光电成像系统的分类-赣南师范大学

光电子技术学课件之十四：

——第五章光电成像系统〔1〕§1固体摄像器件制赣南师范学院物理与电子信息学院：王形华1§0光电成像概述一、光电成像系统的分类：依据光电成像系统对应的光波长范围，光电成像系统可以分为：可见光、紫外光、红外光、X光光电成像系统。2二、光电成像系统要争论的问题光电成像涉及到一系列简单的信号传递过程。有四个方面的问题需要争论：能量方面——物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题成像特性——能区分的光信号在空间和时间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱区分率3噪声方面——打算接收到的信号不稳定的程度或牢靠性信息传递速率方面——成像特性、噪声信息传递问题，打算能被传递的信息量大小4三、光电成像系统根本组成的框图其中光电成〔摄〕像器件是光电成像系统的核心。5§1固体摄像器件固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息〔可见光、红外辐射等〕，转换为按时序串行输出的电信号——视频信号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。6固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件〔ChargeCoupledDevice，即CCD〕互补金属氧化物半导体图像传感器〔即CMOS〕电荷注入器件〔ChargeInjenctionDevice，即CID〕目前，前两种用得较多，我们这里只分析CCD一种。7一、电荷耦合摄像器件电荷耦合器件〔CCD〕特点——以电荷作为信号。CCD的根本功能——电荷存储和电荷转移。CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。8〔1〕、CCD的根本构造包括：转移电极构造、转移沟道构造、信号输入构造、信号输出构造、信号检测构造。构成CCD的根本单元是MOS电容。1、电荷耦合器件的根本原理9一系列彼此特别接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层外表排列相互绝缘而且距离微小的金属化电极〔栅极〕。10〔2〕、电荷存储以衬底为P型硅构成的MOS电容为为例。当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2界面处的电势发生变化，四周的P型硅中的多数载流子-空穴被排斥，形成耗尽层。假设栅极电压超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度尽状态，电子在那里势能较低-形成了一个势阱。如有信号电子，将聚拢在外表，实现电荷的存储。此时耗尽层变薄。势阱的深浅打算存储电荷力量的大小。11〔3〕、电荷转移CCD的转移电极相数有二相、三相、四相等。对于单层金属化电极构造，为了保证电荷的定向转移，至少需要三相。这里以三相外表沟道CCD为例。外表沟道器件，即SCCD〔SurfaceChannelCCD〕——转移沟道在界面的CCD器件。12外表沟道器件的特点：工艺简洁，动态范围大，但信号电荷的转移受外表态的影响，转移速度和转移效率底，工作频率一般在10MHz以下。13体内沟道〔或埋沟道CCD〕：BCCD〔BulkorBuriedChannelCCD〕——用离子注入方法转变转移沟道的构造，从而使势能微小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避开了外表态的影响，使得该种器件的转移效率高达99.999％以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件。14〔4〕、光信号的注入CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种，在光纤系统中，CCD接收的信号是由光纤传来的光信号，即承受光注入CCD。当光照到CCD时，在栅极四周的耗尽区吸取光子产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流子〔空穴〕流入衬底，少数载流子〔电子〕被收集在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。光注入的方式常见的有：正面照射和反面照射方式。15〔5〕、电荷检测〔输出〕CCD输出构造是将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。电荷输出构造有多种形式，如电流输出构造、浮置集中输出构造、浮置栅输出构造等。浮置栅输出构造应用最广。16OG：输出栅，FD：浮置集中区，R:复位栅，RD:复位漏,T:输出场效应管。浮置栅是指在P型硅衬底外表用V族杂质集中形成小块的n+区域，当集中区不被偏置，其处于浮置状态。17电荷包的输出过程：VOG为肯定值的正电压，在OG电极下形成耗尽层，使Φ3与FD之间建立导电沟道。在Φ3高电位期间，电荷包存储在Φ3电极下面。随复位栅R加正复位脉冲ΦR，使FD区与RD区沟通。因VRD为正十几伏的直流偏置电压，则FD区的电荷被RD区抽走。复位正脉冲过去后，FD区与RD区呈夹断状态，FD区具有肯定的浮置。之后Φ3转变为低电位，Φ3电极下面的电荷包通过OG下的沟道转移到FD区。18对CCD的输出信号进展处理时，较多地承受了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。浮置栅CCD放大输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平根底上的负电压；每个电荷包的输出占有肯定的时间长度T；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。192、电荷耦合摄像器件的工作原理CCD的电荷存储、转移的概念+半导体的光电性质——CCD摄像器件按构造可分为线阵CCD和面阵CCD按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CC