第四章 光电成像.

1、v光电成像器件是指能够输出图象信息的一类光电成像器件是指能够输出图象信息的一类器件，其功能大致可归为以下两类：器件，其功能大致可归为以下两类：v1、使不可见光图象（红外、紫外）变为可见、使不可见光图象（红外、紫外）变为可见光图象光图象v2、使光学图象变为电视信号、使光学图象变为电视信号v光学图像的实质光学图像的实质:一特定光强度的空间分布。一特定光强度的空间分布。第四章第四章 光电成像器件光电成像器件 变像管变像管 像管像管 (把不可见光图像变成可把不可见光图像变成可 (无扫描无扫描) 见光图像的真空光电管见光图像的真空光电管) 图像增强器图像增强器 真空真空 (把极低亮度光学图像变为把极低亮

2、度光学图像变为 光电器件光电器件 足够亮度图像的真空光电管足够亮度图像的真空光电管) 光电成光电成 光电导式摄像管光电导式摄像管(视像管视像管,无移区无移区)像器件像器件 摄像管摄像管 二次电子导电二次电子导电 (电子束电子束 光电发射式光电发射式 摄像管摄像管(SEC) 扫描扫描) 摄像管摄像管 (有移像区有移像区) 硅增强靶摄像管硅增强靶摄像管 (SIT) 固体成像器件固体成像器件(CCD、CMOS)4.1 像管的工作原理与结构像管的工作原理与结构一、像管的种类一、像管的种类 变像管变像管 (把不可见光（红外、紫外、把不可见光（红外、紫外、X射射 像管像管 线）图像变成可见光图像的真线）图

3、像变成可见光图像的真 (无扫描无扫描) 空光电管空光电管) 图像增强器（微光管）图像增强器（微光管） (把极微弱的光学图像变为人眼把极微弱的光学图像变为人眼 可直接观察图像的真空光电管可直接观察图像的真空光电管)直接显示型直接显示型图像的显示图像的显示与前几章的光电器件的与前几章的光电器件的区别区别在于对光强的探测是在于对光强的探测是二维的。二维的。真空成像器件真空成像器件二、像管结构和工作原理：二、像管结构和工作原理：v光电变换部分光电变换部分v电子光学部分电子光学部分v电光变换部分电光变换部分v光电变换部分光电变换部分，即光电阴极，利用外光电，即光电阴极，利用外光电效应。光敏面采用光电发射

4、型材料。发射效应。光敏面采用光电发射型材料。发射的电子流分布正比于入射的辐射通量分布，的电子流分布正比于入射的辐射通量分布，使不可见的或亮度很低的辐射图像，转换使不可见的或亮度很低的辐射图像，转换成光电子发射图像。常用光电阴极有：成光电子发射图像。常用光电阴极有：1.银氧铯光电阴极银氧铯光电阴极2.单碱和多碱光电阴极单碱和多碱光电阴极3.紫外光电阴极紫外光电阴极4.负电子亲和势光电阴极：灵敏度高、响应波长负电子亲和势光电阴极：灵敏度高、响应波长范围宽范围宽v电子光学部分电子光学部分，即电子透镜，它可以使光电，即电子透镜，它可以使光电阴极发射出来的光电子图象在保持相对分布阴极发射出来的光电子图象

5、在保持相对分布不变的情况下，进行加速并聚焦成像在荧光不变的情况下，进行加速并聚焦成像在荧光屏上。屏上。v困难：困难：使各物点所发射的电子完全落在对应使各物点所发射的电子完全落在对应的各像点上。的各像点上。 非聚焦型（近贴式像管）非聚焦型（近贴式像管）v静电系统静电系统 静电聚焦型静电聚焦型 聚焦型聚焦型 电磁聚焦型聚焦型v1、非聚焦型像管（近贴型）、非聚焦型像管（近贴型）v由光电阴极和荧光屏构成，两者平行且距离很近由光电阴极和荧光屏构成，两者平行且距离很近v光电子在电场的作用下以光电子在电场的作用下以抛物线抛物线轨迹向荧光屏投轨迹向荧光屏投射。由于均匀电场只有加速投射作用，没有聚焦射。由于均匀

6、电场只有加速投射作用，没有聚焦成像作用，所以从光电阴极一点发出的不同初速成像作用，所以从光电阴极一点发出的不同初速的电子，不能在荧光屏上形成点像，而是一个弥的电子，不能在荧光屏上形成点像，而是一个弥散圆斑，分辨率较低。散圆斑，分辨率较低。v2、静电聚焦型像管、静电聚焦型像管v几个圆筒形的电极可形成对光电子聚焦和加速的电场，使电几个圆筒形的电极可形成对光电子聚焦和加速的电场，使电子在荧光屏上呈倒立的象。当各电极电压之比保持不变时，子在荧光屏上呈倒立的象。当各电极电压之比保持不变时，电子轨迹也基本不变，因此，各电极电压多用电阻链分压的电子轨迹也基本不变，因此，各电极电压多用电阻链分压的办法供给。办

7、法供给。 静电聚焦型象管结构示意图静电聚焦型象管结构示意图v3、电磁聚焦型像管、电磁聚焦型像管v特点：若光电子有偏离于管轴的速度分量，磁场会使它呈特点：若光电子有偏离于管轴的速度分量，磁场会使它呈螺旋状前进。电子每旋一圈所需的时间与初速度无关，不螺旋状前进。电子每旋一圈所需的时间与初速度无关，不管起初是沿什么方向发射，最终都可以被会聚于一点。管起初是沿什么方向发射，最终都可以被会聚于一点。电磁聚焦型象管结构示意图电磁聚焦型象管结构示意图分辨率高，但体积和重量大，使用不方便。分辨率高，但体积和重量大，使用不方便。v电光变换部分电光变换部分，即荧光屏，它可以使电子，即荧光屏，它可以使电子图象变成可

8、见光图像图象变成可见光图像v高能电子轰击荧光屏，发出可见光。高能电子轰击荧光屏，发出可见光。v荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激 发光。不同用途的像管，荧光体的种发光。不同用途的像管，荧光体的种类不同，荧光颜色也不同，为避免光类不同，荧光颜色也不同，为避免光反馈和增加荧光面的光输出，蒸镀铝反馈和增加荧光面的光输出，蒸镀铝膜。膜。4.1.1 变像管变像管v1、红外变像管、红外变像管v红外辐射图像被光学物镜成像后位于光电阴极的前方，该红外辐射图像被光学物镜成像后位于光电阴极的前方，该辐射图像相当于对光电阴极有一辐射通量，光电阴极将其辐射图像相当于对光电阴极有一辐射通量

9、，光电阴极将其变成与其亮度成正比的电子图像，经静电聚焦后轰击荧光变成与其亮度成正比的电子图像，经静电聚焦后轰击荧光屏，在转成光学图像。屏，在转成光学图像。阳阳极极光电阴光电阴极极聚焦聚焦极极荧光荧光屏屏真空成像器件真空成像器件红外变像管的应用红外变像管的应用 v2、光纤面板变像管、光纤面板变像管v成像器件讲究像质。成像器件讲究像质。v光阴极面积一般较大，是一种宽电子束聚焦的电光阴极面积一般较大，是一种宽电子束聚焦的电子光学系统，所以子光学系统，所以象散象散和和场曲场曲比较严重，特别在比较严重，特别在光阴极是平面的情况，通常要求光电阴极是球面。光阴极是平面的情况，通常要求光电阴极是球面。v光阴极

10、是球面，而一般输入的光学图像是平面。光阴极是球面，而一般输入的光学图像是平面。v利用光学纤维面板可以使像散和场曲减到最小。利用光学纤维面板可以使像散和场曲减到最小。APDFQCEB象散象散象散象散清晰清晰场曲场曲荧光屏荧光屏光电阴极光电阴极v光纤面板由直径为几微米的细玻璃丝紧密排光纤面板由直径为几微米的细玻璃丝紧密排列后熔压成块，然后切割、磨制、抛光，一列后熔压成块，然后切割、磨制、抛光，一端磨成平面，另一端磨成曲面。端磨成平面，另一端磨成曲面。v图像入射到光纤面板平面端图像入射到光纤面板平面端,由于光纤能将一由于光纤能将一端输入的光基本无损失地传到另一端端输入的光基本无损失地传到另一端,所以

11、每所以每根光纤传输图像的一个像元到光阴极曲面的根光纤传输图像的一个像元到光阴极曲面的相应点相应点,激发出光电子束激发出光电子束,经聚焦和加速后经聚焦和加速后,轰轰击曲面荧光屏击曲面荧光屏,发出的可见光图像再经每一根发出的可见光图像再经每一根光纤传输到光纤面板的平面端。光纤越细，光纤传输到光纤面板的平面端。光纤越细，光纤面板的图像分辨率越高。光纤面板的图像分辨率越高。v将光电阴极及荧光屏连同光纤面板一起制成将光电阴极及荧光屏连同光纤面板一起制成球面型，使聚焦面与荧光屏重合，从而改善球面型，使聚焦面与荧光屏重合，从而改善了像质。荧光屏上的像借助于平凹形的光纤了像质。荧光屏上的像借助于平凹形的光纤平

12、板展开成平面像。平板展开成平面像。光电阴光电阴极极聚焦聚焦极极阳阳极极荧光荧光屏屏光纤面光纤面板板光纤面光纤面板板v3、紫外变像管、紫外变像管v紫外变像管的窗口材料为石英玻璃，光电发紫外变像管的窗口材料为石英玻璃，光电发射材料为射材料为Sb-Cs阴极。它可以使波长大于阴极。它可以使波长大于200nm的紫外光变成光电子。紫外变象管与的紫外光变成光电子。紫外变象管与光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学等方面的研究。等方面的研究。4.1.2 像增强器像增强器v像增强器利用了像管功能中增强亮度、光学成像两像增强器利用了像管功能中增强亮度、光学成像两个功能。个功能

13、。v像增强器与变像管的像增强器与变像管的异同点异同点v一、第一代微光像增强器结构示意如下图：一、第一代微光像增强器结构示意如下图： 注意：级间耦合和光谱匹配注意：级间耦合和光谱匹配光电光电阴极阴极聚焦聚焦极极阳阳极极荧光荧光屏屏光纤光纤面板面板光纤光纤面板面板真空成像器件真空成像器件v二、二、第二代微光像增强器第二代微光像增强器 微通道板像增强器微通道板像增强器v1、 微通道板的原理和特性：微通道板的原理和特性：v通道电子倍增器：微通道板通道电子倍增器：微通道板MCP (Micro Channel Plate)是利用电子在通道内的二次倍增是利用电子在通道内的二次倍增来实现增强亮度的。来实现增强

14、亮度的。Uv2、微通道板像增强器微通道板像增强器v（1 1）近贴式）近贴式MCPMCP像增强器像增强器v 近贴式近贴式MCPMCP像增强器又称为平面型或薄片型像像增强器又称为平面型或薄片型像增强器。它是把增强器。它是把MCPMCP平行放置在光电阴极和荧光屏平行放置在光电阴极和荧光屏之间，三者相互靠得很近，故称双近贴式。之间，三者相互靠得很近，故称双近贴式。v 这种结构的优缺点是：这种结构的优缺点是：体积小，重量轻体积小，重量轻；但分；但分辨率和像质差。辨率和像质差。光电阴极光电阴极MCP荧光屏荧光屏v(2)(2)倒像式倒像式MCPMCP像增强器（静电聚焦式像增强器（静电聚焦式MCPMCP像增器

15、像增器）v 结构：结构： 在单级第一代像增强器中，加上一块微通道板在单级第一代像增强器中，加上一块微通道板MCP，MCP与光电阴极之间是静电透镜，与光电阴极之间是静电透镜，与荧光屏之间是与荧光屏之间是近贴均匀场。近贴均匀场。v 这种结构的优缺点是：这种结构的优缺点是：分辨率高，像质好；分辨率高，像质好；但噪声较但噪声较大。大。 静电聚焦式静电聚焦式MCPMCP像增器像增器三、三、第三代像增强器第三代像增强器 负电子亲和势像增强器负电子亲和势像增强器v第二代像增强器第二代像增强器+负电子亲和势光电阴极负电子亲和势光电阴极= 第三代像增强器第三代像增强器v同时起到光谱变换和微光增强的作用同时起到光

16、谱变换和微光增强的作用v优点：在可见光和近红外区都有较高的灵敏优点：在可见光和近红外区都有较高的灵敏度和量子效率度和量子效率四、四、X射线像增强器射线像增强器v实质是一种变像管，将不可见的实质是一种变像管，将不可见的X射线图像射线图像转换成可见光图像，并使图像亮度增强。转换成可见光图像，并使图像亮度增强。v结构：输入转换屏、光电阴极、电子光学系结构：输入转换屏、光电阴极、电子光学系统和输出荧光屏。统和输出荧光屏。v常用于医疗诊断和工业探伤等。常用于医疗诊断和工业探伤等。4.2 摄像管摄像管一、摄像管一、摄像管 摄制图像、存贮和处理，即将按空间光强摄制图像、存贮和处理，即将按空间光强分布的分布的

17、光学图像光学图像转变成适于处理和传递的转变成适于处理和传递的时间序列的一维时间序列的一维电信号电信号(视频信号视频信号)。像管和摄像管的区别：像管和摄像管的区别：二、摄像管的分类二、摄像管的分类（按光电变换的形式）：（按光电变换的形式）：真空成像器件真空成像器件v1.外光电变换型（光电发射型）外光电变换型（光电发射型）微光摄像微光摄像 包括包括 二次电子摄像管二次电子摄像管 硅靶摄像管硅靶摄像管 特点：增益和灵敏度高特点：增益和灵敏度高v2.内光电变换型（光电导型）内光电变换型（光电导型）视像管视像管 按光电导靶结构分为按光电导靶结构分为 光电导（注入）型：硫化锑管光电导（注入）型：硫化锑管

18、PN结（阻挡）型：氧化铅管、硅靶管、结（阻挡）型：氧化铅管、硅靶管、 异质结管异质结管 特点：结构简单、体积小、使用方便特点：结构简单、体积小、使用方便 光电发射型光电发射型 光电导型光电导型三、摄像管的结构和工作原理三、摄像管的结构和工作原理v从原理角度对摄像管的一般要求从原理角度对摄像管的一般要求:1.图像传送方式图像传送方式任何一幅图像可以分割成许多小任何一幅图像可以分割成许多小像点像点(像素像素或或像元像元)。像素越小，单位面积上的像素数目越。像素越小，单位面积上的像素数目越多，图像就越清晰。把像点的平均亮度作为像多，图像就越清晰。把像点的平均亮度作为像素的图像信息，然后经过光电转换元

19、件变为电素的图像信息，然后经过光电转换元件变为电信号，再经过传送出来。信号，再经过传送出来。一幅图像约分成四十多万个像素，显然不一幅图像约分成四十多万个像素，显然不可能用四十多万条信道同时传送。实际上可能用四十多万条信道同时传送。实际上是把图像上各个像素的信息按一定顺序转是把图像上各个像素的信息按一定顺序转变成电信号，并依次传送出去。这样就可变成电信号，并依次传送出去。这样就可以把图像随空间、时间的变化转换成电信以把图像随空间、时间的变化转换成电信号随时间的变化。号随时间的变化。在电视中利用在电视中利用电子束扫描过程电子束扫描过程，将图像亮，将图像亮度的空间分布转换为度的空间分布转换为按时间顺

20、序传送按时间顺序传送的电的电信号。行扫描信号。行扫描水平扫描，场扫描水平扫描，场扫描垂直扫描。垂直扫描。在我国电视制式中，一幅图像分成在我国电视制式中，一幅图像分成625行，行，每秒传送每秒传送25幅图像，即帧频为幅图像，即帧频为25Hz，一帧，一帧分成两场，采用隔行扫描的方式，第一场分成两场，采用隔行扫描的方式，第一场传送奇数行，第二场传送偶数行，场频传送奇数行，第二场传送偶数行，场频50Hz。帧频与场频：电影画面重复频率不得低于每秒帧频与场频：电影画面重复频率不得低于每秒48次。电影采用每秒投影次。电影采用每秒投影24幅画面，两幅之间用遮幅画面，两幅之间用遮光伐挡一次。电视场采用隔行扫描，

21、奇数场光伐挡一次。电视场采用隔行扫描，奇数场/偶数偶数场，两场合为一帧。即场频场，两场合为一帧。即场频50Hz，帧频，帧频25Hz。PAL制式，每帧画面制式，每帧画面625行，行正程行，行正程52us，行逆，行逆程程12us。NTSC制式制式60Hz.2.从原理角度对摄像管的基本要求从原理角度对摄像管的基本要求:要能将图像按空间位置顺序划分成像素，要能将图像按空间位置顺序划分成像素，并作光电转换；并作光电转换；像素元素要多，尺寸要小（像素元素要多，尺寸要小（ m）；）；信息的转换和传输速度要快；信息的转换和传输速度要快；要有高灵敏度和宽的动态范围；要有高灵敏度和宽的动态范围；可靠、方便。可靠、

22、方便。v摄像管的摄像管的基本功能：基本功能：光电变换光电变换光电信息存储光电信息存储(以电荷的形式存储而呈现电位差）以电荷的形式存储而呈现电位差）信号阅读部分信号阅读部分扫描输出扫描输出v技术难点：技术难点：像元探测器的制作（数量多、尺寸小）像元探测器的制作（数量多、尺寸小）连线连线扫描（快速顺序接通）扫描（快速顺序接通）v具体分为以下具体分为以下四个过程：四个过程：1.光学图像转变成电荷（电位）图像；光学图像转变成电荷（电位）图像；2.对电荷图像进行存贮和积累；对电荷图像进行存贮和积累；3.对电信号进行放大和增强；对电信号进行放大和增强；4.对存贮电荷图像的各个像素进行顺序扫描，对存贮电荷图

23、像的各个像素进行顺序扫描，输出与输入信息成比例的一维电信号。输出与输入信息成比例的一维电信号。v4.2.1 光电导型摄像管光电导型摄像管（视象管）视象管）v视象管的结构：视象管的结构：光电导靶光电导靶和和电子束扫描电子束扫描 区区构成构成真空成像器件真空成像器件各部分的作用：各部分的作用： （）（） 光电导靶：光电导靶：v利用光电导效应将光学图像转化成电位图像利用光电导效应将光学图像转化成电位图像;v完成完成光电变换光电变换和光电信息的和光电信息的积累和储存积累和储存;光电光电导体导体信号板信号板V10V0物镜物镜电位图像电位图像厚度厚度20 mv原理：原理： 当光学图像投射到光电导靶上时当光

24、学图像投射到光电导靶上时,因各像因各像素照度不同素照度不同,则导致电导率的差异则导致电导率的差异,从而在靶上从而在靶上产生电势的起伏产生电势的起伏(电位图像电位图像)。随着光的连续。随着光的连续入射，靶上的电势也随之积累，然后通过电入射，靶上的电势也随之积累，然后通过电子扫描（相当于开关换接作用），产生视频子扫描（相当于开关换接作用），产生视频信号输出。信号输出。（）（）信号阅读部分：信号阅读部分：v从靶面取出信号的任务是由阅读部分来完成从靶面取出信号的任务是由阅读部分来完成的。阅读部分包括的。阅读部分包括电子束电子束发射系统（电子枪）发射系统（电子枪）和和电子束电子束聚焦扫描系统。聚焦扫描系

25、统。电子枪产生热电子，电子枪产生热电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定的并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面。轨迹扫描靶面。v电子束的产生电子束的产生：热阴极发射出来的电子在阳：热阴极发射出来的电子在阳极膜孔处会聚并通过阳极膜孔后再发散开来。极膜孔处会聚并通过阳极膜孔后再发散开来。v电子束的聚焦电子束的聚焦：阳极膜孔发散出来的电子束：阳极膜孔发散出来的电子束在靶面上会聚成一点，有电聚焦和磁聚焦两在靶面上会聚成一点，有电聚焦和磁聚焦两种方式。种方式。v电子束的偏转电子束的偏转：电子束能够扫描到靶上任：电子束能够扫描到靶上任何一处，充分阅读每一个像素信息。何一处，充分阅读每一个

26、像素信息。v电子束垂直上靶电子束垂直上靶：当电子束上靶与靶面上：当电子束上靶与靶面上积累的正电荷中和后才能使其转变成视频积累的正电荷中和后才能使其转变成视频信号输出，信号输出， 那么电子束能否上靶，不仅与那么电子束能否上靶，不仅与电子的速度大小有关，而且与其速度的方电子的速度大小有关，而且与其速度的方向有关。由向有关。由靶网和调制电极附近的校正线网和调制电极附近的校正线圈来完成。圈来完成。v利用扫描电子束，解决了多像元的连线和利用扫描电子束，解决了多像元的连线和顺序接通问题。扫描电子束的焦斑即是像顺序接通问题。扫描电子束的焦斑即是像元的大小元的大小1525 m。v几点说明：几点说明：1.电荷存

27、储：电荷存储：把一帧时间间隔内的光信息变为电把一帧时间间隔内的光信息变为电荷信息存储起来。荷信息存储起来。是摄像器件成为实用器件的是摄像器件成为实用器件的重要理论依据，提高了灵敏度。重要理论依据，提高了灵敏度。若用电子束直若用电子束直接扫描光电阴极，灵敏度低，因为光电阴极无接扫描光电阴极，灵敏度低，因为光电阴极无光积分能力。光积分能力。2.慢电子扫描：慢电子扫描：指扫描电子束中的电子上靶时速指扫描电子束中的电子上靶时速度很慢，而不是指扫描速度很慢。度很慢，而不是指扫描速度很慢。因为当上靶因为当上靶的速度很大时，会使扫描面产生二次电子发射，的速度很大时，会使扫描面产生二次电子发射，会造成扫描面带

28、正电，致使二次电子返回靶面，会造成扫描面带正电，致使二次电子返回靶面，落在相邻的像素上，使电势起伏降低，输出信落在相邻的像素上，使电势起伏降低，输出信号减弱，显示有阴影。号减弱，显示有阴影。.几种常见的视象管：几种常见的视象管：v硅靶管硅靶管v当电子束扫描时当电子束扫描时PN结反偏置，有光照时光生电子通结反偏置，有光照时光生电子通过信号板入地，光生空穴积累到过信号板入地，光生空穴积累到P型岛。如果光照是型岛。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，则扫描面上各照不均匀，是一幅光学图象，则扫描面上各P型岛的型岛的

29、电势分布，将正比于入射光学图象的亮度分布。电势分布，将正比于入射光学图象的亮度分布。 扫描电子束具扫描电子束具有地的电位有地的电位v是大量微小光电二极管的列阵。用极薄的是大量微小光电二极管的列阵。用极薄的N型硅片型硅片的一面经抛光、氧化而形成一层绝缘良好的的一面经抛光、氧化而形成一层绝缘良好的SiO2膜，用光刻技术在膜上刻出一个个圆孔，通过窗膜，用光刻技术在膜上刻出一个个圆孔，通过窗孔将硼扩散入硅基片，于是就形成一个个孔将硼扩散入硅基片，于是就形成一个个P型岛。型岛。每一个每一个P型岛与型岛与N型基片构成一个型基片构成一个PN结光电二极管，结光电二极管，而每个光电二极管被而每个光电二极管被Si

30、O2膜隔开，形成一个单独膜隔开，形成一个单独的像素。这样的像素。这样N型硅片的一面为型硅片的一面为N+层，而另一面层，而另一面则为则为P型岛阵列，构成硅靶。型岛阵列，构成硅靶。v优点：不易损坏、寿命长、灵敏度高，对近红外优点：不易损坏、寿命长、灵敏度高，对近红外 敏感、惰性小。敏感、惰性小。v缺点：靶面有斑点疵病（材料的缺陷、工艺缺点：靶面有斑点疵病（材料的缺陷、工艺 等）、分辨率不高，暗电流大。等）、分辨率不高，暗电流大。v氧化铅靶摄象管氧化铅靶摄象管 结构和工作过程与硅靶类似。结构和工作过程与硅靶类似。v具有具有PIN光电二极管结构。工作时光电二极管结构。工作时N层与靶压正极层与靶压正极相

31、连，光电二极管处于反向偏置，靶压几乎全加相连，光电二极管处于反向偏置，靶压几乎全加在耗尽层（在耗尽层（I）上，在耗尽层内形成很强的电场。）上，在耗尽层内形成很强的电场。当耗尽层内出现光生载流子时，在强电场作用下当耗尽层内出现光生载流子时，在强电场作用下它们几乎全部参与导电，所以提高了光电转换效它们几乎全部参与导电，所以提高了光电转换效率。另一方面，由于处于反偏，使其暗电流明显率。另一方面，由于处于反偏，使其暗电流明显下降。下降。v优点：灵敏度高，暗电流小，光电特性近似线优点：灵敏度高，暗电流小，光电特性近似线 性，惰性小。性，惰性小。v缺点：材料和工艺异常复杂。缺点：材料和工艺异常复杂。v异质

32、结靶摄像管异质结靶摄像管玻璃玻璃SnO2CdSeCdSeOAs2S3CdSe靶靶玻璃玻璃SnO2Se+As+TeSb2S3SeAsTe靶靶Se+As分辨率高，分辨率高，暗电流小，暗电流小，量子效率高量子效率高光谱响应宽，动光谱响应宽，动态范围大，信号态范围大，信号电流大，暗电流电流大，暗电流 小，分辨率高，小，分辨率高，惰惰 性小性小灵敏度比硅靶灵敏度比硅靶高，晕光现象高，晕光现象小，工艺简单，小，工艺简单，成本便宜成本便宜ZnxCd1-xTe玻璃玻璃SnO2ZnSeZnCdTe靶靶N Pv4.2.2 光电发射型摄像管：光电发射型摄像管：v二次电子导电摄象管（二次电子导电摄象管（SEC）v S

33、EC管是管是60年代初出现的一种高灵敏度摄象管，适于微年代初出现的一种高灵敏度摄象管，适于微光摄象。光摄象。真空成像器件真空成像器件v结构：光电阴极、移像区、存储靶、结构：光电阴极、移像区、存储靶、 电子束扫描电子束扫描v光电阴极：与真空光电管和光电阴极：与真空光电管和PMT所用材料相所用材料相同，决定了管子的光谱响应特性。同，决定了管子的光谱响应特性。v移像区移像区（加速电场）加速电场）：把图像的光电转换和：把图像的光电转换和信号存储分开，目的在于增强光电子能量，信号存储分开，目的在于增强光电子能量，从而在靶上产生更多的电荷，以获得增益，从而在靶上产生更多的电荷，以获得增益，提高灵敏度。提高

34、灵敏度。v二次电子传导靶二次电子传导靶：光照下发射电子：光照下发射电子v采用低密度的次级电子发射性能良好的材料组成。采用低密度的次级电子发射性能良好的材料组成。低密度（低密度（1-2%）纤维结构中）纤维结构中98-99%的空间是真空，的空间是真空，次级电子逸出的较大。次级电子逸出的较大。疏松的疏松的KCl，低密度层，低密度层，1020 m成像面成像面扫描面扫描面扫描区扫描区移像区移像区靶靶Al2O3膜，支撑层，厚约膜，支撑层，厚约700埃埃Al膜，电信号板，膜，电信号板，200 700埃，加正电压埃，加正电压v低密层的工作原理：低密层的工作原理： 低能电子束扫描低密度层，使表面为阴极电低能电子

35、束扫描低密度层，使表面为阴极电位，这样在低密度层中建立了电场。入射的光电位，这样在低密度层中建立了电场。入射的光电子以子以6 10K的能量轰击靶面，在透过支撑层和信的能量轰击靶面，在透过支撑层和信号板时将损失号板时将损失2Kev能量，其余的能量用以激发能量，其余的能量用以激发KCl中的电子。中的电子。 扫描区扫描区移像区移像区靶靶信号板信号板+qpqnqrqs-+电子束电子束v设入射的光电子电荷为设入射的光电子电荷为qp，在光电子激发下，在光电子激发下释放出的自由二次电子电荷为释放出的自由二次电子电荷为qn，其中，其中qs电电荷被信号板所收集，有荷被信号板所收集，有qr电荷将在到达信号电荷将在

36、到达信号板前与发射的二次电子所产生的正电荷中心板前与发射的二次电子所产生的正电荷中心相复合。所以到达信号板的总电荷相复合。所以到达信号板的总电荷qs=qn-qr。到达信号板的电子将引起靶的局部放电，所到达信号板的电子将引起靶的局部放电，所以当移像部分把光图像成像于靶上时，在以当移像部分把光图像成像于靶上时，在KCl层的右侧留下与之对应的正电荷图像。层的右侧留下与之对应的正电荷图像。v因为因为KCl膜的电阻率很高，正离子的迁移速膜的电阻率很高，正离子的迁移速度很小，所以图像可以维持很长时间，直到度很小，所以图像可以维持很长时间，直到扫描电子束将其抹平，使之恢复阴极电位，扫描电子束将其抹平，使之恢

37、复阴极电位，同时产生的信号电流由信号板输出，在负载同时产生的信号电流由信号板输出，在负载电阻上产生视频电压信号。电阻上产生视频电压信号。v总结：总结：二次电子在靶电场作用下流向信号板，二次电子在靶电场作用下流向信号板，而在靶上留下一个正电荷图像，被扫描时经而在靶上留下一个正电荷图像，被扫描时经电子束补充恢复到阴极电位，而在外电路产电子束补充恢复到阴极电位，而在外电路产生脉冲电流，形成图像的视频信号。生脉冲电流，形成图像的视频信号。v信号读出方式：信号读出方式：直接读出方式：电子束直接上靶而取得信号。直接读出方式：电子束直接上靶而取得信号。返束读取方式：电子束接触到靶面时，对于返束读取方式：电子

38、束接触到靶面时，对于电势高的像素，上靶的电子多，返回的电子电势高的像素，上靶的电子多，返回的电子少，这样返回的电子就荷载了图像信息。少，这样返回的电子就荷载了图像信息。散射电子束读取方式：散射电流的大小与像散射电子束读取方式：散射电流的大小与像素电势高低成正比。素电势高低成正比。v硅增强靶摄象管（硅增强靶摄象管（SIT）v像增强器像增强器+普通硅靶普通硅靶=增强型硅靶增强型硅靶v 摄像管的发展方向摄像管的发展方向 在今后一段时间内，摄像器件主要朝在今后一段时间内，摄像器件主要朝着着高灵敏、高分辨率、低功耗、低成本和高灵敏、高分辨率、低功耗、低成本和小型化小型化方向发展。要实现上述功能，采用方向

39、发展。要实现上述功能，采用CMOS工艺是关键。工艺是关键。v固体成像器件：固体成像器件： CCD（电荷耦合器件）、（电荷耦合器件）、 SSPD（自扫描光电二极管列阵）、（自扫描光电二极管列阵）、 CMOS（互补性金属氧化物半导体元件（互补性金属氧化物半导体元件 ）vCCD有有面阵面阵和和线阵线阵之分：之分：面阵是把面阵是把CCD像素排成像素排成1个平面的器件；个平面的器件；线阵是把线阵是把CCD像素排成像素排成1直线的器件。直线的器件。 4.3 固体成像器件固体成像器件4.3.1 电荷耦合器件电荷耦合器件vCharge-Coupled Devices(CCD)，是一种，是一种金属金属-氧化物氧

40、化物-半导体结构（半导体结构（MOS结构），结构）， 1970年由贝尔实验室首先研制出来。年由贝尔实验室首先研制出来。v它使用一种高感光度的半导体材料制成，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把能把光光线转变成线转变成电荷电荷，然后通过，然后通过A/D转换器转换器芯片将电信号转换成芯片将电信号转换成数字信号数字信号，数字信号，数字信号经过压缩处理经经过压缩处理经USB接口传到电脑上就形接口传到电脑上就形成所采集的成所采集的图像图像。vCCD器件的突出特点就是器件的突出特点就是以电荷作为信号以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件而不同于其它大多数器件 (以电流或电压作以电流或电压作为信号为信号

41、)。一一金属金属-氧化物氧化物-半导体结构半导体结构(MOS结构结构)vCCD是由许多个光敏像元按一定规律是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的。排列组成的。v每个像元就是一个每个像元就是一个MOS电容器电容器(大多为大多为光敏二极管光敏二极管)，如图所示，如图所示，光线光线v它是在它是在P型型Si衬底表面衬底表面上用氧化的办法生成上用氧化的办法生成1层厚度约为层厚度约为1000A1500A的的SiO2，再在，再在SiO2表面蒸镀一金属表面蒸镀一金属层层(多晶硅或金属多晶硅或金属)，在，在衬底和金属电极间加衬底和金属电极间加上上1个偏置电压，就构个偏置电压，就构成成1个个MOS电容器。电容器。

42、P（N）SiSiO2 Al电极电极（栅极（栅极）2.5 m15 20 mv按电极的排列形式分：按电极的排列形式分： 线阵、面阵线阵、面阵v按电极形状分：按电极形状分： 平板式、台阶式平板式、台阶式v按按Si片的导电类型分：片的导电类型分： N型、型、P型型v下面以下面以P-Si为衬底、平板式电极、线阵为衬底、平板式电极、线阵CCD为例。为例。P（N）Si二二电荷耦合原理电荷耦合原理1.电荷存储电荷存储当电极上加有正偏压（对于当电极上加有正偏压（对于N型型Si衬底则加衬底则加负偏压），它形成的电场穿过负偏压），它形成的电场穿过SiO2薄层排薄层排斥斥P型型Si中的多数载流子（空穴），于是在中的多

43、数载流子（空穴），于是在电极下形成一个耗尽层，即得到一个储存少电极下形成一个耗尽层，即得到一个储存少数载流子（电子）的势阱。数载流子（电子）的势阱。所加偏压越大，势阱就越深。势阱深度可用所加偏压越大，势阱就越深。势阱深度可用半导体表面相对于半导体内的电势差来表征，半导体表面相对于半导体内的电势差来表征，即表面势。即表面势。势阱的深浅还与势阱内是否存储电荷有关，势阱的深浅还与势阱内是否存储电荷有关，产生存储电荷的方法有电注入、光注入、热产生存储电荷的方法有电注入、光注入、热注入等方法。注入等方法。5V10V5V5V1432-v当电极上加正电压时，在时刻当电极上加正电压时，在时刻t=0时，由于时，

44、由于电极下的势阱还没有收集少数载流子（电电极下的势阱还没有收集少数载流子（电子），所以在子），所以在SiO2-Si的界面处还没有形成的界面处还没有形成反型层。此时，反型层。此时，P型型Si的表面势最大，所形的表面势最大，所形成的耗尽层宽度最宽，即势阱最深。如图成的耗尽层宽度最宽，即势阱最深。如图（a）所示。）所示。Xdt=0Xdt=t1+-t=t2热平衡热平衡（a）（ b）（c）v随着时间的增加，由于热激发所产生的电子随着时间的增加，由于热激发所产生的电子-空穴对，空穴被耗尽区电场驱到衬底，而电空穴对，空穴被耗尽区电场驱到衬底，而电子被吸引到子被吸引到Si表面形成了反型层。在反型层表面形成了反

45、型层。在反型层对外电场的屏蔽下，使表面势减小，同时降对外电场的屏蔽下，使表面势减小，同时降低了耗尽层的宽度。如图（低了耗尽层的宽度。如图（b）。）。v当足够数目的电子汇集在表面时，势阱中存当足够数目的电子汇集在表面时，势阱中存储的电子足以使势阱的深度变为零，表面势储的电子足以使势阱的深度变为零，表面势就不再变化了，达到饱和状态（热平衡状就不再变化了，达到饱和状态（热平衡状态），此时离开表面的扩散电流和流向表面态），此时离开表面的扩散电流和流向表面的漂移电流达到动态平衡。达到热平衡所需的漂移电流达到动态平衡。达到热平衡所需要的时间称为热驰豫时间。在室温下，热驰要的时间称为热驰豫时间。在室温下，热

46、驰豫时间为豫时间为1S-几几S，与其结构和工艺有关。如，与其结构和工艺有关。如图（图（c）。）。v在饱和状态下并不存在有用的势阱。在饱和状态下并不存在有用的势阱。CCD要存储有用的信号电荷，则要求信号电荷要存储有用的信号电荷，则要求信号电荷的存储时间远远于小于热驰豫时间，即的存储时间远远于小于热驰豫时间，即CCD是在非平衡状态下工作的是在非平衡状态下工作的。趁。趁MOS电电容器刚加上电压，还没达到平衡状态以前容器刚加上电压，还没达到平衡状态以前进行光注入进行光注入Xdt=t1+-+-信号电信号电荷荷v让一束光线投射到让一束光线投射到MOS电容器上时，光子电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进

47、入穿过透明电极及氧化层，进入P型型Si衬底，衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子空穴对，电子空穴对在跃迁形成电子空穴对，电子空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的在由电极形成的“势阱势阱”中。如图所示。中。如图所示。 v收集在势阱中的收集在势阱中的“电荷包电荷包”的大小与入射的大小与入射光的照度成正比。光的照度成正比。v当当CCD用作拍摄光学图

48、像时，把按照度分用作拍摄光学图像时，把按照度分布的光学图像通过光电转换成为电荷分布，布的光学图像通过光电转换成为电荷分布，注入到每一位深势阱中。注入到每一位深势阱中。v在热驰豫过程终结前较长时间，势阱中热在热驰豫过程终结前较长时间，势阱中热电子的成分远远小于光生电子，所以势阱电子的成分远远小于光生电子，所以势阱中积存的电荷量代表了入射光强度信息。中积存的电荷量代表了入射光强度信息。v光生电荷存储的光生电荷存储的CCDCID CID构成的摄像机构成的摄像机ICCD2.电荷转移（电荷耦合）电荷转移（电荷耦合）v由由MOS结构的工作原理可知，结构的工作原理可知，CCD存储存储信号是通过电极上加电压来

49、实现的。信号是通过电极上加电压来实现的。vCCD传输信号电荷是通过电极上加不同的传输信号电荷是通过电极上加不同的电压来实现的，依靠电压来实现的，依靠CCD本身各电极下势本身各电极下势阱形状的变化使电荷转移。阱形状的变化使电荷转移。5V10V5V5V1432-5V10V5V15V1432-v当电极当电极3所加偏压增到所加偏压增到15V时，电极时，电极3下的势下的势阱将比电极阱将比电极2下的势阱更深，于是电极下的势阱更深，于是电极2下存下存储的电荷将沿界面移向电极储的电荷将沿界面移向电极3下的势阱。下的势阱。v外加在栅级上的电压愈高，表面势越高，势外加在栅级上的电压愈高，表面势越高，势阱越深。浅势

50、阱至深势阱交替改变栅级电压，阱越深。浅势阱至深势阱交替改变栅级电压，使势阱形状变化，完成电荷转移。使势阱形状变化，完成电荷转移。v电荷转移过程电荷转移过程=信息输出过程信息输出过程自扫描。自扫描。v通常电极结构按所加脉冲电压的相数分为二通常电极结构按所加脉冲电压的相数分为二相系统、三相系统和四相系统。相系统、三相系统和四相系统。三相三相CCD的电荷转移的电荷转移1432 -567 -321第一位第一位第二位第二位n位位三相三相CCD结构结构（a）初始状态；）初始状态；(b)电荷由电荷由电极向电极向电极转移；电极转移；(c)电荷在电荷在、电极下均匀分布；电极下均匀分布； (d)电荷继续由电荷继续

51、由电极向电极向电极转移；电极转移；(e)电荷完全转移到电荷完全转移到电极；电极；(f)3相交叠脉冲。相交叠脉冲。 v假设电荷最初存储在电极假设电荷最初存储在电极(加有加有10V电压电压)下面的势阱中，下面的势阱中，如图如图(a)所示，加在所示，加在CCD所有电极上的电压，通常都要保所有电极上的电压，通常都要保持在高于某一临界值电压持在高于某一临界值电压Vth，Vth称为称为CCD阈值电压，阈值电压，设设Vth=2V。所以每个电极下面都有一定深度的势阱。显。所以每个电极下面都有一定深度的势阱。显然，电极然，电极下面的势阱最深。下面的势阱最深。v如果逐渐将电极如果逐渐将电极的电压由的电压由2V增加

52、到增加到10V，这时，这时，、两个电极下面的势阱具有同样的深度，并合并在一起，原两个电极下面的势阱具有同样的深度，并合并在一起，原先存储在电极先存储在电极下面的电荷就要在两个电极下面均匀分布，下面的电荷就要在两个电极下面均匀分布，如图如图(b)和和(c)所示。所示。v然后再逐渐将然后再逐渐将电极下面的电压降到电极下面的电压降到2V，使其势阱深度，使其势阱深度降低，如图中降低，如图中(d)和和(e)所示，这时电荷全部转移到电极所示，这时电荷全部转移到电极下面的势阱中，此过程就是电荷从电极下面的势阱中，此过程就是电荷从电极到电极到电极的转移的转移过程。过程。v如果电极有许多个，可将其电极按照如果电

53、极有许多个，可将其电极按照1、4、7，2、5、8和和3、6、9的顺序分别连在一起，加上一定时序的的顺序分别连在一起，加上一定时序的驱动脉冲，如图驱动脉冲，如图(f)所示，即可完成电荷从左向右转移的过所示，即可完成电荷从左向右转移的过程。用程。用3相时钟驱动的相时钟驱动的CCD称为称为3相相CCD。 v为了更好地传输电荷，要求耗尽层交叠，使邻为了更好地传输电荷，要求耗尽层交叠，使邻近电极的表面电势光滑地过渡，为此要求电极近电极的表面电势光滑地过渡，为此要求电极紧密地排列，一般铝电极之间的间隙约为紧密地排列，一般铝电极之间的间隙约为2.5 m，给制造工艺带来困难，容易产生电极，给制造工艺带来困难，

54、容易产生电极短路。以上是单层金属化电极结构。短路。以上是单层金属化电极结构。v目前均采用三相多晶硅交叠栅结构，通过光刻、目前均采用三相多晶硅交叠栅结构，通过光刻、热氧化、沉积，电极间隙只是氧化层的厚度，热氧化、沉积，电极间隙只是氧化层的厚度，只有几百毫只有几百毫 m。二相二相CCD的电荷转移的电荷转移总结：P沟道型CCD原理v金属金属-氧化物氧化物-半导体结构（半导体结构（MOS)在外加电场在外加电场作用下，半导体中空穴被推离界面，形成表作用下，半导体中空穴被推离界面，形成表面势井；面势井；v光照产生的电子填充势井，使势井变浅。势光照产生的电子填充势井，使势井变浅。势井变化率与光生载流子成正比

55、。井变化率与光生载流子成正比。v势井中的电子在交替变化的电位作用下耦合势井中的电子在交替变化的电位作用下耦合到下一个势井中，顺序移出。到下一个势井中，顺序移出。三三电荷耦合器件的组成及其工作原理电荷耦合器件的组成及其工作原理vCCD器件主要由器件主要由3部分组成部分组成:信号输入部分信号输入部分电荷转移部分电荷转移部分信号输出部分信号输出部分1.信号输入部分信号输入部分作用：作用：将信号电荷引入到将信号电荷引入到CCD的第一个转移的第一个转移 栅下的势阱中。栅下的势阱中。方法：方法：电注入、光注入电注入、光注入电注入：电注入： 通过输入二极管和输入栅注入与信号成正通过输入二极管和输入栅注入与信

56、号成正比的电荷。即：给输入栅施加适当的电压，比的电荷。即：给输入栅施加适当的电压，在其下面半导体表面形成一个耗尽层。这在其下面半导体表面形成一个耗尽层。这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施加更时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施加更高的电压，则在它下面形成一个更深的耗高的电压，则在它下面形成一个更深的耗尽层，受输入信号调制的电荷包就会从输尽层，受输入信号调制的电荷包就会从输入二极管经过深耗尽层流入第一转移栅下入二极管经过深耗尽层流入第一转移栅下的势阱中，完成输入过程。的势阱中，完成输入过程。v场效应管输入、注入二极管输入、电势平场效应管输入、注入二极管输入、电势平衡法输入。衡法输入。v是是CCD器件

57、不可缺少的电路。器件不可缺少的电路。光注入：摄像器件采取的唯一注入方法。光注入：摄像器件采取的唯一注入方法。 光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收产光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收产生电子生电子-空穴对，多数载流子进入耗尽层空穴对，多数载流子进入耗尽层底部，通过接地消失，少数载流子被收集底部，通过接地消失，少数载流子被收集到势阱中成为信号电荷。当输入栅开启后，到势阱中成为信号电荷。当输入栅开启后，第一个转移栅上加以时钟电压时，这些代第一个转移栅上加以时钟电压时，这些代表光信号的少数载流子就会进入到转移栅表光信号的少数载流子就会进入到转移栅下的势阱中，完成光注入过程。下的势阱中，完成光注入过程。

58、2.信号转移部分信号转移部分原理：电荷总是要向最小位能方向移动。只要转移原理：电荷总是要向最小位能方向移动。只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断向前运动。会不断向前运动。v三相时钟三相时钟v两相时钟两相时钟123.信号输出部分信号输出部分作用作用:将将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号最后一个转移栅下势阱中的信号 电荷引出。电荷引出。方法：方法：电流输出：电流输出：最简单的输出电路，通过二极最简单的输出电路，通过二极管检出，二极管处于反向偏置，产生一个管检出，二极管处于反向偏置，产生一个尖峰脉冲。尖峰脉冲。 电路简单电路简单,但噪声

59、较大。但噪声较大。浮置扩散放大器（浮置扩散放大器（FDA）输出）输出：也称电压：也称电压输出，抗噪性能比电流输出好。输出，抗噪性能比电流输出好。 以上两种以上两种直接与信号电荷的转移直接与信号电荷的转移沟道相连接，均为破坏性的一次性读出。沟道相连接，均为破坏性的一次性读出。浮置栅极放大器输出浮置栅极放大器输出：非破坏性读出方式。：非破坏性读出方式。当信号电荷传输到浮置栅下面的沟道时，当信号电荷传输到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅上感应为镜象电荷，以控制栅极在浮置栅上感应为镜象电荷，以控制栅极电位，达到信号的检测与放大的目的。栅电位，达到信号的检测与放大的目的。栅极电容较小，可以得到比较大的输出信

60、号。极电容较小，可以得到比较大的输出信号。 输出电路和输入电路决定了器件的信输出电路和输入电路决定了器件的信噪比和动态范围。噪比和动态范围。4.3.2 电荷耦合器件的分类电荷耦合器件的分类 CCD按结构分为两大类：线阵和面阵按结构分为两大类：线阵和面阵一一线阵线阵CCD 只摄取一行图像信息，适用于运动物体的摄像，只摄取一行图像信息，适用于运动物体的摄像，可以做传真、遥感、文字或图像信息的判别、可以做传真、遥感、文字或图像信息的判别、工件尺寸的自动检测等。工件尺寸的自动检测等。1.最简单的线阵最简单的线阵CCD21 由于传输过程中继续光照而产生由于传输过程中继续光照而产生电荷，使信号电荷发生重叠