第五章+光電成像檢測器件

第一節(jié)真空成像器件光電成像器件真空成像器件固體成像器件像管變像管像增強(qiáng)管攝像管光電發(fā)射型像管（攝像管）光電導(dǎo)型像管（視像管）無存儲(chǔ)直視不可見光可見光弱光強(qiáng)光有存儲(chǔ)非直視光電成像系統(tǒng)的基本組成成像轉(zhuǎn)換過程有四個(gè)方面的問題需要研究：能量方面——物體、光學(xué)系統(tǒng)和接收器的光度學(xué)、輻射度學(xué)性質(zhì)，解決能否探測到目標(biāo)的問題成像特性——能分辨的光信號(hào)在空間和時(shí)間方面的細(xì)致程度，對多光譜成像還包括它的光譜分辨率噪聲方面——決定接收到的信號(hào)不穩(wěn)定的程度或可靠性信息傳遞速率方面——信息傳遞問題，決定能被傳遞的信息量大小像管變像管：能夠把不可見光的圖像變?yōu)榭梢姽獾膱D像圖像增強(qiáng)管：把亮度很低的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)楦吡炼鹊膱D像光電陰極電子透鏡螢光面照像機(jī)或人眼像管結(jié)構(gòu)原理示意圖5.1.1像管結(jié)構(gòu)和工作原理光電陰極電子透鏡螢光面照像機(jī)或人眼像管結(jié)構(gòu)原理示意圖1.光電陰極使不可見光圖像或亮度很低的光圖像轉(zhuǎn)化為電子圖像常用的光電陰極有：銀氧銫光電陰極、單堿或多堿光電陰極、各種紫外光電陰極、及負(fù)電子親合勢光電陰極2.電子光學(xué)系統(tǒng)（1）靜電系統(tǒng)非聚焦型（近貼式像管）：光電陰極螢光面分辨率低聚焦型：（2）復(fù)合聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)（電磁聚焦系統(tǒng)）電磁聚焦型像管中電子的運(yùn)動(dòng)線圈設(shè)渡越時(shí)間為:t電子運(yùn)動(dòng)一圈的時(shí)間為：Tt=nT3.熒光屏在高速電子的轟擊下將電子圖像轉(zhuǎn)化為可見光圖像光電陰極電子透鏡螢光面照像機(jī)或人眼像管結(jié)構(gòu)原理示意圖5.1.2像管的特性參數(shù)1.光譜響應(yīng)特性和光譜匹配光譜響應(yīng)特性：由光電陰極決定光譜匹配：光源與光電陰極;熒光屏與人眼視覺函數(shù)2.增益特性圖像增強(qiáng)管的亮度增益-----熒光屏上的光亮度Ba與入射到像管光電陰極上的照度Ek之比：單級(jí)圖像增強(qiáng)管的增益為光電陰極電子透鏡螢光面照像機(jī)或人眼像管結(jié)構(gòu)原理示意圖熒光屏的發(fā)光效率光電陰極對光源的積分靈敏度陽極電壓光電子透過系數(shù)陰極面積陽極面積3.等效背景照度等效背景照度：指當(dāng)像管受微弱光照時(shí)，在熒光屏上產(chǎn)生與暗背景相同的亮度時(shí)，入射到光電陰極面上的照度值,以EBI表示。Bb是暗背景亮度。暗背景：在無輸入圖像時(shí)加上工作電壓時(shí)熒光屏上仍然有一定的亮度，稱為暗背景4.分辯率在熒光屏上每毫米內(nèi)人眼能分辨出的明暗條紋的最大對數(shù)lP/mm光電陰極電子透鏡螢光面照像機(jī)或人眼像管結(jié)構(gòu)原理示意圖5.1.3常見像管一.常見變像管1.紅外變像管光電陰極多為S-I、(Ag-O-Cs)陰極，可使波長小于1.15μm的紅外光變成光電子。負(fù)電子親合勢陰極：可把波長大于1.15μm的紅外光變成光電子。A圖邊緣像質(zhì)差，b圖質(zhì)量高2.紫外變像管3.選通式變像管窗口材料為石英材料，光電陰極為S-11，銻銫陰極，可以使波長大于200nm的紫外光變成光電子，紫外變像管與光學(xué)顯微鏡結(jié)合可用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)方面的研究。增加了一對帶孔闌的金屬電極---控制柵極即成為選通式變像管，只要改變柵極電壓就可控制變像管的導(dǎo)通，只要使變像管的工作周期與光源的調(diào)制周期同步即可提高圖像的對比度和圖像質(zhì)量。二.常見像增強(qiáng)管1.級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)管為保證級(jí)聯(lián)后的成像效果應(yīng)：第一、級(jí)間的輸入-輸出是用光纖面板制成第二、熒光屏發(fā)射的光譜峰值與光電陰極吸收的峰值波長相接近，注意最后一級(jí)熒光屏的發(fā)射光譜特性要與人眼視覺光譜效率曲線相吻合(第一代)2.微通道板像增強(qiáng)管（第二代）雙近貼式這種管子體積小、重量輕、使用方便，但像質(zhì)和分辨率較差倒像式電子經(jīng)過聚焦后又進(jìn)入微通道板，所以像質(zhì)和分辨率比較高3.第三代像增強(qiáng)管由第二代像微通道板像增強(qiáng)管+負(fù)電子親合勢光電陰極的使用構(gòu)成。4.X射線像增強(qiáng)管---實(shí)質(zhì)是變像管將不可見的X射線圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽鈭D像，并進(jìn)一步的增強(qiáng)，常用于醫(yī)療診斷和工業(yè)探傷5.1.4攝像管一.攝像管的作用及結(jié)構(gòu)及分類1.攝像管的作用：將空間光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像記錄并轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)的成像裝置。----利用外光電效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的1）光電發(fā)射型攝像管2.分類光電轉(zhuǎn)換→電荷的積累→電信號(hào)的存儲(chǔ)和掃描有移像區(qū)2）光電導(dǎo)型攝像管（視像管）--利用光電導(dǎo)器件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換無移像區(qū)兩者的不同之處:前者有移像區(qū),后者無光電陰極電子光學(xué)系統(tǒng)移像區(qū)兩者相同之處:掃描區(qū)電子槍燈絲,熱陰極,控制柵極,各加速電極,聚焦線圈,偏轉(zhuǎn)線圈,校正線圈攝像管原理先將輸入的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電荷圖像，然后通過電荷的積累和儲(chǔ)存構(gòu)成電位圖像，最后通過電子束掃描把電位圖像讀出，形成視頻信號(hào)。一.視像管靶5.1.5光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶N信號(hào)板

硅靶結(jié)構(gòu)圖1.硅靶

視像管等效電路圖2*.氧化鉛靶INPSnO2RL光3*.異質(zhì)結(jié)靶a）硒化鎘（CdSe）靶b）硒砷碲（SeAsTe）靶c）碲化鋅鎘（ZnCdTe）靶像元連續(xù)，分辨率高光譜響應(yīng)范圍寬，動(dòng)態(tài)范圍大，信號(hào)電流大，暗電流小，分辨率高，惰性小X值小，靈敏度高，暗電流增大，光譜特性峰值波長向長波方向移動(dòng)二.光電發(fā)射型攝像管靶----存儲(chǔ)靶1.二次電子傳導(dǎo)靶（SEC）支撐層（Al2O3）信號(hào)板（Al膜）疏松的KCl電子束三個(gè)過程：（1）無光照掃描零電位（2）有光照無掃描電位升高（3）電子束再次掃描輸出一次電子加速電壓為8KV時(shí)的二次電子增益約為（133）左右特點(diǎn)：響應(yīng)率高，改變加速電壓的大小可得到80~200倍的增益，但極限分辨率稍低.0eeU>0IS2.增強(qiáng)硅靶（SIT）N

硅靶結(jié)構(gòu)圖電子增強(qiáng)硅靶靈敏度比硅靶靈敏度大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，靶不易燒傷，壽命長。Al光電子轟擊硅靶電子空穴對光電陰極PNU≈0U>0Is氧化鉛視像管以氧化鉛為光電材料的光電導(dǎo)攝像管。氧化鉛管是彩色廣播電視中采用的主要管型。它由閱讀系統(tǒng)和光電導(dǎo)靶兩大部分組成。光電導(dǎo)靶為結(jié)型PIN三層結(jié)構(gòu),即：①由受光面的透明導(dǎo)電層SnO2和PbO接觸面形成的N型層;②由本征PbO形成的中間層，即I層；③作為靶掃描面的P型層，即摻有受主雜質(zhì)的PbO層。光電導(dǎo)靶涂覆在管子玻璃面板的內(nèi)表面上。閱讀系統(tǒng)包括電子槍、聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)線圈。工作時(shí)，SnO2導(dǎo)電層上加有固定正電壓,慢速電子束掃描P層，使電位下降到陰極零電位，在靶上建立反向電場。當(dāng)光學(xué)圖像透過窗口玻璃和信號(hào)電極入射到PbO本征層上時(shí)，產(chǎn)生電子-空穴對，它們在反向電場作用下被分離,并分別到達(dá)靶面的兩邊。這樣使得靶掃描面上電位升高，從而建立起與景物照度分布相對應(yīng)的電位圖像。當(dāng)電子束再次掃描時(shí)，中和正電荷，靶面恢復(fù)零電位，同時(shí)從信號(hào)電極輸出視頻信號(hào)。利用不同的制管工藝可調(diào)節(jié)氧化鉛管對紅綠藍(lán)光的靈敏度，然后以三只視像管為一組，裝于彩色攝像機(jī)中。

高靈敏度攝像管主要有硅增強(qiáng)靶攝像管、次級(jí)電子導(dǎo)電攝像管、超正析像管、分流管、返束視像管等。5.1.6攝像管的特性參數(shù)一.攝像管的特性參數(shù)2.光電特性如果γ=1表示線性關(guān)系如γ≠1時(shí)灰度畸變，一般γ<11.靈敏度u3.分辨力黑白條紋總合為N（垂直分辨力）：TVL/H（1）極限分辨力極限分辨率：則黑白條紋對數(shù)為:h（2）調(diào)制傳遞函數(shù)f

調(diào)制度傳遞函數(shù)曲線MTF（%）4.惰性產(chǎn)生惰性的原因一是：光電導(dǎo)惰性二是：電容性惰性惰性會(huì)引起圖像模糊，或彩色拖尾等問題5.暗電流和噪聲暗電流---PN結(jié)攝像管：暗電流很小光電發(fā)射攝像管：光電陰極的熱發(fā)射電子、場致發(fā)射電子、離子流等引起.噪聲---視像管的主要噪聲：前置放大器噪聲、負(fù)載電阻的熱噪聲。光電發(fā)射攝像管：管內(nèi)噪聲6.動(dòng)態(tài)范圍照度下限：由噪聲決定照度上限：由受靶面像元的存貯信息容量決定，照度太高，局部像素上信號(hào)超過容量時(shí)光電子將向臨近像素?cái)U(kuò)散，會(huì)出現(xiàn)“開花”現(xiàn)像二.不同視像管的特性參數(shù)比較5.1.7.攝像管的發(fā)展方向發(fā)展趨勢：高靈敏度、高像質(zhì)、小型化。高像質(zhì)拍攝采用像增強(qiáng)器與攝像管的連接形式，即像增強(qiáng)器的輸出光纖面板與攝像管的光纖面板窗口相結(jié)合的方式。目前各國都在研制超小型、高性能的攝像管，目前有超小型1/2英寸高性能攝像管，管徑14毫米，管長67.5毫米，采用磁聚焦、靜電偏轉(zhuǎn)形式，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、分辨率高。第二節(jié)固體成像器件CCD：（ChargeCoupledDevice）電荷耦合器件固體成像器件：不需要封裝在真空玻璃殼內(nèi)，不需要用靶來完成光電圖像的轉(zhuǎn)換，不需要有電子束掃描來完成圖像信號(hào)的輸出。固體成像器件本身就能完成光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)和按順序輸出（自掃描）視頻電視信號(hào)。固體成像器件SSPA：（SelfScannedPhotodiodArray)自掃描光電二極管列陣優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低；耐沖擊，可靠性高，壽命長無像元燒傷、扭曲，不受電磁場干擾SSPA的光譜響應(yīng)范圍從0.25~1.1μm，對紅外線也敏感,CCD也可做成紅外敏感型。電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)像元尺寸精度優(yōu)于1μm，分辨率高?？蛇M(jìn)行非接觸位移測量?；旧喜槐Ａ魵埾瘢ㄕ婵諗z像管有15%~20%的殘像）。視頻信號(hào)與微機(jī)接口容易P型或N型硅襯底生長一層120~150nm的SiO2多個(gè)金屬電極MOS一、電荷耦合攝像器件CCD的基本功能——電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移CCD工作過程——信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測的過程，作為攝像器件，電荷的產(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(shí)驗(yàn)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。1、CCD器件有兩個(gè)特點(diǎn)(以電荷作為信號(hào))：（一）、是它在半導(dǎo)體硅片上制有成千上萬個(gè)(甚至數(shù)千萬個(gè))光敏元，它們按線陣或面陣有規(guī)則地排列。當(dāng)物體通過物鏡成像于半導(dǎo)硅平面上時(shí)。這些光敏元就產(chǎn)生與照在它們上面的光強(qiáng)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SONY某款數(shù)碼相機(jī)中的CCD2、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。a)MOS光敏元（電荷存儲(chǔ)）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(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元(MOS)。圖1MOS光敏元結(jié)構(gòu)及其勢阱因?yàn)樗怯山饘?M)—氧化物(O)—半導(dǎo)體(S)三層所組成，故稱MOS結(jié)構(gòu)如果此時(shí)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(少數(shù)載流子)被附近的勢阱所吸收(或稱俘獲)，而同時(shí)產(chǎn)生的空穴(多數(shù)載流子)則被電場排斥出耗盡區(qū)進(jìn)入襯底，此時(shí)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(qiáng)成正比。人們稱這樣一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元，或稱為一個(gè)像素，把一個(gè)勢阱所收集的若干光生電荷稱為一個(gè)電荷包。因?yàn)槊總€(gè)CCD單元都是一個(gè)電容器，所以它能儲(chǔ)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(gè)或幾千個(gè)相互獨(dú)立的勢阱。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(huì)感生出一幅與光照強(qiáng)度對應(yīng)的電荷圖像。b)讀出移位寄存器（光敏單元中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)，但不能使它受光照射，應(yīng)防止外來光線的干擾。下圖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(shí)鐘波形。圖3三相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(shí)鐘波形圖解釋：t=t1t=t2t=t3t=t4四個(gè)時(shí)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。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'、a2'…an'中的電荷同時(shí)轉(zhuǎn)移至a1、a2…an極下的勢阱。這是一個(gè)平行轉(zhuǎn)移的過程。此時(shí)轉(zhuǎn)移電極Z上的電壓恢復(fù)為零，相當(dāng)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(jìn)行光積累(光積分)，移位寄存器a1、b1、c1；a2、b2、c2；----an、bn、cn等進(jìn)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(hào)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。

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。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。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'、a2'…an'中的電荷同時(shí)轉(zhuǎn)移至a1、a2…an極下的勢阱。這是一個(gè)平行轉(zhuǎn)移的過程。此時(shí)轉(zhuǎn)移電極Z上的電壓恢復(fù)為零，相當(dāng)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(jìn)行光積累(光積分)，移位寄存器a1、b1、c1；a2、b2、c2；----an、bn、cn等進(jìn)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(hào)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。

10V10V2Vt2電荷的耦合10V2V2Vt14V10V2Vt32V10V2Vt42V4V10Vt52V2V10Vt6t1t2t3t4Ф1Ф2Ф3tttt5UUU三相時(shí)鐘t6上述的電荷傳輸過程，實(shí)際上是一個(gè)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(chǔ)、轉(zhuǎn)移電荷和逐一讀出信號(hào)電荷的功能，因此CCD器件是固體自掃描半導(dǎo)體攝像器件.體內(nèi)溝道（或埋溝道BCCD）即BCCD（BulkorBuriedChannelCCD）——電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定的深度的體內(nèi)，在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸，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(jìn)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(dá)99.999％以上，工作頻率可高達(dá)100MHz，且能做成大規(guī)模器件。表面溝道器件，即SCCD（SurfaceChannelCCD）——電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，沿界面?zhèn)鬏?，轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件。工藝簡單，動(dòng)態(tài)范圍大，但信號(hào)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(dá)99.99％，信號(hào)處理能力大。如圖8-21（b）所示為電壓注入法結(jié)構(gòu)4）、電荷的檢測(輸出方式)3、電荷耦合攝像器件分類CCD的電荷存儲(chǔ)、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(gè)主體,在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵。（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)(光敏區(qū))、暫存區(qū)和水平讀出寄存器等三部分構(gòu)成。

二、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(dá)下一個(gè)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(shí)，某電極下的電荷為Q(0)，在時(shí)間t時(shí)，大多數(shù)電荷在電場作用下向下一個(gè)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：轉(zhuǎn)移損失率：理想情況下轉(zhuǎn)移效率為1，實(shí)際值小于1，常為0.9999以上。一個(gè)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78％，經(jīng)過192次轉(zhuǎn)移后剩下14％。BCCD比SCCD轉(zhuǎn)移效率要高2、工作頻率f（驅(qū)動(dòng)脈沖頻率）（1）、決定工作頻率下限因素當(dāng)信號(hào)電荷沿著勢阱存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移時(shí)，受到熱生載流子的影響，為減少這種影響，轉(zhuǎn)移時(shí)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)載流子還沒占據(jù)勢阱前已被光生載流子占據(jù)。在正常工作條件下，對于三相CCD，有t＝T/3=1/3f,即，所以工作頻率的下限（最小值）與少數(shù)載流子的壽命有關(guān)。（2）、決定工作頻率上限電荷轉(zhuǎn)移的快慢與載流子遷移率，電極長度，襯底雜質(zhì)濃度和溫度等因素有關(guān)，對相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，N溝道CCD比P溝道CCD的工作頻率要高。（3）驅(qū)動(dòng)脈沖f與損失率ε的關(guān)系上限頻率10MHz高于10MHz轉(zhuǎn)移損失率急劇增加。3、光電轉(zhuǎn)換特性CCD中，信號(hào)電荷是由入射光子被硅襯底吸收產(chǎn)生少子形成的，應(yīng)具有良好的光電轉(zhuǎn)換特性，CCD光電轉(zhuǎn)換因子r可達(dá)99.7%，低照度線性好，大于100lx輸出電壓趨于飽和。4、暗電流CCD成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號(hào)稱為暗信號(hào)，即暗電流，是由于熱激發(fā)產(chǎn)生的。受制作工藝過程不完善，材料不均勻等因素的影響，暗電流密度分布是不均勻的。危害有以下兩方面：（1）限制器件的低頻限；（2）引起固定圖像噪聲。由于制作工藝過程和材料不均勻等因素，出現(xiàn)個(gè)別暗電流尖峰，使得清晰的圖像上出現(xiàn)某些“亮條”或“亮點(diǎn)”三、CCD傳感器的應(yīng)用

CCD傳感器利用光敏元件的光電轉(zhuǎn)換功能將透射到光敏元件上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)“圖像”，即光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布，然后經(jīng)讀出移位寄存器的移位功能將電信號(hào)“圖像”轉(zhuǎn)送，并輸出放大器輸出。主要用途大致可歸納為以下三個(gè)方面：1）組成測試儀器，可以測量物位、尺寸、工件損傷、自動(dòng)焦點(diǎn)等。2）用作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如用于傳真技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)(OCR)與圖像識(shí)別技術(shù)、光譜測量及空間遙感技術(shù)、機(jī)器人視覺技術(shù)等方面。3）作為自動(dòng)化流水線裝置中的敏感器件，例如可用于機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)搬運(yùn)車以及自動(dòng)監(jiān)視裝置等方面。56

（1）、如圖所示為用線陣CCD傳感器測量物體尺寸的基本原理。

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當(dāng)所用光源含紅外光時(shí)，可在透鏡與傳感器之間加紅外濾光片。若所用光源過強(qiáng)時(shí)，可再加一濾光片。利用幾何光學(xué)知識(shí)，可以很容易地推導(dǎo)出被測對象長度L與系統(tǒng)各參數(shù)之間的關(guān)系：式中：f為所用透鏡的焦距；a為物距；b為像距；M為倍率；n為線型CCD傳感器的像素?cái)?shù)（感光元件的數(shù)量）；p為像素間距。測量精度取決于CCD傳感器像素與透鏡視場的比值。要提高測量精度,應(yīng)當(dāng)選擇像素多的傳感器。（2）、CCD在動(dòng)態(tài)測量直徑中的應(yīng)用

CCD動(dòng)態(tài)測量細(xì)絲直徑的原理如圖4所示。設(shè)所用的CCD有N0個(gè)光敏元，每個(gè)光敏元的大小為13μ，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為N，則細(xì)絲直徑D為：

圖4、CCD測量細(xì)絲直徑D＝13（N0-N）在上述測量中，由于是用脈沖計(jì)數(shù)測量，故光源的波動(dòng)對測量精度影響不大，故可達(dá)到較高的測量精度。如需要測量達(dá)到更高的分辨率，可用光學(xué)放大。圖5、光學(xué)放大示意圖夫瑯和費(fèi)細(xì)絲衍射

如圖所示，由氦氖激光器發(fā)出的激光束照射細(xì)絲（被測物）時(shí)，其衍射效應(yīng)和狹縫一樣，在屏幕（在焦距為f的透鏡的焦平面處）上形成夫瑯和費(fèi)衍射圖樣。與上同理，相鄰兩暗點(diǎn)或亮點(diǎn)間隔S與細(xì)絲直徑d的關(guān)系為當(dāng)d變化時(shí)，各條紋位置和間距隨之變化。因此可根據(jù)亮點(diǎn)或暗點(diǎn)間的距離測出細(xì)絲的直徑。若在屏幕位置放置線陣CCD傳感器件，可以直接讀出亮、暗條紋的間距，即可測出細(xì)絲的直徑。測量范圍約為0.01～0.1mm，分辨力為0.05?m，測量精度一般為0.1?m，也可高達(dá)0.05?m。

如測量大物體，可用二塊CCD，距離固定為L（如圖6所示），假定CCD1的計(jì)數(shù)值為N1，CCD2的計(jì)數(shù)值為N2，則：測量大物體也可用面陣CCD進(jìn)行攝像測量，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖象處理得到處理結(jié)果。但測量精度要比用線陣CCD測量差些。圖6、CCD測量大物體

D＝L－13N1+13(N0-N2)

掃描儀工作原理傳真機(jī)和郵政編碼識(shí)別M2A攝影膠囊（Mouthanus）,由發(fā)光二極管做光源，CCD做攝像機(jī)，每秒鐘兩次快門，信號(hào)發(fā)射到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器取下后接入計(jì)算機(jī)將圖像進(jìn)行下載。

M2A攝影膠囊由以色列導(dǎo)彈專家于上世紀(jì)90年代中期研發(fā)，在歐洲大受歡迎，去年夏天在美國上市，在美國一顆攝影膠囊要價(jià)兩千美元。全球已經(jīng)有三千名病患，試用過這種膠囊。M2A可在人體內(nèi)停留8個(gè)小時(shí)并拍攝約5萬張照片。日本東芝（TOSHIBA）公司線陣CCD芯片

線陣CCD傳感器（驅(qū)動(dòng)器或相機(jī)）

以TCD142D型CCD為例做簡單介紹。

TCD142D的驅(qū)動(dòng)電路可分為兩部分：

一部分是脈沖產(chǎn)生電路；另一部分是驅(qū)動(dòng)電路。三CMOS圖像傳感器

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）圖像傳感器出現(xiàn)于1969年,它是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件，這種器件的結(jié)構(gòu)簡單、處理功能多、成品率高和價(jià)格低廉，有著廣泛的應(yīng)用前景。CMOS圖像傳感器雖然比CCD出現(xiàn)還早一年，但在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，由于它存在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率（有效像元與總面積之比）低（10%~20%），響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，因此只能用于圖像質(zhì)量要求較低、尺寸較小的數(shù)碼相機(jī)中，如機(jī)器人視覺應(yīng)用的場合。1、CMOS成像器件的結(jié)構(gòu)原理

1989年以后，出現(xiàn)了“主動(dòng)像元”（有源）結(jié)構(gòu)。它不僅有光敏元件和像元尋址開關(guān)，而且還有信號(hào)放大和處理等電路，提高了光電靈敏度，減小了噪聲，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，使它的一些性能參數(shù)與CCD圖像傳感器相接近，而在功能、功耗（1/3CCD）、尺寸和價(jià)格等方面要優(yōu)于CCD圖像傳感器，所以應(yīng)用越來越廣泛。

CMOS成像器件的組成

CMOS成像器件的組成原理框圖如圖5-14所示，它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列實(shí)際上是光電二極管陣列，它也有線陣和面陣之分。圖5-14圖像信號(hào)的輸出過程可由（如圖所示）圖像傳感器陣列原理圖更清楚地說明。

CMOS成像器件的像敏單元結(jié)構(gòu)

這種器件的像敏單元結(jié)構(gòu)有兩種類型，即被動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)和主動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)。前者只包含光電二極管和地址選通開關(guān)兩部分，如圖5-13（a）所示。圖5-13a主動(dòng)式像敏單元結(jié)構(gòu)的基本電路如圖5-13b所示。從圖可以看出，場效應(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管的負(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號(hào)線上，當(dāng)復(fù)位脈沖出現(xiàn)時(shí)，V1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時(shí)復(fù)位；而當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，V1截止，光電二極管開始積分光信號(hào)。積分結(jié)束后，V3管導(dǎo)通，信號(hào)輸出。

圖5-13bCMOS與CCD器件的比較:CCD攝像器件—有光照靈敏度高、噪聲低、像素面積小等優(yōu)點(diǎn)。但CCD光敏單元陣列難與驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路單片集成，后續(xù)信號(hào)處理比較復(fù)雜；CCD陣列驅(qū)動(dòng)脈沖復(fù)雜，需要使用相對高的工作電壓，不能與深亞微米超大規(guī)模集成（VLSI）技術(shù)兼容，制造成本比較高。CMOS攝像器件—集成能力強(qiáng)、體積小、工作電壓單一、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍寬、抗輻射和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前CMOS單元像素的面積已與CCD相當(dāng)，CMOS已可以達(dá)到較高的分辨率。如果能進(jìn)一步提高CMOS器件的信噪比和靈敏度，那么CMOS器件有可能在中低檔攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品中取代CCD器件。四、紅外焦平面器件紅外焦平面器件（IRFPA）就是將CCD、CMOS技術(shù)引入紅外波段所形成的新一代紅外探測器，是現(xiàn)代紅外成像系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。IRFPA建立在材料、探測器陣列、微電子、互連、封裝等多項(xiàng)技術(shù)基礎(chǔ)之上。1、IRFPA的工作條件IRFPA通常工作于1～3μm、3～5μm和8～12μm的紅外波段并多數(shù)探測300K背景中的目標(biāo)。典型的紅外成像條件是在300K背景中探測溫度變化為0.1K的目標(biāo)。

2.IRFPA的分類按照結(jié)構(gòu)可分為單片式和混合式；按照光學(xué)系統(tǒng)掃描方式可分為掃描型和凝視型；按照讀出電路可分為CCD、MOSFET和CID等類型；按照制冷方式可分為制冷型和非制冷型；按照響應(yīng)波段與材料可分為1～3μm波段（代表材料HgCdTe—碲鎘汞）；3～5μm波段（代表材料HgCdT