《光电成像器件》

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7.1.2变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－像素基本名词：势阱1.CCD单元结构势阱施加正电压空穴耗尽区电子的“陷阱”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1.CCD的结构与工作原理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1.CCD的结构与工作原理3)电荷包的存储存储电荷P单元最大存储信息电荷量：1.CCD的结构与工作原理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1.CCD的结构与工作原理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1.CCD的结构与工作原理L3VisionTechnology

HowthegainprocessworksThechargemultiplicationelements5)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1.CCD的结构与工作原理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－>2V5V1.CCD的结构与工作原理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电荷耦合器件二、CCD的特性参数7)驱动频率下限——热生载流子影响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CMOS特点：成品率高、价格低廉，像质量？CMOS数码相机1.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7.3.2CMOS图像传感器2.CMOS成像器件原理: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7.3.2CMOS图像传感器3.CMOS成像器件单元结构:被动像敏单元结构主动像敏单元结构像敏单元选址模拟开关压降暗电流附加噪声7.3.2CMOS图像传感器4.CMOS成像器件与CCD成像器件:最大差异：单元结构（带放大器）信号寻址读出与信号顺序读出应用差异：

CCD低噪声、高分辨率、高灵敏度等高画质性能－－占据图像传感器高端市场；

CMOS高集成度、高速、小体积、低价格等特点－－占据低端市场大的份额。7.3.2CMOS图像传感器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）7.3.3红外焦平面器件IRFPA技术的来由常用光波波段主要用途Infrared-RayFocusPlaneArray--简称IRFPA1.IRFPA技术的来由成像系统物空间和像空间的对应关系1：物平面；2：单元探测器在物空间的投影；3：聚焦系统；4：像平面；5：单元探测器；6：线阵探测器在物空间的投影；7：线阵探测器12354677.3.3红外焦平面器件早期红外成象系统：二维图