第四章光电成像

第四章光电成像第1页，共115页，2023年，2月20日，星期三

变像管

像管(把不可见光图像变成可

(无扫描)见光图像的真空光电管)

图像增强器

真空

(把极低亮度光学图像变为

光电器件

足够亮度图像的真空光电管)

光电成光电导式摄像管(视像管,无移区)像器件摄像管二次电子导电

(电子束光电发射式摄像管(SEC)

扫描)

摄像管

(有移像区)

硅增强靶摄像管

(SIT)

固体成像器件(CCD、CMOS)第2页，共115页，2023年，2月20日，星期三4.1像管的工作原理与结构一、像管的种类

变像管

(把不可见光（红外、紫外、X射像管线）图像变成可见光图像的真

(无扫描)空光电管)图像增强器（微光管）

(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)直接显示型——图像的显示与前几章的光电器件的区别在于对光强的探测是二维的。真空成像器件第3页，共115页，2023年，2月20日，星期三二、像管结构和工作原理：光电变换部分电子光学部分电光变换部分第4页，共115页，2023年，2月20日，星期三光电变换部分，即光电阴极，利用外光电效应。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，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：银氧铯光电阴极单碱和多碱光电阴极紫外光电阴极负电子亲和势光电阴极：灵敏度高、响应波长范围宽第5页，共115页，2023年，2月20日，星期三电子光学部分，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不变的情况下，进行加速并聚焦成像在荧光屏上。困难：使各物点所发射的电子完全落在对应的各像点上。非聚焦型（近贴式像管）静电系统静电聚焦型聚焦型电磁聚焦型第6页，共115页，2023年，2月20日，星期三1、非聚焦型像管（近贴型）由光电阴极和荧光屏构成，两者平行且距离很近光电子在电场的作用下以抛物线轨迹向荧光屏投射。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，而是一个弥散圆斑，分辨率较低。第7页，共115页，2023年，2月20日，星期三2、静电聚焦型像管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，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。静电聚焦型象管结构示意图第8页，共115页，2023年，2月20日，星期三3、电磁聚焦型像管特点：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分辨率高，但体积和重量大，使用不方便。第9页，共115页，2023年，2月20日，星期三电光变换部分，即荧光屏，它可以使电子图象变成可见光图像高能电子轰击荧光屏，发出可见光。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，蒸镀铝膜。第10页，共115页，2023年，2月20日，星期三4.1.1变像管1、红外变像管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。阳极光电阴极聚焦极荧光屏真空成像器件第11页，共115页，2023年，2月20日，星期三红外变像管的应用第12页，共115页，2023年，2月20日，星期三

第13页，共115页，2023年，2月20日，星期三2、光纤面板变像管成像器件讲究像质。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，所以象散和场曲比较严重，特别在光阴极是平面的情况，通常要求光电阴极是球面。光阴极是球面，而一般输入的光学图像是平面。第14页，共115页，2023年，2月20日，星期三利用光学纤维面板可以使像散和场曲减到最小。APDFQCEB象散象散清晰场曲荧光屏光电阴极第15页，共115页，2023年，2月20日，星期三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，一端磨成平面，另一端磨成曲面。图像入射到光纤面板平面端,由于光纤能将一端输入的光基本无损失地传到另一端,所以每根光纤传输图像的一个像元到光阴极曲面的相应点,激发出光电子束,经聚焦和加速后,轰击曲面荧光屏,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，光纤面板的图像分辨率越高。第16页，共115页，2023年，2月20日，星期三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，从而改善了像质。荧光屏上的像借助于平凹形的光纤平板展开成平面像。光电阴极聚焦极阳极荧光屏光纤面板光纤面板第17页，共115页，2023年，2月20日，星期三4.1.2像增强器像增强器利用了像管功能中增强亮度、光学成像两个功能。像增强器与变像管的异同点一、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光电阴极聚焦极阳极荧光屏光纤面板光纤面板真空成像器件第18页，共115页，2023年，2月20日，星期三二、第二代微光像增强器

——微通道板像增强器1、微通道板的原理和特性：通道电子倍增器：微通道板MCP(MicroChannelPlate)是利用电子在通道内的二次倍增来实现增强亮度的。第19页，共115页，2023年，2月20日，星期三2、微通道板像增强器（1）近贴式MCP像增强器近贴式MCP像增强器又称为平面型或薄片型像增强器。它是把MCP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。这种结构的优缺点是：体积小，重量轻；但分辨率和像质差。光电阴极荧光屏第20页，共115页，2023年，2月20日，星期三(2)倒像式MCP像增强器（静电聚焦式MCP像增器）结构：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，与荧光屏之间是近贴均匀场。这种结构的优缺点是：分辨率高，像质好；但噪声较大。

静电聚焦式MCP像增器第21页，共115页，2023年，2月20日，星期三三、第三代像增强器

——负电子亲和势像增强器第二代像增强器+负电子亲和势光电阴极=

第三代像增强器同时起到光谱变换和微光增强的作用优点：在可见光和近红外区都有较高的灵敏度和量子效率第22页，共115页，2023年，2月20日，星期三4.2摄像管

一、摄像管摄制图像、存贮和处理，即将按空间光强分布的光学图像转变成适于处理和传递的时间序列的一维电信号(视频信号)。像管和摄像管的区别：二、摄像管的分类（按光电变换的形式）：真空成像器件第23页，共115页，2023年，2月20日，星期三1.外光电变换型（光电发射型）——微光摄像包括二次电子摄像管硅靶摄像管特点：增益和灵敏度高2.内光电变换型（光电导型）——视像管按光电导靶结构分为光电导（注入）型：硫化锑管

PN结（阻挡）型：氧化铅管、硅靶管、异质结管特点：结构简单、体积小、使用方便第24页，共115页，2023年，2月20日，星期三光电发射型光电导型第25页，共115页，2023年，2月20日，星期三三、摄像管的结构和工作原理从原理角度对摄像管的一般要求:图像传送方式任何一幅图像可以分割成许多小像点(像素或像元)。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。第26页，共115页，2023年，2月20日，星期三一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。这样就可以把图像随空间、时间的变化转换成电信号随时间的变化。在电视中利用电子束扫描过程，将图像亮度的空间分布转换为按时间顺序传送的电信号。行扫描——水平扫描，场扫描——垂直扫描。第27页，共115页，2023年，2月20日，星期三电视的图像发送与接收系统中，图像的采集（摄像机）与图像显示器必需遵守同样的分割规则才能获得理想的图像传输。这个规则被称为电视制式。在我国电视制式(PAL制式)中，一幅图像分成625行，每秒传送25幅图像，即帧频为25Hz，一帧分成两场，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50Hz。NTSC制式60Hz.第28页，共115页，2023年，2月20日，星期三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，并作光电转换；像素元素要多，尺寸要小（m）；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；可靠、方便。第29页，共115页，2023年，2月20日，星期三摄像管的基本功能：光电变换光电信息存储(以电荷的形式存储而呈现电位差）信号阅读部分——扫描输出技术难点：像元探测器的制作（数量多、尺寸小）连线扫描（快速顺序接通）第30页，共115页，2023年，2月20日，星期三具体分为以下四个过程：光学图像转变成电荷（电位）图像；对电荷图像进行存贮和积累；对电信号进行放大和增强；对存贮电荷图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。第31页，共115页，2023年，2月20日，星期三4.2.1光电导型摄像管（视象管）１．视象管的结构：光电导靶和电子束扫描区构成真空成像器件第32页，共115页，2023年，2月20日，星期三２．各部分的作用：（１）光电导靶：利用光电导效应将光学图像转化成电位图像;完成光电变换和光电信息的积累和储存;光电导体信号板物镜电位图像厚度<20m第33页，共115页，2023年，2月20日，星期三（２）信号阅读部分：从靶面取出信号的任务是由阅读部分来完成的。阅读部分包括电子束发射系统（电子枪）和电子束聚焦扫描系统。电子束的产生：热阴极电子束的聚焦：电聚焦和磁聚焦电子束的偏转：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。第34页，共115页，2023年，2月20日，星期三电子束垂直上靶：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信号输出，那么电子束能否上靶，不仅与电子的速度大小有关，而且与其速度的方向有关。由靶网和调制电极附近的校正线圈来完成。每个像素的光电流由P流向N,流过负载RL,产生负极性图像电压信号输出（视频信号），同时扫描电子束使P层扫描面的电位降至阴极电位。第35页，共115页，2023年，2月20日，星期三原理：当光学图像投射到光电导靶上时,因各像素照度不同,则导致电导率的差异,从而在靶上产生电势的起伏(电位图像)。随着光的连续入射，靶上的电势也随之积累，然后通过电子枪产生热电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面（相当于开关换接作用），产生视频信号输出。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元的大15~25m。第36页，共115页，2023年，2月20日，星期三几点说明：电荷存储：把一帧时间间隔内的光信息变为电荷信息存储起来。是摄像器件成为实用器件的重要理论依据，提高了灵敏度。若用电子束直接扫描光电阴极，灵敏度低，因为光电阴极无光积分能力。慢电子扫描：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。因为当上靶的速度很大时，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，输出信号减弱，显示有阴影。第37页，共115页，2023年，2月20日，星期三<1>氧化铅靶摄象管３.几种常见的视象管：具有PIN光电二极管结构。工作时N层与靶压正极相连，光电二极管处于反向偏置，靶压几乎全加在耗尽层（I）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，使其暗电流明显下降。优点：灵敏度高，暗电流小，光电特性近似线性，惰性小。缺点：材料和工艺异常复杂。第38页，共115页，2023年，2月20日，星期三<2>硅靶管当电子束扫描时PN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P型岛。如果光照是均匀的，靶的扫描面电位只是均匀地升高。如果光照不均匀，是一幅光学图象，则扫描面上各P型岛的电势分布，将正比于入射光学图象的亮度分布。扫描电子束具有地的电位第39页，共115页，2023年，2月20日，星期三是大量微小光电二极管的列阵。用极薄的N型硅片的一面经抛光、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，通过窗孔将硼扩散入硅基片，于是就形成一个个P型岛。每一个P型岛与N型基片构成一个PN结光电二极管，而每个光电二极管被SiO2膜隔开，形成一个单独的像素。这样N型硅片的一面为N+层，而另一面则为P型岛阵列，构成硅靶。优点：不易损坏、寿命长、灵敏度高，对近红外敏感、惰性小。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。第40页，共115页，2023年，2月20日，星期三<3>异质结靶摄像管玻璃SnO2CdSeCdSeOAs2S3CdSe靶玻璃SnO2Se+As+TeSb2S3SeAsTe靶Se+As分辨率高，暗电流小，量子效率高光谱响应宽，动态范围大，信号电流大，暗电流小，分辨率高，惰性小灵敏度比硅靶高，晕光现象小，工艺简单，成本便宜ZnxCd1-xTe玻璃SnO2ZnSeZnCdTe靶NP第41页，共115页，2023年，2月20日，星期三4.2.2

光电发射型摄像管：１．二次电子导电摄象管（SEC）

SEC管是60年代初出现的一种高灵敏度摄象管，适于微光摄象。真空成像器件第42页，共115页，2023年，2月20日，星期三结构：光电阴极、移像区、存储靶、电子束扫描第43页，共115页，2023年，2月20日，星期三光电阴极：与真空光电管和PMT所用材料相同，决定了管子的光谱响应特性。移像区（加速电场）：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，从而在靶上产生更多的电荷，以获得增益，提高灵敏度。第44页，共115页，2023年，2月20日，星期三二次电子传导靶：光照下发射电子采用低密度的次级电子发射性能良好的材料组成。低密度（1-2%）纤维结构中98-99%的空间是真空，次级电子逸出的较大。

疏松的KCl，低密度层，10~20m成像面扫描面扫描区移像区靶Al2O3膜，支撑层，厚约700埃Al膜，电信号板，200~700埃，加正电压第45页，共115页，2023年，2月20日，星期三低密层的工作原理：

低能电子束扫描低密度层，使表面为阴极电位，这样在低密度层中建立了电场。入射的光电子以6~10K的能量轰击靶面，在透过支撑层和信号板时将损失2Kev能量，其余的能量用以激发KCl中的电子。

扫描区移像区靶信号板++++qpqnqrqs----++++电子束第46页，共115页，2023年，2月20日，星期三设入射的光电子电荷为qp，在光电子激发下释放出的自由二次电子电荷为qn，其中qs电荷被信号板所收集，有qr电荷将在到达信号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qs=qn-qr。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KCl层的右侧留下与之对应的正电荷图像。第47页，共115页，2023年，2月20日，星期三因为KCl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，直到扫描电子束将其抹平，使之恢复阴极电位，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。总结：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。第48页，共115页，2023年，2月20日，星期三信号读出方式：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。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。第49页，共115页，2023年，2月20日，星期三２．硅增强靶摄象管（SIT）像增强器+普通硅靶=增强型硅靶第50页，共115页，2023年，2月20日，星期三摄像管的发展方向在今后一段时间内，摄像器件主要朝着高灵敏、高分辨率、低功耗、低成本和小型化方向发展。要实现上述功能，采用CMOS工艺是关键。第51页，共115页，2023年，2月20日，星期三固体成像器件：

CCD（电荷耦合器件）、

SSPD（自扫描光电二极管列阵）、

CMOS（互补性金属氧化物半导体元件）CCD有面阵和线阵之分：面阵是把CCD像素排成1个平面的器件；线阵是把CCD像素排成1直线的器件。4.3固体成像器件

第52页，共115页，2023年，2月20日，星期三4.3.1电荷耦合器件Charge-CoupledDevices(CCD)，是一种金属-氧化物-半导体结构（MOS结构），1970年由贝尔实验室首先研制出来。它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，然后通过A/D转换器芯片将电信号转换成数字信号，数字信号经过压缩处理经USB接口传到电脑上就形成所采集的图像。CCD器件的突出特点就是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件(以电流或电压作为信号)。第53页，共115页，2023年，2月20日，星期三金属-氧化物-半导体结构(MOS结构)CCD是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的。每个像元就是一个MOS电容器(大多为光敏二极管)，如图所示，光线第54页，共115页，2023年，2月20日，星期三它是在P型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为1000A～1500A的SiO2，再在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅或金属)，在衬底和金属电极间加上1个偏置电压，就构成1个MOS电容器。P（N）SiSiO2

Al电极（栅极）2.5m15~20m第55页，共115页，2023年，2月20日，星期三按电极的排列形式分：线阵、面阵按电极形状分：平板式、台阶式按Si片的导电类型分：

N型、P型下面以P-Si为衬底、平板式电极、线阵CCD为例。P（N）Si第56页，共115页，2023年，2月20日，星期三电荷耦合原理电荷存储当电极上加有正偏压（对于N型Si衬底则加负偏压），它形成的电场穿过SiO2薄层排斥P型Si中的多数载流子（空穴），于是在电极下形成一个耗尽层，即得到一个储存少数载流子（电子）的势阱。5V10V5V5V1432-----第57页，共115页，2023年，2月20日，星期三

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，即表面势。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、热注入等方法。第58页，共115页，2023年，2月20日，星期三当电极上加正电压时，在时刻t=0时，由于电极下的势阱还没有收集少数载流子（电子），所以在SiO2-Si的界面处还没有形成反型层。此时，P型Si的表面势最大，所形成的耗尽层宽度最宽，即势阱最深。如图（a）所示。Xdt=0Xdt=t1+-t=t2热平衡（a）（b）（c）第59页，共115页，2023年，2月20日，星期三随着时间的增加，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，而电子被吸引到Si表面形成了反型层。在反型层对外电场的屏蔽下，使表面势减小，同时降低了耗尽层的宽度。如图（b）。Xdt=0Xdt=t1+-t=t2热平衡（a）（b）（c）第60页，共115页，2023年，2月20日，星期三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，热驰豫时间为1S-几S，与其结构和工艺有关。如图（c）。Xdt=0Xdt=t1+-t=t2热平衡（a）（b）（c）第61页，共115页，2023年，2月20日，星期三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。趁MOS电容器刚加上电压，还没达到平衡状态以前进行光注入Xdt=t1+-+++++--------信号电荷第62页，共115页，2023年，2月20日，星期三让一束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带，电子跃迁形成电子－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动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱”中。如图所示。

+++++--------信号电荷第63页，共115页，2023年，2月20日，星期三收集在势阱中的“电荷包”的大小与入射光的照度成正比。当CCD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，注入到每一位深势阱中。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，所以势阱中积存的电荷量代表了入射光强度信息。光生电荷存储的CCD——CIDCID构成的摄像机——ICCD第64页，共115页，2023年，2月20日，星期三电荷转移（电荷耦合）由MOS结构的工作原理可知，CCD存储信号是通过电极上加电压来实现的。CCD传输信号电荷是通过电极上加不同的电压来实现的，依靠CCD本身各电极下势阱形状的变化使电荷转移。5V10V5V5V1432-----5V10V5V15V1432----第65页，共115页，2023年，2月20日，星期三当电极3所加偏压增到15V时，电极3下的势阱将比电极2下的势阱更深，于是电极2下存储的电荷将沿界面移向电极3下的势阱。外加在栅级上的电压愈高，表面势越高，势阱越深。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。电荷转移过程=信息输出过程——自扫描。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。第66页，共115页，2023年，2月20日，星期三三相CCD的电荷转移1432----567----321第一位第二位n位三相CCD结构第67页，共115页，2023年，2月20日，星期三（a）初始状态；(b)电荷由①电极向②电极转移；(c)电荷在①、②电极下均匀分布；(d)电荷继续由①电极向②电极转移；(e)电荷完全转移到②电极；(f)3相交叠脉冲。

第68页，共115页，2023年，2月20日，星期三第69页，共115页，2023年，2月20日，星期三假设电荷最初存储在电极①(加有10V电压)下面的势阱中，如图(a)所示，加在CCD所有电极上的电压，通常都要保持在高于某一临界值电压Vth，Vth称为CCD阈值电压，设Vth=2V。所以每个电极下面都有一定深度的势阱。显然，电极①下面的势阱最深。如果逐渐将电极②的电压由2V增加到10V，这时，①、②两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①下面的电荷就要在两个电极下面均匀分布，如图(b)和(c)所示。然后再逐渐将①电极下面的电压降到2V，使其势阱深度降低，如图中(d)和(e)所示，这时电荷全部转移到电极②下面的势阱中，此过程就是电荷从电极①到电极②的转移过程。如果电极有许多个，可将其电极按照1、4、7…，2、5、8…和3、6、9…的顺序分别连在一起，加上一定时序的驱动脉冲，如图(f)所示，即可完成电荷从左向右转移的过程。用3相时钟驱动的CCD称为3相CCD。第70页，共115页，2023年，2月20日，星期三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，为此要求电极紧密地排列，一般铝电极之间的间隙约为2.5m，给制造工艺带来困难，容易产生电极短路。以上是单层金属化电极结构。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，只有几百毫

m。二相CCD的电荷转移第71页，共115页，2023年，2月20日，星期三总结：P沟道型CCD原理金属-氧化物-半导体结构（MOS)在外加电场作用下，半导体中空穴被推离界面，形成表面势井；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。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。第72页，共115页，2023年，2月20日，星期三电荷耦合器件的组成及其工作原理CCD器件主要由3部分组成:信号输入部分电荷转移部分信号输出部分信号输入部分作用：将信号电荷引入到CCD的第一个转移栅下的势阱中。方法：电注入、光注入第73页，共115页，2023年，2月20日，星期三电注入：通过输入二极管和输入栅注入与信号成正比的电荷。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的势阱中，完成输入过程。场效应管输入、注入二极管输入、电势平衡法输入。是CCD器件不可缺少的电路。第74页，共115页，2023年，2月20日，星期三光注入：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生电子-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。第75页，共115页，2023年，2月20日，星期三信号转移部分原理：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。三相时钟两相时钟12第76页，共115页，2023年，2月20日，星期三信号输出部分作用:将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出。方法：电流输出：最简单的输出电路，通过二极管检出，二极管处于反向偏置，产生一个尖峰脉冲。电路简单,但噪声较大。第77页，共115页，2023年，2月20日，星期三第78页，共115页，2023年，2月20日，星期三浮置扩散放大器（FDA）输出：也称电压输出，抗噪性能比电流输出好。以上两种——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。浮置栅极放大器输出：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，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噪比和动态范围。第79页，共115页，2023年，2月20日，星期三4.3.2电荷耦合器件的分类

CCD按结构分为两大类：线阵和面阵线阵CCD

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、工件尺寸的自动检测等。最简单的线阵CCD21

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，在显示器中出现模糊现象。所以CCD摄像器件中有必要把摄像区和传输区（移位寄存器）互相分开，并且在时间上保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间小于摄像时间。第80页，共115页，2023年，2月20日，星期三单排结构CCD21光敏面转移栅移位寄存器在光积分期间，摄像区光敏元件处于深势阱状态，使光信号积累，当积分周期完成后，给转移栅加一脉冲电压，抬高积分区电子的势能，使积分区积累的电荷包迅速地转移到和它平行设置的CCD中去，然后由后者把电荷包顺序地转移到输出端变为视频信号。

注意：为使电荷包在转移期间不产生寄生光积分，担任传输作用的CCD要采用没有光敏效应的器件。只适用于光敏单元较少的摄像器件。第81页，共115页，2023年，2月20日，星期三双排结构CCD光敏面转移栅移位寄存器移位寄存器输出把光积分区相间地分成两个部分，两列移位寄存器分别在光敏区的两边。当转移栅开启时，其奇、偶光敏单元势阱内所积累的信号电荷分别移入两列移位寄存器中，然后串行输出，最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。双排结构比单排结构的转移次数少了一半，因此大大提高了传输效率，一般在大于256位的一维CCD中采用。第82页，共115页，2023年，2月20日，星期三面阵CCD

同时摄取一帧图像，适用于电视摄像。按照光敏区和暂存区的不同排列，二维CCD可分为两种结构：帧传输型（FTCCD）

Full-TransferCCD光敏区暂存区移位寄存区由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。其优点是结构较简单并容易增加像素数，缺点是CCD尺寸较大，易产生垂直拖影。第83页，共115页，2023年，2月20日，星期三行间转移型(ILTCCD)Interline-transferCCD行间转移性CCD是目前CCD的主流产品，它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特点是在1个单片上，价格低，并容易获得良好的摄影特性。结构类似于单通道线阵CCID，只是所有转移栅连在一起构成垂直移位寄存器，又增加了水平移位寄存器。第84页，共115页，2023年，2月20日，星期三光积分期间，光生电荷存储在光敏元的势阱中，此时转移栅是低电位，将光敏元与读出器隔离。当光积分结束时，转移栅电位变高，其下出现势阱，并与读出器中处于高电位的元的势阱相连，电荷就流入该读出元。然后转移栅电位又变低，光敏元开始下一次积分，读出器将信息输往水平读出器。各列读出器输出一个元的电荷包信息，水平读出器经放大输出一行信息。3.帧行间转移性CCD是第一种和第二种的复合型，结构复杂，但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门等优点。第85页，共115页，2023年，2月20日，星期三4.3.3CCD摄像机分类按接收光谱分，CCD摄像机可分为可见光CCD、红外CCD、X射线CCD和紫外光CCD。被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。

第86页，共115页，2023年，2月20日，星期三可见光CCD

可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD。黑白CCD如图所示，物体在有光线照射到它时将会产生反射，这些反射光线进入镜头光圈照射在CCD芯片上，在各个单元中生成电子。曝光结束后，这些电子被从CCD芯片中读出，并由相机内部的微处理器进行初步处理。此时由该微处理器输出的就是一幅数字图像了。第87页，共115页，2023年，2月20日，星期三3CCD彩色相机

CCD芯片按比例将一定数量的光子转换为一定数量的电子，但光子的波长，也就是光线的颜色，却没有在这一过程中被转换为任何形式的电信号，因此CCD实际上是无法区分颜色的。在这种情况下，希望使用CCD作为相机感光芯片，并输出红、绿、蓝三色分量，就可以采用一个分光棱镜和三个CCD，如右图所示。棱镜将光线中的红、绿、蓝三个基本色分开，使其分别投射在一个CCD上。这样以来，每个CCD就只对一种基本色分量感光。这种解决方案在实际应用中的效果非常好，但它的最大缺点就在于，采用3个CCD+棱镜的搭配必然导致价格昂贵。因此科研人员在很多年前就开始研发只使用一个CCD芯片也能输出各种彩色分量的相机第88页，共115页，2023年，2月20日，星期三单CCD彩色相机成像原理如果在CCD表面覆盖一个只含红绿蓝三色的马赛克滤镜（拜尔Bayer滤镜），再加上对其输出信号的处理算法，就可以实现一个CCD输出彩色图像数字信号。如图所示，该滤镜的色彩搭配形式为：一行使用蓝绿元素，下一行使用红绿元素，如此交替；换言之，CCD中每4个像素中有2个对绿色分量感光，另外两个像素中，一个对蓝色感光、一个对绿色感光。从而使得每个像素只含有红、绿、蓝三色中一种的信息，但我们希望的是每个像素都含有这三种颜色的信息。所以接下来要对这些像素的值使用“色彩空间插值法”进行处理。第89页，共115页，2023年，2月20日，星期三单CCD彩色相机生成的图片比3CCD彩色相机生成的图片更加模糊，这点在图像中有超薄或纤维形物体的情况下尤为明显。但是，单CCD彩色相机使得

CCD数字相机的价格大大降低，而且随着电子技术的发展，今天CCD的质量都有了惊人的进步，因此大部分彩色数码相机都采用了这种技术。以图中左下角的红色区域为例，我们需要的是丢失了的绿色与蓝色的值。而插值法可以通过分析与这个红色像素相邻的像素计算出这两个值。在这个例子中，算法发现该区域像素绿色像素均含有大量电荷，但蓝色像素电荷数为零，所以可以计算出，这个红色像素实际上是黄色的。第90页，共115页，2023年，2月20日，星期三CCD的结构为三层，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。CCD的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法，这两种方法各有优缺点。“微光”——指夜间或低照度下微弱的、甚至能量低到不能引起人视觉的光。微光摄影技术的实质是在物镜与目镜（或显示器）之间放置一个微光像增强器。通过能量转换和信号处理后，在输出端变成具有适当亮度、对比度和清晰度的可见的目标图像。第91页，共115页，2023年，2月20日，星期三红外CCD（IRCCD）用红外探测器列阵代替可见光CCD的光敏元部分，就构成焦平面红外阵（IRCCD）。根据敏感材料的不同，常用的红外焦平面阵列有：PbS和PbSe阵列、

PtSi阵列、InSb阵列、HgCdTe阵列、

GaAs/AlGaAs阵列、掺杂硅阵列和热释电探测器阵列等。第92页，共115页，2023年，2月20日，星期三X射线CCDCCD对X射线的感光度比X射线胶片要高200-1000倍；两类直接用微光CCD像机摄取X射线图像用转换材料，即在每个光敏元上装上带隔离层的碘化铯晶体，它是一种能把X射线转换成可见光的高效转换材料，由于X射线不会直接照射到光敏元阵列上，因而可以延长器件使用寿命。第93页，共115页，2023年，2月20日，星期三紫外CCD困难：正面CCD较厚的栅氧化层（50-100m）强烈吸收紫外辐射，使直接探测效率极低。办法：减薄背照CCD来探测，但减薄后的硅表面会形成天然的氧化层，影响性能。措施：1、“背堆积”技术减小界面态作用；

2、涂覆荧光物质，把紫外光转换成可见光。发展：进展缓慢，还在开发之中。第94页，共115页，2023年，2月20日，星期三4.4CMOS图像传感器

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）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，可以实现单芯片成像系统。

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。第95页，共115页，2023年，2月20日，星期三

1989年以后，出现了“主动像元”（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CCD图像传感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于CCD图像传感器，所以应用越来越广泛。

CMOS图像传感器的优点：电源消耗量比CCD低，仅为CCD的1/8到1/10；与周边电路的整合性高，可以轻易地将周边电路集成到传感器芯片中，使体积大幅缩小；采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，还可以节省外围芯片的成本；

第96页，共115页，2023年，2月20日，星期三4.4.1CMOS成像器件的结构原理

1.CMOS成像器件的组成

CMOS成像器件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，它没有线阵和面阵之分。原理框图如图1所示:第97页，共115页，2023年，2月20日，星期三第98页，共115页，2023年，2月20日，星期三工作过程：首先，外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元；行像素内的信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。

行选通单元可以对像素阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。

行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息。

第99页，共115页，2023年，2月20日，星期三图像信号的输出过程可由图像传感器阵列原理图更清楚地说明。第100页，共115页，2023年，2月20日，星期三2.CMOS成像器件的像敏单元结构

无源像敏单元结构（PPS）

：只包含光电二极管和地址选通开关两部