第四章 光電成像

1、v光電成像器件是指能夠輸出圖象信息的一類光電成像器件是指能夠輸出圖象信息的一類器件，其功能大致可歸為以下兩類：器件，其功能大致可歸為以下兩類：v1、使不可見光圖象（紅外、紫外）變?yōu)榭梢?、使不可見光圖象（紅外、紫外）變?yōu)榭梢姽鈭D象光圖象v2、使光學(xué)圖象變?yōu)殡娨曅盘枴⑹构鈱W(xué)圖象變?yōu)殡娨曅盘杤光學(xué)圖像的實質(zhì)光學(xué)圖像的實質(zhì):一特定光強(qiáng)度的空間分布。一特定光強(qiáng)度的空間分布。第四章第四章 光電成像器件光電成像器件 變像管變像管 像管像管 (把不可見光圖像變成可把不可見光圖像變成可 (無掃描無掃描) 見光圖像的真空光電管見光圖像的真空光電管) 圖像增強(qiáng)器圖像增強(qiáng)器 真空真空 (把極低亮度光學(xué)圖像變?yōu)榘褬O低亮

2、度光學(xué)圖像變?yōu)?光電器件光電器件 足夠亮度圖像的真空光電管足夠亮度圖像的真空光電管) 光電成光電成 光電導(dǎo)式攝像管光電導(dǎo)式攝像管(視像管視像管,無移區(qū)無移區(qū))像器件像器件 攝像管攝像管 二次電子導(dǎo)電二次電子導(dǎo)電 (電子束電子束 光電發(fā)射式光電發(fā)射式 攝像管攝像管(SEC) 掃描掃描) 攝像管攝像管 (有移像區(qū)有移像區(qū)) 硅增強(qiáng)靶攝像管硅增強(qiáng)靶攝像管 (SIT) 固體成像器件固體成像器件(CCD、CMOS)4.1 像管的工作原理與結(jié)構(gòu)像管的工作原理與結(jié)構(gòu)一、像管的種類一、像管的種類 變像管變像管 (把不可見光（紅外、紫外、把不可見光（紅外、紫外、X射射 像管像管 線）圖像變成可見光圖像的真線）圖

3、像變成可見光圖像的真 (無掃描無掃描) 空光電管空光電管) 圖像增強(qiáng)器（微光管）圖像增強(qiáng)器（微光管） (把極微弱的光學(xué)圖像變?yōu)槿搜郯褬O微弱的光學(xué)圖像變?yōu)槿搜?可直接觀察圖像的真空光電管可直接觀察圖像的真空光電管)直接顯示型直接顯示型圖像的顯示圖像的顯示與前幾章的光電器件的與前幾章的光電器件的區(qū)別區(qū)別在于對光強(qiáng)的探測是在于對光強(qiáng)的探測是二維的。二維的。真空成像器件真空成像器件二、像管結(jié)構(gòu)和工作原理：二、像管結(jié)構(gòu)和工作原理：v光電變換部分光電變換部分v電子光學(xué)部分電子光學(xué)部分v電光變換部分電光變換部分v光電變換部分光電變換部分，即光電陰極，利用外光電，即光電陰極，利用外光電效應(yīng)。光敏面采用光電發(fā)射

4、型材料。發(fā)射效應(yīng)。光敏面采用光電發(fā)射型材料。發(fā)射的電子流分布正比于入射的輻射通量分布，的電子流分布正比于入射的輻射通量分布，使不可見的或亮度很低的輻射圖像，轉(zhuǎn)換使不可見的或亮度很低的輻射圖像，轉(zhuǎn)換成光電子發(fā)射圖像。常用光電陰極有：成光電子發(fā)射圖像。常用光電陰極有：銀氧銫光電陰極銀氧銫光電陰極單堿和多堿光電陰極單堿和多堿光電陰極紫外光電陰極紫外光電陰極1.負(fù)電子親和勢光電陰極：靈敏度高、響應(yīng)波長負(fù)電子親和勢光電陰極：靈敏度高、響應(yīng)波長范圍寬范圍寬v電子光學(xué)部分電子光學(xué)部分，即電子透鏡，它可以使光電，即電子透鏡，它可以使光電陰極發(fā)射出來的光電子圖象在保持相對分布陰極發(fā)射出來的光電子圖象在保持相對分

5、布不變的情況下，進(jìn)行加速并聚焦成像在熒光不變的情況下，進(jìn)行加速并聚焦成像在熒光屏上。屏上。v困難：困難：使各物點所發(fā)射的電子完全落在對應(yīng)使各物點所發(fā)射的電子完全落在對應(yīng)的各像點上。的各像點上。 非聚焦型（近貼式像管）非聚焦型（近貼式像管）v靜電系統(tǒng)靜電系統(tǒng) 靜電聚焦型靜電聚焦型 聚焦型聚焦型 電磁聚焦型聚焦型v1、非聚焦型像管（近貼型）、非聚焦型像管（近貼型）v由光電陰極和熒光屏構(gòu)成，兩者平行且距離很近由光電陰極和熒光屏構(gòu)成，兩者平行且距離很近v光電子在電場的作用下以光電子在電場的作用下以拋物線拋物線軌跡向熒光屏投軌跡向熒光屏投射。由于均勻電場只有加速投射作用，沒有聚焦射。由于均勻電場只有加速

6、投射作用，沒有聚焦成像作用，所以從光電陰極一點發(fā)出的不同初速成像作用，所以從光電陰極一點發(fā)出的不同初速的電子，不能在熒光屏上形成點像，而是一個彌的電子，不能在熒光屏上形成點像，而是一個彌散圓斑，分辨率較低。散圓斑，分辨率較低。v2、靜電聚焦型像管、靜電聚焦型像管v幾個圓筒形的電極可形成對光電子聚焦和加速的電場，使電幾個圓筒形的電極可形成對光電子聚焦和加速的電場，使電子在熒光屏上呈倒立的象。當(dāng)各電極電壓之比保持不變時，子在熒光屏上呈倒立的象。當(dāng)各電極電壓之比保持不變時，電子軌跡也基本不變，因此，各電極電壓多用電阻鏈分壓的電子軌跡也基本不變，因此，各電極電壓多用電阻鏈分壓的辦法供給。辦法供給。 靜

7、電聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖靜電聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖v3、電磁聚焦型像管、電磁聚焦型像管v特點：若光電子有偏離于管軸的速度分量，磁場會使它呈特點：若光電子有偏離于管軸的速度分量，磁場會使它呈螺旋狀前進(jìn)。電子每旋一圈所需的時間與初速度無關(guān)，不螺旋狀前進(jìn)。電子每旋一圈所需的時間與初速度無關(guān)，不管起初是沿什么方向發(fā)射，最終都可以被會聚于一點。管起初是沿什么方向發(fā)射，最終都可以被會聚于一點。電磁聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖電磁聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖分辨率高，但體積和重量大，使用不方便。分辨率高，但體積和重量大，使用不方便。v電光變換部分電光變換部分，即熒光屏，它可以使電子，即熒光屏，它可以使電子圖象變成可見光圖像圖象

8、變成可見光圖像v高能電子轟擊熒光屏，發(fā)出可見光。高能電子轟擊熒光屏，發(fā)出可見光。v熒光屏是利用摻雜的晶態(tài)磷光體受激熒光屏是利用摻雜的晶態(tài)磷光體受激 發(fā)光。不同用途的像管，熒光體的種發(fā)光。不同用途的像管，熒光體的種類不同，熒光顏色也不同，為避免光類不同，熒光顏色也不同，為避免光反饋和增加熒光面的光輸出，蒸鍍鋁反饋和增加熒光面的光輸出，蒸鍍鋁膜。膜。4.1.1 變像管變像管v1、紅外變像管、紅外變像管v紅外輻射圖像被光學(xué)物鏡成像后位于光電陰極的前方，該紅外輻射圖像被光學(xué)物鏡成像后位于光電陰極的前方，該輻射圖像相當(dāng)于對光電陰極有一輻射通量，光電陰極將其輻射圖像相當(dāng)于對光電陰極有一輻射通量，光電陰極將

9、其變成與其亮度成正比的電子圖像，經(jīng)靜電聚焦后轟擊熒光變成與其亮度成正比的電子圖像，經(jīng)靜電聚焦后轟擊熒光屏，在轉(zhuǎn)成光學(xué)圖像。屏，在轉(zhuǎn)成光學(xué)圖像。陽陽極極光電陰光電陰極極聚焦聚焦極極熒光熒光屏屏真空成像器件真空成像器件紅外變像管的應(yīng)用紅外變像管的應(yīng)用 v2、光纖面板變像管、光纖面板變像管v成像器件講究像質(zhì)。成像器件講究像質(zhì)。v光陰極面積一般較大，是一種寬電子束聚焦的電光陰極面積一般較大，是一種寬電子束聚焦的電子光學(xué)系統(tǒng)，所以子光學(xué)系統(tǒng)，所以象散象散和和場曲場曲比較嚴(yán)重，特別在比較嚴(yán)重，特別在光陰極是平面的情況，通常要求光電陰極是球面。光陰極是平面的情況，通常要求光電陰極是球面。v光陰極是球面，而一

10、般輸入的光學(xué)圖像是平面。光陰極是球面，而一般輸入的光學(xué)圖像是平面。v利用光學(xué)纖維面板可以使像散和場曲減到最小。利用光學(xué)纖維面板可以使像散和場曲減到最小。APDFQCEB象散象散象散象散清晰清晰場曲場曲熒光屏熒光屏光電陰極光電陰極v光纖面板由直徑為幾微米的細(xì)玻璃絲緊密排光纖面板由直徑為幾微米的細(xì)玻璃絲緊密排列后熔壓成塊，然后切割、磨制、拋光，一列后熔壓成塊，然后切割、磨制、拋光，一端磨成平面，另一端磨成曲面。端磨成平面，另一端磨成曲面。v圖像入射到光纖面板平面端圖像入射到光纖面板平面端,由于光纖能將一由于光纖能將一端輸入的光基本無損失地傳到另一端端輸入的光基本無損失地傳到另一端,所以每所以每根光

11、纖傳輸圖像的一個像元到光陰極曲面的根光纖傳輸圖像的一個像元到光陰極曲面的相應(yīng)點相應(yīng)點,激發(fā)出光電子束激發(fā)出光電子束,經(jīng)聚焦和加速后經(jīng)聚焦和加速后,轟轟擊曲面熒光屏擊曲面熒光屏,發(fā)出的可見光圖像再經(jīng)每一根發(fā)出的可見光圖像再經(jīng)每一根光纖傳輸?shù)焦饫w面板的平面端。光纖越細(xì)，光纖傳輸?shù)焦饫w面板的平面端。光纖越細(xì)，光纖面板的圖像分辨率越高。光纖面板的圖像分辨率越高。v將光電陰極及熒光屏連同光纖面板一起制成將光電陰極及熒光屏連同光纖面板一起制成球面型，使聚焦面與熒光屏重合，從而改善球面型，使聚焦面與熒光屏重合，從而改善了像質(zhì)。熒光屏上的像借助于平凹形的光纖了像質(zhì)。熒光屏上的像借助于平凹形的光纖平板展開成平面

12、像。平板展開成平面像。光電陰光電陰極極聚焦聚焦極極陽陽極極熒光熒光屏屏光纖面光纖面板板光纖面光纖面板板v3、紫外變像管、紫外變像管v紫外變像管的窗口材料為石英玻璃，光電發(fā)紫外變像管的窗口材料為石英玻璃，光電發(fā)射材料為射材料為Sb-Cs陰極。它可以使波長大于陰極。它可以使波長大于200nm的紫外光變成光電子。紫外變象管與的紫外光變成光電子。紫外變象管與光學(xué)顯微鏡結(jié)合起來，可用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)光學(xué)顯微鏡結(jié)合起來，可用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等方面的研究。等方面的研究。4.1.2 像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器v像增強(qiáng)器利用了像管功能中增強(qiáng)亮度、光學(xué)成像兩像增強(qiáng)器利用了像管功能中增強(qiáng)亮度、光學(xué)成像兩個功能。個功能。v像增強(qiáng)器

13、與變像管的像增強(qiáng)器與變像管的異同點異同點v一、第一代微光像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)示意如下圖：一、第一代微光像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)示意如下圖： 注意：級間耦合和光譜匹配注意：級間耦合和光譜匹配光電光電陰極陰極聚焦聚焦極極陽陽極極熒光熒光屏屏光纖光纖面板面板光纖光纖面板面板真空成像器件真空成像器件v二、二、第二代微光像增強(qiáng)器第二代微光像增強(qiáng)器 微通道板像增強(qiáng)器微通道板像增強(qiáng)器v1、 微通道板的原理和特性：微通道板的原理和特性：v通道電子倍增器：微通道板通道電子倍增器：微通道板MCP (Micro Channel Plate)是利用電子在通道內(nèi)的二次倍增是利用電子在通道內(nèi)的二次倍增來實現(xiàn)增強(qiáng)亮度的。來實現(xiàn)增強(qiáng)亮度的。Uv

14、2、微通道板像增強(qiáng)器微通道板像增強(qiáng)器v（1 1）近貼式）近貼式MCPMCP像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器v 近貼式近貼式MCPMCP像增強(qiáng)器又稱為平面型或薄片型像像增強(qiáng)器又稱為平面型或薄片型像增強(qiáng)器。它是把增強(qiáng)器。它是把MCPMCP平行放置在光電陰極和熒光屏平行放置在光電陰極和熒光屏之間，三者相互靠得很近，故稱雙近貼式。之間，三者相互靠得很近，故稱雙近貼式。v 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點是：這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點是：體積小，重量輕體積小，重量輕；但分；但分辨率和像質(zhì)差。辨率和像質(zhì)差。光電陰極光電陰極MCP熒光屏熒光屏v(2)(2)倒像式倒像式MCPMCP像增強(qiáng)器（靜電聚焦式像增強(qiáng)器（靜電聚焦式MCPMCP像增器像增器）v

15、結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 在單級第一代像增強(qiáng)器中，加上一塊微通道板在單級第一代像增強(qiáng)器中，加上一塊微通道板MCP，MCP與光電陰極之間是靜電透鏡，與光電陰極之間是靜電透鏡，與熒光屏之間是與熒光屏之間是近貼均勻場。近貼均勻場。v 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點是：這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點是：分辨率高，像質(zhì)好；分辨率高，像質(zhì)好；但噪聲較但噪聲較大。大。 靜電聚焦式靜電聚焦式MCPMCP像增器像增器三、三、第三代像增強(qiáng)器第三代像增強(qiáng)器 負(fù)電子親和勢像增強(qiáng)器負(fù)電子親和勢像增強(qiáng)器v第二代像增強(qiáng)器第二代像增強(qiáng)器+負(fù)電子親和勢光電陰極負(fù)電子親和勢光電陰極= 第三代像增強(qiáng)器第三代像增強(qiáng)器v同時起到光譜變換和微光增強(qiáng)的作用同時起到光譜變換和微光

16、增強(qiáng)的作用v優(yōu)點：在可見光和近紅外區(qū)都有較高的靈敏優(yōu)點：在可見光和近紅外區(qū)都有較高的靈敏度和量子效率度和量子效率四、四、X射線像增強(qiáng)器射線像增強(qiáng)器v實質(zhì)是一種變像管，將不可見的實質(zhì)是一種變像管，將不可見的X射線圖像射線圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像，并使圖像亮度增強(qiáng)。轉(zhuǎn)換成可見光圖像，并使圖像亮度增強(qiáng)。v結(jié)構(gòu)：輸入轉(zhuǎn)換屏、光電陰極、電子光學(xué)系結(jié)構(gòu)：輸入轉(zhuǎn)換屏、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)和輸出熒光屏。統(tǒng)和輸出熒光屏。v常用于醫(yī)療診斷和工業(yè)探傷等。常用于醫(yī)療診斷和工業(yè)探傷等。4.2 攝像管攝像管一、攝像管一、攝像管 攝制圖像、存貯和處理，即將按空間光強(qiáng)攝制圖像、存貯和處理，即將按空間光強(qiáng)分布的分布的光學(xué)圖像光學(xué)

17、圖像轉(zhuǎn)變成適于處理和傳遞的轉(zhuǎn)變成適于處理和傳遞的時間序列的一維時間序列的一維電信號電信號(視頻信號視頻信號)。像管和攝像管的區(qū)別：像管和攝像管的區(qū)別：二、攝像管的分類二、攝像管的分類（按光電變換的形式）：（按光電變換的形式）：真空成像器件真空成像器件v1.外光電變換型（光電發(fā)射型）外光電變換型（光電發(fā)射型）微光攝像微光攝像 包括包括 二次電子攝像管二次電子攝像管 硅靶攝像管硅靶攝像管 特點：增益和靈敏度高特點：增益和靈敏度高v2.內(nèi)光電變換型（光電導(dǎo)型）內(nèi)光電變換型（光電導(dǎo)型）視像管視像管 按光電導(dǎo)靶結(jié)構(gòu)分為按光電導(dǎo)靶結(jié)構(gòu)分為 光電導(dǎo)（注入）型：硫化銻管光電導(dǎo)（注入）型：硫化銻管 PN結(jié)（阻擋

18、）型：氧化鉛管、硅靶管、結(jié)（阻擋）型：氧化鉛管、硅靶管、 異質(zhì)結(jié)管異質(zhì)結(jié)管 特點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便特點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便 光電發(fā)射型光電發(fā)射型 光電導(dǎo)型光電導(dǎo)型三、攝像管的結(jié)構(gòu)和工作原理三、攝像管的結(jié)構(gòu)和工作原理v從原理角度對攝像管的一般要求從原理角度對攝像管的一般要求:v圖像傳送方式圖像傳送方式1.任何一幅圖像可以分割成許多小任何一幅圖像可以分割成許多小像點像點(像素像素或或像元像元)。像素越小，單位面積上的像素數(shù)目越。像素越小，單位面積上的像素數(shù)目越多，圖像就越清晰。把像點的平均亮度作為像多，圖像就越清晰。把像點的平均亮度作為像素的圖像信息，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換元件變?yōu)殡娝?/p>

19、的圖像信息，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換元件變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)過傳送出來。信號，再經(jīng)過傳送出來。一幅圖像約分成四十多萬個像素，顯然不一幅圖像約分成四十多萬個像素，顯然不可能用四十多萬條信道同時傳送。實際上可能用四十多萬條信道同時傳送。實際上是把圖像上各個像素的信息按一定順序轉(zhuǎn)是把圖像上各個像素的信息按一定順序轉(zhuǎn)變成電信號，并依次傳送出去。這樣就可變成電信號，并依次傳送出去。這樣就可以把圖像隨空間、時間的變化轉(zhuǎn)換成電信以把圖像隨空間、時間的變化轉(zhuǎn)換成電信號隨時間的變化。號隨時間的變化。在電視中利用在電視中利用電子束掃描過程電子束掃描過程，將圖像亮，將圖像亮度的空間分布轉(zhuǎn)換為度的空間分布轉(zhuǎn)換為按時間順序傳送按時

20、間順序傳送的電的電信號。行掃描信號。行掃描水平掃描，場掃描水平掃描，場掃描垂直掃描。垂直掃描。在我國電視制式中，一幅圖像分成在我國電視制式中，一幅圖像分成625行，行，每秒傳送每秒傳送25幅圖像，即幀頻為幅圖像，即幀頻為25Hz，一幀，一幀分成兩場，采用隔行掃描的方式，第一場分成兩場，采用隔行掃描的方式，第一場傳送奇數(shù)行，第二場傳送偶數(shù)行，場頻傳送奇數(shù)行，第二場傳送偶數(shù)行，場頻50Hz。幀頻與場頻：電影畫面重復(fù)頻率不得低于每秒幀頻與場頻：電影畫面重復(fù)頻率不得低于每秒48次。電影采用每秒投影次。電影采用每秒投影24幅畫面，兩幅之間用遮幅畫面，兩幅之間用遮光伐擋一次。電視場采用隔行掃描，奇數(shù)場光伐

21、擋一次。電視場采用隔行掃描，奇數(shù)場/偶數(shù)偶數(shù)場，兩場合為一幀。即場頻場，兩場合為一幀。即場頻50Hz，幀頻，幀頻25Hz。PAL制式，每幀畫面制式，每幀畫面625行，行正程行，行正程52us，行逆，行逆程程12us。NTSC制式制式60Hz.v從原理角度對攝像管的基本要求從原理角度對攝像管的基本要求:要能將圖像按空間位置順序劃分成像素，要能將圖像按空間位置順序劃分成像素，并作光電轉(zhuǎn)換；并作光電轉(zhuǎn)換；像素元素要多，尺寸要?。ㄏ袼卦匾?，尺寸要?。?m）；）；信息的轉(zhuǎn)換和傳輸速度要快；信息的轉(zhuǎn)換和傳輸速度要快；要有高靈敏度和寬的動態(tài)范圍；要有高靈敏度和寬的動態(tài)范圍；可靠、方便?？煽?、方便。v攝像

22、管的攝像管的基本功能：基本功能：光電變換光電變換光電信息存儲光電信息存儲(以電荷的形式存儲而呈現(xiàn)電位差）以電荷的形式存儲而呈現(xiàn)電位差）信號閱讀部分信號閱讀部分掃描輸出掃描輸出v技術(shù)難點：技術(shù)難點：像元探測器的制作（數(shù)量多、尺寸?。┫裨綔y器的制作（數(shù)量多、尺寸?。┻B線連線掃描（快速順序接通）掃描（快速順序接通）v具體分為以下具體分為以下四個過程：四個過程：光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成電荷（電位）圖像；光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成電荷（電位）圖像；對電荷圖像進(jìn)行存貯和積累；對電荷圖像進(jìn)行存貯和積累；對電信號進(jìn)行放大和增強(qiáng)；對電信號進(jìn)行放大和增強(qiáng)；1.對存貯電荷圖像的各個像素進(jìn)行順序掃描，對存貯電荷圖像的各個像素進(jìn)行順序掃描

23、，輸出與輸入信息成比例的一維電信號。輸出與輸入信息成比例的一維電信號。v4.2.1 光電導(dǎo)型攝像管光電導(dǎo)型攝像管（視象管）視象管）v視象管的結(jié)構(gòu)：視象管的結(jié)構(gòu)：光電導(dǎo)靶光電導(dǎo)靶和和電子束掃描電子束掃描 區(qū)區(qū)構(gòu)成構(gòu)成真空成像器件真空成像器件各部分的作用：各部分的作用： （）（） 光電導(dǎo)靶：光電導(dǎo)靶：v利用光電導(dǎo)效應(yīng)將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化成電位圖像利用光電導(dǎo)效應(yīng)將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化成電位圖像;v完成完成光電變換光電變換和光電信息的和光電信息的積累和儲存積累和儲存;光電光電導(dǎo)體導(dǎo)體信號板信號板V10V0物鏡物鏡電位圖像電位圖像厚度厚度20 mv原理：原理： 當(dāng)光學(xué)圖像投射到光電導(dǎo)靶上時當(dāng)光學(xué)圖像投射到光電導(dǎo)靶上時

24、,因各像因各像素照度不同素照度不同,則導(dǎo)致電導(dǎo)率的差異則導(dǎo)致電導(dǎo)率的差異,從而在靶上從而在靶上產(chǎn)生電勢的起伏產(chǎn)生電勢的起伏(電位圖像電位圖像)。隨著光的連續(xù)。隨著光的連續(xù)入射，靶上的電勢也隨之積累，然后通過電入射，靶上的電勢也隨之積累，然后通過電子掃描（相當(dāng)于開關(guān)換接作用），產(chǎn)生視頻子掃描（相當(dāng)于開關(guān)換接作用），產(chǎn)生視頻信號輸出。信號輸出。（）（）信號閱讀部分：信號閱讀部分：v從靶面取出信號的任務(wù)是由閱讀部分來完成從靶面取出信號的任務(wù)是由閱讀部分來完成的。閱讀部分包括電子束發(fā)射系統(tǒng)（電子槍）的。閱讀部分包括電子束發(fā)射系統(tǒng)（電子槍）和電子束聚焦掃描系統(tǒng)。電子槍產(chǎn)生熱電子，和電子束聚焦掃描系統(tǒng)。電

25、子槍產(chǎn)生熱電子，并使它聚焦成很細(xì)的電子射線，按著一定的并使它聚焦成很細(xì)的電子射線，按著一定的軌跡掃描靶面。軌跡掃描靶面。v電子束的產(chǎn)生電子束的產(chǎn)生：熱陰極發(fā)射出來的電子在陽：熱陰極發(fā)射出來的電子在陽極膜孔處會聚并通過陽極膜孔后再發(fā)散開來。極膜孔處會聚并通過陽極膜孔后再發(fā)散開來。v電子束的聚焦電子束的聚焦：陽極膜孔發(fā)散出來的電子束：陽極膜孔發(fā)散出來的電子束在靶面上會聚成一點，有電聚焦和磁聚焦兩在靶面上會聚成一點，有電聚焦和磁聚焦兩種方式。種方式。v電子束的偏轉(zhuǎn)電子束的偏轉(zhuǎn)：電子束能夠掃描到靶上任：電子束能夠掃描到靶上任何一處，充分閱讀每一個像素信息。何一處，充分閱讀每一個像素信息。v電子束垂直上

26、靶電子束垂直上靶：當(dāng)電子束上靶與靶面上：當(dāng)電子束上靶與靶面上積累的正電荷中和后才能使其轉(zhuǎn)變成視頻積累的正電荷中和后才能使其轉(zhuǎn)變成視頻信號輸出，信號輸出， 那么電子束能否上靶，不僅與那么電子束能否上靶，不僅與電子的速度大小有關(guān)，而且與其速度的方電子的速度大小有關(guān)，而且與其速度的方向有關(guān)。由向有關(guān)。由靶網(wǎng)和調(diào)制電極附近的校正線網(wǎng)和調(diào)制電極附近的校正線圈來完成。圈來完成。v利用掃描電子束，解決了多像元的連線和利用掃描電子束，解決了多像元的連線和順序接通問題。掃描電子束的焦斑即是像順序接通問題。掃描電子束的焦斑即是像元的大小元的大小1525 m。v幾點說明：幾點說明：電荷存儲：電荷存儲：把一幀時間間隔

27、內(nèi)的光信息變?yōu)殡姲岩粠瑫r間間隔內(nèi)的光信息變?yōu)殡姾尚畔⒋鎯ζ饋?。荷信息存儲起來。是攝像器件成為實用器件的是攝像器件成為實用器件的重要理論依據(jù)，提高了靈敏度。重要理論依據(jù)，提高了靈敏度。若用電子束直若用電子束直接掃描光電陰極，靈敏度低，因為光電陰極無接掃描光電陰極，靈敏度低，因為光電陰極無光積分能力。光積分能力。慢電子掃描：慢電子掃描：指掃描電子束中的電子上靶時速指掃描電子束中的電子上靶時速度很慢，而不是指掃描速度很慢。度很慢，而不是指掃描速度很慢。因為當(dāng)上靶因為當(dāng)上靶的速度很大時，會使掃描面產(chǎn)生二次電子發(fā)射，的速度很大時，會使掃描面產(chǎn)生二次電子發(fā)射，會造成掃描面帶正電，致使二次電子返回靶面，會造

28、成掃描面帶正電，致使二次電子返回靶面，落在相鄰的像素上，使電勢起伏降低，輸出信落在相鄰的像素上，使電勢起伏降低，輸出信號減弱，顯示有陰影。號減弱，顯示有陰影。.幾種常見的視象管：幾種常見的視象管：v硅靶管硅靶管v當(dāng)電子束掃描時當(dāng)電子束掃描時PN結(jié)反偏置，有光照時光生電子通結(jié)反偏置，有光照時光生電子通過信號板入地，光生空穴積累到過信號板入地，光生空穴積累到P型島。如果光照是型島。如果光照是均勻的，靶的掃描面電位只是均勻地升高。如果光均勻的，靶的掃描面電位只是均勻地升高。如果光照不均勻，是一幅光學(xué)圖象，則掃描面上各照不均勻，是一幅光學(xué)圖象，則掃描面上各P型島的型島的電勢分布，將正比于入射光學(xué)圖象的

29、亮度分布。電勢分布，將正比于入射光學(xué)圖象的亮度分布。 掃描電子束具掃描電子束具有地的電位有地的電位v是大量微小光電二極管的列陣。用極薄的是大量微小光電二極管的列陣。用極薄的N型硅片型硅片的一面經(jīng)拋光、氧化而形成一層絕緣良好的的一面經(jīng)拋光、氧化而形成一層絕緣良好的SiO2膜，用光刻技術(shù)在膜上刻出一個個圓孔，通過窗膜，用光刻技術(shù)在膜上刻出一個個圓孔，通過窗孔將硼擴(kuò)散入硅基片，于是就形成一個個孔將硼擴(kuò)散入硅基片，于是就形成一個個P型島。型島。每一個每一個P型島與型島與N型基片構(gòu)成一個型基片構(gòu)成一個PN結(jié)光電二極管，結(jié)光電二極管，而每個光電二極管被而每個光電二極管被SiO2膜隔開，形成一個單獨膜隔開，

30、形成一個單獨的像素。這樣的像素。這樣N型硅片的一面為型硅片的一面為N+層，而另一面層，而另一面則為則為P型島陣列，構(gòu)成硅靶。型島陣列，構(gòu)成硅靶。v優(yōu)點：不易損壞、壽命長、靈敏度高，對近紅外優(yōu)點：不易損壞、壽命長、靈敏度高，對近紅外 敏感、惰性小。敏感、惰性小。v缺點：靶面有斑點疵病（材料的缺陷、工藝缺點：靶面有斑點疵病（材料的缺陷、工藝 等）、分辨率不高，暗電流大。等）、分辨率不高，暗電流大。v氧化鉛靶攝象管氧化鉛靶攝象管 結(jié)構(gòu)和工作過程與硅靶類似。結(jié)構(gòu)和工作過程與硅靶類似。v具有具有PIN光電二極管結(jié)構(gòu)。工作時光電二極管結(jié)構(gòu)。工作時N層與靶壓正極層與靶壓正極相連，光電二極管處于反向偏置，靶壓

31、幾乎全加相連，光電二極管處于反向偏置，靶壓幾乎全加在耗盡層（在耗盡層（I）上，在耗盡層內(nèi)形成很強(qiáng)的電場。）上，在耗盡層內(nèi)形成很強(qiáng)的電場。當(dāng)耗盡層內(nèi)出現(xiàn)光生載流子時，在強(qiáng)電場作用下當(dāng)耗盡層內(nèi)出現(xiàn)光生載流子時，在強(qiáng)電場作用下它們幾乎全部參與導(dǎo)電，所以提高了光電轉(zhuǎn)換效它們幾乎全部參與導(dǎo)電，所以提高了光電轉(zhuǎn)換效率。另一方面，由于處于反偏，使其暗電流明顯率。另一方面，由于處于反偏，使其暗電流明顯下降。下降。v優(yōu)點：靈敏度高，暗電流小，光電特性近似線優(yōu)點：靈敏度高，暗電流小，光電特性近似線 性，惰性小。性，惰性小。v缺點：材料和工藝異常復(fù)雜。缺點：材料和工藝異常復(fù)雜。v異質(zhì)結(jié)靶攝像管異質(zhì)結(jié)靶攝像管玻璃玻璃

32、SnO2CdSeCdSeOAs2S3CdSe靶靶玻璃玻璃SnO2Se+As+TeSb2S3SeAsTe靶靶Se+As分辨率高，分辨率高，暗電流小，暗電流小，量子效率高量子效率高光譜響應(yīng)寬，動光譜響應(yīng)寬，動態(tài)范圍大，信號態(tài)范圍大，信號電流大，暗電流電流大，暗電流 小，分辨率高，小，分辨率高，惰惰 性小性小靈敏度比硅靶靈敏度比硅靶高，暈光現(xiàn)象高，暈光現(xiàn)象小，工藝簡單，小，工藝簡單，成本便宜成本便宜ZnxCd1-xTe玻璃玻璃SnO2ZnSeZnCdTe靶靶N Pv4.2.2 光電發(fā)射型攝像管：光電發(fā)射型攝像管：v二次電子導(dǎo)電攝象管（二次電子導(dǎo)電攝象管（SEC）v SEC管是管是60年代初出現(xiàn)的一種

33、高靈敏度攝象管，適于微年代初出現(xiàn)的一種高靈敏度攝象管，適于微光攝象。光攝象。真空成像器件真空成像器件v結(jié)構(gòu)：光電陰極、移像區(qū)、存儲靶、結(jié)構(gòu)：光電陰極、移像區(qū)、存儲靶、 電子束掃描電子束掃描v光電陰極：與真空光電管和光電陰極：與真空光電管和PMT所用材料相所用材料相同，決定了管子的光譜響應(yīng)特性。同，決定了管子的光譜響應(yīng)特性。v移像區(qū)移像區(qū)（加速電場）加速電場）：把圖像的光電轉(zhuǎn)換和：把圖像的光電轉(zhuǎn)換和信號存儲分開，目的在于增強(qiáng)光電子能量，信號存儲分開，目的在于增強(qiáng)光電子能量，從而在靶上產(chǎn)生更多的電荷，以獲得增益，從而在靶上產(chǎn)生更多的電荷，以獲得增益，提高靈敏度。提高靈敏度。v二次電子傳導(dǎo)靶二次電子

34、傳導(dǎo)靶：光照下發(fā)射電子：光照下發(fā)射電子v采用低密度的次級電子發(fā)射性能良好的材料組成。采用低密度的次級電子發(fā)射性能良好的材料組成。低密度（低密度（1-2%）纖維結(jié)構(gòu)中）纖維結(jié)構(gòu)中98-99%的空間是真空，的空間是真空，次級電子逸出的較大。次級電子逸出的較大。疏松的疏松的KCl，低密度層，低密度層，1020 m成像面成像面掃描面掃描面掃描區(qū)掃描區(qū)移像區(qū)移像區(qū)靶靶Al2O3膜，支撐層，厚約膜，支撐層，厚約700埃埃Al膜，電信號板，膜，電信號板，200 700埃，加正電壓埃，加正電壓v低密層的工作原理：低密層的工作原理： 低能電子束掃描低密度層，使表面為陰極電低能電子束掃描低密度層，使表面為陰極電位

35、，這樣在低密度層中建立了電場。入射的光電位，這樣在低密度層中建立了電場。入射的光電子以子以6 10K的能量轟擊靶面，在透過支撐層和信的能量轟擊靶面，在透過支撐層和信號板時將損失號板時將損失2Kev能量，其余的能量用以激發(fā)能量，其余的能量用以激發(fā)KCl中的電子。中的電子。 掃描區(qū)掃描區(qū)移像區(qū)移像區(qū)靶靶信號板信號板+qpqnqrqs-+電子束電子束v設(shè)入射的光電子電荷為設(shè)入射的光電子電荷為qp，在光電子激發(fā)下，在光電子激發(fā)下釋放出的自由二次電子電荷為釋放出的自由二次電子電荷為qn，其中，其中qs電電荷被信號板所收集，有荷被信號板所收集，有qr電荷將在到達(dá)信號電荷將在到達(dá)信號板前與發(fā)射的二次電子所產(chǎn)

36、生的正電荷中心板前與發(fā)射的二次電子所產(chǎn)生的正電荷中心相復(fù)合。所以到達(dá)信號板的總電荷相復(fù)合。所以到達(dá)信號板的總電荷qs=qn-qr。到達(dá)信號板的電子將引起靶的局部放電，所到達(dá)信號板的電子將引起靶的局部放電，所以當(dāng)移像部分把光圖像成像于靶上時，在以當(dāng)移像部分把光圖像成像于靶上時，在KCl層的右側(cè)留下與之對應(yīng)的正電荷圖像。層的右側(cè)留下與之對應(yīng)的正電荷圖像。v因為因為KCl膜的電阻率很高，正離子的遷移速膜的電阻率很高，正離子的遷移速度很小，所以圖像可以維持很長時間，直到度很小，所以圖像可以維持很長時間，直到掃描電子束將其抹平，使之恢復(fù)陰極電位，掃描電子束將其抹平，使之恢復(fù)陰極電位，同時產(chǎn)生的信號電流由

37、信號板輸出，在負(fù)載同時產(chǎn)生的信號電流由信號板輸出，在負(fù)載電阻上產(chǎn)生視頻電壓信號。電阻上產(chǎn)生視頻電壓信號。v總結(jié)：總結(jié)：二次電子在靶電場作用下流向信號板，二次電子在靶電場作用下流向信號板，而在靶上留下一個正電荷圖像，被掃描時經(jīng)而在靶上留下一個正電荷圖像，被掃描時經(jīng)電子束補(bǔ)充恢復(fù)到陰極電位，而在外電路產(chǎn)電子束補(bǔ)充恢復(fù)到陰極電位，而在外電路產(chǎn)生脈沖電流，形成圖像的視頻信號。生脈沖電流，形成圖像的視頻信號。v信號讀出方式：信號讀出方式：直接讀出方式：電子束直接上靶而取得信號。直接讀出方式：電子束直接上靶而取得信號。返束讀取方式：電子束接觸到靶面時，對于返束讀取方式：電子束接觸到靶面時，對于電勢高的像素

38、，上靶的電子多，返回的電子電勢高的像素，上靶的電子多，返回的電子少，這樣返回的電子就荷載了圖像信息。少，這樣返回的電子就荷載了圖像信息。散射電子束讀取方式：散射電流的大小與像散射電子束讀取方式：散射電流的大小與像素電勢高低成正比。素電勢高低成正比。v硅增強(qiáng)靶攝象管（硅增強(qiáng)靶攝象管（SIT）v像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器+普通硅靶普通硅靶=增強(qiáng)型硅靶增強(qiáng)型硅靶v 攝像管的發(fā)展方向攝像管的發(fā)展方向 在今后一段時間內(nèi)，攝像器件主要朝在今后一段時間內(nèi)，攝像器件主要朝著著高靈敏、高分辨率、低功耗、低成本和高靈敏、高分辨率、低功耗、低成本和小型化小型化方向發(fā)展。要實現(xiàn)上述功能，采用方向發(fā)展。要實現(xiàn)上述功能，采用CMO

39、S工藝是關(guān)鍵。工藝是關(guān)鍵。v固體成像器件：固體成像器件： CCD（電荷耦合器件）、（電荷耦合器件）、 SSPD（自掃描光電二極管列陣）、（自掃描光電二極管列陣）、 CMOS（互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體元件（互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體元件 ）vCCD有有面陣面陣和和線陣線陣之分：之分：面陣是把面陣是把CCD像素排成像素排成1個平面的器件；個平面的器件；線陣是把線陣是把CCD像素排成像素排成1直線的器件。直線的器件。 4.3 固體成像器件固體成像器件4.3.1 電荷耦合器件電荷耦合器件vCharge-Coupled Devices(CCD)，是一種，是一種金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（M

40、OS結(jié)構(gòu)），結(jié)構(gòu)）， 1970年由貝爾實驗室首先研制出來。年由貝爾實驗室首先研制出來。v它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把能把光光線轉(zhuǎn)變成線轉(zhuǎn)變成電荷電荷，然后通過，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器芯片將電信號轉(zhuǎn)換成芯片將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號數(shù)字信號，數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮處理經(jīng)經(jīng)過壓縮處理經(jīng)USB接口傳到電腦上就形接口傳到電腦上就形成所采集的成所采集的圖像圖像。vCCD器件的突出特點就是器件的突出特點就是以電荷作為信號以電荷作為信號，而不同于其它大多數(shù)器件而不同于其它大多數(shù)器件 (以電流或電壓作以電流或電壓作為信號為信號)。v金屬金屬-氧化物氧化物-半

41、導(dǎo)體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu))vCCD是由許多個光敏像元按一定規(guī)律是由許多個光敏像元按一定規(guī)律排列組成的。排列組成的。v每個像元就是一個每個像元就是一個MOS電容器電容器(大多為大多為光敏二極管光敏二極管)，如圖所示，如圖所示，光線光線v它是在它是在P型型Si襯底表面襯底表面上用氧化的辦法生成上用氧化的辦法生成1層厚度約為層厚度約為1000A1500A的的SiO2，再在，再在SiO2表面蒸鍍一金屬表面蒸鍍一金屬層層(多晶硅或金屬多晶硅或金屬)，在，在襯底和金屬電極間加襯底和金屬電極間加上上1個偏置電壓，就構(gòu)個偏置電壓，就構(gòu)成成1個個MOS電容器。電容器。P（N）SiSiO2 Al電極電極

42、（柵極（柵極）2.5 m15 20 mv按電極的排列形式分：按電極的排列形式分： 線陣、面陣線陣、面陣v按電極形狀分：按電極形狀分： 平板式、臺階式平板式、臺階式v按按Si片的導(dǎo)電類型分：片的導(dǎo)電類型分： N型、型、P型型v下面以下面以P-Si為襯底、平板式電極、線陣為襯底、平板式電極、線陣CCD為例。為例。P（N）Siv電荷耦合原理電荷耦合原理電荷存儲電荷存儲當(dāng)電極上加有正偏壓（對于當(dāng)電極上加有正偏壓（對于N型型Si襯底則加襯底則加負(fù)偏壓），它形成的電場穿過負(fù)偏壓），它形成的電場穿過SiO2薄層排薄層排斥斥P型型Si中的多數(shù)載流子（空穴），于是在中的多數(shù)載流子（空穴），于是在電極下形成一個耗

43、盡層，即得到一個儲存少電極下形成一個耗盡層，即得到一個儲存少數(shù)載流子（電子）的勢阱。數(shù)載流子（電子）的勢阱。所加偏壓越大，勢阱就越深。勢阱深度可用所加偏壓越大，勢阱就越深。勢阱深度可用半導(dǎo)體表面相對于半導(dǎo)體內(nèi)的電勢差來表征，半導(dǎo)體表面相對于半導(dǎo)體內(nèi)的電勢差來表征，即表面勢。即表面勢。勢阱的深淺還與勢阱內(nèi)是否存儲電荷有關(guān)，勢阱的深淺還與勢阱內(nèi)是否存儲電荷有關(guān)，產(chǎn)生存儲電荷的方法有電注入、光注入、熱產(chǎn)生存儲電荷的方法有電注入、光注入、熱注入等方法。注入等方法。5V10V5V5V1432-v當(dāng)電極上加正電壓時，在時刻當(dāng)電極上加正電壓時，在時刻t=0時，由于時，由于電極下的勢阱還沒有收集少數(shù)載流子（電

44、電極下的勢阱還沒有收集少數(shù)載流子（電子），所以在子），所以在SiO2-Si的界面處還沒有形成的界面處還沒有形成反型層。此時，反型層。此時，P型型Si的表面勢最大，所形的表面勢最大，所形成的耗盡層寬度最寬，即勢阱最深。如圖成的耗盡層寬度最寬，即勢阱最深。如圖（a）所示。）所示。Xdt=0Xdt=t1+-t=t2熱平衡熱平衡（a）（ b）（c）v隨著時間的增加，由于熱激發(fā)所產(chǎn)生的電子隨著時間的增加，由于熱激發(fā)所產(chǎn)生的電子-空穴對，空穴被耗盡區(qū)電場驅(qū)到襯底，而電空穴對，空穴被耗盡區(qū)電場驅(qū)到襯底，而電子被吸引到子被吸引到Si表面形成了反型層。在反型層表面形成了反型層。在反型層對外電場的屏蔽下，使表面勢

45、減小，同時降對外電場的屏蔽下，使表面勢減小，同時降低了耗盡層的寬度。如圖（低了耗盡層的寬度。如圖（b）。）。v當(dāng)足夠數(shù)目的電子匯集在表面時，勢阱中存當(dāng)足夠數(shù)目的電子匯集在表面時，勢阱中存儲的電子足以使勢阱的深度變?yōu)榱悖砻鎰輧Φ碾娮幼阋允箘葳宓纳疃茸優(yōu)榱?，表面勢就不再變化了，達(dá)到飽和狀態(tài)（熱平衡狀就不再變化了，達(dá)到飽和狀態(tài)（熱平衡狀態(tài)），此時離開表面的擴(kuò)散電流和流向表面態(tài)），此時離開表面的擴(kuò)散電流和流向表面的漂移電流達(dá)到動態(tài)平衡。達(dá)到熱平衡所需的漂移電流達(dá)到動態(tài)平衡。達(dá)到熱平衡所需要的時間稱為熱馳豫時間。在室溫下，熱馳要的時間稱為熱馳豫時間。在室溫下，熱馳豫時間為豫時間為1S-幾幾S，與其結(jié)構(gòu)

46、和工藝有關(guān)。如，與其結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)。如圖（圖（c）。）。v在飽和狀態(tài)下并不存在有用的勢阱。在飽和狀態(tài)下并不存在有用的勢阱。CCD要存儲有用的信號電荷，則要求信號電荷要存儲有用的信號電荷，則要求信號電荷的存儲時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)于小于熱馳豫時間，即的存儲時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)于小于熱馳豫時間，即CCD是在非平衡狀態(tài)下工作的是在非平衡狀態(tài)下工作的。趁。趁MOS電電容器剛加上電壓，還沒達(dá)到平衡狀態(tài)以前容器剛加上電壓，還沒達(dá)到平衡狀態(tài)以前進(jìn)行光注入進(jìn)行光注入Xdt=t1+-+-信號電信號電荷荷v讓一束光線投射到讓一束光線投射到MOS電容器上時，光子電容器上時，光子穿過透明電極及氧化層，進(jìn)入穿過透明電極及氧化層，進(jìn)入P型型Si襯

47、底，襯底，襯底中處于價帶的電子將吸收光子的能量襯底中處于價帶的電子將吸收光子的能量而躍入導(dǎo)帶。光子進(jìn)入襯底時產(chǎn)生的電子而躍入導(dǎo)帶。光子進(jìn)入襯底時產(chǎn)生的電子躍遷形成電子空穴對，電子空穴對在躍遷形成電子空穴對，電子空穴對在外加電場的作用下，分別向電極的兩端移外加電場的作用下，分別向電極的兩端移動，這就是信號電荷。這些信號電荷儲存動，這就是信號電荷。這些信號電荷儲存在由電極形成的在由電極形成的“勢阱勢阱”中。如圖所示。中。如圖所示。 v收集在勢阱中的收集在勢阱中的“電荷包電荷包”的大小與入射的大小與入射光的照度成正比。光的照度成正比。v當(dāng)當(dāng)CCD用作拍攝光學(xué)圖像時，把按照度分用作拍攝光學(xué)圖像時，把按

48、照度分布的光學(xué)圖像通過光電轉(zhuǎn)換成為電荷分布，布的光學(xué)圖像通過光電轉(zhuǎn)換成為電荷分布，注入到每一位深勢阱中。注入到每一位深勢阱中。v在熱馳豫過程終結(jié)前較長時間，勢阱中熱在熱馳豫過程終結(jié)前較長時間，勢阱中熱電子的成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光生電子，所以勢阱電子的成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光生電子，所以勢阱中積存的電荷量代表了入射光強(qiáng)度信息。中積存的電荷量代表了入射光強(qiáng)度信息。v光生電荷存儲的光生電荷存儲的CCDCID CID構(gòu)成的攝像機(jī)構(gòu)成的攝像機(jī)ICCDv電荷轉(zhuǎn)移（電荷耦合）電荷轉(zhuǎn)移（電荷耦合）v由由MOS結(jié)構(gòu)的工作原理可知，結(jié)構(gòu)的工作原理可知，CCD存儲存儲信號是通過電極上加電壓來實現(xiàn)的。信號是通過電極上加電壓來實現(xiàn)的。v

49、CCD傳輸信號電荷是通過電極上加不同的傳輸信號電荷是通過電極上加不同的電壓來實現(xiàn)的，依靠電壓來實現(xiàn)的，依靠CCD本身各電極下勢本身各電極下勢阱形狀的變化使電荷轉(zhuǎn)移。阱形狀的變化使電荷轉(zhuǎn)移。5V10V5V5V1432-5V10V5V15V1432-v當(dāng)電極當(dāng)電極3所加偏壓增到所加偏壓增到15V時，電極時，電極3下的勢下的勢阱將比電極阱將比電極2下的勢阱更深，于是電極下的勢阱更深，于是電極2下存下存儲的電荷將沿界面移向電極儲的電荷將沿界面移向電極3下的勢阱。下的勢阱。v外加在柵級上的電壓愈高，表面勢越高，勢外加在柵級上的電壓愈高，表面勢越高，勢阱越深。淺勢阱至深勢阱交替改變柵級電壓，阱越深。淺勢阱

50、至深勢阱交替改變柵級電壓，使勢阱形狀變化，完成電荷轉(zhuǎn)移。使勢阱形狀變化，完成電荷轉(zhuǎn)移。v電荷轉(zhuǎn)移過程電荷轉(zhuǎn)移過程=信息輸出過程信息輸出過程自掃描。自掃描。v通常電極結(jié)構(gòu)按所加脈沖電壓的相數(shù)分為二通常電極結(jié)構(gòu)按所加脈沖電壓的相數(shù)分為二相系統(tǒng)、三相系統(tǒng)和四相系統(tǒng)。相系統(tǒng)、三相系統(tǒng)和四相系統(tǒng)。v三相三相CCD的電荷轉(zhuǎn)移的電荷轉(zhuǎn)移1432 -567 -321第一位第一位第二位第二位n位位三相三相CCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（a）初始狀態(tài)；）初始狀態(tài)；(b)電荷由電極向電極轉(zhuǎn)移；電荷由電極向電極轉(zhuǎn)移；(c)電荷在、電極下均勻分布；電荷在、電極下均勻分布； (d)電荷繼續(xù)由電極向電極轉(zhuǎn)移；電荷繼續(xù)由電極向電極轉(zhuǎn)移；(e

51、)電荷完全轉(zhuǎn)移到電極；電荷完全轉(zhuǎn)移到電極；(f)3相交疊脈沖。相交疊脈沖。 v假設(shè)電荷最初存儲在電極假設(shè)電荷最初存儲在電極(加有加有10V電壓電壓)下面的勢阱中，下面的勢阱中，如圖如圖(a)所示，加在所示，加在CCD所有電極上的電壓，通常都要保所有電極上的電壓，通常都要保持在高于某一臨界值電壓持在高于某一臨界值電壓Vth，Vth稱為稱為CCD閾值電壓，閾值電壓，設(shè)設(shè)Vth=2V。所以每個電極下面都有一定深度的勢阱。顯。所以每個電極下面都有一定深度的勢阱。顯然，電極下面的勢阱最深。然，電極下面的勢阱最深。v如果逐漸將電極的電壓由如果逐漸將電極的電壓由2V增加到增加到10V，這時，、，這時，、兩個

52、電極下面的勢阱具有同樣的深度，并合并在一起，原兩個電極下面的勢阱具有同樣的深度，并合并在一起，原先存儲在電極下面的電荷就要在兩個電極下面均勻分布，先存儲在電極下面的電荷就要在兩個電極下面均勻分布，如圖如圖(b)和和(c)所示。所示。v然后再逐漸將電極下面的電壓降到然后再逐漸將電極下面的電壓降到2V，使其勢阱深度，使其勢阱深度降低，如圖中降低，如圖中(d)和和(e)所示，這時電荷全部轉(zhuǎn)移到電極所示，這時電荷全部轉(zhuǎn)移到電極下面的勢阱中，此過程就是電荷從電極到電極的轉(zhuǎn)移下面的勢阱中，此過程就是電荷從電極到電極的轉(zhuǎn)移過程。過程。v如果電極有許多個，可將其電極按照如果電極有許多個，可將其電極按照1、4、

53、7，2、5、8和和3、6、9的順序分別連在一起，加上一定時序的的順序分別連在一起，加上一定時序的驅(qū)動脈沖，如圖驅(qū)動脈沖，如圖(f)所示，即可完成電荷從左向右轉(zhuǎn)移的過所示，即可完成電荷從左向右轉(zhuǎn)移的過程。用程。用3相時鐘驅(qū)動的相時鐘驅(qū)動的CCD稱為稱為3相相CCD。 v為了更好地傳輸電荷，要求耗盡層交疊，使鄰為了更好地傳輸電荷，要求耗盡層交疊，使鄰近電極的表面電勢光滑地過渡，為此要求電極近電極的表面電勢光滑地過渡，為此要求電極緊密地排列，一般鋁電極之間的間隙約為緊密地排列，一般鋁電極之間的間隙約為2.5 m，給制造工藝帶來困難，容易產(chǎn)生電極，給制造工藝帶來困難，容易產(chǎn)生電極短路。以上是單層金屬化

54、電極結(jié)構(gòu)。短路。以上是單層金屬化電極結(jié)構(gòu)。v目前均采用三相多晶硅交疊柵結(jié)構(gòu)，通過光刻、目前均采用三相多晶硅交疊柵結(jié)構(gòu)，通過光刻、熱氧化、沉積，電極間隙只是氧化層的厚度，熱氧化、沉積，電極間隙只是氧化層的厚度，只有幾百毫只有幾百毫 m。二相二相CCD的電荷轉(zhuǎn)移的電荷轉(zhuǎn)移總結(jié)：P溝道型CCD原理v金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（MOS)在外加電場在外加電場作用下，半導(dǎo)體中空穴被推離界面，形成表作用下，半導(dǎo)體中空穴被推離界面，形成表面勢井；面勢井；v光照產(chǎn)生的電子填充勢井，使勢井變淺。勢光照產(chǎn)生的電子填充勢井，使勢井變淺。勢井變化率與光生載流子成正比。井變化率與光生載流子成正比。v勢

55、井中的電子在交替變化的電位作用下耦合勢井中的電子在交替變化的電位作用下耦合到下一個勢井中，順序移出。到下一個勢井中，順序移出。v電荷耦合器件的組成及其工作原理電荷耦合器件的組成及其工作原理vCCD器件主要由器件主要由3部分組成部分組成:信號輸入部分信號輸入部分電荷轉(zhuǎn)移部分電荷轉(zhuǎn)移部分信號輸出部分信號輸出部分v信號輸入部分信號輸入部分作用：作用：將信號電荷引入到將信號電荷引入到CCD的第一個轉(zhuǎn)移的第一個轉(zhuǎn)移 柵下的勢阱中。柵下的勢阱中。方法：方法：電注入、光注入電注入、光注入v電注入：電注入： 通過輸入二極管和輸入柵注入與信號成正通過輸入二極管和輸入柵注入與信號成正比的電荷。即：給輸入柵施加適當(dāng)

56、的電壓，比的電荷。即：給輸入柵施加適當(dāng)?shù)碾妷?，在其下面半?dǎo)體表面形成一個耗盡層。這在其下面半導(dǎo)體表面形成一個耗盡層。這時在緊靠輸入柵的第一個轉(zhuǎn)移柵上施加更時在緊靠輸入柵的第一個轉(zhuǎn)移柵上施加更高的電壓，則在它下面形成一個更深的耗高的電壓，則在它下面形成一個更深的耗盡層，受輸入信號調(diào)制的電荷包就會從輸盡層，受輸入信號調(diào)制的電荷包就會從輸入二極管經(jīng)過深耗盡層流入第一轉(zhuǎn)移柵下入二極管經(jīng)過深耗盡層流入第一轉(zhuǎn)移柵下的勢阱中，完成輸入過程。的勢阱中，完成輸入過程。v場效應(yīng)管輸入、注入二極管輸入、電勢平場效應(yīng)管輸入、注入二極管輸入、電勢平衡法輸入。衡法輸入。v是是CCD器件不可缺少的電路。器件不可缺少的電路。

57、v光注入：攝像器件采取的唯一注入方法。光注入：攝像器件采取的唯一注入方法。 光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收產(chǎn)光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收產(chǎn)生電子生電子-空穴對，多數(shù)載流子進(jìn)入耗盡層空穴對，多數(shù)載流子進(jìn)入耗盡層底部，通過接地消失，少數(shù)載流子被收集底部，通過接地消失，少數(shù)載流子被收集到勢阱中成為信號電荷。當(dāng)輸入柵開啟后，到勢阱中成為信號電荷。當(dāng)輸入柵開啟后，第一個轉(zhuǎn)移柵上加以時鐘電壓時，這些代第一個轉(zhuǎn)移柵上加以時鐘電壓時，這些代表光信號的少數(shù)載流子就會進(jìn)入到轉(zhuǎn)移柵表光信號的少數(shù)載流子就會進(jìn)入到轉(zhuǎn)移柵下的勢阱中，完成光注入過程。下的勢阱中，完成光注入過程。v信號轉(zhuǎn)移部分信號轉(zhuǎn)移部分原理：電

58、荷總是要向最小位能方向移動。只要轉(zhuǎn)移原理：電荷總是要向最小位能方向移動。只要轉(zhuǎn)移前方電極上的電壓高，電極下的勢阱深，電荷就前方電極上的電壓高，電極下的勢阱深，電荷就會不斷向前運動。會不斷向前運動。v三相時鐘三相時鐘v兩相時鐘兩相時鐘12v信號輸出部分信號輸出部分作用作用:將將CCD最后一個轉(zhuǎn)移柵下勢阱中的信號最后一個轉(zhuǎn)移柵下勢阱中的信號 電荷引出。電荷引出。方法：方法：v電流輸出：電流輸出：最簡單的輸出電路，通過二極最簡單的輸出電路，通過二極管檢出，二極管處于反向偏置，產(chǎn)生一個管檢出，二極管處于反向偏置，產(chǎn)生一個尖峰脈沖。尖峰脈沖。 電路簡單電路簡單,但噪聲較大。但噪聲較大。浮置擴(kuò)散放大器（浮

59、置擴(kuò)散放大器（FDA）輸出）輸出：也稱電壓：也稱電壓輸出，抗噪性能比電流輸出好。輸出，抗噪性能比電流輸出好。 以上兩種以上兩種直接與信號電荷的轉(zhuǎn)移直接與信號電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，均為破壞性的一次性讀出。溝道相連接，均為破壞性的一次性讀出。浮置柵極放大器輸出浮置柵極放大器輸出：非破壞性讀出方式。：非破壞性讀出方式。當(dāng)信號電荷傳輸?shù)礁≈脰畔旅娴臏系罆r，當(dāng)信號電荷傳輸?shù)礁≈脰畔旅娴臏系罆r，在浮置柵上感應(yīng)為鏡象電荷，以控制柵極在浮置柵上感應(yīng)為鏡象電荷，以控制柵極電位，達(dá)到信號的檢測與放大的目的。柵電位，達(dá)到信號的檢測與放大的目的。柵極電容較小，可以得到比較大的輸出信號。極電容較小，可以得到比較大的輸出

60、信號。 輸出電路和輸入電路決定了器件的信輸出電路和輸入電路決定了器件的信噪比和動態(tài)范圍。噪比和動態(tài)范圍。4.3.2 電荷耦合器件的分類電荷耦合器件的分類 CCD按結(jié)構(gòu)分為兩大類：線陣和面陣按結(jié)構(gòu)分為兩大類：線陣和面陣v線陣線陣CCD 只攝取一行圖像信息，適用于運動物體的攝像，只攝取一行圖像信息，適用于運動物體的攝像，可以做傳真、遙感、文字或圖像信息的判別、可以做傳真、遙感、文字或圖像信息的判別、工件尺寸的自動檢測等。工件尺寸的自動檢測等。最簡單的線陣最簡單的線陣CCD21 由于傳輸過程中繼續(xù)光照而產(chǎn)生由于傳輸過程中繼續(xù)光照而產(chǎn)生電荷，使信號電荷發(fā)生重疊，在顯示電荷，使信號電荷發(fā)生重疊，在顯示器