chapter 3深圳大学 光电检测技术 课件

光电检测系统的光电接收器件文侨E-mail:wenqiao@深圳大学光电工程学院331房间《光电检测技术》课程2光电接收器件被测量光电变换所需信息光学量电学量光电检测系统光电接收器件：将光信号转变成电信号的器件光电接收器件3光电效应与三个诺贝尔奖1887年赫兹发现了光电效应1905年赫兹学生勒纳德进行阴极射线的研究而获得诺贝尔奖勒纳德发现：光电子数目随光的强度增加而增加，可是光电子的动能只与光的频率有关，与光的强度无关。

1921年爱因斯坦因提出光量子理论和光电方程获得诺贝尔奖爱因斯坦：在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设1923年密立根光因电效应实验获得诺贝尔奖密立根：实验证实了爱因斯坦的光电方程

h

的值与理论值完全一致4什么是光电效应？吸收光子，电子逸出金属表面吸收光子，电子未逸出金属表面，使其导电性能增强的现象外光电效应（光电子发射效应）内光电效应光电效应：因光照使物体导致

电学特性改变的现象光电效应光电效应现象5当A+，K

－：有光电流光电效应的实验规律光电效应实验当电压达到某一值U0

时，光电流恰为0。U0称反向遏止电压。光电子动能转换成电势能截止电压的大小反映光电子初动能的大小。当A－，K

+：电场阻碍电子运动OOOOOOVGAKOOmIs饱和电流光强较强IU0OU光强较弱遏止电压光电效应伏安特性曲线6①光电流与光强的关系光电流强度与入射光强度成正比②截止频率0——红限对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率0

当入射光频率

>0

时，电子才能逸出金属表面当入射光频率

<0

时，无论光强多大也无电子逸出金属表面与光强无关光电子初动能反向遏止电压光电流正比于光强③光电效应是瞬时的光电效应的实验规律从光开始照射到光电逸出所需时间<10-9s7经典电磁理论光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率经典电磁理论：8爱因斯坦的光量子假设光量子假设光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为的光是由大量能量为=h光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子的动能Ek0。由能量守恒可得出：爱因斯坦光电效应方程9外光电效应器件——光电发射二极管光电发射二极管结构光电发射二极管组成：光电阴极+阳极发射电子接收电子光电发射二极管实物10外光电效应器件——光电发射二极管充气光电发射二极管示意图电子来源：①外光电效应产生的发射电子

②电子与气体分子碰撞电离电子充气光电发射二极管比真空光电发射二极管电流大十倍11外光电效应器件真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管:

构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差12外光电效应器件——光电倍增管（PMT）滨松R105型光电倍增管光电倍增管组成：光电阴极+若干倍增极+阳极

若每一倍增极电子增加

倍，n个倍增极则阳极收集电子为阴级发射电子的推荐电压分配比：

管脚分布：

13光电倍增管的供电电路图光电倍增管供电电路R105光电倍增管极限工作条件绝对最大值：14光电倍增管电源滨松CC238高压电源

CC238是一种管座式高压模块，内含线性分压器，配合光电倍增管使用。使用简单，只需提供+15V输入和一个50K电位器调整便能正常工作。

CC238外形尺寸与接线

各种各样的电位器15光电倍增管电源CC238高压电源特征参数：16光电倍增管使用注意事项不使用时需放暗室中避光储存使用时需将光电倍增管放暗室里避光使用，只对入射光起作用（无光入射时的电流为暗电流）光电倍增管的灵敏度很高，不能受强光照射，否则将会损坏。高压变化将对光电倍增的灵敏度产生显著的影响。高压变化１％，其增益变化大约为１０％出现疲劳效应时，需要暗室保存数小时后才能使用

疲劳效应：光电倍增管受到较强光的照射，其灵敏度就会下降，而暗电流则会增加，避光保存数小时后，光电倍增管的这种效应则会逐渐消失

17光电效应要求会使用要求会使用要求会使用18光电导效应器件什么是光电导效应？光电导效应：因光照使半导材料中导带内的电子和价带内空穴浓度增加（即电子—空穴对增加），从而使电导率变大光电导原理EiEg19光电导效应器件——光敏电阻当无光照时，光敏电阻值很大，电路中电流很小

光敏电阻暗电阻->暗电流亮电阻->亮电流当有光照时，光敏电阻值急剧减小，电流迅速增大20

光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的利用光电导效应制成的光电探测器件。光电导效应器件——光敏电阻本征型，可用来检测可见光和近红外辐射非本征型，可以检测红外和远红外波段的辐射21组成：它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜和两端接有两个引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。光敏电阻在电路中的符号光敏电阻结构22光电导效应器件——光敏电阻23增益系数：光电流与入射光引起的单位时间电荷量的比值。光敏电阻的特性光电导灵敏度：光电导与输入光照度E之比。:光电导（西门子S）E

:照度（勒克斯lx）:入射通量（流明lm)24光电特性：表征光电流与照度（或光通量）之间的关系。光敏电阻的特性（1）弱光时，光电流与光通量成线性关系（2）强光时，光电流与光通量成抛物线光敏电阻光电特性强光照下光电特性的分析：

光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）25伏安特性：在一定的光照下，光电流与所加电压的关系光敏电阻的特性在一定光照下，光敏电阻为纯电阻，满足欧姆定律光敏电阻伏安特性额定功耗线26温度特性：温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，尤其是杂质型半导体受温度影响更明显。光敏电阻的特性光敏电阻温度特性27前历效应：

1-黑暗放置3分钟后

2-黑暗放置60分钟后

3-黑暗放置24小时后指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。

暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的越慢程度。工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。光敏电阻的特性28亮态前历效应：光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。光敏电阻的特性29时间、频率响应：时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。光敏电阻的特性光敏电阻时间响应特性光敏电阻频率响应特性30光谱特性：相对灵敏度与波长的关系

光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。光敏电阻的特性光敏电阻的光谱特性204060801004080120160200240λ/μm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅31光敏电阻特点及应用光谱响应范围宽，从可见到远红外工作电流大，可达数毫安所测光强范围宽，即可测弱光，也可测强光强光照射下光电线性度差光电驰豫过程较长，频率特性较差优点：不足：应用范围：主要应用于光电自动控制、辐射探测等方面32光敏电阻蜂鸣器实物图光照强度变化光敏电阻电阻变化电路电流变化J蜂鸣器光敏电阻电路图光敏电阻应用例子——光电报警电路33光敏电阻应用例子——路灯自动控制电路采用光敏电阻控制的路灯自动控制电路半波整流电路：由电阻R、电容C和二极管D组成光控继电路：由CdS光敏电阻和继电开关J组成KJ要实用还需增加：闪电光辐射、人为光源（手电灯等）对控制电路的干扰措施34光敏电阻应用例子——火灾探测电路火焰探测电路PbS光敏电阻：暗电阻1M欧姆，亮电阻0.2M欧姆，峰值响应波长2.2微米，恰好为火焰峰值辐射光谱。C2电容：发生火灾时，跟随火焰“跳变”信号经C2耦合入V2、V3

组成的高输入阻抗放大器放大35光电导现象——半导体材料的“体”效应光电导效应36光伏现象——半导体材料的“结”效应光生伏特效应内光电效应有：光电导效应、光生伏特效应等PN结的形成：扩散（多子）与漂移（少子）相平衡37光生伏特器件利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件。这类器件品种很多，其中包括各种光电池、

光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、电荷耦合器、光电耦合器件等。和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一些。通常有光电池和光电二极管之分，也就是说，光伏探测器有着不同的工作模式。①零外偏压时，称为光伏工作模式。②外加反向偏压，即外加P端为负、n端为正的电压时，称为光导工作模式38PN结的形成扩散前：P区空穴（多子）可移动，负离子不可动N区电子（多子）可移动，正离子不可动P型半导体和N型半导体都为电中性扩散后：多子扩散到对方并复合掉，形成耗尽层在耗尽层P区剩下不可动的负离子（-）在耗尽层N区剩下不可动的正离子（+）形成由N指向P的内电场内电场阻碍多子扩散，促进少子漂移扩散和漂移平衡，PN结处动态平衡浓度差使载流子发生扩散运动

N区P区电子·空穴·内电场阻碍扩散，促进漂移N区P区电子·空穴·39当光照射到光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区(高场区)及耗尽区附近引起受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。耗尽区受到光的照射pnhv光生伏特效应40产生的电子空穴对在外部电场作用下定向移动，被电极收集产生电流外加反向电压收集光生载流子pnE光生电流

I光生伏特效应N接正P接负41iu第一象限是正偏压状态，多子导电，电流本来就很大，所以光生载流子不起重要作用。LD激光器是正向偏压。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义。第三象限是反偏压状态。少子导电，光生载流子是流过探测器的主要电流。反向偏压有利于提高灵敏度和响应频率。LD工作模式光电池工作模式光电探测器工作模式无光照射时对应着暗电流42iu第四象限中外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现。LD工作模式光电池工作模式光电探测器工作模式43

偏置方式一：光电二极管收光照时Vout下降

典型偏置方式之一光电二极管结构及电路符号典型偏置方式之一光电二极管及典型偏置方式负极正极根据照材料和工艺的不同，国产光电二极管有2CU型和2DU型偏置方式二：光电二极管收光照时Vout上升44第一部分数字字母字母(汉拼)数字字母(汉拼)电极数材料和极性器件类型序号规格号2—二极管3—

三极管第二部分第三部分A—锗材料N型B—锗材料P型C—硅材料N型D—硅材料P型A—锗材料PNPB—锗材料NPNC—硅材料PNPD—硅材料NPNP—普通管W—稳压管K—开关管Z—整流管U—光电管X—低频小功率管G—高频小功率管D—低频大功率管A—高频大功率管第四部分第五部分例：

3AX313DG12B3DD6PNP低频小功率锗三极管NPN高频小功率硅三极管NPN低频大功率硅三极管

3CG

3AD3DK

PNP高频小功率硅三极管PNP低频大功率锗三极管NPN硅开关三极管国产半导体器件命名方式45国外半导体器件命名方式由于历史发展的原因，各国对半导体器件命名的方法各不相同。日本半导体分立器件的命名方法第一部分：用数字表示器件的电极数，0：光电管，1：二极管，2：三极管。第二部分：S:已在日本电子工业协会（JEIA）注册的标志。第三部分：用字母表示材料和极性的类型：A：PNP高频，B：PNP低频，C：NPN高频，D：NPN低频，F：P控制极可控硅，G：N控制极可控硅，H：N基极单结晶体管，J：P沟道场效应管，K：N沟道场效应管，M：双向可控硅。第四部分：器件在JEIA的登记号，性能相同，但不同厂家的产品可用同号。第五部分：A,B,C,表示该型号是原型号的改进型号。

46日本半导体器件的型号命名方法日本（日本工业标准JIS）例如：2SA733（PNP型高频晶体管）2：晶体管S：已在JEIA注册的产品A：PNP型高频管733：JEIA登记序号2SC4706（NPN型高频晶体管）2：晶体管S：已在JEIA注册的产品C：NPN型高频管733：JEIA登记序号47国际电子联合会半导体器件命名方法欧共体等国家使用第1部分：器件材料（字母）第2部分：器件类型及特性（字母）第3部分：登记号（数字）第4部分：分类（字母）例如：BU208硅材料大功率开关晶体管B：硅材料U：大功率开关管208：登记序号48实用常规电子产品网站中发网：///华强电子市场：/赛格电子网：/常规电子产品交易查询网站：北京地区:深圳地区:常规电子产品资料下载网站：/国外:国内:49光电三极管（光敏三极管、光电晶体管）NPN光电三极管可等效为一个光电二极管和一个普通晶体管组合而成。光电三极管结构及电路符号光电晶体管（Phototransistor，简称PT）光电三极管的结构和普通晶体管类似，但它的外壳留有光窗目前使用较多的是NPN（3DU）和PNP（3CU）两种类型光电三极管原理图光电三极管图形符号50光电二极管、光电三极管光谱响应曲线光电二极管、光电三极管特性光照特性：相对灵敏度与波长的关系光谱响应主要由制作器件所使用的材料特性决定注意：在光电检测课程中，频率是指光强度变化的频率，而不是光场变化的频率，光场的频率一般用光谱来表示。光电接收器件都存在一最佳灵敏度的峰值波长51光电管的频率特性曲线光电二极管特性频率特性：光电流与光照调制频率之间的关系光电三极管的频率响应比光电二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在2KHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。为什么频率升高了，灵敏度下降？52光电管的光照特性曲线光电二极管、光电三极管特性光电二极管：光照特性为线性关系,适合检测方面的应用。光电三极管：光照特性近似为线性关系，当光照足够大（几Klx）时，会出现饱和现象，多用于作控制系统的开关元件，有是也可作线性元件光照特性：光电流与照度之间的关系53光电二极管、光电三极管伏安特性曲线光电二极管、光电三极管特性光电二极管：光电流几乎与外加电压无关的恒流源（有前提条件）光电三极管：电压大小对电流的影响比光电二极管的大伏安特性：光电流与外加电压之间的关系54光电三极管、光电二极管比较光电三极管：输出光电流大

光照特性“非线性”，频率特性较差常作控制系统的开关元件光电二极管：输出光电流小

光照特性线性好，频率特性较差常作线性检测元件55原理：在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在高电场的雪崩区中得到放大，因此有助于提高接收机灵敏度雪崩二极管（AvalanchePhotoDiode,APD）56APD工作过程57APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，典型工作电压约100～200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。由于雪崩反应是随机的，所以噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。该管响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。雪崩二极管APD合适工作点：接近反向击穿电压，但不超过理想的稳定APD工作点：

1.稳压

2.恒温APD工作电路举例：恒温箱理想APD工作条件59ADP应用——激光雷达OrganicAirVehicle(100-maltitude)Phase1OAVLadarSystemMass:0.34kgVolume:3litersPower:5W(PINPhotodiode，简称PINPD)在掺杂浓度很高的P型半导体和N型半导体之间夹着一层本征半导体，称为I（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，如图所示。这样可以提高其响应速度和转换效率。结电容变得更小，频率响应高，带宽可达10GHz；线性输出范围宽特点：应用：光通信、光雷达等快速光检测领域

光经波导从I层进入PIN光电二极管61PIN光电二极管结构PIN光电二极管工作原理63PIN是为提高光电转换效率而在PN结内部设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（I层）以扩大耗尽层宽度的光电二极管。http://www.thorlabs.hk/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=28564反向偏压光电探测器特性比较PN光电二极管是反向偏压光电探测器的基础①

PIN光电二极管较PN光电二极管增加了I层，PN结层的间距加宽，结电容变小（常用高速探测）消耗层加宽，提高了光电转化效率②

APD由于雪崩层的存在（因此，外接工作电压约100-200V）响应速度、灵敏度高（常用微光探测）但是雪崩层引起噪声大是该管子目前主要缺点③光电晶体管由于引入了普通晶体管灵敏度高（与光电二极管比较），输出电流大但是光电特性不如光电二极管强光照射下输出电流与照度线性度差，多作为光电开关或逻辑元件PN、PIN工作无需高压APD工作需高压光电晶体管工作无需高压65硅光电池光电池按衬底材料导电类型分离：2CR系列（N型衬底）2DR系列（P型衬底）从命名规则可知是国产光电池66iu第一象限正偏压，第三象限反偏压，第四象限中外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现。LD工作模式光电池工作模式光电探测器工作模式67光电池特性68光电池特性69光电池特性70光电池特性71光电池外接电路外接电路外接电路的等效电路72光电池主要有两大类型的应用：将光电池作能量转换器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是人们探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池将获得更广泛的应用。将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。光电池应用73光电池作能量转换器件使用：光电池应用光电池驱动的凉帽74光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。光电池作光电转换器件应用光电池应用75光电池应用光电自动跟踪系统结构框图76光电追踪电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2

下图为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的。光电自动跟踪系统中的光电池部分的电路：光电池应用77光电耦合器光电耦合器：是发光器件与接收器件组合的一种元件。发光器件：

常采用发光二极管接收器件：常用光电二极管、光电三极管、光集成电路等78光电耦合器应用例1：用光电耦合器隔离的高压稳压电路高压区低压区光79例2.计算机系统中终端设备

与主机的隔离运行大型计算机主机用户终端设备光光电耦合器应用80某些晶体材料（如铁电晶体）具有自发极化现象，自发极化的大小在温度有稍许变化时就有很大的变化。温度恒定时，由自发极化产生的表面电荷吸附空气中的电荷达到平衡；材料吸收红外光后引起温度升高，极化强度会减小，单位面积的表面电荷相应减少，一部分吸附电荷被释放；若与一个电阻连成回路，电路中就会有电流产生，如图所示。这种因温度变化引起自发极化强度变化的现象被称为热释电效应。热释电效应81当温度变化ΔT在材料各处一致时，热释电效应可以借助热释电系数p表示为：ΔP=pΔT

式中P是自发极化。右图是钛酸钡热释电系数变化规律，由图可见，温度越接近居里温度点（TC），热释电系数越大。居里温度82生物机电83制作干手机可参考随机延时电路和固定延时电路。注意：人感器必须隔热，出风口与感应窗口要分离。

热释电效应应用——红外自动干手机热释电效用探测器光电耦合器●

在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机●电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构●您可以根据自己的奇思妙想，结合其它电路开发出更加优秀的新产品热释点效应可能的应用：84光生伏特器件光电导效应为半导体的“体“效应；光生伏特效应为半导体的“结”效应器件这类器件品种很多，其中包括各种光电池、

光电二极管、光电晶体管、PIN管、雪崩光电二极管、光电耦合器件、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、电荷耦合器等。85位置敏感探测器：可以检测光位置的器件，也称为坐标光电池位置敏感探测器（PositionSensitiveDetectors，PSD）入射光电利用位置敏感探测器，将入射光的坐标转换成电流一维PSD断面图PSD原理图86固体成像器件87实物图像?图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上固体成像器件88如何准确地描述一幅图像89感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。90实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷固体成像器件91实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换光电转换设备放大设备固体成像器件92实物图像光子模拟量（电压）电荷日光监视器光电转换设备放大设备模拟相机+监视器固体成像器件93实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源PC存储处理模拟采集卡光电转换设备放大设备模拟相机+模拟采集卡固体成像器件94实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源A/D转换光电转换设备放大设备PC数字采集卡数字相机+数字采集卡固体成像器件95

由于光电转换设备和放大设备都是针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。

我们常用的是

CCD

和CMOS固体成像器件96光电转换电路放大A/D光子电子电压数字信号CMOS芯片可以在像素上同时完成这两个步骤CCD与CMOS的光电转换示意图由上面两图可看出：CMOS和CCD最大的区别是CMOS的

电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的CCD固体成像器件97CCD与CMOS比较从以上的对比可以看出：CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速相机则会采用CMOS芯片。CCDCMOS电路更改方便固定速度慢快噪声好差灵敏度好差功耗毫安级微安级成本高低固体成像器件98固体成像器件主要有：CCD:电荷耦合器件ChargeCoupledDevices①

1969发明于美国诺贝尔实验室②

固体成像器件的基础，③2009年获得诺贝尔奖CMOS:ComplementaryMetalOxideSemiconductor①基于场效应晶体管的基本结构②

原理及使用方法与CCD类似

固体成像器件99CCD结构CCD结构包括感光二极管（Photodiode），也称为光敏单元并行信号寄存器（ShiftRegister）-用于暂时储存感光后产生的电荷串行信号寄存器（TransferRegister）-用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大信号放大器-用于放大微弱电信号数摸转换器-将放大的电信号转换成数字信号100MOS光敏元CCD产生与存储电荷原理MOS光敏元构成：金属、氧化物、半导体材料光敏元工作原理：①金属电极所加的电压透过SiO2对P型硅的载流子进行排斥与吸引，形成耗尽层，对电子而言形成电势阱②光敏单元受光照射，光子能量被吸收产生电子-空穴对③各个光敏元电荷的不等形成潜在图像CCD的像素数是指上光敏元的数量101A光电转换B电荷储存C电荷转移D转化为电压量CCD芯片的工作方式：CCD芯片102

CCD单元部分，就是一

个由金属-氧化物-半导体（MOS）组成的电容器。

这一装置能够完成光电转换。A光电转换CCD芯片103

当向CCD单元电极施加正电压时，会产生能储存电荷的势阱。由于极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和，随着电荷的不断注入，势阱会不断变浅，直至饱和.B电荷储存CCD芯片104这一过程存在着以下问题：

当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出

溢出的电荷会跑到相临的像素势阱里去。这样电量

就不能如实反映原物。也就是常说的blooming。

要避免这种情况发生的方法：A把桶做大些B减少测量时间C把满的水倒出一些D做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里

CCD芯片105当一个CCD芯片感光完毕后。每个像素所转换的电荷包，就按照一行的方向

转移出CCD感光区域。为下一次感光释放空间。C电荷转移CCD芯片106CCD中电荷的转移光敏元中电荷的转移：◆栅极电压大小决定势阱深浅◆相邻势阱深浅的差异来疏导电荷转移◆通过相线来实现循环光敏元中电荷的转移1072V10V2V2Va存有电荷的势阱b2V10V2V2V10V10V2V2V10V2V10V2V2V2V10V2Vcde108CCD中电荷的转移三相CCD结构及传输原理图t1t2t3相线三相：表示以3个光敏元为一个循环结构109

电荷转移出感光区域的时间，需要抑制新的电荷注入到芯片。在此，我们加入快门。机械快门（需要相机的曝光信号，速度慢）

电子快门整帧电子快门

（CCD芯片不通

电即不工作）

滚动电子快门

CCD中快门110Globalshutter（全局电子快门）Rollingshutter（滚动电子快门）t1t2t3t4t5t6t1t2t3t4CCD中快门111CCD中电荷的读出P型Si衬底耗尽区输出U0OGSiO2相线N型半导体反向PN结电荷读出方法：①P、N型半导体形成反向PN结耗尽层②输出栅OG控制电荷转移到耗尽层③转移进来的电荷在耗尽层作为少数载流子定向移动RL112CCD最重要的两个性能对光的敏感度1.芯片材质2.单位像素尺寸帧速度1.曝光时间2.芯片的传输速度——芯片的传输方式决定的CCD性能指标113根据阵列排布方式的不同，CCD成像器件分为线阵和面阵两大类。线阵CCD的构造相对简单。只是单行的感光和转移。面阵CCD复杂一些。常见的面阵芯片的转移方式：隔行转移、帧转移全帧转移。线阵CCD与面阵CCD114

线阵CCD115计数：计数器用来记录驱动周期的个数，N+m，考虑到“行回扫”的时间需要，采用过驱动，m为过驱动的次数。线阵CCD工作过程框图线阵CCD器件线阵CCD工作过程116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。

117200万和1600万像素的面阵CCD

面阵CCD（续）

118

面阵CCD（续）

119行转移结构面阵CCD工作过程常见的面阵CCD有隔行转移和帧转移和全帧转移结构行转移面阵CCD隔行传输的好处在于，感光和传输不在同一列，从而避免了两者之间的冲突。但缺点在于，芯片并不是所有面积都在感光。这样，对于定位测量要求比较高的话，会有影响。120帧转移结构面阵CCD工作过程帧/场转移面阵CCD暂存区用于暂存来自光敏区的电荷暂存区结构和单元数与成像区相同暂存区和移位寄存器（水平读出寄存器）均作遮光处理。芯片的一半像素感光，另一半被遮住。传输时，首先感光部分快速向不感光部分的对应位置转移。之后每一列再向串行寄存器上对应的位置转移。同时，感光部分的空间由于没有了电荷可以继续感光。优势：利用了像素之间转移快的特点。优点:传输快。121Fullframetransfer（全帧转移）芯片的每一个像素都感光。传输时，每一列向单行串行寄存器上相对应的位置转移。同时，串行寄存器向阵列的出口转移。全帧转移结构面阵CCD工作过程122在CCD的设计过程中，还有一些非常有用的技术。123基于驱动电路的设计，原则上，CCD芯片可以完成如下功能：对任意相邻行和列的数据进行合并输出（在不过饱和的前提下）在串行寄存器中，对不感兴趣的数据可以直接清零CCD驱动电路设计有用技术124ACEGBDFHabcdefghefghBinning2*2约节约1/2的时间图为原来1/4但很亮相临4个像素的电荷相临2像素的电荷Binning的实质在于把相临几个像素所积累的电荷累加起来。作为一个电荷进行转换。这样做的效果，相当于把几个像素拼成了一个大像素使用。优点：速度、亮度得到提高。缺点：分辨率降低。1.合并输出CCD驱动电路设计有用技术1251111222233334444设置感兴趣区域（AOI）要得到第3+4行数据：line1+line2清零line3输出line4输出2.寄存器清零操作CCD驱动电路设计有用技术126多沟道传输

前面所讲的都是按照单行、单列的模式进电荷传输的。实际上如果一行的像素太多必然会影响传输速度。这时需要使用多沟道传输设计。CCD驱动电路设计有用技术127

单沟道线型CCD

双沟道线阵CCD

转移次数多、效率低、调制只适用于像素单元较少的成像器件。转移次数少一半，它的总转移效率大大提高。普通分辨率4096线阵CCD采集速度：10-15KHzBaslersprint分辨率4096线阵CCD采集速度：140KHzCCD驱动电路设计有用技术128彩色形成：需要同一点的R/G/B三原色的数值。AAR

AG

AB彩色CCD1291.棱镜3CCD彩色相机

利用棱镜，将光线折射成三部分。在R，G，B三束光线的

方向上分别帖上三片感光片，各自感光。彩色CCD1302.BAYER彩色相机

利用BAYER滤光片，让相临四个像素分别只能接收R，G，G，B光。每个像素输出的信息只是相应色光的灰度值。之

后，通过软件合成为彩色。这样，每个像素的彩色信息其实

是不独立的，依赖于相临像素的信息。彩色CCD131颜色变化不大颜色变化很大彩色CCD1323

layerCCD彩色相机使用RGB3层芯片重叠放置，由于不同能量的光子对芯片物质的穿透率差异，可以通过计算在每一层上感光的电荷数目来获知最初入射的原始光子情况。从而知道每一个点的RGB值光线彩色CCD133彩色线阵芯片的结构单行Bayer3CCD水平排列RGB棱镜3CCD彩色CCD134有效像素多，拍摄的图像精度更高帧频高，速度快，拍摄的运动过程更细致CCD的芯片的图像质量要优于CMOS，但速度比CMOS慢像素尺寸大，能够更多地接收光子，不容易饱和对于高精密测量，应尽量使用整个像素面积都感光的芯片使用多通道传输的芯片，能提高传输速度使用3-CCD技术的彩色相机，色彩更真实CCD性能小结135典型CCD用法(以TCD1209D型号为例)TCD1209D器件是一种很典型的线阵CCD，详细资料请见TCD1209D.PDF文档行周期（积分时间）SHTCD1209D时序电路图SH低电平，形成势阱电荷定向转移输出电荷时的复位脉冲缓冲控制脉冲输出信号136/products-and-services/high-performance-imaging-solutions/imaging-solutions-cmos-ccd-emccd/datasheets/大面积CCD产品现状型号为CCD231-84，像素为4096(H)

x

4112(V)，像素大小为15

μm，面积为61.4*61.4mm，量子效率也高达90%。137/products-and-services/high-performance-imaging-solutions/imaging-solutions-cmos-ccd-emccd/datasheets/大面积CCD产品现状型号为CCD231-84，像素为4096(H)

x

4112(V)，像素大小为15

μm，面积为61.4*61.4mm，量子效率也高达90%。138/products/fpa/ccd/area/index.htm大面积CCD产品现状型号为CCD486的CCD，像素为4096*4096，像素大小为15um,面积为61.4*61.4mm,该CCD有背光照明和前照两种方式，背光照明量子效率90%，前照为40%。139/products/fpa/ccd/area/ccd_595.htmCCD型号为CCD595像素为9216x9216，像素大小为8.75µmx8.75µm，面积为80.64mmx80.64mm。

大面积CCD产品现状140固体成像器件及其应用固体成像器件的应用图8-82CMOS器件的应用情况保安监视PC摄像头机顶盒玩具医疗仪器数码相机手机可视电话生物特征识别PDA条码识别汽车141CCD的应用——一些月基望远镜方案142线阵CCD在扫描仪中的应用

CCD图像传感器的应用143线阵CCD在图像扫描中的应用线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描144线阵CCD用于字符识别145CCD用于图像记录146彩色CCD采用三基色分离原理CCD数码照相机的结构147数码相机的结构解剖

（索尼F828）CCD148CCD数码摄像机

149嫦娥一号上的CCDCCD立体相机中国首幅月图由嫦娥一号卫星搭载的CCD立体相机采用线阵推扫的方式获取，轨道高度约200公里，每一轨的月面幅宽60公里，像元分辨率120米。150下图中，左图为第一轨原始数据（前视、正视、后视），右上图为三维立体模型，右下图为彩色编码的三维立体模型。三维立体模型彩色编码的三维立体模型俯视正视后视原始数据嫦娥一号上的CCD151光学耦合的像增强型CCD（ICCD)像增强器CCD摄像头中继透镜物镜像增强器CCD摄像头光纤(锥)面板物镜光锥耦合ICCD结构示意图光锥或光纤面板耦合IntensifiedCCD两个环节:像管实现图像增强CCD实现电视成像;两种耦合方式光学耦合光纤（锥）面板耦合光锥的优势－变放大率152光学耦合的像增强CCD（ICCD)153光学耦合的像增强CCD（ICCD)154特殊CCD——ICCD特点提高了CCD的灵敏度提供了利用普通CCD在紫外、X光波段成像的可能提供了可选通成像的可能实现了微光图像、紫外成像的视频化，并为其进一步数字化提供了可能摄像器件不再是全固体的了！摄像器件的外形尺寸、体积重量明显加大！155特殊CCD——电子轰击CCD（EBCCD）ElectronbombardmentCCD成像过程:光子光电子电子,BCCD通过背面照明来收集电荷，成像光子不需要通过多晶硅门电极进入CCD，克服了前照明CCD的性能限制。156特殊CCD——EBCCD特点高灵敏度，高增益，低暗电流结构较ICCD紧凑工作寿命短！CCD在高速电子轰击下会产生辐射损伤，从而导致暗电流、漏电流增加，转移效率下降。摄像器件依然离不开真空环节！157特殊CCD——电子倍增CCD(EMCCD)EMCCD倍增原理示意图电子倍增CCD(ElectronMultiplyingCCD)芯片的转移寄存器和输出放大器之间具有一个特殊的增益寄存器。158特殊CCD——EMCCD技术电离效应倍增电子示意图增益寄存器的结构和一般的CCD类似，只是电子转移第二阶段的势阱被一对电极取代，第一个电极上为固定值电压，第二个电极按标准时钟频率加上一个高电压(40V~50V)。通过两个电极之间高电压差形成对待转移信号电子的冲击电离形成了新的电子。由于大幅提高了输出信号的强度，使得CCD器件固有的读出噪声对于系统的影响减小。强电场作用下的电离造成电子数量倍增159钞票检查系统原理图图像传感器应用技术需要对信号的二值化处理160信号的二值化处理

CCD传感器光敏单元的输出可以看成“0”、“1”信号,通过对输出为“0”的信号进行计数,即可测出物体的宽度。这就是信号的二值化处理。实际应用时,物像边缘交界处光强是连续变化的,而不是理想的阶跃跳变,要解决这一问题可用两种方法:比较整形法;或者微分法。

图像传感器应用技术161比较器输出CCD输出滤波输出参考电平tt10n个脉冲在低电平期间对计数脉冲进行计数,从而得np

。信号二值化法——比较整形法162

比较整形法计数脉冲CCD低通滤波比较器计数显示参考电平+－信号二值化法——比较整形法163滤波后CCD视频信号AA，微分绝对值微分过零触发二值化信号OOOOOOtttttt微分法波形图信号二值化法——微分法164信号二值化法——微分法低通滤波微分绝对值微分过零触发二值化CCD视频信号165例子：小尺寸的检测信号处理计数显示控制器Ln·p

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