第八章 圖像信息的光電變換2-1節(jié)

1、8.1 圖像傳感器簡介 完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。光電圖像傳感器的發(fā)展歷史悠久，種類很多。 早在1934年就成功地研制出光電攝像管（Iconoscope），用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。但是，它的靈敏度很低，信噪比很低，需要高于10000lx的照度才能獲得較為清晰的圖像。使它的應(yīng)用受到限制。 1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico）的靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。 l8.1.1 圖像傳感器發(fā)展歷史發(fā)展歷史 1954年投放市場的高靈敏攝像管（Vidicon）基本具有了成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡單的特點，使廣播電視事業(yè)和工業(yè)電視事業(yè)有了更大

2、的發(fā)展。 1965年推出的氧化鉛攝像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，發(fā)展了彩色電視攝像機，使彩色廣播電視攝像機的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。誕生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色攝像機。然而，氧化鉛視像管抗強光的能力低，余輝效應(yīng)影響了它的采樣速率。 1976年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管和硅靶管。不斷滿足人們對圖像傳感器日益增長的需要。 1970年，美國貝爾電話實驗室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（CCD）的原理使圖像傳感器的發(fā)展進入了一個全新的階段，使圖像傳感器從真空電子束掃描方式發(fā)展成為固體自掃描輸出方式。CCD圖像傳感器不但具有固體器件的所有優(yōu)點，而且它的

3、自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性失真。即CCD圖像傳感器的輸出信號能夠不失真地將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成視頻電視圖像。而且，它的體積、重量、功耗和制造成本是電子束攝像管根本無法達到的。CCD圖像傳感器的誕生和發(fā)展使人們進入了更為廣泛應(yīng)用圖像傳感器的新時代。利用CCD圖像傳感器人們可以近距離的實地觀測星球表面的圖像，可以觀察腸、胃耳、鼻、喉等器官內(nèi)部的病變圖像信息，可以觀察人們不能直接觀測的圖像（如放射環(huán)境的圖像，敵方陣地圖像等）。CCD是于1969年由美國貝爾實驗室（Bell Labs）的維拉博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治史密斯（George E. Smith）

4、所發(fā)明的。當時貝爾實驗室正在發(fā)展影像電話和半導(dǎo)體氣泡式內(nèi)存。將這兩種新技術(shù)結(jié)合起來后，博伊爾和史密斯得出一種裝置，他們命名為“電荷氣泡元件”（Charge Bubble Devices）。這種裝置的特性就是它能沿著一片半導(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f電荷，便嘗試用來做為記憶裝置，當時只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)能使此種元件表面產(chǎn)生電荷，而組成數(shù)位影像。2009年10月6日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎委員會宣布將物理學(xué)獎項授予高錕(Charles K. Kao)和兩名科學(xué)家維拉博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治史密斯（George E. Smith）?？茖W(xué)家Charle

5、s K. Kao 因為“在光學(xué)通信領(lǐng)域中光的傳輸?shù)拈_創(chuàng)性成就” 而獲獎，科學(xué)家因博伊爾和喬治-E-史密斯因“發(fā)明了成像半導(dǎo)體電路電荷藕合器件圖像傳感器CCD” 獲此殊榮。 CCD發(fā)明者維拉博伊爾和喬治史密斯l8.1.2 圖像傳感器的分類 CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。CCD圖像傳感器的應(yīng)用研究成為當今高新技術(shù)的主流課題。它的發(fā)展推動了廣播電視、工業(yè)電視、醫(yī)用電視、軍用電視、微光與紅外電視技術(shù)的發(fā)展，帶動了機器視覺的發(fā)展，促進了公安刑偵、交通指揮、安全保衛(wèi)等事業(yè)的發(fā)展。 圖像傳感器按其工作方式可分為掃描型和直視型。掃描型圖像傳感器件通過電子束掃描或數(shù)字電路的自掃描方式將二維光

6、學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成一維時序信號輸出出來。這種代表圖像信息的一維信號稱為視頻信號。視頻信號可通過信號放大和同步控制等處理后，通過相應(yīng)的顯示設(shè)備（如監(jiān)視器）還原成二維光學(xué)圖像信號。 視頻信號的產(chǎn)生、傳輸與還原過程中都要遵守一定的規(guī)則才能保證圖像信息不產(chǎn)生失真，這種規(guī)則稱為制式。 例如廣播電視系統(tǒng)中遵循的規(guī)則被稱為電視制式。數(shù)字圖像傳輸與處理過程中根據(jù)計算機接口方式的不同也規(guī)定了許多種類的制式。 掃描型圖像傳感器輸出的視頻信號可經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（或稱其為數(shù)字圖像信號），存入計算機系統(tǒng)，并在軟件的支持下完成圖像處理、存儲、傳輸、顯示及分析等功能。因此，掃描型圖像傳感器的應(yīng)用范圍遠遠超過直視型圖像傳感器

7、的應(yīng)用范圍。 直視型圖像傳感器用于圖像的轉(zhuǎn)換和增強。它的工作方式是將入射輻射圖像通過外光電轉(zhuǎn)化為電子圖像，再由電場或電磁場的加速與聚焦進行能量的增強，并利用二次電子的發(fā)射作用進行電子倍增，最后將增強的電子圖像激發(fā)熒光屏產(chǎn)生可見光圖像。 本章主要討論從光學(xué)圖像到視頻信號的轉(zhuǎn)換原理，即圖像傳感器的基本工作原理和典型應(yīng)用問題 。 l8.2.1 光電成像原理 如圖8-1所示為光電成像系統(tǒng)的基本原理方框圖?？梢钥闯龉怆姵上裣到y(tǒng)常被分成攝像系統(tǒng)(攝像機)與圖像顯示系統(tǒng)兩部分。攝像系統(tǒng)由光學(xué)成像系統(tǒng)（成像物鏡）、光電變換系統(tǒng)、同步掃描和圖像編碼等部分構(gòu)成，輸出全電視視頻信號。本節(jié)主要討論光電成像系統(tǒng)。 l1

8、.攝像機的基本原理 在外界照明光照射下或自身發(fā)光的景物經(jīng)成像物鏡成像在物鏡的像面(光電圖像傳感器的像面)上，形成二維空間光強分布的光學(xué)圖像。 光電圖像傳感器完成將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成二維“電氣” 圖像的工作。 組成一幅圖像的最小單元稱為像素或像元，像元的大小或一幅圖像所包含的像元數(shù)決定了圖像的分辨率，分辨率越高，圖像的細節(jié)信息越豐富，圖像越清晰，圖像質(zhì)量越高。即將圖像分割得越細，圖像質(zhì)量越高。 高質(zhì)量的圖像來源于高質(zhì)量的攝像系統(tǒng)，其中主要是高質(zhì)量的光電圖像傳感器。 l2. 圖像的分割與掃描 將一幅圖像分割成若干像素的方法有很多，超正析像管利用電子束掃描光電陰極的方法分割像素；視像管由電阻海顆粒分割；

9、面陣CCD、CMOS圖像傳感器用光敏單元分割。被分割后的電氣圖像經(jīng)掃描才能輸出一維時序信號，掃描的方式也與圖像傳感器的性質(zhì)有關(guān)。 面陣CCD采用轉(zhuǎn)移脈沖方式將電荷包（像素信號）輸出一維時序信號；CMOS圖像傳感器采用順序開通行、列開關(guān)的方式完成像素信號的一維輸出。因此，有時也稱面陣CCD、CMOS圖像傳感器以自掃描的方式輸出一維時序電信號。 監(jiān)視器或電視接收機的顯像管幾乎都是利用電磁場使電子束偏轉(zhuǎn)而實現(xiàn)行與場掃描，因此，對于行、場掃描的速度、周期等參數(shù)進行嚴格的規(guī)定，以便顯像管顯示理想的圖像。 如圖8-2（a）所示的亮度按正弦分布的光柵圖像，電子束掃描一行將輸出如圖8-2（b）所示正弦時序信號

10、，其縱坐標為與亮度L有關(guān)的電壓U，橫坐標為掃描時間t。若圖像的寬度為W，圖像在x方向的亮度分布為Lx，設(shè)正弦光柵圖像的空間頻率為fx。電子束從左向右掃描（正程掃描）的時間頻率f應(yīng)為 hftWffx(8-1) 式中thf為行掃描周期，而W/thf應(yīng)為電子束的行掃描速度，記為vhf，式可改寫為 f=fxvhf （8-2） CCD與CMOS等圖像傳感器只有遵守上述的掃描方式才能替代電子束攝像管，因此，CCD與CMOS的設(shè)計者均使其自掃描制式與電子束攝像管相同。l8.2.2 電視制式 電視的圖像發(fā)送與接收系統(tǒng)中，圖像的采集（攝像機）與圖像顯示器必需遵守同樣的分割規(guī)則才能獲得理想的圖像傳輸。這個規(guī)則被稱

11、為電視制式。 電視制式的制定，應(yīng)根據(jù)當時的科技發(fā)展狀況和技術(shù)條件，考慮本國或本地區(qū)電網(wǎng)對電視系統(tǒng)的干擾情況，人眼對圖像的視覺感受和人們對電視圖像的要求等條件制定。 目前，正在應(yīng)用中的電視制式一般有三種： 其中，我國以及西歐各國的彩色電視制式，該電視制式確定的場頻為50 Hz，隔行掃描每幀掃描行數(shù)為625行，伴音、圖像載頻帶寬為6.5 MHz。也稱為PAL彩色電視制式。 PAL電視制式中規(guī)定場周期為20ms,其中場正程時間為18.4ms, 場逆程時間為1.6ms；帶寬(Band Width)：指每秒鐘電子槍掃描過的總象素,等于“水平分辨率x垂直分辨率x場頻（畫面刷新次數(shù)）”。 電視圖像掃描是由隔

12、行掃描組成場，由兩場組成幀，一幀為一幅圖像。定義每秒鐘掃多少幀為幀頻；每秒鐘掃描多少場為場頻；每秒鐘掃描多少行為行頻。隔行掃描把一幀圖像分成若干行顯示，隔行掃描一幀分為2場：奇數(shù)場跟偶數(shù)場,奇場與偶場合在一起才組成完整的一幀圖像,顯然幀頻是場頻的1/2。l1. PAL彩色電視制式 行頻為15625 Hz，行周期為64s,行正程時間為52s,行逆程時間為12s。（1）電視圖像的寬高比 若用W和H分別代表電視屏幕上顯示圖像的寬度和高度，二者之比稱為圖像的寬高比，用表示 （8-3） HW（2）幀頻與場頻每秒中電視屏幕變化的數(shù)目稱為幀頻。 我國電網(wǎng)頻率為50Hz，因此，采用了50Hz場頻和25Hz幀頻

13、的隔行掃描的PAL電視制式。 場頻(Vertical Scanning Frequency)：又稱為“垂直掃描頻率”，指每秒鐘屏幕刷新的次數(shù) l2. 掃描方式 （3）掃描行數(shù)與行頻 幀頻與場頻確定后，電視掃描系統(tǒng)中還需要確定的參數(shù)是每場掃描的行數(shù)，或電子束掃描一行所需要的時間，又稱為行周期。行周期的倒數(shù)稱為行頻。 綜合起來，我國現(xiàn)行電視制式（PAL制式）的主要參數(shù)為：寬高比=4/3；場頻fv=50 Hz；行頻fl=15 625 Hz；場周期T=20ms，其中場正程掃描時間為18.4ms，逆程掃描時間為1.6ms。行周期為64s，其中行正程掃描時間為52s，逆程掃描時間為12s。 （1）逐行掃描

14、顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個方向的偏轉(zhuǎn)線圈，線圈中分別流過如圖8-3所示的鋸齒波電流，電子束在偏轉(zhuǎn)線圈形成的磁場作用下同時進行水平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn)，完成對顯像管熒光屏的掃描。 （2）隔行掃描根據(jù)人眼對圖像分辨能力確定掃描的水平行數(shù)至少應(yīng)大于600行，這對于逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于28800Hz才能保證人眼視覺對圖像的最低要求。這樣高的行掃描頻率，無論對攝像系統(tǒng)還是對顯示系統(tǒng)都提出了更高的要求。為了降低行掃描頻率，又能保證人眼視覺對圖像分辨率及閃耀感的要求，早在20世紀初，人們就提出了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法。兩場光柵均勻交錯疊加是對隔行掃描方式的基本要求，否則圖像的質(zhì)量

15、將大為降低。因此要求隔行掃描必須滿足下面兩個要求：第一，要求下一幀圖像的掃描起始點應(yīng)與上一幀起始點相同，確保各幀掃描光柵重疊；第二，要求相鄰兩場光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最高的清晰度。 從第一條要求考慮，每幀掃描的行數(shù)應(yīng)為整數(shù)，若在各場掃描電流都一樣的情況下，要滿足第二條要求，每幀均應(yīng)為奇數(shù)。那末，每場的掃描行數(shù)就要出現(xiàn)半行的情況。目前，我國現(xiàn)行的隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數(shù)為625行，每場掃描行數(shù)為312.5行。一、氧化鉛視像管的結(jié)構(gòu)視頻信號靶網(wǎng)電極聚焦線圈偏轉(zhuǎn)線圈校正線圈聚焦極2聚焦極1陰極控制柵極加速極RLVT靶結(jié)構(gòu)玻璃PINSnO2（透明導(dǎo)電膜）RLVT（4060V）在入射窗的內(nèi)

16、表面首先蒸上一層極薄的SnO2透明導(dǎo)電膜，再蒸涂氧化鉛本征層，然后，氧化處理形成P型層。由于氧化鉛與二氧化錫兩者的接觸而在交界面處形成N形薄層，這樣就構(gòu)成了NIP型異質(zhì)結(jié)靶。又稱信號板。其反偏電壓主要施加在本征層。 當攝像管有光學(xué)圖像輸入時，則入射光子打到靶上。由于本征層占有靶厚的絕大部分，入射光子大部分被本征層吸收，產(chǎn)生光生載流子。且在強電場的作用下，光生載流子一旦產(chǎn)生，便被內(nèi)電場拉開，電子拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)。這樣，若假定把曝光前本征層兩端加有強電場看作是電容充電，則此刻由于光生載流子的漂移運動的結(jié)果相當于電容的放電。其結(jié)果，在一幀的時間內(nèi)，在靶面上便獲得了與輸入圖像光照分布相對應(yīng)的電

17、位分布，完成了圖像的變換和記錄過程。固體攝像器件固體攝像器件 固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息（可見光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號 視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD）互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（Charge Injenction Device，即CID） 8.4.18.4.1、電荷耦合攝像器件、電荷耦合攝像器件CCD的基本功能電荷存儲和電荷轉(zhuǎn)移CCD工作過程信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測的過程，作為攝像器件，電荷的

18、產(chǎn)生是依靠半導(dǎo)體的光電特性，用光注入的辦法產(chǎn)生。1969年美國貝爾實驗室W.S.Boyle和G.E.Smith首次提出CCD的概念，1970年首先研制出來的新型半導(dǎo)體器件，利用CCD作為轉(zhuǎn)換器件的傳感器，稱為CCD傳感器，或稱CCD圖像傳感器。CCD器件有兩個特點(以電荷作為信號)： 一是它在半導(dǎo)體硅片上制有成百上千個(甚至數(shù)百萬個)光敏元，它們按線陣或面陣有規(guī)則地排列。當物體通過物鏡成像于半導(dǎo)硅平面上時。這些光敏元就產(chǎn)生與照在它們上面的光強成正比的光生電荷。 二是它具有自掃描能力，亦即將光敏元上產(chǎn)生的光生電荷依次有規(guī)則地串行輸出，輸出的幅值與對應(yīng)的光敏元上的電荷量成正比。 CCD光敏單元陣列

19、SONY某款數(shù)碼相 機中的CCD一、電荷耦合器件原理 電荷耦合器件分為線陣器件和面陣器件兩種，其基本組成部分是MOS光敏元列陣和讀出移位寄存器。 1、MOS光敏元 （電荷存儲） 如圖所示為MOS光敏元的結(jié)構(gòu)及勢阱圖。它是在半導(dǎo)體(P型硅)基片上形成一種氧化物,如二氧化硅，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬 MOS光敏元結(jié)構(gòu)及其勢阱氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元(MOS)。因為它是由金屬(M)氧化物(O)半導(dǎo)體(S)三層所組成，故稱MOS結(jié)構(gòu)如圖8-15（a）所示，在柵極G施加電壓UG之前p型半導(dǎo)體中空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的。當柵極施加正電壓UG（此時UG小于等于p型半導(dǎo)體的閾值電壓Ut

20、h）時，p型半導(dǎo)體中的空穴將開始被排斥，并在半導(dǎo)體中產(chǎn)生如圖8-15（b）所示耗盡區(qū)。 電壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將繼續(xù)向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸，如圖8-15（c）所示。UG大于Uth后，耗盡區(qū)的深度與UG成正比。將半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢記為表面勢s，s將隨柵極電壓UG的增加而增加，他們的關(guān)系曲線如圖8-16所示。圖8-16描述了在摻雜為1021 cm-3，氧化層厚度為0.1m、0.3m、0.4m和0.6m情況下，不存在反型層電荷時 ，表面勢s與柵極電壓UG的關(guān)系曲線。從表面勢s與柵極電壓UG的關(guān)系曲線可以看出氧化層的厚度越薄曲線的直線性越好；在同樣的柵極電壓UG作用下，不同厚度的氧化層有著不同的表面勢

21、。表面勢s表征了耗盡區(qū)的深度。 圖8-17為柵極電壓UG不變的情況下，表面勢s與反型層電荷密度Qinv之間的關(guān)系。由圖8-17可以看出，表面勢s隨反型層電荷密度Qinv的增加而線性減小。依據(jù)圖8-16與圖8-17的關(guān)系曲線，很容易用半導(dǎo)體物理中的“勢阱”概念來描述。電子所以被加有柵極電壓的MOS結(jié)構(gòu)吸引到半導(dǎo)體與氧化層的交界面處，是因為那里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與柵極電壓UG的關(guān)系恰如s與UG的關(guān)系，如圖8-18（a）空勢阱的情況。 Q=COXUG (8-6) 如果此時有光線入射（正面/背面）到硅片上，則在光子的作用下，半導(dǎo)體硅片上就形成電子和空穴，由此產(chǎn)生的光生電子(

22、少數(shù)載流子)被附近的勢阱所吸收(或稱俘獲)，而同時產(chǎn)生的空穴(多數(shù)載流子)則被電場排斥出耗盡區(qū)進入襯底，此時勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強成正比。人們稱這樣一個 MOS結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元，或稱為一個像素，把一個勢阱所收集的若干光生電荷稱為一個電荷包。 MOS光敏元結(jié)構(gòu)及其勢阱區(qū)別于熱生載區(qū)別于熱生載流子暗電流流子暗電流MOS光敏元結(jié)構(gòu)及其勢阱 因為每個CCD單元都是一個電容器，所以它能儲存電荷。它們按線陣或面陣有規(guī)則地排列，且用同一半導(dǎo)體襯底制成，襯底上面覆蓋一層氧化物，并在其上制作許多金屬電極。如果在金屬電極上施加一正電壓，則在這半導(dǎo)體硅片上就形成幾百個或幾千個相互獨立的

23、勢阱。如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則在這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應(yīng)的光生電荷圖像。即：電荷耦合器件的光電效應(yīng)的基本原理。2、讀出移位寄存器（光敏單元中的電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移） 移位寄存器由金屬電極、氧化物介質(zhì)及半導(dǎo)體組成，也是MOS結(jié)構(gòu)，它不能使它受光照射，應(yīng)防止外來光線的干擾。圖2所示為以三相配線連接的讀出移位寄存器的結(jié)構(gòu)及控制時鐘波形。圖 三相CCD讀出寄存器結(jié)構(gòu)與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系 a) 勢阱耦合與電荷轉(zhuǎn)移 b) 控制時鐘波形圖解釋： t=t1 t=t2 t=t3 t=t4 四個時刻的電荷轉(zhuǎn)移過程。 現(xiàn)在來說明光敏單元中的電荷是怎樣轉(zhuǎn)移(讀出)至移位寄存器的。

24、如圖，光敏區(qū)中產(chǎn)生的電荷，由轉(zhuǎn)移門Z控制轉(zhuǎn)移至a1、a2、-an極下的勢阱。但如何解決光敏區(qū)中的光敏單元數(shù)與移位一致？假設(shè)光敏單元a1中的電荷已轉(zhuǎn)移至a1極下的勢阱。同理，光敏單元a1、a2an中的電荷同時轉(zhuǎn)移至 a1、a2an極下的勢阱。這是一個平行轉(zhuǎn)移的過程。 此時轉(zhuǎn)移電極Z上的電壓恢復(fù)為零，相當于把光敏區(qū)和移位寄存器之間的“門”阻塞。光敏單元又重新進行光積累(光積分)，移位寄存器a1、b1 、c1；a2、b2 、c2；- an、bn 、cn等進行移位(電荷傳輸)，各自執(zhí)行自己的任務(wù)。 上述光敏區(qū)中的電荷信號靠移位寄存器傳輸給輸出端讀出，故移位寄存器一般稱它為讀出寄存器。 上述的電荷傳輸過

25、程，實際上是一個電荷耦合的過程，因此把這類器件稱為“電荷藕合器件”。在電荷藕合器件中擔(dān)任電荷耦合傳輸?shù)膯卧?，稱為“讀出移位寄存器”。 從CCD工作原理可看出,這種器件具有存儲、轉(zhuǎn)移電荷和逐一讀出信號電荷的功能，因此CCD器件是固體自掃描半導(dǎo)體攝像器件,有效地應(yīng)用于圖像傳感器。體內(nèi)溝道（或埋溝道CCD）即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）用離子注入方法改變轉(zhuǎn)移溝道的結(jié)構(gòu)，從而使勢能極小值脫離界面而進入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)的轉(zhuǎn)移溝道，避免了表面態(tài)的影響，使得該種器件的轉(zhuǎn)移效率高達99.999以上，工作頻率可高達100MHz，且能做成大規(guī)模器件表面溝道器件，即SCCD（

26、Surface Channel CCD）轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件。工藝簡單，動態(tài)范圍大，但信號在轉(zhuǎn)移過程中受到表面態(tài)的影響，使轉(zhuǎn)移速率和效率降低，不宜制成長線陣和大面陣器件，工作頻率一般在10MHz以下。轉(zhuǎn)移效率高達99.99Qin=qNeoAtc式中：為材料的量子效率；q為電子電荷量； Neo為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積；tc為光的注入時間。 3、CCD的電極結(jié)構(gòu)（1 1）光注入）光注入 1) 1) 電流注入法電流注入法 2) 2) 電壓注入法電壓注入法 1如圖8-21 （a）所示為電流注入法結(jié)構(gòu)如圖8-21 （b）所示為電壓注入法結(jié)構(gòu)（2 2 ） 電注入電注入2thigi

27、noxg2UUUCLWIscsTUUUCLWQ2thiginoxg2(8-8)(8-9)輸出電流輸出電流I Id d與注入到二極管中的電荷量與注入到二極管中的電荷量QQS S的關(guān)系的關(guān)系 QQs s= =I Id dd dt t (8-10) (8-10) （3 3）電荷的檢測）電荷的檢測( (輸出方式輸出方式) )二、電荷耦合攝像器件工作原理 CCD的電荷存儲、轉(zhuǎn)移的概念 + 半導(dǎo)體的光電性質(zhì) CCD攝像器件按結(jié)構(gòu)可分為線陣CCD和面陣CCD按光譜可分為可見光CCD、紅外CCD、X光CCD和紫外CCD可見光CCD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD（1）線陣CCD線陣CCD可分為雙溝道

28、傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)。線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應(yīng)的構(gòu)成一個主體,在它們之間設(shè)有一個轉(zhuǎn)移控制柵。雙線結(jié)構(gòu)CCD的轉(zhuǎn)移寄存器按奇、偶序號分別排在光敏元件的兩側(cè)，同樣條件下，雙線結(jié)構(gòu)CCD的光敏元件的尺寸可以比單線結(jié)構(gòu)CCD的小一半，所以雙線結(jié)構(gòu)CCD具有更高的空間分辨率。（2）面陣CCD常見的面陣CCD攝像器件有兩種：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)與幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)。二相面陣幀轉(zhuǎn)移攝像器的原理結(jié)構(gòu)圖。它由成像區(qū)(像敏區(qū))、暫存區(qū)和水平讀出寄存器等三部分構(gòu)成。 8.4.2、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)1、轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移效率是表征CCD性能好壞的重要參數(shù)。把一次轉(zhuǎn)移后，到達下一個

29、勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷之比稱為電荷轉(zhuǎn)移效率。如t=0時，某電極下的電荷為Q(0)，在時間t時，大多數(shù)電荷在電場作用下向下一個電極轉(zhuǎn)移，但總有一小部分留在原電極下，若被留下的電荷為Q(t)，則轉(zhuǎn)移效率為：)0()(1)0()()0(QtQQtQQ)0()(QtQ1轉(zhuǎn)移損失率：理想情況下轉(zhuǎn)移效率為1，實際值小于1，常為0.9999以上。nQnQ)0()(一個電荷Q(0)電荷包，經(jīng)過n次轉(zhuǎn)移后，剩下的電荷Q(n)為如果效率為0.99，經(jīng)過24次轉(zhuǎn)移后，只剩下原來的79，經(jīng)過192次轉(zhuǎn)移后剩下15。 BCCD比SCCD轉(zhuǎn)移效率要高2、工作頻率f（驅(qū)動脈沖頻率）（1）、決定工作頻率下限因素當信號電荷沿著勢阱存儲轉(zhuǎn)移時，受到熱生載流子的影響，為減少這種影響，轉(zhuǎn)移時間t必須小于熱生載流子的平均壽命 ,也就是說保證在熱生少數(shù)