光电检测成像器件

光电检测成像器件第1页，课件共65页，创作于2023年2月1．转换系数(增益)L：光电成像器件在法线方向输出的亮度E：输入光电成像器件的辐照度2.光电灵敏度（响应度）二、光电成像器件的特性3．时间响应特性

光电成像器件的惰性来源于光电导效应的滞后和电容效应的滞后。在提取动态信号时，摄像管的光电流输出滞后于输入的光信号辐射，摄像管的惰性第2页，课件共65页，创作于2023年2月4图像信号的概念。

图像信噪比两个相邻的像元，具有不同的辐射亮度。令两个像元的辐射量子数分别为n1和n2。两个像元的差异就代表了图像细节的信号。图像信号为根据统计光学理论，弱光满足泊松分布，其均方根方差等于均值，所以有图像噪声5图像噪声。

第3页，课件共65页，创作于2023年2月6图像分辨力分辨力是以人眼做为接收器，所判定的极限分辨能力。通常用光电成像在一定距离内能分辨的等宽黑白条纹数来表示。

直视型光电成像器件：取输入像面上每毫米所能分辨的等宽黑白条纹数表示分辨力。记为：lp·mm-1

非直视型光电成像器件：取扫描线方向，图像范围内所能分辨的等宽黑白条纹数表示分辨力。简称为电视线。（水平分辨力为466线，垂直分辨力为400线.

）第4页，课件共65页，创作于2023年2月

把各种不可见图像(包括红外图像，紫外图像及射线图像)转换成可见图像的器件称为变像管。把强度低于视觉阈值的图像增强到可以观察程度的器件称为像增强管。变像管与像增强管统称为像管，三非扫描型像管第5页，课件共65页，创作于2023年2月1）变像管光电阴极(光敏面)、电子光学系统、荧光屏高真空管壳组成。工作过程：辐射图像形成在光电阴极上，光电阴极上各点产生正比与入射辐射的电子发射，形成电子图像电子光学系统将电子像传递到荧光屏上，在传递过程中将电子像放大荧光屏受电子轰击发光，形成可见光图像，完成光电转换第6页，课件共65页，创作于2023年2月对光电阴极要求是：具有很高的光谱响应灵敏度，热发射电流小，均匀性好。像管的光电阴极S-25(Sb-Na-K-Cs)S-20(Sb-K-Na-Cs)GaAs变像管的电子光学系统第7页，课件共65页，创作于2023年2月变像管的荧光屏像管对荧光屏的主要要求是：适合人眼观察的发光光谱；足够高的发光亮度；高分辨力和好的传输函数；合适的余辉时间；良好的机械强度、化学稳定性和热稳定性。

(Zn．Cd)S·Ag荧光粉，其发光颜色为黄绿色，峰值波长0.560μm，10％余辉时间0.05—2ms。

像管的荧光屏是由荧光物质(粉粒)刷涂在基底上制成。它是像管中完成电光转换的部件。第8页，课件共65页，创作于2023年2月2）像增强器

通常将增强器管(增像管)与高压电源经灌封工艺组装成整体的组件，称为微光像增强器，裸管为增像管或单管。微光像增强器的组成及工作原理输入图像输出图像光电阴极荧光屏输入光纤板输出光纤板加速电极聚焦电极电子轨迹像增强器基本结构类似于变像管：光电阴极，电子光学系统，电子倍增器，荧光屏第9页，课件共65页，创作于2023年2月对光电阴极要求是：具有很高的光谱响应灵敏度，热发射电流小，切均匀性好。一种典型的锑钾钠铯多碱阴极，编号为s－20。像管的光电阴极s－25（锑钠钾铯）光电阴极的光谱响应向红外有所延伸，用于第一代和第二代增像管。第三代像增强器是在二代近贴管的基础上，将s－25阴极置换为砷化镓负电子亲和势光电阴极(GaAsNEA)。其灵敏度几乎是二代光电阴极的3—4倍。第10页，课件共65页，创作于2023年2月三种光电阴极的光谱响应效率曲线S-25(Sb-Na-K-Cs)S-20(Sb-K-Na-Cs)GaAs第11页，课件共65页，创作于2023年2月一代管单管结构第12页，课件共65页，创作于2023年2月第一代三级级联象增强管第13页，课件共65页，创作于2023年2月微通道式像增强管（二代管）静电聚焦微通道像增强管。第14页，课件共65页，创作于2023年2月光阴极微通道板荧光屏近贴式第二代像管结构第15页，课件共65页，创作于2023年2月二代近贴管光阴极MCP荧光屏光纤扭曲器光纤面板第16页，课件共65页，创作于2023年2月微光像增强器的性能参数

有效光电阴极直径在像管输入端上与光电轴同心、能完全成像于荧光屏上的最大圆直径。光通量增益G。用色温为2856K土50K的钨丝白炽灯照射像管的光电阴极，荧光屏输出的光通量Φ出与输入到光电阴极的光通量Φ入之比为光通量增益，即：

有效荧光屏直径在像管输出端上与光电轴同心，并与有效光电阴极直径成物像关系的圆直径。第17页，课件共65页，创作于2023年2月光亮度增益GL荧光屏的法向输出光亮度L出与光电阴极输入光照度Eλ之比即为光亮度增益，即：暗背景光亮度光电阴极无光照时，处于工作状态的像管荧光屏上的输出光亮度称为暗背景光亮度。[Cdm-2Lx-1]第18页，课件共65页，创作于2023年2月放大率荧光屏上输出像的几何大小与光电阴极上输入像的几何大小之比。分辨力像管分辨相邻两个物点或像点的能力。畸变距离光电轴中心不同位置处各点放大率不同的表征。以该点处的放大率与中心放大率的差除以中心放大率表示第19页，课件共65页，创作于2023年2月WJII型头盔式微光夜视仪第20页，课件共65页，创作于2023年2月四扫描型摄像管

能够输出视频信号的一类真空光电管称为摄象管。将二维空间分布的光学图像转化为一维时序电信号光电发射式摄象管光电导式摄象管R靶电子束电子枪R光电阴极靶电子束电子枪移像区第21页，课件共65页，创作于2023年2月光电发射式摄象管光电导式摄象管R靶电子束电子枪R光电阴极靶电子束电子枪移像区光电摄像器件的工作过程：1、光电转换：光学图像投射到器件光敏面上，以象素为单元分别进行光电转换，形成电量的潜像。2、光电信号的存储：每个象素在扫描周期内对转换的电量进行存储。3、扫描：扫描线按一定轨迹逐点采集转换后的电量，形成输出信号。第22页，课件共65页，创作于2023年2月RLC防反射膜信号板光导靶1）光导靶

由光窗、信号板和靶组成。靶面的轴向电阻小，横向电阻大，有利于保持光电转换形成电量的潜象，并在扫描周期内实现积分存储。视象管的基本结构：光导靶和电子枪。一）光电导式摄象管（视象管）第23页，课件共65页，创作于2023年2月RLC防反射膜信号板光导靶聚焦线圈偏转线圈校正线圈聚焦电极加速电极K聚焦线圈校正线圈偏转线圈G2）电子枪

电子枪的作用是产生热电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面。逐点地采集这些转换后的电量形成串行输出信号。第24页，课件共65页，创作于2023年2月3）视频信号的形成

—帧图像可分成四十多万个像元。每个像元可用一个电阻和电容c来等效。

电容c起存储信息的作用，电阻R随着光照度的增大而变小，无光照时R为暗电阻R0、光照后变为Rc(E)，是与照度有关的变量。视频信号RLCLEK每个象元（象素）有序的转化为视频电信号第25页，课件共65页，创作于2023年2月（1）硅靶摄象管硅靶是贴在信号板上的一块硅片，朝着电子枪一面生成几十万个相互隔离的PN结(光电二极管)。硅靶窗口玻璃内表面涂有一层很薄的金属膜，有引线同负载相连，称为信号板。玻璃面板信号板电阻海RL工作过程：光照在P型岛上形成电势—电子线扫描连线形成电流—在输出电阻上产生与视频对应的电压信号（P型岛拉回低电位）第26页，课件共65页，创作于2023年2月硅靶的特性1)抗烧伤性耐强光、耐高温2)光谱特性及灵敏度

硅靶的光谱响应范围为0.4～1.1μm．峰值波长为0.65～0.85μm。3)暗电流

硅靶的暗电流较大，约为10nA，且随温度每升高9℃，暗电流约增加一倍。第27页，课件共65页，创作于2023年2月光导摄像管的光谱响应特性曲线a-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d-CdSe光导摄像管e-硅靶摄像管g-ZnCdTe光导摄像管第28页，课件共65页，创作于2023年2月（2）氧化铅靶摄像管

PbO靶摄像管的特点是：

PIN结构，工作原理与硅靶类似灵敏度较高，可达400μA／lm；暗电流小，低于1nA,光电特性好；惰性小，三场后残余信号不大于4％。NIPSnO2透明导电膜玻璃RLVT（40～60V）信号板第29页，课件共65页，创作于2023年2月（3）碲化锌镉靶摄像管碲化锌锡靶摄像管的灵敏度很高，可在星光下获得可用的图象，多用于微光电视。Sb2S2ZnxCd1-xTeZnSe信号板SnO2ZnSe（N）无光电效应，增强短波光吸收，提供可见光灵敏度，与第二层ZnxCd1-xTe（P）形成异质结。第三层Sb2S2减小电子束注入效应，减小暗电流和惰性第30页，课件共65页，创作于2023年2月二）光电发射式摄像管光电变换部分和光信息存储部分彼此分离，组成为移象区。Al2O3加速电压8kVAL2O3信号板（Al膜）疏松的KCl（1）二次电子导电摄像管(SEC)工作过程：光学图像在光电阴极上产生相应光电子发射—加速打到SEC靶上产生二次电子发生—形成电势分布—后面与光电导输出一样第31页，课件共65页，创作于2023年2月

SEC管的主要特性：

1)灵敏度

SEC管整管的灵敏度与光电阴极的灵敏度、加速电压和靶有关，一般可达20000μA／lm。

2)分辨率

25mm管中心分辨事约为600TvL／H

3)惰性三场后残余信号小于5％

4)存储性能

SEC靶的电阻率大于1010Ωcm-1，漏电极小，暗电流小于0.1μA，因此信息电荷可在靶上长时间存储而不泄漏。

第32页，课件共65页，创作于2023年2月

（2）硅增强靶摄像管(SIT)用硅靶代替SEC管KCl靶即构成硅增强靶摄像管(SIT)

靶增益为SEC管的10倍以上，通过改变移像区的施加电压可改变靶的电子增益。移像区电子枪光电阴极靶第33页，课件共65页，创作于2023年2月

用光学纤维面板将像增强器与硅增强靶管耦合在一起．就组成了超高灵敏度的硅增强靶管，通常称为ISIT管或IEBS管。（3）超高灵敏度的硅增强靶管（ISIT）硅靶光阴极光阴极2光阴极1阳极1阳极2第34页，课件共65页，创作于2023年2月五、固体成像器件（电荷耦合器件）1）电荷耦合器件的工作原理

MOS结构

与电荷存储

CCD是由金属－氧化物－半导体构成的密排器件，简称MOS结构，它实际就是一个MOS电容。电荷耦合器件(简称CCD)是一种用电荷量表示信号并用耦合方法传输信号的器件，它具有信号探测、延时、传输和积分的多种功能。P或n型硅衬底SiO2金属(栅）VG第35页，课件共65页，创作于2023年2月EvEFp金属氧化物P型半导体ECEFm栅极电压Vg=0,p型半导体中均匀的空穴（多数载流子）分布，半导体中能量线延伸到表面并与表面垂直。

栅极电压Vg<0,电场排斥电子吸引空穴，使表面电子能量增大，表面处能带向上弯曲，越接近表面空穴浓度越大，形成空穴积累层。EvEFp金属氧化物P型半导体ECEFmVG<0Vg<0SiO2栅电极积累层P-SiVg=0SiO2栅电极P-Si第36页，课件共65页，创作于2023年2月

栅极电压Vg>0,电场排斥空穴吸引电子，越接近表面空穴浓度越小，形成空穴耗尽层。EvVG》0EFp金属氧化物P型半导体ECEFmW

栅极电压Vg》0,电场排斥空穴吸引电子，越接近表面空穴浓度越小，电子浓度甚至超过空穴浓度，形成反型层。EvEFp金属氧化物P型半导体ECEFmVG>0WEvEFp金属氧化物P型半导体ECEFmVG>0WVg》0SiO2栅电极反型层P-SiVg>0SiO2栅电极耗尽层P-Si第37页，课件共65页，创作于2023年2月

半导体表面与衬底的电压，常称为表面势，（用VG表示）外加电压越大，对应有越大的表面电势，能带弯曲的越厉害，相应的能量越低，储存电子的能力越大，通常称其为势阱。注入电子形成电荷包表面势与势阱VG

051015伏VG空势阱P-SiVG=12伏全满势阱P-SiVG=12伏填满1/3势阱P-Si第38页，课件共65页，创作于2023年2月反型层的出现在SiO2衬底之间建立了导电机构，Vg》0SiO2栅电极反型层P-SiP型衬底n沟道Vg《0SiO2栅电极反型层n-Sin型衬底p沟道n型衬底，栅极加负电压，反型层是正电荷，称为p沟道。p型衬底，栅极加正电压，反型层是负电荷，称为n沟道，第39页，课件共65页，创作于2023年2月Vg=0SiO2栅电极P-SiVg>0SiO2栅电极耗尽层P-SiVg》0SiO2栅电极反型层P-SinnP-Si衬底源漏输出栅转移栅电极SiO2n-沟道第40页，课件共65页，创作于2023年2月电荷包转移和三相时钟2伏2伏10伏VGP-SiΦ

①

③③

②2伏2伏10伏VGP-SiΦ

①

③③

②VG2伏2伏10伏P-Si2伏Φ

①

③③

②VGΦ1Φ2Φ3t2t4t1t3t5Φ1Φ2Φ3t1t3t510伏2伏2伏2伏VGP-SiΦ

①

③③

②VG2伏2伏10伏P-SiΦ

①

③③

②第41页，课件共65页，创作于2023年2月p衬底铝栅多晶硅栅Φ1Φ2势阱深度Φ1高电位Φ2低电位Φ1

Φ2同电位Φ1低电位Φ2高电位2）两相CCD结构和工作原理第42页，课件共65页，创作于2023年2月3）电荷耦合器件的性能参数电荷转移效率电荷损失率工作频率

电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时间tr不能大于驱动脉冲使其转移的时间T/3，因此，上限频率下限频率决定于少数载流子寿命τ第43页，课件共65页，创作于2023年2月电荷负载量电极下能容纳的电荷数量探测噪声n电荷转移次数；fc时钟频率①产生于界面态或体态与电荷包相互作用的电荷转移起伏；②背景光辐射引起的电荷变化与暗电流噪声；③输出级的复位过程与输出放大器噪声。有转移损失就会有附加的噪卢。通过n次电荷转移后，电流的转移噪声将为第44页，课件共65页，创作于2023年2月

电荷耦合摄像器件就是用于摄像的CCD。它的功能是把成像在CCD的光敏面上的二维光学图像信号，转变成少数载流子数密度信号存储于MOS电容中,再转移到CCD的移位寄存器(转移电极上的势阱）中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为一维视频信号输出。4）电荷耦合摄像器件输出CCD移位寄存器光敏区转移栅CCD移位寄存器时钟φ单沟道线型ICCD第45页，课件共65页，创作于2023年2月光敏区转移栅A输出ACCD移位寄存器ACCD移位寄存器时钟φA输出BCCD移位寄存器BCCD移位寄存器时钟φB转移栅B隔离区具有双读出寄存器的线阵摄像器件CCD第46页，课件共65页，创作于2023年2月光敏区转移栅输出CCD读出移位寄存器ACCD移位寄存器时钟φCCCD移位寄存器时钟φA存储区隔离区CCD移位寄存器时钟φB面阵CCD三相面阵帧转移摄像器第47页，课件共65页，创作于2023年2月CCD器件第48页，课件共65页，创作于2023年2月5）微光电荷耦合成像器件（I-CCD）

普通CCD能够在(1.5～2.0)×l0-21x下成像，低于l0-21x成像需要采用图像增强手段,这样构成的I-CCD,既具有CCD成像器件所具有的优点．同时又能在夜天微光下工作.用像增强器与CCD耦合在一起．构成图像增强型I-CCD。第49页，课件共65页，创作于2023年2月6）电子轰击型(EB-CCD)

入射光子在光电阴极上转化为光电子，光电子被加速并聚焦在CCD芯片上，光电子穿过器件正面覆盖层，在CCD上产生电荷包，一个光电子－－２０００－３０００个电子，高灵敏度，但高速电子轰击产生损伤，工作寿命短CCD光电阴极光学纤维板1.0~15kv-+CCD光电阴极光学纤维板1.0~15kv-+CCD光阴极光学纤维板＋－1.0～15kvCCD光阴极光学纤维板＋－1.0～15kvCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁1～1.5kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁1～15kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁1～1.5kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁1～15kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁1～1.5kVCCD光电阴极光学纤维板螺线管或永久磁铁1～15kV静电聚焦型EB-CCD磁聚焦型EB-CCD近贴型型EB-CCD。第50页，课件共65页，创作于2023年2月7）单光子阵列成像EMCCDEMCCD(Electron-Multiplying,CCD)技术，有时也被称作“片上增益”技术,它与普通的科学级CCD探测器的主要区别在于其读出（转移）寄存器后又接续有一串“增益寄存器”增益寄存器中有两个电极，电极2提供时钟脉冲，电极1被加以电压比转移电荷所需要的电压高很多（约40～60V）。在电极1与电极2间产生的电场其强度足以使电子在转移过程中产生“撞击离子化”效应，从而产生了新的电子，即所谓的倍增或者说是增益；如此过程重复相当多次（如陆续经过几千个增益寄存器的转移），可达1000倍以上。第51页，课件共65页，创作于2023年2月8）红外电荷耦合器件(IR-CCD)--红外焦平面凝视列阵

普通的Si-CCD不能直接用于红外条件下的凝视模式工作。背景积累会使器件过载。单片式IR-CCD混合式IR-CCD第52页，课件共65页，创作于2023年2月1、单片式(IR-CCD)单片式又称整体式，即整个IR-CCD做在一块芯片上。它具体又可分为两种情况，一种是CCD本身就对红外敏感。另一种是把红外探测器做在同一基底上．基底通常用硅，而探测器部分常用本征窄带或非本征材料，

采用MI

S(即金属—绝缘物—半导体)器件工艺，由此制成本征窄带半导体IR-CCD及非本征IR-CCD。

非本征半导体IR-CCD是单片式IR-CCD的另一种形式。它利用非本征材料作探测器，然后转移送给同一芯片上的CCD。第53页，课件共65页，创作于2023年2月2、混合式IR-CCD

混合式IR-CCD结构的根本特点是把探测器和CCD移位寄存器分开。

CCD仍用普通硅制版．工艺已相对成热。对几个重要的红外波段，则采用性能优良的本征红外探测器。

第54页，课件共65页，创作于2023年2月CCD的现状

第一、特殊CCD传感器，如红外CCD芯片（红外焦平面阵列器件）、高灵敏度背照式BCCD和电子轰击式EBCCD等，另外还有大靶面如2048×2048、4096×4096可见光CCD传感器、宽光谱范围（紫外光→可见光→近红外光→3-5μm中红外光→8-14um远红外光)焦平面阵列传感器等。

第二、通用型或消费型CCD传感器在许多方面都有较大地进展，如CMOS型摄像头。总的方向是提高CCD摄像机的综合性能。第55页，课件共65页，创作于2023年2月第三、其他固态摄像器件

（1）电荷注入器件(CID)

CID的基本结构与CCD相似，也是—种MOS列阵。CID与CCD的主要区别在于读出过程：在CCD中，信号电荷必须经过转移才能读出。在CID中，信号电荷不用转移，是直接注入体内形成电流来读出的。整个列阵的信号读出是通过一种叫做“寻址读出”方式进行的，每一次只选中一个光敏单元。例如，当水平移位寄存器电压脉冲出现在第m位，垂直移位寄存器电压脉冲出现在第n位时，所选中的光敏元位置为(m，n)。第56页，课件共65页，创作于2023年2月（２）

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor互补金属氧化物半导体集成电路）基本单元电路反相器由N沟道和P沟道MOS场效应晶体管（P沟道金属-氧化物-半导体集成电路和N沟道金属-氧化物-半导体集成电路）构成，以推挽形式工作,能实现一定逻辑功能的集成电路,简称CMOS。第57页，课件共65页，创作于2023年2月CMOS（互补金属氧化物半导体集成电路）影像传感器（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）CMOS像传感器按信号读出方法，可分为：

①无源像素图像传感器(PPS)；光敏单元驱动能力弱，且固定结构噪声FPN较大。②有源像素图像传感器(APS)，性能优良

CMOS最明显的优势是集成度高、功耗小、生产成本低、容易与其他芯片整合。

CMOS像感器的芯片上可以很容易集成各种数字电路。从而可构成单片视频摄像机。

CMOS像传感器的光谱响应宽于CCD像传感器，在红外成像领域将具有广阔的应用前景第58页，课件共65页，创作于2023年2月集成度高、功耗小、生产成本低、容易与其他芯片整合。光谱响应宽，图像响应均匀性较差，具有较高的暗电流，信号读出速率高，1000M像素数/s.

CMOS图像传感器及其工作原理第59页，课件共65页，创作于2023年2月

CCD图像传感器及其工作原理

传感器灵敏度较CMOS