光电成像器件课件

光电成像器件光电成像器件光电成像器件第一节、概述光电成像器件光电成像器件光电成像器件第一节、概述1第一节、概述第一节、概述21、光谱响应光电成像器件的光谱响应取决于光电转换材料的光谱响应，其短波限有时受窗口材料的吸收特性影响。在选用光电成像器件时，应当考虑器件的光谱响应与被测景物辐射光谱的匹配。一、光电成像器件的基本特性1、光谱响应光电成像器件的光谱响应取决于光电转换32、转换特性光电成像器件的输出物理量与相对应的输入物理量的比值关系称为转换特性。转换特性的参量有灵敏度（或响应度）、转换系数及亮度增益等。⑴像管的输入量有辐射和光度两种度量单位，输出量常为光度量单位，它们的转换特性常用转换系数C表示：2、转换特性光电成像器件的输出物理量与相对应4⑵像增强管的输入量和输出量常常采用光度量单位，它们的转换特性常用亮度转换增益GL表示，它的定义为：像管荧光屏的光出射度与照射在光电阴极面上的光照度之比，即：⑵像增强管的输入量和输出量常常采用光度量5⑶摄像器件的输入量为辐射量和光度量，输出量为信号电流（或电压），因此，摄像器件的灵敏度单位较多。①若摄像器件的输入量为辐射照度或辐射通量，则灵敏度为：②若摄像器件的输入量为光照度或光通量，则灵敏度为：⑶摄像器件的输入量为辐射量和光度量，输出6为了保证摄像器件的光电转换特性为线性，希望器件的灵敏度S在一定范围内为一恒定值。对于光电发射式或硅靶及CCD摄像器件，其光电转换的线性关系是较好的。

为了保证摄像器件的光电转换特性为线性，希73、分辨率分辨率是衡量成像器件与成像系统优劣的一个重要参数。分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力。分辨率常用两种方式来描述：极限分辨率和调制传递函数。3、分辨率分辨率是衡量成像器件与成像系统优劣8极限分辨率是在一定的测试条件之下定义的。当以一定性质的鉴别率图案（有100%对比度的专门的测试卡）投射到CCD光敏面时，在输出端观察到的最小空间频率（即用眼睛分辨的最细黑白条纹对数）就是该器件的极限分辨率。

⑴极限分辨率极限分辨率是在一定的测试条件之下定义的。当9各种分辨率测试卡图片各种分辨率测试卡图片10①变像管与像增强管的极限分辨率用每毫米线对数（lp/mm）表示。②摄像管的极限分辨率用在图像范围内所能分辨的等宽度黑白线条数来表示。摄像管的分辨率又有水平分辨率和垂直分辨率之分。①变像管与像增强管的极限分辨率用每毫米线对11优点：极限分辨率的表示方法有专门的测试卡测量而使用方便。缺点：极限分辨率的表示方法不客观科学。其原因是因为：

①每个人的视觉不一样，观测值带有主观性；

②测试卡的对比度与几何尺寸以及观测时的照度不一样，观测的结果也会有不同。如当被摄图像对比度低于30%时，观测的分辨率值就会明显下降；

③观测的分辨率值是系统的总体特性，而不能分摊到各个部件上。优点：极限分辨率的表示方法有专门的测试卡测量而使用方便。缺12⑵调制传递函数调制传递函数是光学系统传递对比度的能力。是输出调制度与输入调制度之比的百分数。或者说调制传递函数是调制度与空间频率的关系。当输入正弦光波（即一个确定的空间频率的物象投射在CCD上）时，CCD的输出也将是随时间变化的一种正弦波，设波峰为A，波谷为B，则调制传递函数为：⑵调制传递函数调制传递函数是光学系统传递对比度13图象在传送过程中，调制度M是随空间频率的增大而减小的。如果把调制度的损失程度以百分数表示（以零频时的调制度为100%），则调制度与空间频率的关系曲线，就是调制传递函数。MTF能够用仪器测量，因此它能客观地表示器件对不同空间频率目标的传递能力。调制传递函数曲线图象在传送过程中，调制度M是随空间频率的增大而减小的14它广泛应用于夜视技术、电视技术、工件的图象测量、精密零件的微小尺寸测量、产品外观检测、应力应变场分析、机器人视觉、交通管理与指挥、定位、跟踪遥感、遥测技术和监控工程等，成为现代科学技术的重要组成部分。二、光电成像器件的应用它广泛应用于夜视技术、电视技术、工件的图象测15第二节、光电成像原理一、光电成像原理景物→光学成像→光电变换→图像分割→同步扫描→视频信号│摄像部分│传送→同步扫描→视频调辉→图像再现│显像部分│第二节、光电成像原理一、光电成像原理景物→光学成像→光电变换16⑴光学成像：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。⑵光电变换：光学成像器件将二维光学图像转变成二维“电气”图像的工作。

景物→光学成像→光电变换→图像分割→同步扫描→视频信号│摄像部分│⑴光学成像：光学物镜将景物所反射出来的光成像到光电17景物→光学成像→光电变换→图像分割→同步扫描→视频信号│摄像部分│⑶图像分割：“电气”图像的电气量在二维空间的分布与光学图像的光强分布保持着线性对应关系。组成一幅图像的最小单元称作像素，像素单元的大小或一幅图像所含像素数决定了图像的清晰度。像素数愈多，或像素几何尺寸愈小，反映图像的细节愈强，图像愈清晰，图像质量愈高。这就是图像分割。景物→光学成像→光电变换→图像分割→同步扫描→视频信号18景物→光学成像→光电变换→图像分割→同步扫描→视频信号│摄像部分│⑷同步扫描：按着一定的规律将所分割的电气图像转变成一维时序信号，即将电气图像从左向右，又从上向下的规律输出即为扫描。从左向右的扫描称为行扫描，从上向下的扫描称为场扫描。为了保证图像中的任意一点的信息能够稳定的显示在荧光屏的某一确定点上，在进行、场扫描时还必须给出同步控制信号，常称为行、场同步脉冲。景物→光学成像→光电变换→图像分割→同步扫描→视频信号19⑸视频信号：由于监视器的显象管几乎都是利用电子束扫描荧光屏，荧光屏又具有一定的余辉效应，便可在显象管上获得可供观察的图像。行扫描：电子束在屏幕水平方向的扫描（从左到右的扫描称为正程，从右向左的扫描称为逆程）。

帧扫描（场扫描）：电子束在垂直方向的扫描（从上到下的扫描为正程，从下到上的扫描为逆程）。景物→光学成像→光电变换→图像分割→同步扫描→视频信号│摄像部分│传送→同步扫描→视频调辉→图像再现│显像部分│⑸视频信号：由于监视器的显象管几乎都是利用电子束扫20目前，世界上主要使用的电视广播制式有PAL（正交平衡调幅逐行倒相制）、NTSC（正交平衡调幅制）、SECAM（行轮换调频制）三种。如中国、德国、英国及其它一些西北欧国家使用PAL制式。日本、韩国等东南地区及美国、加拿大等国家使用NTSC制式。法国、俄罗斯及一些东欧国家则使用SECAM制式。二、电视制式目前，世界上主要使用的电视广播制式有PAL（21影响电视系统性能的因素：电视画面的宽高比、帧频、场频、行频等等。1、电视系统的宽高比电视屏幕上显示出来的图像宽度W和图像高度H之比称为图像的宽高比，用α表示。早期电视选用了电影画面的宽高比(4:3)：当观察者坐在影院中心位置与银屏保持适当的距离，当画面的宽高比为4:3时，多数观众看电影时头不需要摆动，眼球也不需要上下或左右转动，感到轻松、舒适。影响电视系统性能的因素：电视画面的宽高比、帧22电脑及普通电视信号的宽高比为是4:3。电影及DVD和高清晰度电视的宽高比是16:9。当输入源图像的宽高比与显示设备支持的宽高比不一样时，就会有画面变形和缺失的情况出现。

16:9的图像在4:3屏幕上显示时有3种方式：第一种是变形方式，在水平充满的情况下，垂直拉长，直到充满屏幕，这样图像看起来比原来瘦；第二种方式是字符框-A方式，16:9的图像保持其不失真，但在屏幕上下各留下一条黑条；第三种方式是字符框-B方式，是前两种方式的折中，水平方向两侧各超出屏幕一部分，垂直上下黑条也比第二种窄一些，图像的宽高比为14:9。目前的家用投影机为了迎合家庭影院的需求，通常屏幕宽高比为16:9。电脑及普通电视信号的宽高比为是4:3。232、帧频与场频

帧频：也称刷新频率，是每秒钟电视屏幕变化的数目，即电视图像的重复频率。电视荧光屏上的扫描频率（即帧频）有30Hz和25Hz两种，即电视每秒钟可传送30帧或25帧图像，30Hz和25Hz分别与相应国家电源的频率一致。2、帧频与场频帧频：也称刷新频率，是每秒钟电视24由于受信号带宽的限制，电视采用隔行扫描的方式满足这一要求。每帧分两场扫描，每个场消隐期间荧光屏不发光，于是荧屏亮度每秒闪烁50次（25帧）和60次（30帧）。这就是电影和电视帧频不同的历史原因。但是电影的标准(48次24帧）在世界上是统一的。红为奇数场，蓝为偶数场由于受信号带宽的限制，电视采用隔行扫描的方式满足这一25现在，随着器件的发展，逐行系统也就应运而生了，因为它的一幅画面不需要第二次扫描，所以场的概念也就可以忽略了，同样是在单位时间内完成的事情，由于没有时间的滞后及插补的偏差，逐行的质量要好得多，这就是大家要求弃场的原因了，当然代价是，要求硬件（如电视）有双倍的带宽，和线性更加优良的器件，如行场锯齿波发生器及功率输出级部件，其特征频率必然至少要增加一倍。当然，由于逐行生成的信号源（碟片）具有先天优势，所以同为隔行的电视播放，效果也是有显著的差异的。现在，随着器件的发展，逐行系统也就应运而生263、扫描行数与行频确定扫描行数，实际上就是确定电子束在水平方向上的扫描速度Vhf，因为在场频一定的情况下，行数越多，扫描速度就需要越快。由于图像信号的低频分量可以接近于零频，所以电视系统中直接用视频信号的上限频率fB来代表视频带宽。因此所传送图像的视频带宽与行数(扫描速度)之间需要折衷。选择时，应兼顾到图像的清晰度和电视设备的成本。3、扫描行数与行频确定扫描行数，实际上就是确27习题5-1一、填空题1、光电成像器件包括（）（）。2、扫描型光电成像器件又称（）。3、分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力。分辨率常用两种方式来描述（）分辨率和（）函数。习题5-1一、填空题28第三节、真空摄像管

按结构分，常把有移象区的摄象管称为光电发射式摄象管，它的光电变换部分和光信息存储部分是由两部分来完成的，彼此分离，总称为移象区。把没有移象区的摄象管称为光电导式摄象管或视象管，它的两部分功能全由一个靶来完成。一、定义：能够输出视频信号的一类真空光电管称为摄象管。二、分类：第三节、真空摄像管按结构分，常把有移象区的摄象29⑴电子枪部分二者基本相同。⑵光电发射式摄象管的光电变换部分和光信息存储部分是由两部分来完成的。光电导式摄象管光电变换部分和光信息存储部分是由一个靶来完成的。⑶光电发射式摄象管历史最早，信号质量也最高，但体积大，结构复杂，调整麻烦，所以目前除特殊场合（微光摄象领域）外一般用得较少。光电导式摄象管比前者体积小，结构简单，信号质量有的也接近于前者，所以电视领域中用得较为普遍。摄象管示意图光电发射式摄象管和光电导式摄象管的比较发射式摄象管

光电导式摄象管⑴电子枪部分二者基本相同。摄象管示意图光电发射30三、氧化铅视像管的结构它是由光电导靶、扫描电子枪和管体组成。靶是视像管的光电转换元件。它安置在入射窗的内表面上，光学图像直接投射在靶面上。三、氧化铅视像管的结构它是由光电导靶、扫描电子枪31窗口玻璃内壁是一层极薄的二氧化锡（SnO2）透明导电膜，称为信号板。接着就是PbO靶，靶的成象面一边为N-PbO，扫描面一边为P-PbO，两者之间夹着一层（相对）很厚的本征氧化铅I-PbO，因而具有PIN结构。1、靶的结构窗口玻璃内壁是一层极薄的二氧化锡（SnO2）透明32工作时，信号板通过负载和靶电源的正极相接，电子枪的热阴极接地，当扫描电子束扫描靶面时，相当于对PIN进行反偏置。靶电源电压约45V左右。由于本征层的电阻率高，所以外加的反偏电压主要是施加在本征层上。

2、工作原理工作时，信号板通过负载和靶电源的正极相接，电子33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，入射光子的大部分被本征层吸收，产生光生载流子。强电场的作用下，光生载流子被内电场拉开，电子拉向N区，空穴拉向P区。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，完成了图像变换和记录的过程。

氧化铅摄像管的阅读同样是由扫描电子枪来实现。当扫描电子束扫描某个像元时，电子束将中和该像元的空穴形成电流，便在输出电阻上产生视频信号输出。当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。由34

摄象管输出的光电流与入射的光照度之间的函数关系。常表示为

其中Ip：光电流;E：照度;γ：光照指数;k：比例系数四、摄像管的性能参数1、光电转换特性

摄象管输出的光电流与入射的光照度之间的函数关系。四352、时间响应特性

摄象管的光电流输出滞后于光信息输入的一种现象。摄像管输入光照度突然截止后，取其第三场衰减的输出信号电流占未截止光照时的输出电流的百分比值来表示摄像管滞后特性的指标。这里所说的场，是指电视场，按我国的电视制式，场周期为20ms，三场后残余信号的百分比，即光信息变化60ms后的输出电信号，对于60ms前原输出电信号的百分比。2、时间响应特性

摄象管的光电流输出滞后于光信息363、动态范围

摄象管的动态范围取决于摄像管的暗电流及其饱和电流。暗电流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输入照度。最高输入照度与最低输入照度之差称为该摄像管的动态范围。3、动态范围

摄象管的动态范围取决于摄像管37第四节、电荷耦合器件电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，其基本功能是电荷的存储和电荷的转移。CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输、检测。

第四节、电荷耦合器件电荷耦合器件的突出特点381、电荷存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD(简称SCCD)。2、电荷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。这类器件称为体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。CCD有两种基本类型：1、电荷存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器39CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS结构。栅极加电压之前，P型半导体的载流子的分布是均匀的。一、CCD单元结构CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的40二、电荷存储⑴如果衬底接地，给栅极加一个正的电压UG(UG<Uth时)，则金属极板和衬底之间就会产生一个电场(也称表面势)。这个电场就要迫使半导体表面部分的空穴离开表面入地，从而在表面附近形成一个带负电荷的耗尽区，这个耗尽区也称为表面势阱。表面势阱的深度，近似地与极板上所加的电压成正比。二、电荷存储⑴如果衬底接地，给栅极加一个正的电压U41⑵当UG>Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势（表面势Φs）变高，以至于将半导体内的电子吸引到表面，形成一层极薄的但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。

⑵当UG>Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势（表面42⑶当栅极电压由零突变到高于阈值电压时，杂质半导体中的少数载流子比较少，不能立即建立反型层。在此情况下，耗尽层将进一步向体内延伸，而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上。如果随后可获得少数载流子，那么耗尽区将收缩，表面势下降。当提供足够的少数载流子时，表面势可降低到半导体材料费米能级的两倍。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。⑶当栅极电压由零突变到高于阈值电压时，杂质半导体中的少43形成反型层之前表面势、栅极电压、绝缘层的厚度关系形成反型层之前表面势、栅极电压、绝缘层的厚度关系44表面势、反型层电荷密度、绝缘层的厚度关系表面势、反型层电荷密度、绝缘层的厚度关系45⑷如果以某种方式（电注入或光注入）向势阱中注入电子，则这些电子将要聚集于表面附近，称为电荷包。因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。每个极板下的势阱中所能储存的最大信息电荷量Q为Cox：MOS的电容容量；A：栅极电极的面积；UG：栅极电压⑷如果以某种方式（电注入或光注入）向势阱中注入电子，则46

CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。三、电荷转移CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势47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。CCD的内部结构决定了使其正常工作所需的相数。

CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移道相邻电极下。如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能转移，CCD就不能正常工作。能够产生电荷转移的最大电极间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因素决定。一般要求间隙应小于3μm。通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下48三相CCD的电荷包转移过程将线阵列各极板分为三组，然后分别加以相位不同的时钟脉冲驱动，这即是所谓的三相CCD。这时，由于同一时刻三相脉冲的电平不同，各极板下面所造成的势阱深度也就不同。从而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地方流动。三相CCD的电荷包转移过程三相CCD的电荷包转移过程将线阵列各极板分为三组，然后49以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称N型CCD。以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD，简称P型CCD。

由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N型CCD的工作频率比P型CCD的工作频率高得多。以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，501、电荷的注入电荷的注入有两大类：电注入和光注入。⑴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。四、电荷的注入与检测1、电荷的注入电荷的注入有两大类：电注入和51⑵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。P⑵电注入：CCD通过输入结构对信号电压或电522、电荷的检测CCD电荷包输出机构的形式很多，其中最简单的是利用二极管的输出机构。⑴电流输出：2、电荷的检测CCD电荷包输出机构的形式很多，其中53

图中，与φ1φ2φ3相连的电极称为栅极，与OG相连的电极称为输出栅，输出栅的右边就是输出二极管。输出栅和其它栅极一样，加正电压时，它下面的半导体表面也产生势阱。它的势阱介于φ3的势阱和输出二极管耗尽区之间，能够把二者连通起来，因此可以通过改变OG上所加的电压来控制它下面的通道。例如，电荷包已由φ2转入φ3，当φ3下的势阱由深变浅的同时，OG下的势阱正好也比较深，这时φ3势阱中的电荷包就能够通过OG下的势阱流入输出二极管的耗尽区。

图中，与φ1φ2φ3相连的电极称为栅极，与OG相连54

因输出二极管是反偏置的，内部有很强的自建电场，因此电荷包一进入二极管的耗尽区，即可被迅速地拉走，成为输出回路的电子流。因此，在没有电荷包输出时，a点为高电平，而有电荷包输出时，因为电子流通过负载电阻要产生电压降，a点则为低电平，a点电压降低的程度正比于电荷包所携带的电量，所以这个电压变化即是输出信号。

因输出二极管是反偏置的，内部有很强的自建电场，因55⑵浮置扩散放大器输出：⑵浮置扩散放大器输出：56图中，V1为复位管，R1为限流电阻，V2为输出管，RL为负载电阻，C为等效电容。电荷包输出前，要先给V1的栅极加一窄的复位脉冲φR，这时，V1导通，C被充电到电源电压，V2管的源极S2的电压也跟随上升接近于电源电压。φR变为低电平以后，V1截止，但V2在栅极电压的控制下仍为导通状态。当电荷包经过输出栅OG流过来时，C被放电，V2的源极电压也跟随下降，下降的程度则正比于电荷包所携带的电量，即构成输出信号。图中，V1为复位管，R1为限流电阻，V2为输出管，R571、转移效率η和转移损失率ε⑴电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，不是立即的和全部的，而是有一个过程。为了描述电荷包转移的不完全性，引入转移效率的概念。在一定的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为Q(0)，在时间t时，大多数电荷在电场的作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷某种原因留在该电极下，若被留下来的电荷为Q(t)，则转移效率η定义为

五、CCD的特性参数1、转移效率η和转移损失率ε⑴电荷包从一个势阱向另58⑵

转移损失率定义为残留于原势阱中的电量与原电量之比，即则转移效率和转移损失率之间的关系为η=1-ε如果线阵列CCD共有n个极板，则总转换效率为ηn，输出端的电荷为⑵转移损失率定义为残留于原势阱中的电量与原电量之比，59

⑴引起电荷包转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获和时钟频率过高。⑵所以表面沟道CCD在使用时，为了减少损耗，提高转移效率，常采用偏置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。这样，即使是零信息，势阱中也有一定量的电荷。因此，也称这种技术为“胖零（fatzero）”技术。⑶体内沟道CCD采取体内沟道的传输形式，有效避免了表面态俘获，提高了转移效率和速度。提高转移效率的方法

⑴引起电荷包转移不完全的主要原因是表面态对电子602、工作频率CCD是利用极板下半导体表面势阱的变化来储存和转移信息电荷的，所以它必须工作于非热平衡态。时钟频率过低，热生载流子就会混入到信息电荷包中去而引起失真。时钟频率过高，电荷包来不及完全转移，势阱形状就变了，这样，残留于原势阱中的电荷就必然多，损耗率就必然大。因此，使用时，对时种频率的上、下限要有一个大致的估计。2、工作频率CCD是利用极板下半导体表面势阱的变化61

为了避免由于热平衡载流子的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t必须小于少数载流子的平均寿命τ（一般为毫秒量级）即对于三相CCD，电荷包从前一个势阱转移到后一个势阱所需的时间为T/3，所以

⑴时钟频率的下限f下

为了避免由于热平衡载流子的干扰，注入电荷从一个电62

当时钟频率过高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间t大于时钟脉冲使其转移的时间T/3，那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，转移效率大大下降。f上决定于电荷包转移的损耗率ε，就是说，电荷包的转移要有足够的时间，电荷包转移所需的时间应使之小于所允许的值。⑵时钟频率的上限f上

当时钟频率过高时，若电荷本身从一个电极转移到另63现在固件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为0.4μm～1.15μm左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，峰值波长为0.65μm～0.9μm左右。3、光谱特性和光电特性在低照度下，CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过1001x以后，输出有饱和现象。现在固件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的641、工作原理电荷耦合摄像器件是用于摄像或像敏的器件，简称ICCD。它的功能是把二维光学图像信号转变成一维时序的视频信号输出。

它的工作原理是用光学成像系统将景物图像成像在CCD的像敏面上，像敏面将照在每一像敏单元上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有顺序地移出器件，成为视频信号。六、电荷耦合摄像器件1、工作原理电荷耦合摄像器件是用于摄像或像敏的器件65实用固体摄象器件都是在一块硅片上同时制作出光电二极管阵列和CCD移位寄存器两部分。光电二极管阵列专门用来完成光电变换和光积分，CCD移位寄存器专门用来完成光生电荷转移。因为这种转移不是借助于外来的扫描，而是依靠驱动脉冲来完成的，故也称为自扫描。根据光敏象素的排列方式，CCD摄象器件分为线阵列和面阵列两大类。线型器件可以直接接受一维光信息，而不能直接将二维图像转变为视频信号输出。为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方式来实现。实用固体摄象器件都是在一块硅片上同时制作出光电二极66⑴线型CCD摄像器件：

特点：单侧传输的特点是结构简单，但电荷包转移所经过的极板数多，传输效率低。双侧传输的特点是结构复杂一些，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧传输的一半，所以损耗小，传输效率高。一般光敏元位数少的片子，多采用单侧传输结构，而位数多的片子，则多采用双侧传输结构。

结构种类：对于线阵列CCD摄象器件来说，不论是三相的还是二相的，都有单侧传输和双侧传输两种结构形式。⑴线型CCD摄像器件：特点：单侧传输的特点是结构简67工作过程：①光电二极管阵列和CCD移位寄存器统一集成在一块半导体硅片上，分别由不同的脉冲驱动。设衬底为P－Si，光电二极管阵列中各单元彼此被SiO2隔离开，排成一行，每个光电二极管即为一个象素。各光电二极管的光电变换作用和光生电荷的存储作用，与分立元件时的原理相同。工作过程：①光电二极管阵列和CCD移位寄存器统一集68如图中φp（行扫描电压）为高电平时，各光电二极管为反偏置，光生的电子空穴对中的空穴被PN结的内电场推斥，通过衬底入地，而电子则积存于PN结的耗尽区中。在入射光的持续照射下，内电场的分离作用也在持续地进行，从而即可得到光生电荷的积累。如图中φp（行扫描电压）为高电平时，各光电二极管为反69

②转移栅（φx）由铝条或多晶硅构成，转移栅接低电平时，在它下面的衬底中将形成高势垒，使光电二极管阵列与CCD移位寄存器彼此隔离。转移栅接高电平时，它下面衬底中的势垒被拆除，成为光生电荷（电荷包）流入CCD的通道。这时，电荷包并行地流入CCD移位寄存器，接着，在驱动脉冲的作用下，电荷包按着它在CCD中的空间顺序，通过输出机构串行地转移出去。

②转移栅（φx）由铝条或多晶硅构成，转移栅接低电平时70

③对于二相CCD，时钟电压波形，每变化T/2，电荷包将转移过一个极板，变化一个周期，则转移过二个极板。因为二相CCD是二个极板对应着一个光敏元，所以时钟波形变化一个周期，电荷包所转移过的空间距离也是一个光敏元的中心距。对于三相CCD，时钟电压波形每变化T/3周期，电荷包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过三个极板，时钟电压波形变化一个周期，电荷包所转移过的空间距离，正好是一个光敏元的中心距。这就是线阵列固体摄象器件大致的工作过程。

③对于二相CCD，时钟电压波形，每变化T/2，电荷包71⑵面型CCD摄像器件：二维固体摄象器件中，电荷包转移情况与线阵列器件类似，只是它的形式较多。有的结构简单，但摄象质量不好，有的摄象质量好些，但驱动电路复杂，目前比较常用的形式是帧转移结构。⑵面型CCD摄像器件：二维固体摄象器件中，电荷包转移72光敏区是由光敏CCD阵列构成的，其作用是光电变换和在自扫描正程时间内进行光积分，暂存区是由遮光的CCD构成的，它的位数和光敏区一一对应，其作用是在自扫描逆程时间内，迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移到它里面暂存起来。然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而暂存区则利用这个时间，将电荷包一次一行地转移给CCD移位寄存器，变为串行信号输出。当CCD移位寄存器将其中的电荷包输出完了以后，暂存区里的电荷包再向下移动一行给CCD移位寄存器。当暂存区中的电荷包全部转移完毕后，再进行第二帧转移。光敏区是由光敏CCD阵列构成的，其作用是光电变换和在自732、ICCD的基本特性参数

ICCD中，电荷包是由入射光子被硅衬底吸收所产生的少数载流子形成的。它有良好的转换特性，它的光电转换因子可达到99.7％。⑴光电转换特性⑵光谱响应

ICCD接受光的方式由两种：正面照射和背面照射。正面照射时由于电极的反射和散射作用，其光谱灵敏度较低。所以常用背面照射方式,它的光谱响应范围为0.4～1.1μm,平均量子效率为25％，绝对响应为0.1～0.2A·W-1。2、ICCD的基本特性参数

ICCD中，电荷包是74⑶动态范围

动态范围由势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比决定。势阱的最大电荷存储量与电极的面积成正比，与栅极电压成正比，与单位面积的氧化层电容成正比。噪声的来源有电荷注入噪声、电荷转移噪声、检测时产生的噪声等等。⑷暗电流

没有光照或其它方式对器件进行电荷注入的情况下，器件存在暗电流。它是判断一个摄像器件好坏的重要标志。⑸分辨率

它是图像传感器的重要特性，常用调制传递函数来评价。⑶动态范围

动态范围由势阱的最大电荷存储量与噪声75二、简答题1、以三相CCD为例具体研究一下CCC电荷包的转移过程。2、为什么CCD必须在动态下工作？其驱动脉冲的上、下限频率受哪些条件限制，应如何估算？3、简述线阵列固体摄象器件大致的工作过程。一、概念题:1、转移效率2、转移损失率习题5-2二、简答题一、概念题:习题5-276三、分析题分析浮置扩散放大器输出的工作原理。

三、分析题77第五节、变像管和像增强管

象管是变象管和图象增强管的统称。变象管是指能够把不可见光图象变为可见光图象的真空光电管。图象增强管是指能够把亮度很低的光学图象变为有足够亮度图象的真空光电管。第五节、变像管和像增强管象管是变象管和图象增78象管有三个基本部分：

光电变换部分，即光电阴极；

电子光学部分，即电子透镜；

电光变换部分，即荧光屏。一、典型结构与工作原理象管有三个基本部分：一、典型结构与工作原理79⑴目标物所发出的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数密度正比于该点的辐射照度。这样，光阴极将光学图像转变为电子数密度图像。⑵加有正高压的阳极形成很强的静电场，合理的安排阳极的位置和形状，让它对电子密度图像起到电子透镜的作用，使阴极发出的光电子聚焦成像在荧光屏上。它还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。⑶荧光屏在一定速度的电子轰击下发出可见的荧光，这样，在荧光屏上便可得到目标物的可见图像。⑴目标物所发出的某波长范围的辐射通过物镜在半80

变像管还是像增强管取决于阴极材料。如果阴极材料对红外或紫外光线敏感，则它就是变像管；如果它只对微弱的可见光敏感，则它就是像增强管。⑴它们都是通过两次变换得到可见图像的。都属于非扫描的光电成像器件。⑵它们都具有图像增强的作用，实现图像增强一般有两种方法：增强电子图像密度和增强电子的动能。

增强电子图像密度，一般利用二次电子发射来实现；

增强电子动能，用增强电场或磁场的方法。变像管还是像增强管取决于阴极材料。如果阴极材81二、性能参数1、光电阴极灵敏度光电阴极性能的好坏直接对管子的工作特性有很大的影响。⑴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关系决定了管子的光谱响应。⑵光阴极的暗电流和量子效率决定了像的对比度和最大信噪比，对比度和信噪比又决定了照度最低情况下的分辨率。二、性能参数1、光电阴极灵敏度光电阴极性能的822、放大率和畸变

荧光屏上像点到光轴的距离H`与阴极面上对应点到光轴距离H之比称为变像管点所在环带的放大率β。由于存在着畸变，阴极面上的各环带的放大率数值不相等，轴上（或近轴）放大率称为理想放大率β0。⑴若放大率随离轴距离H的增加而增大的畸变称为枕形畸变。⑵若放大率随离轴距离H的增加而减小的畸变称为桶形畸变。2、放大率和畸变荧光屏上像点到光轴的距离H`833、亮度转换增益设从光阴极发出的光电子能全部到达荧光屏，光阴极面接收的辐射通量为φ，辐射照度为E，在额定阳极电压UA下，变像管荧光屏的光出射度MV，则变像管的亮度转换增益为：3、亮度转换增益设从光阴极发出的光电子能全部844、分辩率一般指在照度足够的情况下（以100勒克斯为宜），通过像管所刚刚分辨出的黑白条纹数目。5、暗背景亮度在无光照射下，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。4、分辩率一般指在照度足够的情况下（以100856、观察灵敏阈在极限观察的情况下，光电阴极面的极限照度E称为观察灵敏阈。通常