光电成像器件课件.ppt

1、光电成像器件光电成像器件 光电成像器件的光谱响应光电成像器件的光谱响应，其短波限有时受窗口材料的吸收特性影响。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，应当考虑在选用光电成像器件时，应当考虑。光电成像器件的光电成像器件的关系关系称为转换特性。转换特性的参量有称为转换特性。转换特性的参量有及及等。等。WlmCe/像管的像管的输入量有辐射和光度两种度量单位，输出量常为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光度量单位，它们的转换特性常用，它们的转换特性常用转换系数转换系数C表示：表示：像增强管的像增强管的输入量和输出量常常采用光度量单位输入量和输出量常常采用光度量单位

2、，它，它们的转换特性常用们的转换特性常用，它的定义为：像管荧，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：光屏的光出射度与照射在光电阴极面上的光照度之比，即：VVLEMEMG或或 摄像器件的摄像器件的输入量为辐射量和光度量，输出量为信号电输入量为辐射量和光度量，输出量为信号电流（或电压）流（或电压），因此，摄像器件的，因此，摄像器件的单位较多。单位较多。WAIScmWAEISee/2或lmAISlxAEISVV/或 为了保证摄像器件的光电转换特性为为了保证摄像器件的光电转换特性为线性线性，希望器件的，希望器件的灵灵敏度敏度S在一定范围内为一恒定值在一定范围内为一恒定值

3、。对于光电发射式或硅靶及。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。摄像器件，其光电转换的线性关系是较好的。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。分辨率是用来分辨率是用来。分辨。分辨率常用两种方式来描述：率常用两种方式来描述：。极限分辨率是在一定的测试条件之下定义的。当以一定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（有性质的鉴别率图案（有100%对比度的专门的对比度的专门的测试卡测试卡）投射到）投射到CCD光敏面时，在输出端观察到的最小空间频率（即用眼睛光敏面时，在输出端观察到的最小

4、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。分辨的最细黑白条纹对数）就是该器件的极限分辨率。变像管与像增强管的极限分辨率用每毫米线对数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。表示。摄像管的极限分辨率用在图像范围内所能分辨的等宽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。度黑白线条数来表示。摄像管的分辨率又有摄像管的分辨率又有和和之分。之分。：极限分辨率的表示方法有专门的测试卡测量而使用极限分辨率的表示方法有专门的测试卡测量而使用方便。方便。：极限分辨率的表示方法不客观科学。其原因是因为：极限分辨率的表示方法不客观科学。其原因是因

5、为：每个人的视觉不一样，观测值带有主观性；每个人的视觉不一样，观测值带有主观性；测试卡的对比度与几何尺寸以及观测时的照度不一样，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观测的结果也会有不同。如当被摄图像对比度低于30%时，时，观测的分辨率值就会明显下降；观测的分辨率值就会明显下降；观测的分辨率值是系统的总体特性，而不能分摊到各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。个部件上。调制传递函数是光学系统传递对比度的能力。是调制传递函数是光学系统传递对比度的能力。是。或者说。或者说。当输入正弦光波（即一个确定的空间频率的物象投射在当输

6、入正弦光波（即一个确定的空间频率的物象投射在CCD上）时上）时，CCD的输出也将是随时间变化的一种正弦波的输出也将是随时间变化的一种正弦波，设设波峰为波峰为A，波谷为波谷为B，则调制传递函数为：则调制传递函数为：%100%100BABAMMfTMTFio 图象在传送过程中，调制度图象在传送过程中，调制度M M是随空间频率的增大而减小的。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数表示（以零频时的调制度为100%），则调制度与空间频率的），则调制度与空间频率的关系曲线，就是调制传递函数。关系曲线，就是调制传递函数。MTF能够用仪

7、器测量，因此能够用仪器测量，因此它能它能客观地表示器件对不同空间频率客观地表示器件对不同空间频率目标的传递能力。目标的传递能力。调制传递函数曲线调制传递函数曲线 它广泛应用于它广泛应用于夜视技术、电视技术、工件的图象测量、精夜视技术、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、跟踪器人视觉、交通管理与指挥、定位、跟踪遥感、遥测技术和监遥感、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。控工程等，成为现代科学技术的重要组成部分。景物景物光学成像光学成像光电变换光电变

8、换图像分割图像分割同步扫描同步扫描视频信号视频信号 摄摄 像像 部部 分分 传送传送同步扫描同步扫描视频调辉视频调辉图像再现图像再现 显显 像像 部部 分分 光学物镜将景物所反射出来的光成像到光电成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。像器件的像敏面上形成二维光学图像。光学成像器件将二维光学图像转变成二维光学成像器件将二维光学图像转变成二维“电电气气”图像的工作。图像的工作。景物景物光学成像光学成像光电变换光电变换图像分割图像分割同步扫描同步扫描视频信号视频信号 摄摄 像像 部部 分分 景物景物光学成像光学成像光电变换光电变换图像分割图像分割同步扫描同步扫描

9、视频信号视频信号 摄摄 像像 部部 分分 “电气电气”图像的电气量在二维空间的分布与光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。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组成一幅图像的最小单元称作像素称作像素，像素单元的大小或一幅图像所含像素数决定了图像的清，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，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。图像愈清晰，图像质量愈高。这就是图像分割。景物景物光学成像光学成像光电变换光电变换图像分割图

10、像分割同步扫描同步扫描视频信号视频信号 摄摄 像像 部部 分分 按着一定的规律将所分割的电气图像转变成一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。扫描。从左向右的扫描称为从左向右的扫描称为，从上向下的扫描称为，从上向下的扫描称为。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、行、场同步脉冲场同

11、步脉冲。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。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：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）。向左的扫描称为逆程）。帧扫描帧扫描（场扫描）：电子束在垂直方向的扫描（从上到下的扫描为正程，（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）。从下到上的扫描为逆程）。景物景物光学成像光学成像

12、光电变换光电变换图像分割图像分割同步扫描同步扫描视频信号视频信号 摄摄 像像 部部 分分 传送传送同步扫描同步扫描视频调辉视频调辉图像再现图像再现 显显 像像 部部 分分 正交平衡正交平衡调幅逐行倒相制调幅逐行倒相制（正交平衡调幅制正交平衡调幅制）（行行轮换调频制轮换调频制）影响电视系统性能的因素：影响电视系统性能的因素：等等。等等。电视屏幕上显示出来的图像宽度电视屏幕上显示出来的图像宽度W和图像高度和图像高度H之比称为图像之比称为图像的宽高比，用的宽高比，用表示。表示。HW 早期电视选用了电影画面的宽高比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：当观察者坐在影

13、院中心位置与银屏保持适当的距离，当画面的宽高比为保持适当的距离，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，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。眼球也不需要上下或左右转动，感到轻松、舒适。电脑及普通电视信号的电脑及普通电视信号的。电影及电影及DVDDVD和高清晰度电视的和高清晰度电视的。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。变形和缺失的情况出现。16:9的图像在的图像在4:3屏幕上显示时有屏幕上显示时有3 3种方式：第一种是种方式：第

14、一种是变形方式变形方式，在水平，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；第二种方式是种方式是字符框字符框-A A方式方式，16:9的图像保持其不失真，但在屏幕上下各留下的图像保持其不失真，但在屏幕上下各留下一条黑条；第三种方式是一条黑条；第三种方式是字符框字符框-B B方式方式，是前两种方式的折中，水平方向两，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

15、庭影院的需求，通常屏幕宽高比为。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 。刷新频率，是刷新频率，是每秒钟电视屏幕变化的数目，即电视每秒钟电视屏幕变化的数目，即电视图像的重复频率。图像的重复频率。电视荧光屏上的扫描频率（即帧频）有电视荧光屏上的扫描频率（即帧频）有3030HzHz和和2525HzHz两种，即两种，即电视每秒钟可传送电视每秒钟可传送3030帧或帧或2525帧图像，帧图像，3030HzHz和和2525HzHz分别与相应国分别与相应国家电源的频率一致。家电源的频率一致。由于受信号带宽的限制，电视采用由于受信号带宽的限制，电视采用的方式满足这的方式满足这一要求。

16、每帧分两场扫描，每个场消隐期间荧光屏不发光，于一要求。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是荧屏亮度每秒闪烁5050次（次（2525帧）和帧）和6060次（次（3030帧）。这就是电帧）。这就是电影和电视帧频不同的历史原因。但是电影的标准影和电视帧频不同的历史原因。但是电影的标准(48(48次次2424帧）帧）在世界上是统一的。在世界上是统一的。红为奇数场，蓝为偶数场红为奇数场，蓝为偶数场 现在，随着器件的发展，现在，随着器件的发展，也就应运而生了，因为也就应运而生了，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它的一幅画面不需要第二次扫描，所以场的概

17、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，插补的偏差，逐行的质量要好得多逐行的质量要好得多，这就是大家要求弃场的原，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，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

18、，效果也源（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。是有显著的差异的。确定扫描行数，实际上就是确定电子束在水平方向上的扫确定扫描行数，实际上就是确定电子束在水平方向上的扫描速度描速度Vhf，因为在场频一定的情况下，行数越多，扫描速度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电视系统中直接用视频信号的上限频率fB来代表来代表视频带宽视频带宽。因。因此所传送图像的视频带宽与行数此所传送图像的视频带宽与行数(扫描速度扫描速度)之间需

19、要折衷。选之间需要折衷。选择时，应兼顾到图像的清晰度和电视设备的成本。择时，应兼顾到图像的清晰度和电视设备的成本。1、光电成像器件包括（、光电成像器件包括（）（）（）。）。2、扫描型光电成像器件又称（、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（常用两种方式来描述（）分辨率和（）分辨率和（）函数。）函数。按按结构分结构分，常把有移象区的摄象管称为，常把有移象区的摄象管称为光电发射式摄象管光电发射式摄象管，它，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，的光电变换

20、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光电导式摄象管或视象管管，它的两部分功能全由一个靶来完成。，它的两部分功能全由一个靶来完成。能够输出视频信号的一类真空光电管称为摄象管。能够输出视频信号的一类真空光电管称为摄象管。电子枪部分二者基本相同。电子枪部分二者基本相同。光电发射式摄象管的光电变换部分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。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

21、的。储部分是由一个靶来完成的。光电发射式摄象管历史最早，信号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接近于前者，所以电视领域中用得较为普遍。遍。摄象管示意图摄象管示意图发射式摄象管发射式摄象管光电导式摄象管光电导式摄象管 它是由它是由组成。靶是视像管的光组成。靶是视像管的光电转换元件。

22、它安置在入射窗的内表面上，光学图像直接投射电转换元件。它安置在入射窗的内表面上，光学图像直接投射在靶面上。在靶面上。窗口玻璃内壁是一层极薄的二氧化锡（窗口玻璃内壁是一层极薄的二氧化锡（SnO2）透明导电膜，透明导电膜，称为称为。接着就是。接着就是PbO靶，靶的成象面一边为靶，靶的成象面一边为N-PbO，扫扫描面一边为描面一边为P-PbO，两者之间夹着一层（相对）很厚的本征氧两者之间夹着一层（相对）很厚的本征氧化铅化铅I-PbO，因而具有因而具有PIN结构。结构。工作时，信号板通过负载工作时，信号板通过负载和靶电源的正极相接，电子和靶电源的正极相接，电子枪的热阴极接地，当扫描电枪的热阴极接地，当

23、扫描电子束扫描靶面时，相当于对子束扫描靶面时，相当于对PIN进行反偏置。靶电源电压进行反偏置。靶电源电压约约45V左右。由于本征层的电左右。由于本征层的电阻率高，所以外加的反偏电阻率高，所以外加的反偏电压主要是施加在本征层上。压主要是施加在本征层上。当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打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子。强电场的作用下，光生载流子被内电场拉开，电子拉向开，电子拉向N区，空穴

24、拉向区，空穴拉向P区。区。其结果，在一帧的时间内，在靶面上便获其结果，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，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。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。阻上产生视频信号输出。常表示为常表示为 其中其中 Ip：光电流光电流;E：照度照度;：光照指数光照指数;k：比例

25、系数比例系数kEIP 摄像管输入光照度突然截止后，取其第三场衰减的输出信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，场周期为的电视制式，场周期为20ms，三场后残余信号的百分比，三场后残余信号的百分比，即光信息变化即光信息变化60ms后的输出电信号，对于后的输出电信号，对于60ms前原输出电前原输出电信号的百分比。信号的百分比。暗电流引起的噪声决定了摄像管的最低输入照度，饱和电。

26、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。照度之差称为该摄像管的动态范围。电荷耦合器件的突出特点是电荷耦合器件的突出特点是，其基本功能是其基本功能是。CCD工作工作过程的主要问题是信号电荷的过程的主要问题是信号电荷的1、电荷存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，、电荷存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为这类器件称为表面沟道表面沟道CCD(简称简称SCCD)。2、电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体电荷存储在离半

27、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。这类器件称为体内沿一定方向传输。这类器件称为体沟道或埋沟道器件体沟道或埋沟道器件(简称简称BCCD)。CCD CCD单元部分，就是一个由单元部分，就是一个由金属金属-氧化物氧化物-半导体组成的电容半导体组成的电容器，简称器，简称MOSMOS结构。结构。栅极加电压之前，栅极加电压之前，P P型半导体型半导体的载流子的分布是均匀的。的载流子的分布是均匀的。如果衬底接地，给栅极加一个正的电压如果衬底接地，给栅极加一个正的电压UG(UGUth时，半导时，半导体与绝缘体界面上的电势体与绝缘体界面上的电势（s s）变高，以至变高，以至于将半导体内的电子

28、吸引于将半导体内的电子吸引 到表面，形成一层极薄的到表面，形成一层极薄的但电荷浓度很高的但电荷浓度很高的。反型层电荷的存在表明了反型层电荷的存在表明了MOSMOS结构存储电荷的功能。结构存储电荷的功能。当当栅极电压由零突变到高于阈值电压时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，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

29、缩，表面势下降。当提供足够的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。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。如果以某种方式（电注入或光注入）向势阱中注入电子，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，称为则这些电子将要聚集于表面附近，称为。因为每个因为每个CCDCCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。Cox：MOSMOS的电容容量；的电容容量；A A：栅极电极的面积；栅极电极的面积；UG：栅极电压栅极电压GxUACQ 0 CC

30、DCCD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。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、电荷转移三、电荷转移 通过通过，电极下的，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCDCCD电极分为电极分为几组，并施加同样的时钟脉冲。几组，并施加同样的时钟脉冲。，电荷才能不受阻碍地自一个电极，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，阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能转移

31、，CCDCCD就不能正常就不能正常工作。能够产生电荷转移的最大电极间隙一般由具体电极结构、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表面态密度等因素决定。一般要求间隙应小于3 3mm。三相三相CCDCCD的电荷包转移过程的电荷包转移过程 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，这即是所谓的是所谓的。这时，由于同一时刻三相脉冲的电平不同，各极板下面所这时，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

32、向电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。势能低的地方流动。三相三相CCDCCD的电荷包转移过程的电荷包转移过程 以电子为信号电荷的以电子为信号电荷的CCD称为称为N型沟道型沟道CCD，简称简称。以空穴为信号电荷的以空穴为信号电荷的CCD称为称为P型沟道型沟道CCD，简称简称。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此。电荷的注入有两大类：电荷的注入有两大类：。：当光照射：当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体硅片时，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，少体内产生电子空穴对，其多

33、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。数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。：CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采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。样，将信号电压或电流转换为信号电荷。P 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。的输出机构。图中，与图中，与1 12 23 3相连的电极称为相连的电极称为栅极栅极，与，与OGOG相连的电相连的电极称为极称为输出栅输出栅，输出栅的右边就是输出二极管。输出栅和其，输出栅的右边就是输出二极管。输出栅和其它栅极一样

34、，加正电压时，它下面的半导体表面也产生势阱。它栅极一样，加正电压时，它下面的半导体表面也产生势阱。它的势阱介于它的势阱介于3 3的势阱和输出二极管耗尽区之间，能够把二的势阱和输出二极管耗尽区之间，能够把二者连通起来，因此可以通过改变者连通起来，因此可以通过改变OGOG上所加的电压来控制它下上所加的电压来控制它下面的通道。例如，电荷包已由面的通道。例如，电荷包已由2 2转入转入3 3，当当3 3下的势阱由下的势阱由深变浅的同时，深变浅的同时，OGOG下的势阱正好也比较深，这时下的势阱正好也比较深，这时3 3势阱中势阱中的电荷包就能够通过的电荷包就能够通过OGOG下的势阱流入输出二极管的耗尽区。下

35、的势阱流入输出二极管的耗尽区。因因，内部有很强的自建电场，因此电，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，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，输出时，因为电子流通过负载电阻要产生电压降，a a点则为低电平，点则为低电平，图中，图中，V V1 1为复位管，为复位管，R R1 1为限流电阻，为限流电阻，V V2 2为输出管，为输出管，R RL L为为负载电阻，负载电阻，C C

36、为等效电容。电荷包输出前，要先给为等效电容。电荷包输出前，要先给V V1 1的栅极的栅极加一窄的复位脉冲加一窄的复位脉冲R R，这时，这时，V V1 1导通，导通，C C被充电到电源电压，被充电到电源电压，V V2 2管的源极管的源极S S2 2的电压也跟随上升接近于电源电压。的电压也跟随上升接近于电源电压。R R变为变为低电平以后，低电平以后，V V1 1截止，但截止，但V V2 2在栅极电压的控制下仍为导通状在栅极电压的控制下仍为导通状态。当电荷包经过输出栅态。当电荷包经过输出栅OGOG流过来时，流过来时，C C被放电，被放电，也跟随下降，也跟随下降，。电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，

37、不是立即的和全部的，而是有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钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为Q(0)，在时间在时间t时，大多数电荷在电场的作时，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来的电荷为Q(t)，则则 0100QtQQtQQ ，即，即 0QtQ则转移效率和转移损

38、失率之间的关系为则转移效率和转移损失率之间的关系为=1-=1-如果线阵列如果线阵列CCDCCD共有共有n n个极板，则总转换效率为个极板，则总转换效率为n，输出端的电输出端的电荷为荷为 nQnQ0 引起电荷包转移不完全的主要原因是引起电荷包转移不完全的主要原因是 所以表面沟道所以表面沟道CCDCCD在使用时，为了减少损耗，提高转移效率，常采在使用时，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的背景电荷，使表面态填满

39、。这样，即使是零信息，势阱中也有一定量的电荷。电荷。因此，也称这种技术为因此，也称这种技术为“（fat zerofat zero）”技术。技术。体内沟道体内沟道CCDCCD采取体内沟道的传输形式，有效避免了表面态俘获，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。提高了转移效率和速度。CCD CCD是利用极板下半导体表面势阱的变化来储存和转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。移信息电荷的，所以它必须工作于非热平衡态。时钟频率时钟频率过低过低，热生载流子就会混入到信息电荷包中去而引起失真。，热生载流子就会混入到信息电荷包中去而

40、引起失真。时钟频率过高时钟频率过高，电荷包来不及完全转移，势阱形状就变了，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。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因此，使用时，对时种频率的上、下限要有一个大致的估计。计。为了避免由于热平衡载流子的干扰，注入电荷从一个电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必须小于少数载流子的平均寿命命（一般为毫秒量级）即一般为毫秒量级）即 对于三相对于三相CCDCC

41、D，电荷包从前一个势阱转移到后一个势阱所需的电荷包从前一个势阱转移到后一个势阱所需的时间为时间为T/3，所以所以 t3131313 ftfftTt 当时钟频率过高时，若当时钟频率过高时，若电荷本身从一个电极转移到另电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需的时间一个电极所需的时间t大于时钟脉冲使其转移的时间大于时钟脉冲使其转移的时间T/3T/3，那么那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，转移效率大大下降。，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，转移效率大大下降。f f上上决定于电荷包转移的损耗率决定于电荷包转移的损耗率，就是说，电荷包的转移要有足就是说，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

42、小于所允许的值。够的时间，电荷包转移所需的时间应使之小于所允许的值。tfTt313 现在固件摄象器件中的感光元件都是现在固件摄象器件中的感光元件都是，所以灵敏范围，所以灵敏范围为为0.4 m 1.15m左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，峰左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，峰值波长为值波长为0.65 m 0.9m左右。左右。在低照度下，在低照度下，CCDCCD的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过10011001x x以后，以后，输出有饱和现象。输出有饱和现象。电荷耦合摄像器件是用于摄像或像敏的器件，电荷耦合摄像器件是

43、用于摄像或像敏的器件，。它的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。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。是用光学成像系统将景物图像成像在是用光学成像系统将景物图像成像在CCD的像敏的像敏面上，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。器件，成为视

44、频信号。实用固体摄象器件都是在一块硅片上同时制作出实用固体摄象器件都是在一块硅片上同时制作出两部分。光电二极管阵列专门用来完成光电两部分。光电二极管阵列专门用来完成光电变换和光积分，变换和光积分，CCDCCD移位寄存器专门用来完成光生电荷转移。因为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，故也称为也称为自扫描自扫描。根据光敏象素的排列方式，。根据光敏象素的排列方式，CCDCCD摄象器件分为摄象器件分为。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线型器件可以直接接受一维光信

45、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。扫描的方式来实现。特点是结构简单，但电荷包转移所经特点是结构简单，但电荷包转移所经过的极板数多，过的极板数多，。特点是结构复杂一些，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，小，。一般光敏元位数少的片子，多采用单侧传输。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，而位数多的片子，则多采用双侧传输结构。对于

46、线阵列对于线阵列CCDCCD摄象器件来说，不论是三摄象器件来说，不论是三相的还是二相的，都有相的还是二相的，都有单侧单侧传输和双侧传输传输和双侧传输两种结构形两种结构形式。式。光电二极管阵列和光电二极管阵列和CCDCCD移位寄存器统一集成在一块半导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。设衬底为体硅片上，分别由不同的脉冲驱动。设衬底为P PSiSi，光电二极光电二极管阵列中各单元彼此被管阵列中各单元彼此被SiOSiO2 2隔离开，排成一行，每个光电二极隔离开，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管即为一个象素。各光电二极管的光电变换作

47、用和光生电荷的存储作用，与分立元件时的原理相同。存储作用，与分立元件时的原理相同。如图中如图中p p（行扫描电压）为高电平时，各光电二极管为反行扫描电压）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偏置，光生的电子空穴对中的空穴被PNPN结的内电场推斥，通过结的内电场推斥，通过衬底入地，而电子则积存于衬底入地，而电子则积存于PNPN结的耗尽区中。在入射光的持续结的耗尽区中。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。生电荷的积累。转移栅（转移栅（x x）由铝条或多晶硅构成，转移栅接低电平

48、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时，在它下面的衬底中将形成高势垒，使光电二极管阵列与CCDCCD移位寄存器彼此隔离。转移栅接高电平时，它下面衬底中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）流入的势垒被拆除，成为光生电荷（电荷包）流入CCDCCD的通道。这的通道。这时，电荷包并行地流入时，电荷包并行地流入CCDCCD移位寄存器，接着，在驱动脉冲的移位寄存器，接着，在驱动脉冲的作用下，电荷包按着它在作用下，电荷包按着它在CCDCCD中的空间顺序，通过输出机构串中的空间顺序，通过输出机构串行地转移出去。

49、行地转移出去。对于二相对于二相CCDCCD，时钟电压波形，每变化时钟电压波形，每变化T/2T/2，电荷包将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。因为二相二相CCDCCD是二个极板对应着一个光敏元，所以时钟波形变化一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。对于三相距。对于三相CCDCCD，时钟电压波形每变化时钟电压波形每变化T/3T/3周期，电荷包就周期，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，

50、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，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。致的工作过程。二维固体摄象器件中，电荷包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，摄象质量不好，有的摄象质量好些，但驱动电路复杂，目前比较常用的但驱动电路复杂，目前比较常用的形式是帧转移结构