第五章光电成像器件

第五章光电成像器件本章内容光电成像器件的发展、类型＆特性光电成像原理与电视制式真空摄像管电荷耦合器件（CCD）重点内容电荷耦合器件（CCD）难点内容光电成像原理电荷耦合器件（CCD）第一节概述一、光电成像器件的发展1934年，光电像管（Iconoscope），应用于室内外的广播电视摄像。灵敏度非常低，需要10000lx的照度，达到图像信噪比的要求；1947年，超正析像管（ImageOrthicon），照度降低到2000lx；1954年，视像管，灵敏度＆分辨率高，成本低，体积小，，惯性大，不适用于高速运动图像测量，不能取代超正析像管用于彩色广播电视摄像机；1965年，氧化铅管（Plumbicon），成功取代超正析像管，惯性小，广泛应用于彩色电视摄像机，结构简单，体积小，灵敏度＆分辨率都很高。1976年，硒靶管＆硅靶管，灵敏度进一步提高且成本更低；1970年后，CCD的出现使光电成像器件进入新的阶段。体积更小，灵敏度更高，应用更灵活、更方便。二、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＆显像面构成三、光电成像器件的基本特性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－CCD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表示光通量辐通量像增强管：亮度转换增益GL来表示(lm/W)光出射度光照度无量纲亮度（cd/lm）摄像器件：灵敏度S表示电视系统：光电导材料的γ值来表示视像管的信号电流常数视像管靶面照度γ<1，强光信号被压缩γ＝1，光信号无变化γ>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。 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。第二节光电成像原理与电视摄像制式一、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光电成像原理：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，经光电成像器件将二维光学图像转变成二维电气图像（超正析像管为电子图像，视像管为电阻图像或电势图像，面阵CCD为电荷图像），然后进行图像分割，并按照一定的规则将所分割的电气图像转变成一维时序信号（视频信号），将视频信号送入监视器，控制显像管电子枪的强度，显像管电子枪与摄像管的电子枪作同步扫描，可将摄像管摄取得图像显示出来。（如将视频信号经调制放大成高频－射频信号发送出去，再用天线系统将射频信号接收到，经过解调获取视频信号，控制电视显像管电子枪的扫描可以获得摄像管摄取得景物图像）二、电视制式1、电视图像的宽高比：图像宽度＆高度之比，一般为4：3。2、帧频与场频：帧频为每秒钟电视屏幕变化的数目。一般场频为50赫兹，帧频为25赫兹。在电视中采用隔行扫描的方式。3、扫描行数与行频：组成每帧图像的行数＆行频。我国现行电视制式（PLA制式）：宽高比为4：3，场频为50赫兹，行频为15625赫兹，场周期为20毫秒，其中正程扫描时间为18.4毫秒，逆程扫描时间为1.6毫秒，行周期为64微秒，其中正程扫描时间为52微秒，逆程扫描时间为12微秒。第三节真空摄像管一、氧化铅视像管的结构视频信号靶网电极聚焦线圈偏转线圈校正线圈聚焦极2聚焦极1阴极控制栅极加速极RLVT（1）管子结构当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。由于本征层占有靶厚的绝大部分，入射光子大部分被本征层吸收，产生光生载流子。且在强电场的作用下，光生载流子一旦产生，便被内电场拉开，电子拉向N区，空穴被拉向P区。这样，若假定把曝光前本征层两端加有强电场看作是电容充电，则此刻由于光生载流子的漂移运动的结果相当于电容的放电。其结果，在一帧的时间内，在靶面上便获得了与输入图像光照分布相对应的电位分布，完成了图像的变换＆记录过程。（2）靶结构玻璃PINSnO2（透明导电膜）RLVT（40～60V）在入射窗的内表面首先蒸上一层极薄的SnO2透明导电膜，再蒸涂氧化铅本征层，然后，氧化处理形成P型层。由于氧化铅与二氧化锡两者的接触而在交界面处形成N形薄层，这样就构成了NIP型异质结靶。又称信号板。其反偏电压主要施加在本征层。二、硅靶结构视频信号电阻海P型岛SiO2PPPnR2N+左边是光的入射面，右边是电子束扫描面，靶的基体实N型单晶硅薄片。其上有大量微小的P型岛。由P型小岛与N型基底之间构成密集的光敏二极管阵列。并在P型岛之间的N型硅表面覆盖高绝缘的二氧化硅薄膜，另外在N型基底的外表面上形成一层极薄的N+层，在P型岛地外表面上形成一层半导体层称为电阻海。总厚度约为20微米。工作时，在N+层加5～15伏电压，使硅光电二极管处于反向偏置工作状态。无光照时，反压将一直保持。当有光学图像输入时，N型硅将吸收光子产生电子空穴对，它们在电场的作用下作漂移运动，空穴通过PN结移到P型岛，此动作在一帧的周期内连续进行，从而提高了P型岛的电位。其电位的升高的数值正比于该点的曝光量。因此，靶面的P型岛上形成了积累得电荷图像。这时通过电子束的扫描，即可得到视频信号。三、摄像管的性能参数1、光电转换特性输入面照度（勒克斯）输出视频信号电流硅电子倍增靶视像管二次电子导电管超正析像管分流管曲线的斜率为管子的灰度系数γ。超正析像管在高光照时输出信号电流饱和，曲线弯曲。2、光谱响应灵敏度波长abcdegfa——Sb2S3光导摄像管b——PbO光导摄像管（标准型）c——PbO光导摄像管（全色型，接近于人眼的光谱响应，在彩色摄像时可获得色调的高保真度）d——CdSe光导摄像管e——硅靶摄像管（光谱响应范围最宽，适用于近红外摄像）f——SeAsTe光导摄像管g——ZnCdTe光导摄像管3、时间响应特性（滞后特性）滞后输入面照度硅电子倍增管分流管二次电子导电管超正析像管硅靶管在摄像管输入光照度突然截止后，取其第三场或第十二场衰减的输出信号电流占未截止光照时的输出信号电流的百分比值为表示摄像管滞后特性的指标。4、输出信噪比输入面照度信噪比硅电子倍增靶分光管二次电子导电管超正析像管视像管输出信噪比取决于光阴极的量子噪声，靶噪声，扫描电子束噪声，二次电子倍增器以及前置放大器的噪声等。5、动态范围其取决于摄像管的暗电流＆饱和电流。暗电流所引起的噪声决定了摄像管的最低输入照度，饱和电流决定了摄像管的最高入射照度。而最高入射照度与最低输入照度的比值为改摄像管的动态范围。6、图像传递特性它用输出信号电流的调制度来表示。其取决于：移像区的电子光学系统的像差；靶的电荷图像像差以及扫描电子束的弥散＆滞后等因素。四、各种视像管主要性能比较靶类型硫化锑氧化铅硅靶硒化镉硒砷碲碲化锌镉特征低价格低惰性，低暗电流高灵敏度高灵敏度，低暗电流低惰性，低暗电流高灵敏度灵敏度低中高高中高分辨率高高一般高高高光动态好一般一般一般好一般光电转换特性0.6~0.711111惰性大小中中小中暗电流大小中小小小晕光小小小小小小用途一般广播电视工业电视工业电视广播电视工业电视第五节变像管＆像增强管一、典型结构与工作原理物镜目镜阴极阳极荧光屏目标物所发出某波长范围的辐射通过物镜在半透明光电阴极上形成目标的像，引起光电发射。阴极面每一点发射的电子束密度正比于该点的辐照度。这样，光阴极将光学图像转变成电子数密度图像。通过阳极的电子透镜作用，使阴极发出的光电子聚焦成像在荧光屏上。荧光屏在一定速度的电子轰击下发出可见的荧光，最终，在荧光屏上便可得到目标物的可见图像。涂在光阴极面上的材料若对红外或紫外光线敏感，则为变像管，若只对微弱的可见光敏感，则为像增强管。二、性能参数1、光电阴极灵敏度光阴极的量子效率决定了管子的灵敏度，量子效率对波长的依赖性决定了管子的光谱响应，光阴极的暗电流＆量子效率决定了像的对比度＆最大信噪比，对比度＆信噪比又决定了照度最低情况下的分辨率。2、放大率＆畸变荧光屏上像点到光轴的距离与阴极面上对应点到光轴距离之比称为变像管点所在环带的放大率β。畸变：D=β/β0-1若D>0,则为枕形畸变，D<0，则为桶形畸变。3、亮度转换增益光出射度辐照度发光效率灵敏度额定阳极电压光阴极的有效接收面积荧光屏的有效发光面积4、鉴别率一般指在照度足够的情况下（以100勒克斯为宜），通过变像管或像增强管所刚刚分辩处的黑白条纹数目。5、暗背景亮度在无光照下，光阴极产生的暗电流在阳极电场的作用下轰击荧光屏使之发光，这时荧光屏的亮度称之为暗背景亮度。6、观察灵敏阈在极限观察下，光电阴极的极限照度称为观察灵敏阈。三、像增强管的级联（一）串联式像增强管1、磁聚焦三级串联式像增强管光电阴极分压电阻二次电子倍增膜荧光屏电极环磁聚焦线圈它由三只单级像管首尾相接，每只单级像管的高压电源通过电阻分压器加在电极环上，使管内产生均匀电场。管外加长螺管线圈，用以产生轴向均匀磁场。两级中间连接处违夹心片结构，中间为透明云母片，它的前面为荧光屏，后面为光电阴极，两者的频谱特性正好品配。特点：像差小，像质好，但消耗功率大，体积笨重。2、电聚焦三级串联像增强管光阴极面荧光屏A层A层A层A1A2A3靶靶加速＆聚焦全由电子透镜来实现。重量轻，功耗低，但像差大，产生像散＆场曲，像质差。（二）级联式像增强管光电阴极光学纤维面板阳极荧光屏光学纤维面板光纤维板是由很多极细的光学纤维玻璃丝紧密排列并聚熔而成。其传光效率高，且端面可加工为各种所需要的形状。提高了管子的灵敏度。缺点是边缘增益大。常用于夜视、微光电视领域。级联式像增强管单管结构图（三）微通道式像增强管微通导管管壳光电阴极在入射光线的照射下发出光电子，它们分别沿着各个小的微通导管不断地二次电子倍增，倍增后的电子射到荧光屏上，便显示出明亮的光学图像。它分为两类：近聚焦微通道像增强管＆静电聚焦微通道像增强管。优点：体积小，重量轻，可通过调整偏压来调整增益，且具有自动放强光的能力。缺点：噪声大。外形结构第四节电荷耦合器件（CCD）CCD类型：表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输；体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输。工作过程：电荷的产生、存储、传输＆检测。

CCD全称电荷耦合器件，它具备光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。

CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。

MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片

彩色CCD显微照片（放大7000倍）

一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。

CCD的基本工作原理一、电荷存储栅电极G氧化层P型半导体耗尽区反型层uG>uthuG<uthuG=0构成CCD的基本单元是MOS（金属－氧化物－半导体）结构。当栅极G施加正偏压UG之前（UG=0），P型半导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的；当栅极电压加正向偏压（UG<Uth）后，空穴被排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区进一步向半导体内延伸；当UG>Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势（表面势ФS）变得如此之高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层，反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储电荷的功能。ФSUGP型硅杂质浓度Nd=1021m-3反型层电荷QINV=0

1.0V1.4VUth=2.2V3.0Vdox=0.1um0.30.40.6表面势与栅极电压的关系ФSQINVdox=0.1umdox=0.2umUG=15VUG=10V表面势与反型层电荷密度的关系曲线的直线特性好，说明两者有着良好的反比例线性关系。可以“势阱”的概念来解释。u010V10VUG=5VUG=10VUG=15V空势阱填充1/3势阱全满势阱电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低的氧化层与半导体地交界面处。MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=Cox•UG•A二、电荷耦合假定开始有一些电荷存储在偏压为20V的第二个电极下面的势阱里，其他电极上均加有大于阈值得较低电压（例如2V）。设a图为零时刻，经过一段时间后，各电极的电压发生变化，第二个电极仍保持10V，第三个电极上的电压由2V变为10V，因这两个电极靠的很近（几个微米），它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。如图b＆c。若此后第二个电极上的电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下的势阱中，如图e。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。2V10V2V2Va存有电荷的势阱b2V10V2V10V2V2V10V10V2V2V10V2V10V2V2V2V10V2VcdefФ1Ф2Ф3通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，并施加同样的时钟脉冲。如图f，为三相时钟脉冲，此种CCD称为三相CCD。CCD电极间隙必须很小，否则被电极间的势垒所间隔。产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构，表面态密度等因素决定。间隙长度应小于3um。以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD（工作频率高）,而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD。三、电荷的注入＆检测1、电荷的注入（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（2）电注入：CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。电流注入法IDuINuIDN+IGФ1Ф2Ф3Ф2PID为源极，IG为栅极,而Ф2为漏极，当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为：经过Tc时间注入后，其信号电荷量为：IDIGФ2Ф1Ф3Ф2Ф3Ф1N+P-Si电压注入法与电流注入法类似，但输入栅极IG加与Ф2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Ф2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Ф2＆N+的势阱分开。电荷注入量与时钟脉冲频率无关。2、电荷的检测信号电荷在转移过程中与时钟脉冲无任何电容耦合，而在输出端需选择适当地输出电路以减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的程度。（1）电流输出：如图a。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Ф2电极下的电荷包越过输出栅极，流入到深势阱中。UDRDRgAOGФ1Ф2放大P-Si图aN+OGФ1Ф2浮置扩散T1（复位管）T2（放大管）RgUDD(2)浮置扩散放大器输出：如图b.图b复位管在Ф2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。（3）浮置栅放大器输出：如下图。浮栅T2UDDФ1Ф3Ф2Ф1Ф3Ф2Ф3T2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。四、CCD的特性参数1、转移效率＆转移损失率转移效率：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。转移损失率：ε(t)Q(0)/C5MHz1MHz影响电荷转移效率的主要因素为界面态对电荷的俘获。为此，常采用“胖零”工作模式，即让“零信号”也有一定的电荷。2、工作频率f（1）下限：为避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须小于少数载流子的平均寿命，对于三相CCD,t

为：t=T/3=1/3f,故，f>1/3ζ。（2）上限：当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间大于驱动脉冲使其转移地时间T/3,那么信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，使转移效率大大降低。故t≤T/3，即f≤1/3t。ε(t)驱动脉冲频率fQ(0)/C=2V5V10Vε驱动脉冲频率f实测三相多晶硅N沟道SCCD的关系曲线10MHz五、电荷耦合摄像器件（ICCD）1、工作原理利用光学成像系统将景物图像成在CCD地像敏面上。像敏面将照在每一像敏面的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元（MOS电容）中，然后，再转移到CCD的移位寄存器（转移电极下的势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。2、类型（1）线型CCD摄像器件单沟道线型ICCD双沟道线型ICCD（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它们的结构原理见课本P126_128线阵CCD外形

面阵CCD

面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。

面阵CCD外形（续）200万和1600万像素的面阵CCD

面阵CCD外形（续）

面阵CCD外形（续）

3、ICCD的基本特性参数（1）光电转换特性良好，光电转换因子可达到99.7%。（2）光谱响应ICCD常采用背面照射的受光方式，采用硅衬底的ICCD，其光谱响应范围为0.4~1.1um，平均量子效率为25％，绝对响应为0.1~0.2A*W-1。(3)动态范围：由势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比决