性，用光注入的办法产生。1969年美国贝尔实验室W.S.Boyle和G.E.Smith首次提出CCD的概念，1970年首先研制出来的新型半导体器件，利用CCD作为转换器件的传感器，称为C

20、CD传感器，或称CCD图像传感器。 1、 CCDCCD器件有两个特点器件有两个特点( (以电荷作为信号)： （一）、是它在半导体硅片上制有成千上万个(甚至数千万个)光敏元，它们按线阵或面阵有规则地排列。当物体通过物镜成像于半导硅平面上时。这些光敏元就产生与照在它们上面的光强成正比的光生电荷。 （二）、是它具有自扫描能力，亦即将光敏元上产生的光生电荷依次有规则地串行输出，输出的幅值与对应的光敏元上的电荷量成正比。 CCD光敏单元阵列SONY某款数码相 机中的CCD2、电荷耦合器件原理 电荷耦合器件分为线阵器件和面阵器件两种，其基本组成部分是MOS光敏元列阵和读出移位寄存器。 a) MOS光敏元

21、（电荷存储） 如图所示为MOS光敏元的结构及势阱图。它是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物,如二氧化硅，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属氧化物氧化物半导体结构元半导体结构元(MOS)。图1 MOS光敏元结构及其势阱因为它是由金属(M)氧化物(O)半导体(S)三层所组成，故称MOS结构 如果此时有光线入射（正面/背面）到硅片上，则在光子的作用下，半导体硅片上就形成电子和空穴，由此产生的光生电子(少数载流子)被附近的势阱所吸收(或称俘获)，而同时产生的空穴(多数载流子)则被电场排斥出耗尽区进入衬底，此时势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。人们称这样一个 MOS

22、结构元为MOS光敏元，或称为一个像素，把一个势阱所收集的若干光生电荷称为一个电荷包。 因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。它们按线阵或面阵有规则地排列，且用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化物，并在其上制作许多金属电极。如果在金属电极上施加一正电压，则在这半导体硅片上就形成几百个或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则在这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度对应的电荷图像。b) 读出移位寄存器（光敏单元中电荷向移位寄存器转移） 移位寄存器由金属电极、氧化物介质及半导体组成，也是MOS结构，但不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。下图所示为以

23、三相配线连接的读出移位寄存器的结构及控制时钟波形。图3 三相CCD读出寄存器结构与电荷转移的关系 a) 势阱耦合与电荷转移 b) 控制时钟波形图解释： t=t1 t=t2 t=t3 t=t4 四个时刻的电荷转移过程。现在来说明光敏单元中的电荷是怎样转移(读出)至移位寄存器的。如图，光敏区中产生的电荷，由转移门Z控制转移至a1、a2、-an极下的势阱。但如何解决光敏区中的光敏单元数与移位一致？假设光敏单元a1中的电荷已转移至a1极下的势阱。同理，光敏单元a1、a2an中的电荷同时转移至 a1、a2an极下的势阱。这是一个平行转移的过程。 此时转移电极Z上的电压恢复为零，相当于把光敏区和移位寄存器

24、之间的“门”阻塞。光敏单元又重新进行光积累(光积分)，移位寄存器a1、b1 、c1；a2、b2 、c2；- an、bn 、cn等进行移位(电荷传输)，各自执行自己的任务。 上述光敏区中的电荷信号靠移位寄存器传输给输出端读出，故移位寄存器一般称它为读出寄存器。 现在来说明光敏单元中的电荷是怎样转移(读出)至移位寄存器的。如图，光敏区中产生的电荷，由转移门Z控制转移至a1、a2、-an极下的势阱。 假设光敏单元a1中的电荷已转移至a1极下的势阱。同理，光敏单元a1、a2an中的电荷同时转移至 a1、a2an极下的势阱。这是一个平行转移的过程。 此时转移电极Z上的电压恢复为零，相当于把光敏区和移位寄

25、存器之间的“门”阻塞。光敏单元又重新进行光积累(光积分)， 移位寄存器a1、b1 、c1；a2、b2 、c2；- an、bn 、cn等进行移位(电荷传输)，各自执行自己的任务。 上述光敏区中的电荷信号靠移位寄存器传输给输出端读出，故移位寄存器一般称它为读出寄存器。10V10V10V10V2V2Vt2电荷的耦合电荷的耦合10V10V2V2V2V2Vt14V4V10V10V2V2Vt32V2V10V10V2V2Vt42V2V4V4V10V10Vt52V2V2V2V10V10Vt6t1t2t3t41 12 23 3tttt5UUU三三相相时时钟钟t6 上述的电荷传输过程，实际上是一个电荷耦合的过程，

26、因此把这类器件称为“电荷藕合器件”。在电荷藕合器件中担任电荷耦合传输的单元，称为“读出移位寄存器”。 从CCD工作原理可看出,这种器件具有存储、转移电荷和逐一读出信号电荷的功能，因此CCD器件是固体自扫描半导体摄像器件.体内沟道（或埋沟道BCCD）即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）电荷包存储在离半导体表面一定的深度的体内，在半导体体内沿一定方向传输，用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达99.999以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件。 表面沟

27、道器件，即SCCD（Surface Channel CCD）电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，沿界面传输，转移沟道在界面的CCD器件。工艺简单，动态范围大，但信号在转移过程中受到表面态的影响，使转移速率和效率降低，不宜制成长线阵和大面阵器件，工作频率一般在10MHz以下。转移效率高达99.99，信号处理能力大。 如图8-21 （b）所示为电压注入法结构4）、电荷的检测(输出方式)3、电荷耦合摄像器件分类 CCD的电荷存储、转移的概念 + 半导体的光电性质 CCD摄像器件按结构可分为线阵CCD和面阵CCD按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD可见光CCD又可分为黑白CC

28、D、彩色CCD和微光CCD（1）线阵CCD线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构。线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅。（2）面阵CCD常见的面阵CCD摄像器件有两种：行间转移结构与帧转移结构。二相面阵帧转移摄像器的原理结构图。它由成像区(光敏区)、暂存区和水平读出寄存器等三部分构成。 二、电荷耦合摄像器件的特性参数1、转移效率和转移损失率电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数。把一次转移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率。如t=0时，某电极下的电荷为Q(0)，在时间t时，大多数电荷在电场

29、作用下向下一个电极转移，但总有一小部分留在原电极下，若被留下的电荷为Q(t)，则转移效率为：)0()(1)0()()0(QtQQtQQ)0()(QtQ1转移损失率：理想情况下转移效率为1，实际值小于1，常为0.9999以上。nQnQ)0()(一个电荷Q(0)电荷包，经过n次转移后，剩下的电荷Q(n)为如果效率为0.99，经过24次转移后，只剩下原来的78，经过192次转移后剩下14。 BCCD比SCCD转移效率要高2、工作频率f（驱动脉冲频率）（1）、决定工作频率下限因素当信号电荷沿着势阱存储转移时，受到热生载流子的影响，为减少这种影响，转移时间t必须小于热生载流子的平均寿命 也就是说保证在热

30、生少数载流子还没占据势阱前已被光生载流子占据。在正常工作条件下，对于三相CCD，有tT/3=1/3f,即3Tt 31f，所以工作频率的下限（最小值）与少数载流子的寿命有关。（2）、决定工作频率上限tf31电荷转移的快慢与载流子迁移率，电极长度，衬底杂质浓度和温度等因素有关，对相同的结构设计，N沟道CCD比P沟道CCD的工作频率要高。（3）驱动脉冲）驱动脉冲f与损失率与损失率的关系的关系 上限频率上限频率10MHz高于高于10MHz转移损失率急剧增加。转移损失率急剧增加。3、光电转换特性CCD中，信号电荷是由入射光子被硅衬底吸收产生少子形成的，应具有良好的光电转换特性，CCD光电转换因子r可达9

31、9.7%，低照度线性好，大于100lx输出电压趋于饱和。4、暗电流CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称为暗信号，即暗电流，是由于热激发产生的。受制作工艺过程不完善，材料不均匀等因素的影响，暗电流密度分布是不均匀的。危害有以下两方面：（1）限制器件的低频限；（2）引起固定图像噪声。由于制作工艺过程和材料不均匀等因素，出现个别暗电流尖峰，使得清晰的图像上出现某些“亮条”或“亮点”三、三、CCDCCD传感器的应用传感器的应用 CCD传感器利用光敏元件的光电转换功能将透射到光敏元件上的光学图像转换为电信号“图像”，即光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布，然后经

32、读出移位寄存器的移位功能将电信号“图像”转送，并输出放大器输出。主要用途大致可归纳为以下三个方面： 1）组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。 2）用作光学信息处理装置的输入环节，例如用于传真技术、光学文字识别技术(OCR)与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等方面。 3）作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车以及自动监视装置等方面。56 （1）、如图所示为用线阵CCD传感器测量物体尺寸的基本原理。 放大 np 4 3 1 2 b a L 驱动电路 计数、运算、显示 1红外滤光片 2滤光片 3线阵 CCD 传感器 4透镜 尺

33、寸测量基本原理 57 fba111LnpabMnpfanpML) 1(1当所用光源含红外光时，可在透镜与传感器之间加红外滤光片。若所用光源过强时，可再加一滤光片。 利用几何光学知识，可以很容易地推导出被测对象长度L与系统各参数之间的关系：式中：f为所用透镜的焦距；a为物距；b为像距；M为倍率；n为线型CCD传感器的像素数（感光元件的数量）；p为像素间距。 测量精度取决于CCD传感器像素与透镜视场的比值。要提高测量精度, 应当选择像素多的传感器。（2）、CCD在动态测量直径中的应用CCD动态测量细丝直径的原理如图4所示。设所用的CCD有N0个光敏元，每个光敏元的大小为13，计数器计数为N，则细丝

34、直径D为： 图4 、CCD测量细丝直径D13（N0-N）在上述测量中，由于是用脉冲计数测量，故光源的波动对测量精度影响不大，故可达到较高的测量精度。如需要测量达到更高的分辨率，可用光学放大。图5 、光学放大示意图 夫琅和费细丝衍射 如图所示，由氦氖激光器发出的激光束照射细丝（被测物）时，其衍射效应和狭缝一样，在屏幕（在焦距为f的透镜的焦平面处）上形成夫琅和费衍射图样。与上同理，相邻两暗点或亮点间隔S与细丝直径d的关系为 Sfd当d变化时，各条纹位置和间距随之变化。因此可根据亮点或暗点间的距离测出细丝的直径。若在屏幕位置放置线阵CCD传感器件，可以直接读出亮、暗条纹的间距，即可测出细丝的直径。测

35、量范围约为0.010.1mm，分辨力为0.05m，测量精度一般为0.1m，也可高达0.05m。 如测量大物体，可用二块CCD，距离固定为L（如图6所示），假定CCD1的计数值为N1，CCD2的计数值为N2，则：测量大物体也可用面阵CCD进行摄像测量，再用计算机进行数字图象处理得到处理结果。但测量精度要比用线阵CCD测量差些图6 、CCD测量大物体 DL13N1+13(N0-N2) 扫描仪工作原理传真机和邮政编码识别传真机和邮政编码识别M2A摄影胶囊（Mouth anus）,由发光二极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。 M2A摄影胶

36、囊由以色列导弹专家于上世纪90年代中期研发，在欧洲大受欢迎，去年夏天在美国上市，在美国一颗摄影胶囊要价两千美元 。全球已经有三千名病患，试用过这种胶囊。M2A可在人体内停留8个小时并拍摄约5万张照片。日本东芝（TOSHIBA）公司线阵CCD芯片 线阵CCD传感器（驱动器或相机） 以以TCD142DTCD142D型型CCDCCD为例做简单介绍。为例做简单介绍。 TCD142DTCD142D的驱动电路可分为两部分：的驱动电路可分为两部分： 一部分是脉冲产生电路；一部分是脉冲产生电路； 另一部分是驱动电路另一部分是驱动电路。 三三 CMOSCMOS图像传感器图像传感器 CMOS（Complement

37、ary Metal Oxide Semiconductor）图像传感器出现于1969年,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。 CMOS图像传感器虽然比CCD出现还早一年，但在相当长的时间内，由于它存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率（有效像元与总面积之比）低（10%20%），响应速度慢等缺点，因此只能用于图像质量要求较低、尺寸较小的数码相机中，如机器人视觉应用的场合。 1、CMOS成像器件的结构原理成像器件的结构原理 198

38、9年以后，出现了年以后，出现了“主动像元主动像元”（有源）结构。它不仅有光（有源）结构。它不仅有光敏元件和像元寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了敏元件和像元寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围，使它的一些性能参数光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围，使它的一些性能参数与与CCD图像传感器相接近，而在功能、图像传感器相接近，而在功能、功耗（功耗（1/3CCD）、尺寸和、尺寸和价格等方面要优于价格等方面要优于CCD图像传感器，所以应用越来越广泛。图像传感器，所以应用越来越广泛。 CMOS成像器件的组成 CMOS成像器件的组成原理框图如图

39、5-14所示，它的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列实际上是光电二极管阵列，它也有线阵和面阵之分。 图图5-14图像信号的输出过程可由（如图所示）图像传感器阵列原理图更清楚地说明。 CMOS成像器件的像敏单元结构 这种器件的像敏单元结构有两种类型，即被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。前者只包含光电二极管和地址选通开关两部分，如图5-13（a）所示。图图5-13 a主动式像敏单元结构的基本电路如图5-13b所示。从图可以看出，场效应管V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复

40、位；而当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。积分结束后，V3管导通，信号输出。 图图5-13 bCMOS与CCD器件的比较:CCD摄像器件有光照灵敏度高、噪声低、像素面积小等优点。但CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，后续信号处理比较复杂；CCD阵列驱动脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成 （VLSI）技术兼容，制造成本比较高。CMOS摄像器件集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低等优点。目前CMOS单元像素的面积已与CCD相当，CMOS已可以达到较高的分辨率。如果能进一步提高CMOS器件的信噪比和灵

41、敏度，那么CMOS器件有可能在中低档摄像机、数码相机等产品中取代CCD器件。四、红外焦平面器件红外焦平面器件（IRFPA）就是将CCD、CMOS技术引入红外波段所形成的新一代红外探测器，是现代红外成像系统的关键器件。IRFPA建立在材料、探测器阵列、微电子、互连、封装等多项技术基础之上。1、IRFPA的工作条件IRFPA通常工作于13m、35m和812m的红外波段并多数探测300K背景中的目标。典型的红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为0.1K的目标。 2. IRFPA的分类按照结构可分为单片式和混合式；按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型；按照读出电路可分为CCD、MOSFET和CID等类型；按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型；按照响应波段与材料可分为13m波段（代表材料HgCdTe碲镉汞）；35m波段（代表材料HgCdTe、InS