CCD圖像感器第4講

1、1色光混合色光混合（加色混合）：色光混合（加色混合）： 指不同的色光或色料的反射光，同時或指不同的色光或色料的反射光，同時或在極短的時間內(nèi)刺激了視網(wǎng)膜，從而產(chǎn)生在極短的時間內(nèi)刺激了視網(wǎng)膜，從而產(chǎn)生了另一種新色調(diào)的混合形式。了另一種新色調(diào)的混合形式。紅、綠、藍(lán)三種色光以不同比例混合，基本上可以產(chǎn)生自然界中全部的色彩。而這三種色光本身各自獨立，即其中任何一種色光都不能由其余兩種色光混合產(chǎn)生。所以將紅、綠、藍(lán)稱為色光三原色。22.規(guī)定國際照明委員會（國際照明委員會（CIE）1931年推薦年推薦色光三原色：色光三原色：名稱 符號 波長 色相紅光 R 700nm 大紅略帶黃色；綠光 G 546.1nm

2、比較鮮嫩的綠色藍(lán)紫光 B 435.8nm 略帶紅味 楊赫姆霍茲三色理論 在視網(wǎng)膜上有三種形式的椎體細(xì)胞受到光的刺激就產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三種色覺 存在的問題： 1. 不能解釋色盲成對出現(xiàn)，如紅色盲和綠色盲 2. 不能解釋全色盲雖然不能感受顏色，但卻能感受黑白色（非色彩、灰色） 3. 紅綠色盲按此理論是不能感覺黃色，事實上卻能感受3赫林學(xué)說的四色理論 視網(wǎng)膜上有三種化學(xué)物質(zhì)，由于他們的破壞或再合成產(chǎn)生六種不同的色覺和規(guī)律4四色理論的優(yōu)缺點 成功之處： 1. 視網(wǎng)膜上缺少某一種對立的光化學(xué)物質(zhì)如紅綠色盲缺少紅綠物質(zhì) 全色盲是缺少紅綠、黃藍(lán)兩種光化學(xué)物質(zhì)而僅僅存在黑白光化學(xué)物質(zhì)所致 存在的問題： 1. 無

3、法解釋紅、綠、藍(lán)三種顏色能夠配合出所有色彩的規(guī)律 2. 始終沒有得到解剖學(xué)的實驗證實5階段學(xué)說 顏色視覺的過程是分階段的，包括三原感受、四色傳導(dǎo)和中輸處理三個階段6格拉斯曼顏色混合定律（圖像傳感格拉斯曼顏色混合定律（圖像傳感器相關(guān)）器相關(guān)） 1）人的視覺只能分辨顏色的三種變化：色調(diào)、明度、飽和度。 2）混合光的亮度等于組成混合色的各顏色光亮度總和。 LL1L27離開圓周后就不是最飽和的顏色8 3）補(bǔ)色律和中間色律補(bǔ)色律和中間色律由兩個色光的混合匹配中，其中一色光連續(xù)變化，則混合色外貌也連續(xù)變化。由此可推出中間色律和補(bǔ)色律。補(bǔ)色律：每一種彩色都有一個相應(yīng)的補(bǔ)色。如果某一顏色與其補(bǔ)色以適當(dāng)比例混合

4、，便產(chǎn)生白色或灰色。如果按其他比例混合，便產(chǎn)生近似比重大顏色成分的非飽和色。 中間色律：任兩色（非補(bǔ)色）相混合，產(chǎn)生中間色光，色相取決于兩光的相對數(shù)量，飽和度取決于兩者在色調(diào)順序上的遠(yuǎn)近。91色光加色法：色光加色法： 由兩種或兩種以上色光混合呈現(xiàn)另一種色光效由兩種或兩種以上色光混合呈現(xiàn)另一種色光效果的方法。果的方法。2色彩變化規(guī)律：色彩變化規(guī)律： 等量等量混合：混合： R+G=Y（紅光綠光黃光）（紅光綠光黃光） R+B=M（紅光藍(lán)紫光品紅光）（紅光藍(lán)紫光品紅光） G+B=C（綠光藍(lán)紫光青光）（綠光藍(lán)紫光青光） R+G+B=W（紅光綠光藍(lán)紫光白光）（紅光綠光藍(lán)紫光白光） BlueBlueGree

5、nCyanRedYellowMagentaWhite10不不等量混合：等量混合： 遵循質(zhì)量中心定律，混合的結(jié)果偏向于相對含量遵循質(zhì)量中心定律，混合的結(jié)果偏向于相對含量比較高的一方。比較高的一方。 R光+G光 =橙色光 （R光G光） =黃綠光 （R光G光）明度=明度1+明度2色相紅綠藍(lán)青品黃3色光加色法的特點：（1）色光相加，越加越亮（2）互補(bǔ)律：兩種色光相加，呈現(xiàn)白色光，這兩種色光為互補(bǔ)色。11色光加色法類型色光直接混合光源在發(fā)射光波的過程中直接混合。又稱為視覺器官以外的色光混合。視覺器官以外的色光混合。色光間接混合在視覺器官內(nèi)進(jìn)行，又稱為色光反射混合。色光反射混合。包括：色光的靜態(tài)混合包括：

6、色光的靜態(tài)混合 色光的動態(tài)混合色光的動態(tài)混合12靜態(tài)靜態(tài)混合混合 又稱為并列混合或空間混合又稱為并列混合或空間混合定義：在一個平面上有不同的色塊，當(dāng)這些色塊的面積很小或距離觀察者很近時，它們的反射光就能投射到人眼視網(wǎng)膜的同一部位，從而產(chǎn)生新色調(diào)。發(fā)生條件： 視角1（色點小或觀察距離足夠遠(yuǎn)）應(yīng)用： 彩色液晶顯示屏、彩色顯像管的熒光屏13動態(tài)動態(tài)混合混合又稱為相繼混合或時間混合又稱為相繼混合或時間混合 定義：定義：當(dāng)不同的色彩以一定速度交替呈現(xiàn)在眼前時，在人們的眼睛里就會產(chǎn)生不同的色彩混合現(xiàn)象。發(fā)生條件： 視覺殘留（1/10s）應(yīng)用： 順序制彩色電視的色彩基礎(chǔ)。144）代替律：）代替律： 視覺效果

7、相同的顏色混合后視覺效果相似。 若顏色A 顏色B、顏色C 顏色D， 則： AC BD 物理意義：視覺上相似的顏色可以互相代替 成立范圍：650nm540nm顏色匹配實驗把兩種顏色調(diào)節(jié)到視覺上相同或相等的過程叫作顏色匹配顏色匹配。15光亮調(diào)節(jié)光亮調(diào)節(jié)三基色光源三基色光源白屏幕白屏幕黑色擋板黑色擋板顏色匹配實驗16 rgbc1718每一顆像素，所以能顯示不同色彩，就是透過里面組成的三原色子像素，透過各自發(fā)出不同亮度而合成。 舉例來說，若要顯示藍(lán)色，就只讓藍(lán)色子像素發(fā)光，其余兩種不發(fā)光；若要顯示白色，則同時讓3 顆像素發(fā)光。第二章 光源 光源的分類：自然光源、電光源（是否可光源的分類：自然光源、電光

8、源（是否可以人為改變其發(fā)光特性）以人為改變其發(fā)光特性） 鎢絲燈鎢絲燈 氣體放電燈氣體放電燈 金屬蒸汽燈金屬蒸汽燈 半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管 激光光源激光光源19 2.5 半導(dǎo)體發(fā)光二極管光源半導(dǎo)體發(fā)光二極管光源 1907年首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體二極管在正向偏置的情況下發(fā)光。70年代末，人們開始用發(fā)光二極管作為數(shù)碼顯示器和圖像顯示器。進(jìn)十年來，發(fā)光二極管的發(fā)光效率及發(fā)光光譜都有了很大的提高，用發(fā)光二極管作光源有許多優(yōu)點。 2.5.1 發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)理 發(fā)光二極管（即LED）是一種注入電致發(fā)光器件，它由P型和 N型半導(dǎo)體組合而成。其發(fā)光機(jī)理常分為PN結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光兩種。 20一、一

9、、PN結(jié)及形成結(jié)及形成一塊單晶半導(dǎo)體中一塊單晶半導(dǎo)體中 ，P 型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的型半導(dǎo)體的交交界面附近的過渡區(qū)稱為界面附近的過渡區(qū)稱為PN結(jié)。結(jié)。P型半導(dǎo)體（型半導(dǎo)體（P指指positive，帶正電的）：由單晶硅帶正電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的通過特殊工藝摻入少量的三價元素三價元素組成，會在半導(dǎo)組成，會在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶體內(nèi)部形成帶正電的空穴正電的空穴。N型半導(dǎo)體（型半導(dǎo)體（N指指negative，帶負(fù)電的）：由單晶硅帶負(fù)電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的通過特殊工藝摻入少量的五價元素五價元素組成，會在半導(dǎo)組成，會在半導(dǎo)體內(nèi)部形成帶體內(nèi)部形成帶負(fù)電的自由電子負(fù)電的自

10、由電子。21PN結(jié)的形成：結(jié)的形成：兩種運動：兩種運動：擴(kuò)散（濃度差）擴(kuò)散（濃度差）漂移（電場力）漂移（電場力）兩種載流子的兩種兩種載流子的兩種運動運動動態(tài)平衡動態(tài)平衡時形時形成成PN結(jié)結(jié)22 濃度差濃度差 多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) ( (雜質(zhì)離子雜質(zhì)離子) ) 內(nèi)電場內(nèi)電場 促少子促少子 阻多子阻多子 漂移漂移 擴(kuò)散擴(kuò)散 動態(tài)平衡時動態(tài)平衡時PN結(jié)正偏結(jié)正偏(U(UP PUUN N ) )時時 導(dǎo)通導(dǎo)通PN結(jié)反偏結(jié)反偏(U(UP PUUN N ) )時時 截止截止2324是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟

11、是一個半導(dǎo)體的晶片，的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一晶片的一端附在一個支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。起來。二、二、LED（Light Emitting Diode）發(fā)光二極管發(fā)光二極管25LED發(fā)光的原理：發(fā)光的原理：半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型型半導(dǎo)體，在它里面半導(dǎo)體，在它里面空穴空穴占主導(dǎo)地位，另占主導(dǎo)地位，另一端是一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個但這兩種

12、半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結(jié)結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向會被推向P區(qū)，在區(qū)，在P區(qū)里區(qū)里電子跟空穴復(fù)合電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光，然后就會以光子的形式發(fā)出能量。子的形式發(fā)出能量。光的波長也就是光的顏色，是由形成光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。結(jié)的材料決定的。2627三、光電二極管三、光電二極管（Photo-Diode）將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件。將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件。它的核心部分也是一個它的核心部分也是一個PN結(jié)，結(jié)，PN結(jié)面積比普通二極管大一些，結(jié)面積比普通二極管大

13、一些，電極面積盡量小些，而且電極面積盡量小些，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。微米。 光電二極管是在反向電壓作用之下工作的。當(dāng)有光照時，光電二極管是在反向電壓作用之下工作的。當(dāng)有光照時，攜帶能量的光子進(jìn)入攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價鍵上的束縛電結(jié)后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生電子子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對，稱為空穴對，稱為光生載流子。光生載流子。 28光生載流子在反向電壓作用下參加漂移運動，光生載流子在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大

14、，反向電流也越大。這種特性稱為電流也越大。這種特性稱為“光電導(dǎo)光電導(dǎo)”。光。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨負(fù)載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應(yīng)變化。著光的變化而相應(yīng)變化。光電二極管和普通二極管的異同：光電二極管和普通二極管的異同：一樣具有一個一樣具有一個PN結(jié)，不同之處是在光電二極管的外殼結(jié)，不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。上有一個透明的窗口以接收光線照射，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換

15、。2930四、四、太陽能光伏電池（太陽能光伏電池（PV）光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。31光伏效應(yīng)的兩個過程：光伏效應(yīng)的兩個過程：一、由光子（光波）轉(zhuǎn)化為一、由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程的過程二、是形成電壓過程。二、是形成電壓過程。有了電壓，如果兩者之間連有了電壓，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。通，就會形成電流的回路。 32太陽能光伏電池實質(zhì)上太陽能光伏電池實質(zhì)上是一個是一個大

16、面積的大面積的PN結(jié)，結(jié)，當(dāng)光照射到當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個結(jié)的一個面，發(fā)生光伏發(fā)電過程，面，發(fā)生光伏發(fā)電過程，在在PN結(jié)電場的作用下，結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照度最后建立一個與光照度有關(guān)的電動勢，通過電有關(guān)的電動勢，通過電路控制達(dá)到用戶的要求。路控制達(dá)到用戶的要求。33五、總結(jié)五、總結(jié)相同：相同：1、LED、PV、PD的核心原件都是的核心原件都是PN結(jié)結(jié)2、使用的材料都是半導(dǎo)體材料，以單晶硅（或鍺）為原料、使用的材料都是半導(dǎo)體材料，以單晶硅（或鍺）為原料不同：不同：在利用在利用PN結(jié)的基礎(chǔ)上，通過不同的條件產(chǎn)生不同的現(xiàn)象結(jié)的基礎(chǔ)上，通過不同的條件產(chǎn)生不同的現(xiàn)象LED通過外加電場促使電子

17、和空穴復(fù)合，輻射通過外加電場促使電子和空穴復(fù)合，輻射發(fā)光發(fā)光PD利用利用PN結(jié)反向電壓下的特性結(jié)反向電壓下的特性PV通過光照利用通過光照利用PN結(jié)特性把光能轉(zhuǎn)換為電能結(jié)特性把光能轉(zhuǎn)換為電能34 1. PN結(jié)注入發(fā)光結(jié)注入發(fā)光 PN結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，其能帶如圖2-15 所示。當(dāng)加正偏壓時，PN結(jié)區(qū)勢壘降低，從擴(kuò)散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，并主要發(fā)生在p區(qū)。352. 異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光 為了提高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)。圖2-16a表示理想的異質(zhì)結(jié)能帶圖。由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不相等，當(dāng)加上正向電壓時小區(qū)的勢壘降低，兩區(qū)的價帶幾乎相同，空穴就不斷向n區(qū)

18、擴(kuò)散。 對n區(qū)電子，勢壘仍然較高，不能注入p區(qū)。這樣，禁帶寬的p區(qū)成為注入源，禁帶窄的n區(qū)成為載流子復(fù)合發(fā)光的發(fā)光區(qū)（圖2-16b）。例如，禁帶寬EG2=1.32eV 的p-GaAs與禁帶寬EG10.7eV p-GaAs與禁帶寬EG10.7eV的n-GaSb組成異質(zhì)結(jié)后，n-GaAs的空穴注入n-GaAs區(qū)復(fù)合發(fā)光。 由于n區(qū)所發(fā)射的光子能量hv比EG2 小得多，它進(jìn)入p區(qū)不會引起本征吸收而直接透射出去。362.5.2 發(fā)光強(qiáng)度電流特性在正向配置電壓的作用下流過發(fā)光二極管PN節(jié)的正向電流If使注入到PN結(jié)內(nèi)的載流子在P區(qū)復(fù)合而發(fā)光，其發(fā)光強(qiáng)度IV為nIIvv式中v為發(fā)光二極管的發(fā)光效率。 圖2-17所示為GaP（紅色）發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度與電流密度If的關(guān)系曲線 37可以看出，發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度基本與流過的電流If成正比。說明可以通過控制電流If對LED發(fā)出的光強(qiáng)IV進(jìn)行控制。 由于發(fā)光二極管的正向伏安特性曲線在發(fā)光區(qū)呈現(xiàn)為I=I0exp（qU/nkT）指數(shù)形式，并且1n2較小，通?？梢月?，求出發(fā)光強(qiáng)度Iv與發(fā)光二極管兩端電壓U的關(guān)系為 ：)/exp()/exp(0vvvvvkTqUIkTqUIIInn(2-4) 38色溫 一個光源之色溫被定義為與其具有相同光色之“標(biāo)準(zhǔn)黑體” 本身之絕對溫度值，。標(biāo)準(zhǔn)黑體之溫度越高,其輻射出之光線光