第07章-光电成像器件1

光电探测器光电成像器件微光夜瞄镜

微光夜视眼镜热像仪光电探测器：－－单元器件

“点源”探测，跟踪制导等AIM-9M红外制导导弹点击图片播放光电成像器件：－－阵列器件

“面源”探测，目标识别等成像制导攻击目标点击图片播放第07章光电成像器件夜视仪输出图像信号：－－直视型光电成像器件第07章光电成像器件输出视频信号：－－摄像型光电成像器件摄像头第07章光电成像器件光电成像器件是一类能够输出图像信息（图像或视频信号）的功能器件，也称光电图像传感器。PhotoelectronicImagingDevices光电成像器件摄像型：直视型：像管变像管像增强管电真空摄像管固体摄像器件摄像管有无扫描机构变像管像增强器像管摄像管把不可见变可见把微弱增强电子束扫描后显示第07章光电成像器件第07章光电成像器件7.1像管（变像管和像增强器）7.2电真空摄像管7.3固体成像器件7.1像管（变像管和像增强器）7.1.1像管基本结构原理7.1.2变像管7.1.3像增强器三个基本部分：光电变换部分电子光学部分电光变换部分7.1像管7.1.1像管基本结构原理三大功能变换光谱：将红外、紫外的辐射图像变成可见图像增强亮度：使图像亮度接近人眼的视觉响应峰值光学成像：将电子图像在荧光屏上变成光学图像7.1.2变像管变像管

－－不可见光图像

可见光图像红外夜视仪7.1像管基本变像方法直接变像（依光波长改变光电阴极材料）近红外光像1.15μm紫外光像<0.32μm

7.1.2变像管基本变像方法红外光像波长大于1.15μm间接变像（利用光电导技术）7.1.2变像管7.1.2变像管基本变像方法红外光像

1~4μm

间接变像（利用光电导技术）红外光像电势分布像电子流调制荧光屏成像基本变像方法导通截止选通式变像管

（导通和截止可控）基本变像方法选通式变像管

（导通和截止可控）激光脉冲辐射图像控制栅电压波形荧光屏图像提高图像对比度同步工作基本变像方法选通式变像管

（导通和截止可控）讨论：强光保护的可行性导通截止7.1像管（变像管和像增强器）7.1.1像管基本结构原理7.1.2变像管7.1.3像增强器7.1像管像增强器

－－亮度低图像

亮度高图像微光夜瞄镜7.1.3像增强器

7.1.3像增强器1、级联式图像增强器2、微通道板式图象增强器三、变像管1、级联式图像增强器三级级联像增强器结构示意图亮度增益可达105体积大、重量重、防强光能力差。7.1.3像增强器2、微通道板式图象增强器结构原理：7.1.3像增强器MicroChannelPlate，简称MCP2、微通道板式图象增强器7.1.3像增强器MicroChannelPlate，简称MCP

优点：设有电子光学系统，整管可以做得很短

散焦：微管直径只有十几微米MCP光电倍增管（多通道）2、微通道板式图象增强器7.1.3像增强器用PMT探测生物超微弱发光～千个光子/S·cm2

同步单光子技术探测系统结构简图2、微通道板式图象增强器7.1.3像增强器用MCPPMT探测成像--同时获得有机体超微弱发光强度的时间和空间信息超微弱发光图的探测系统结构简图像管（变像管和像增强器）像增强器总结：7.1像管紫外光像X射线像红外光像微弱光像（微通道板）光敏面荧光屏可见光像目前技术状况：－－第三代像增强器微通道板＋负电子亲和势光电阴极光度学灵敏度：3000μA/lm辐射度学灵敏度：100mA/W（波长0.85μm）亮度增益：1×104cd/(m2·lx)分辨率：36lp/mm2、微通道板式图象增强器7.1.4像增强器目前技术状况：－－第四代像增强器在第三代像增强器的基础上，通过进一步改进微通道板的性能，或者利用门控电源技术，提高像增强器的分辨率、信噪比等性能参数。它们分别属于超三代和第四代像增强器。2、微通道板式图象增强器7.1.5像增强器涂覆于真空管内壁的光电发射材料薄膜红外：银氧铯；可见：单碱和多碱；紫外；负电子亲和势。（参见书第四章）光电阴极非聚焦型像管（近贴型）两个平行电极间形成均匀电场从同一点出发不同初速的电子，在均匀电场作用下，以抛物线轨迹向荧光屏投射均匀电场只有加速投射作用，没有聚焦成像作用电子不能会聚成像点，而是弥散圆斑分辨率低三大类像管（1）静电聚焦型像管阴极发射电子从阳极中小孔通过，电子被聚焦加速当各电极电压之比保持不变时，电子轨迹也基本不变，各电极电压多用电阻链分压的办法供给。成倒像三大类像管（2）电磁复合聚焦型由磁场聚焦和电场加速共同完成成像作用。轴向有相同初速度的电子，以螺旋线前进，聚焦于同一点。用于需高性能像质的场合，如天文测量。三大类像管（3）作用是将电子动能转换为光能。高转换效率发射谱与人眼或下级光电阴极的光谱响应特性匹配。荧光屏光谱响应特性和光谱匹配光谱响应特性指：光电阴极的光谱响应特性，它决定管子所能应用的光谱范围。Q：由上面的特性可以联系到什么器件？光谱匹配：在像管的光谱响应范围内光源与光电阴极、光电阴极与荧光屏、荧光屏与人眼视觉函数之间的光谱分布匹配，匹配好，则像管灵敏度高。像管的主要特性参数光谱匹配函数增益特性亮度增益：荧光屏的光出射度和入射至光电阴极表面上的照度之比。像管的主要特性参数等效背景照度暗背景：无光照射时荧光屏的发光。荧光屏上的目标叠加了一个背景亮度，使图像对比度下降，严重时可能使微光图像淹没在背景中。等效背景照度EBI：荧光屏上产生与暗背景相等亮度时，光电阴极面上需输入的照度值。Bb为暗背景亮度，单位为cd/m2；Gb为亮度增益。变像管的EBI在10-3lx量级；像增强器在10-7lx量级。像管的主要特性参数变像管和像增强器

－－在军事上的应用1.主动红外夜视仪7.1像管变像管和像增强器

－－在军事上的应用2.微光夜视仪（10－5lx）7.1像管微光图像亮度增强夜天微光目标像像增强器夜视仪荧光屏图象与普通电视屏幕图像的亮度相当

增强约5万倍10-5lx7.1像管微光夜视仪

目标光电阴极

微光像增强管荧光屏7.1像管美军微光夜视器材微光夜瞄镜

7.1像管手持式观察镜微光夜视眼镜

我军微光夜视器材装有微光瞄准镜的新5.8毫米班用机枪我军微光夜视技术达到国际“二代半”水平7.1像管微光夜视仪的观察效果可见的目标图像不易见的目标图像7.1像管①受强光照射时，屏幕图像出现面积较大的晕斑。微光像增强技术的局限性②有效作用距离较短（~300米）。③观测效果依赖夜天微光“照明”，光夜视仪不能在“全黑”环境清晰成像。7.1像管第07章光电成像器件夜视仪输出图像信号：－－直视型光电成像器件第07章光电成像器件输出视频信号：－－摄像型光电成像器件摄像头第07章光电成像器件摄像型：直视型：变像管像增强管电真空摄像管固体摄像器件随着半导体微电子集成电路技术发展，CCD等典型固体摄像器件逐步成为摄像器件领域的主流器件。第07章光电成像器件7.1像管（变像管和像增强器）7.2电真空摄像管7.3固体成像器件摄像头7.2电真空摄像管二维光学图像一维时序电信号还原二维光学图像例：电视监控系统传输和接收规则－－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头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。7.2电真空摄像管7.2电真空摄像管7.2.1电视制式7.2.2电真空摄像管的结构原理7.2电真空摄像管7.2.1电视制式1.扫描2.视频信号3.我国电视标准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7.2.1电视制式－－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7.2.1电视制式一帧：一行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.扫描－－行、帧7.2.1电视制式隔行扫描方式逐行扫描方式1.扫描－－两种扫描方式7.2.1电视制式逐行扫描方式根据视人眼觉时间特性，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：降低行频闪烁感？隔行扫描方式1.扫描－－两种扫描方式7.2.1电视制式隔行扫描方式一帧分为两场－－奇数场－－偶数场1352467.2.1电视制式隔行扫描方式根据视觉时间特性，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7.2.1电视制式隔行扫描方式逐行扫描方式－高清晰成像测量系统－工业民用电视系统1.扫描－－两种扫描方式7.2.1电视制式－－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7.2.1电视制式2.视频信号行正程（信息）行逆程（消隐）行信号波形一行视频信号行同步7.2.1电视制式2.视频信号场正程（信息）场逆程（消隐）场信号波形一场视频信号场同步7.2.1电视制式3.我国电视标准

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=64s；视频信号带宽BW=6MHzPAL－－德国NTSC－－美国7.2.1电视制式7.2电真空摄像管一、电视制式小结1.扫描3.我国电视标准

隔行扫描场频50Hz逐行扫描

隔行扫描行帧场625行/帧正程

逆程－PAL制2.视频信号

信息信号同步脉冲消隐脉冲7.2电真空摄像管7.2.1电视制式7.2.2电真空摄像管的结构原理7.2.2电真空摄像管结构原理光电转换信号存储扫描输出－－光电导式/热释电摄像管1.三个基本功能7.2电真空摄像管光像电子枪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。－－加速电极－－聚焦电极－－聚焦线圈－－偏转线圈－－灯丝－－热阴极－－控制栅极扫描输出2.电子束扫描输出7.2.2电真空摄像管结构原理2.电子束扫描输出水平偏转线圈垂直偏转线圈－－行扫描－－场扫描消隐脉冲控制栅极逆程电子束截止7.2.2电真空摄像管结构原理2.电子束扫描输出－－灯丝－－热阴极－－控制栅极－－加速电极－－聚焦电极－－聚焦线圈－－偏转线圈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。7.2.2电真空摄像管结构原理第07章光电成像器件7.1像管（变像管和像增强器）7.2电真空摄像管7.3固体成像器件固体：器件为固态器件,采用半导体工艺制成。（对比：真空成像器件采用真空玻璃壳中的靶进行图像转换）成像：利用半导体材料的光电效应，实现光电转换，通过驱动电信号实现光学图像的转换、信息存贮及按顺序输出，形成电子图像。（对比：真空成像器件采用电子束扫描方式）73图像传感器固体图像传感器的优点体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，可靠，寿命长；扫描线性，畸变小，重复性好，适用于尺寸测量、定位和图像传感等方面；光谱响应范围较广，从近紫外到近红外；空间分辨率高，像元间距的几何位置精确，可以获得很高的定位与测量精度；与微机接口容易实现。“CCD是数码相机的电子眼,它革新了摄影术。现在光可以被电子化记录,取代了胶片。这一数字形式极大地方便了对图像的处理和发送。无论是我们大海中深邃之地,还是宇宙中的遥远之处,它都能给我们带来水晶般清晰的影像”。CCD的发明者获得2009年诺贝尔奖1970年，Boyle(左)和Smith(右)在测试用最初状态的CCD元件组装的简易拍摄装置。1973年，仙童公司的产品，第一块商用CCD柯达的塞尚先生被尊为数码相机之父，而1975年，他的第一台电子相机使用的核心成像元件正是一块5万像素的仙童产CCD

数码相机之父亲70年代末，RCA对天文拍摄用CCD的研究，使其得以因基特峰国家天文台的1米望远镜安装了其自产的320*512像元制冷CCD而名声大造天文摄影中，使用的大型CCD阵列，由多块不同尺寸，不同特性的CCD成像元件组成天文摄影用CCD成像设备拍摄的遥远的深空天体

7.3固体成像器件CCD摄像器件CMOS图像传感器体积小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性能好，可靠性高，寿命长，······7.3固体成像器件7.3.1电荷耦合器件（CCD器件）7.3.2CMOS图像传感器7.3.3红外焦平面阵列器件（IRFPA）7.3.1电荷耦合器件（CCD器件）ChargeCoupledDevice简称CCD1.CCD的结构与工作原理2.CCD的主要特性参数3.CCD摄像器件CCD电荷存储电荷转移电荷注入电荷输出7.3.1电荷耦合器件1.CCD的结构与工作原理1)CCD单元结构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PMOS结构单元－像素7.3.1电荷耦合器件1）正偏（VG<0负电压）P-Si中的多子（空穴）向（SiO2，P-Si）界面积累（“多子堆积状态”），相当于普通电容器（C=Cox）

2）反向弱偏置（VG>0，较小）P-Si中的多子（空穴）推开（SiO2，P-Si）界面附近。平衡时，在界面附近形成一定深度（△x）的耗尽区（受主离子区）→多子耗尽状态1)2)3)3）反向强偏置（VG≥Vth<0）P-Si中的多子（空穴）推开（O-S）界面推开，且界面处正表面电势Vs很强→耗尽区内热激发的电子空穴对中的电子（电荷）迁移→在（O-S）界面附近形成n型（反型层）“载流子反型层状态”1.CCD的结构与工作原理7.3.1电荷耦合器件基本名词：势阱势阱施加正电压空穴耗尽区电子的“陷阱”7.3.1电荷耦合器件基本名词：势阱栅极正向电压增加时，势阱变深。－－改变UG，调节势阱深度7.3.1电荷耦合器件2)电荷包的注入（光注入、电注入）光注入：电子－－信号电荷（包）产生电子－空穴对空穴－－栅极电压排斥光注入方式又可分为正面照射式及背面照射式。光注入的电荷量Neo与入射的光谱辐射通量成线性关系7.3.1电荷耦合器件电荷的注入--有关参数与CCD电荷生成过程有关的参数是量子效率(QE)和暗电流。影响QE的因素有吸收(absorption)、反射(reflection)和穿透(transmission)等。影响暗电流的因素主要是温度。7.3.1电荷耦合器件电荷的注入理想情况下，电极材料应该是完全透明的，实际上这些材料对光都有一些吸收和反射。如多晶硅电极对短波光有较强的吸收和反射，减少了最终到达硅片的光子数量，如图中λ1和λ2所表示的情况。

x：吸收y：复合材料的吸收系数和反射率与波长有关，在可见光波段，波长越短吸收系数和反射率越大。图中光线的颜色只是示意，不代表光谱！CCD短波限制与结构及材料有关7.3.1电荷耦合器件厚型前照明CCD光在表面电极产生反射和吸收，使这种CCD的量子效率比较低，对蓝光的响应非常差。其电极结构不容许采用提高性能的增透膜技术。增透膜技术在薄型背照明CCD可以采用。电荷的注入-降低反射7.3.1电荷耦合器件硅片减薄到15m左右，光线由背面射入，避免了电极对光线的阻挡，可以得到很高的量子效率。由于可以在硅表面制作减反膜，短波响应将得到很大提高。薄型背照明CCD电荷的注入-降低反射薄型CCD对近红外光线几乎透明，因此长波响应很差。7.3.1电荷耦合器件空气或真空的折射率为1.0，硅为3.6。利用上述方程式可以得出在空气中硅的反射率是32%。除非采取适当的措施消除这种反射，否则硅CCD只能探测到2/3的入射光子。增透膜可以解决这个问题。硅的折射率(ns)很高，很多入射光子会在其表面反射。nins在两种不同折射率物质的界面上光子的反射率为=[]ns-nins+ni2电荷的注入-降低反射空气硅7.3.1电荷耦合器件右图是EEV42-80CCD的反射率曲线。这种薄型CCD是专为提高蓝光谱响应设计的，其增透膜最佳工作波长为400nm。在400nm反射率下降到左右1%。电荷的注入-降低反射提高量子效率最有效的方法是背照明！7.3.1电荷耦合器件电荷的注入各种不同CCD的量子效率的比较思考：CCD的窗口玻璃影响性能吗？为什么？7.3.1电荷耦合器件3)电荷包的存储1.CCD的结构与工作原理CCD工作过程的第二步是电荷的存储，是将入射光子激励出的电荷存储起来成为信号电荷包的过程。为了存储电荷，必须制造一个存储区。不仅要把生成的电荷尽量存储起来，而且保证所存储的电荷不被复合。存储区：势阱。3)电荷包的存储1.CCD的结构与工作原理在栅极未施加电压时，P型半导体分布均匀的空穴（多数载流子）－栅极加正向电压，空穴远离栅极，形成耗尽层－电压提高，耗尽层扩散，形成反型层（电子被表面势吸引，极薄，密度极高）－反型层形成时的外加电压称为阈值电压－MOS电容的衬底材料由P型换成N型，偏置电压也反号，则反型层为空穴－深度耗尽状态，CCD工作状态（因为少数载流子缺乏，反型层不能立即形成）氧化层厚度对表面势的影响同样栅极电压下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势3)电荷包的存储7.3.1电荷耦合器件3)电荷包的存储单元最大存储信息电荷量：如果在MOS栅极G上施加足够大的正电压VG，由此产生的半导体与绝缘体界面上的电势（称为表面势）很高，多数载流子空穴被排斥到衬底的底侧，硅表面处留下不能移动的带负电的粒子，产生耗尽区此时若有电子，将被吸引到表面处，称此种状态为非稳态VG越大，表面势越大，势阱越深。即使光照停止，一定时间内也不会损失，光信息就这样被记录下来了。

注意：热激发也会产生电子－空穴对，其产生电子也会吸引到势阱中，当表面处电子（少数载流子）浓度超过了空穴浓度(多数载流子）时，即此处由P型变为N型，形成一层反型层，当势阱中填满了电子,势阱中的电子不再增加了，便达到稳态（热平衡状态）。因此信号电荷的储存必须在达到稳态之前完成。（0.1~10s）7.3.1电荷耦合器件3)电荷包的存储存储电荷P单元最大存储信息电荷量：7.3.1电荷耦合器件3)电荷包的存储P电荷存储收集的效率与电势的分布、复合寿命和扩散长度有关。复合寿命由光子激发出的电子在重新跃迁回价带(与空穴复合)之前可以在硅晶格内活动的时间是有限的。这个过程的时间常数称为复合寿命，其大小取决于硅的质量和掺杂的浓度。越长，信号电子被收集的可能性就越大，量子效率就越高。扩散长度扩散长度表示光生电子复合前移动的平均距离。当电子是在复合寿命很长的区域内生成，但是它必须移动到指定的收集区去时，这个电子是否能够被收集取决于它向制定区域运动的机制。7.3.1电荷耦合器件4)电荷包的转移三相时钟脉冲电压按组（相）加到CCD各电极上电荷包的转移，是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。7.3.1电荷耦合器件4)电荷包的转移

基本思想：－－调节势阱深度－－利用势阱耦合势阱耦合7.3.1电荷耦合器件4)电荷包的转移7.3.1电荷耦合器件4)电荷包的转移P7.3.1电荷耦合器件5)电荷包的输出电流输出方式：衬底P和N+区构成输出二极管（反偏压）反偏二极管7.3.1电荷耦合器件5)电荷包的输出电流输出方式：检测二极管、二极管偏置电阻、源极输出放大器和复位场效应管等构成CR2下的势阱－>输出栅下的势阱－>反向偏置二极管（相对于深势阱）－>产生电流IdQs＝IddtId使得A点的电位变化，反应注入到二极管电荷量的大小通过隔直电容检测出A点的电位变化，就可以检测出电荷量的大小7.3.1电荷耦合器件5)电荷包的输出电流输出方式：衬底P和N+区构成输出二极管（反偏压）复位脉冲RS10－>2V5V7.3.1电荷耦合器件1.CCD的结构与工作原理1前照明光输入1背照明光输入2电荷生成3电荷存储4电荷转移5电荷输出视频输出7.3.1电荷耦合器件CCD电荷存储电荷转移电荷注入电荷输出7.3.1电荷耦合器件1.CCD的结构与工作原理小结：7.3.1电荷耦合器件1.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7.3.1电荷耦合器件（CCD器件）ChargeCoupledDevie简称CCD1.CCD的结构与工作原理2.CCD的特性参数3.CCD摄像器件7.3.1电荷耦合器件2.CCD的主要特性参数1.转移效率，损耗率2.暗电流3.灵敏度和量子效率4.光谱响应特性5.CCD噪声6.分辨率7.工作频率8.动态范围9.填充因子7.3.1电荷耦合器件2.CCD的特性参数1)转移效率，损耗率

η总=ηn

例：η=0.999，二相1024器件，η总<13%预先输入一定的背景电荷，零信号也有一定电荷－－“胖零”技术。7.3.1电荷耦合器件2.CCD的特性参数2)暗电流暗电流是指在没有入射光的情况下CCD所仍具有之电荷量，理想的CCD其暗电流应该是零，但部分游离电荷会残存在电极之间，导致没有光线下CCD还是『感应』到些许的『电荷』存在，形成了『看到了』的杂像！危害：限制器件低频限。引起图像固定噪声！

7.3.1电荷耦合器件2.CCD的特性参数3)灵敏度和量子效率单位光功率产生的信号电流影响灵敏度的因素：开口率，（感光单元面积与一个像素总面积之比）、感光单元电极形式和材料、CCD内的噪声等

量子效率产生的光电子数量与入射光光子的数量比，用以表诉CCD在不同波长下的响应值7.3.1电荷耦合器件2.CCD的特性参数5)CCD噪声散粒噪声：微观粒子无规律，信号电荷有一定不确定性转移噪声：转移时剩下少部分电荷热噪声：信号电荷注入回路及读出回路上产生总噪声为三者的均方根

7.3.1电荷耦合器件2.CCD的特性参数6)分辨率像素---CCD每一个元素，像素越多，图像越清晰44万（768*576）、100万（1024*1024）200万（1600*1200）、600万（2832*2128）电视线---简称线(TVLINES)，彩色摄像头一般330~500线，黑白可以达到600线。电视线与CCD和镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通常规律是1MHz的频带宽度相当于清晰度为80线。频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。灰度级---灰度分辨率、色彩分辨率，1/2n位数：8位（bit）、10位、11位、12位、位数越多，图像越清晰。

是CCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。7.3.1电荷耦合器件2.CCD的特性参数7)驱动频率下限少数载流子平均寿命上限——电荷来不及转移电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t下限与少数载流子的寿命有关，而少数载流子的寿命与器件的工作温度有关，工作温度越高，寿命越短，下限频率越高载流子的迁移率/电极长度，衬底杂质的浓度、温度有关7.3.1电荷耦合器件2.CCD的特性参数8)动态范围输出端峰值电压与均方根噪声电压之比动态范围由它的信号处理能力和噪声电平决定，反映了器件的工作范围，取决于势阱能收集的最大电荷量与受噪声限制的最小电荷量之差

。7.3.1电荷耦合器件2.CCD的特性参数9)填充因子填充因子（FillFactor）-CCD实际感光面积占像素面积的比值理想值-100%实际值-30%（隔行传输式CCD）通过微型镜头改善（但微型镜头的应用会影响紫外光的检测）填充因子是影响灵敏度的一个因数7.3.1电荷耦合器件（CCD器件）ChargeCoupledDevie简称CCD1.CCD的结构与工作原理2.CCD的特性参数3.CCD摄像器件3.CCD摄像器件7.3.1电荷耦合器件2048×2048面阵CCD5000像元线阵CCD1.三相单沟道线阵CCD2.双沟道线阵CCD3.面阵CCD摄像器件

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3.CCD摄像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

3.CCD摄像器件放大器工作过程：光敏区转移栅移位寄存器三相时钟脉冲视频信号输出1)三相单沟道线阵CCD

3.CCD摄像器件3)面阵CCD摄像器件

帧转移面阵CCD结构：成像区暂存区水平读出寄存器3.CCD摄像器件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3)面阵CCD摄像器件

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3)面阵CCD摄像器件

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3)面阵CCD摄像器件

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3)面阵CCD摄像器件

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3)面阵CCD摄像器件

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3)面阵CCD摄像器件

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3)面阵CCD摄像器件

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3)面阵CCD摄像器件

工作过程：3.面阵CCD摄像器件（小结）

3.CCD摄像器件成像区暂存区水平读出寄存器场正程场逆程行逆程行正程结构：图像－>电荷成像区－>暂存区场正程电荷平移输出信号思考：如何实现逆程消隐的？CCD摄像器件扫描输出的特点CCD摄像管－－微电子电路按规律发出脉冲扫描输出电信号微电子电路脉冲信号光敏区暂存区输出端3.CCD摄像器件－－自扫描电真空摄像器件扫描输出的特点电真空摄像管－－电子枪按规律偏转电子束扫描输出电信号电子枪3.CCD摄像器件对比：二者扫描方式的差别CCD摄像管－－微电子电路按规律发出脉冲扫描输出电信号电真空摄像管－－电子枪按规律偏转电子束扫描输出电信号3.CCD摄像器件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。例1：用于成像－CCD微光电视摄像3.CCD摄像器件－－像增强器与CCD芯片的耦合CCD芯片例1：CCD微光电视摄像3.CCD摄像器件例2：用于测量－CCD玻璃管测控仪（生产线）测量尺寸及精度要求：外径φ20±0.3mm、φ28±0.4mm壁厚（1.2±0.05）mm、（2±0.07）mm3.CCD摄像器件光强均匀的平行光束照射玻璃管线阵CCD输出信号波形电视型成像器件小结：1.电视制式：扫描、行、帧、场3.CCD成像器件：单元结构、转移、自扫描2.电真空摄像管：电子枪、扫描4.CMOS图像传感器5.IRFPA阵列器件7.3固体成像器件7.3.1电荷耦合器件（CCD器件）7.3.2CMOS图像传感器7.3.3红外焦平面阵列器件（IRFPA）7.3.2CMOS图像传感器ComplementaryMetalOxideSemiconductor－－简称CMOSCMOS数码相机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

结构简单

处理功能多

成品率高

价格低廉

成像质量差

像敏单元尺寸小

填充率低

响应速度慢1.CMOS成像器件单元结构:被动像敏单元结构(无源结构）主动像敏单元结构（有源结构）7.3.2CMOS图像传感器1.CMOS成像器件单元结构:被动像敏单元结构(无源结构）7.3.2CMOS图像传感器由一个光电二极管和一个选址开关组成当地址开关选通时，光电二极管中由于光照产生的相应电荷就传送到了列选择线下端的大器将该信号转化为电压输出；光电二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系；无源像素单元PPS结构简单，像素填充率高，量子效率高。但它的读出噪声大，一般为250rms而商用CCD的读出噪声可低于20rms1.CMOS成像器件单元结构:主动像敏单元结构(有源结构）7.3.2CMOS图像传感器每个像敏单元都经过放大后，才传输，所以噪声大为降低，图像信号的信噪比显著提高。当复位脉冲到来时，T1导通，光敏二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失后，T1截止，光敏二极管开始积分光信号。T2为源极跟随器，它将光电二极管的高阻抗输出信号进行电流放大。T3用做选址模拟开关，当选通脉冲到来时，T3导通，使被放大的光电信号输送到列总线上。2.CMOS成像器件结构:信号读出采用X－Y寻址方式，具有读出任意局部画面的能力7.3