第五章-其它光電探測器件課件

第五章--其它光電探測器件ppt課件光電器件的分類一、按工作波段分

紫外光探測器可見光探測器紅外光探測器二、按應(yīng)用分

換能器

將光信息（光能）轉(zhuǎn)換成電信息（電能）非成像型光信息轉(zhuǎn)換成電信息

探測器

變像管

成像型像增強(qiáng)器攝像管真空攝像管固體成像器件CCD光電器件的分類一、按工作波段分紫外光電成像器件是指能夠輸出圖像信息的一類器件，例如使不可見光圖像變?yōu)榭梢姽鈭D像的器件，使光學(xué)圖像變?yōu)殡娨曅盘柕钠骷?。一、概述這類器件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，例如，夜視技術(shù)、電視技術(shù)、工件的圖像測量、精密零件的微小尺寸測量、產(chǎn)品外觀檢測、應(yīng)力應(yīng)變場分析、機(jī)器人視覺、交通管理與指揮、定位、跟蹤等。光電成像器件是指能夠輸出圖像信息的一類器件，例如使不可見光圖二、分類二、分類§5.1像管像管是變像管和圖像增強(qiáng)管的統(tǒng)稱。變像管是指能夠把不可見光圖象變?yōu)榭梢姽鈭D象的真空光電管。圖像增強(qiáng)管是指能夠把亮度很低的光學(xué)圖象變?yōu)橛凶銐蛄炼葓D象的真空光電管。

§5.1像管像管是變像管和圖像增強(qiáng)管的統(tǒng)稱?！?.1.1像管的工作原理與結(jié)構(gòu)變換光譜：將紅外、紫外的輻射圖像變成可見圖像增強(qiáng)亮度：使圖像亮度接近人眼的視覺響應(yīng)峰值光學(xué)成像：將電子圖像在熒光屏上變成光學(xué)圖像一、工作原理（三大功能）：§5.1.1像管的工作原理與結(jié)構(gòu)變換光譜：將紅外、紫外的輻工作原理：工作原理：

光電變換部分:即光電陰極，光電子發(fā)射圖像；

電子光學(xué)部分:即電子透鏡，它可以使光電陰極發(fā)射出來的光電子圖像進(jìn)行加速；電光變換部分:即熒光屏，它可以使電子圖像變成可見光圖像。二、結(jié)構(gòu):光電光光電變換部分:即光電陰極，光電子發(fā)射圖像；二、結(jié)1、非聚焦型像管（近貼型）光電子在電場的作用下以拋物線軌跡向熒光屏投射。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，而是一個彌散圓斑。三、幾種像管結(jié)構(gòu)：1、非聚焦型像管（近貼型）三、幾種像管結(jié)構(gòu)：2、靜電聚焦型像管幾個圓筒形的電極可形成對光電子聚焦和加速的電場，使電子濾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辦法供給。靜電聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖2、靜電聚焦型像管靜電聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖3、電磁聚焦型像管特點：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3、電磁聚焦型像管電磁聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖四、關(guān)于像管的幾個問題：增益：描述像管對輻射能量的變換與增強(qiáng)能力。亮度增益：像管在標(biāo)準(zhǔn)光源照射下，熒光屏上的光出射度M與入射到陰極面的照度Ev只比。四、關(guān)于像管的幾個問題：增益：描述像管對輻射能量的變換與五、像管的特點：五、像管的特點：§5.1.2變像管工作于非可見輻射：近紅外、紫外、X射線、γ射線§5.1.2變像管工作于非可見輻射：§5.1.2變像管1、紅外變像管

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，再轉(zhuǎn)成光學(xué)圖像。陽極光電陰極聚焦極熒光屏§5.1.2變像管1、紅外變像管陽極光電陰極聚焦極熒光屏紅外變像管的應(yīng)用紅外變像管的應(yīng)用2、紫外變像管紫外變像管的窗口材料為石英玻璃，光電發(fā)射材料為Sb-Cs陰極。它可以使波長大于200nm的紫外光變成光電子。紫外變像管與光學(xué)顯微鏡結(jié)合起來，可用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等方面的研究。原理：紫外輻射圖像被光學(xué)物鏡成像后位于光電陰極的前方，對光電陰極有一輻射通量，光電陰極將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屏，再轉(zhuǎn)成光學(xué)圖像。2、紫外變像管紫外變像管的窗口材料為石英玻璃，光電發(fā)射材料為3、光纖面板變像管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像。光電陰極電極電子軌跡熒光屏入射光纖面板出射光纖面板輸入圖像輸出圖像光纖面板具有集光效能高、傳像清晰的優(yōu)點，端面還可加工成球面以消像差。3、光纖面板變像管將光電陰極及熒光屏連同光纖面板一起制成球面§5.1.2像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器利用了像管功能中增強(qiáng)亮度、光學(xué)成像兩個功能。像增強(qiáng)器是一種能把微弱的光學(xué)圖像增強(qiáng)、轉(zhuǎn)換成適合人眼觀察的光學(xué)圖像的真空成像器件?！?.1.2像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器利用了像管功能中增強(qiáng)亮度、光像增強(qiáng)器通過將環(huán)境光照度增大幾千倍而產(chǎn)生一個可見的圖像。該設(shè)備有由一小片玻璃制成的光電陰極，光線通過光電陰極時，光電陰極發(fā)射出電子，電子在一個真空管中加速，并打到熒光屏上，將電能轉(zhuǎn)變成光能量。熒光屏通常以綠色顯示出物體的圖像。像增強(qiáng)器原理

像增強(qiáng)技術(shù)已發(fā)展了3代。在低照度條件下像增強(qiáng)管工作的有效性及其壽命一代比一代好。像增強(qiáng)技術(shù)像增強(qiáng)器通過將環(huán)境光照度增大幾千倍而產(chǎn)生一個可見的圖像。該設(shè)一、第一代微光像增強(qiáng)器——級聯(lián)式像增強(qiáng)器光電陰極聚焦極陽極熒光屏光纖面板光纖面板

增益高（幾萬倍）、成像清晰；但體積大、重量大、防強(qiáng)光能力差。光電陰極光纖面板熒光屏一、第一代微光像增強(qiáng)器——級聯(lián)式像增強(qiáng)器光電陰極聚焦極陽極熒許多越南老兵所熟悉的“星光觀測儀”便是第1代產(chǎn)品。這種裝置利用一個包含單級或3級像輸入管的像增強(qiáng)管，通過加速電子而使昏暗的圖像增強(qiáng)。第1代裝置開發(fā)于20世紀(jì)60年代初期，目前雖有許多這樣的設(shè)備從東方集團(tuán)進(jìn)口并賣給用戶，但美國已將之淘汰。盡管它有較高的分辨率，但在遇到強(qiáng)光時，易出現(xiàn)光暈或圖像拖尾現(xiàn)象。像增強(qiáng)管壽命短，且易失真，沒有后代產(chǎn)品的聚光能力。許多越南老兵所熟悉的“星光觀測儀”便是第1代產(chǎn)品。這種裝第2代和第3代裝置在像增強(qiáng)管里集成了一個微通道板;微通道板是一個含有許多小孔（通道）且表面涂有金屬膜的小玻璃盤，它具有二次發(fā)射特性，當(dāng)被一個電子擊中時，會發(fā)射出額外的電子。微通道板通常有200~600萬個小孔，小孔的數(shù)目在很大程度上決定了它的分辨率。

微通道板的引入，使像增強(qiáng)儀有了革命性的變化。微通道板增強(qiáng)器提供了較強(qiáng)的光放大能力，使圖像更清晰，且消除了第1代產(chǎn)品的失真現(xiàn)象。第2代和第3代裝置在像增強(qiáng)管里集成了一個微通道板;

二、第二代微光像增強(qiáng)器——微通道板像增強(qiáng)器微通道板MCP(MicroChannelPlate)

是一種先進(jìn)的具有傳輸、增強(qiáng)電子圖像功能的電子倍增器，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。入射電子倍增電子單根倍增通道工作電壓二次電子

通道芯徑間距：12μm；長徑比：40~60；兩端鍍鎳構(gòu)成輸入輸出電極；二、第二代微光像增強(qiáng)器——微通道板像增強(qiáng)器微通道板MMCP具有體積小、重量輕、分辨力好、增益高、噪聲低、使用電壓低等優(yōu)點。廣泛用于光電倍增管、像增強(qiáng)器、微光電視、X光像增強(qiáng)器、高速示波管，以及光子計數(shù)、X-射線、紫外光子、電子、離子、帶電粒子、亞原子粒子等的探測。微通道板（MCP）北方夜視MCP系列參數(shù)MCP具有體積小、重量輕、分辨力好、增益高、噪聲低、使用電壓實際應(yīng)用中，光電陰極將被觀察的弱光信號或二維圖像變?yōu)殡娦盘柣螂娮訄D像信號發(fā)射出來，再經(jīng)電子透鏡或均勻場將其傳輸至微通道板的輸入端面。二維圖像光電陰極微通道板（MCP）熒光屏光電子發(fā)射二次電子發(fā)射在這里，電子圖像被板面上的幾百萬個微通道口分割成幾百萬個“像素”，而各個通道間彼此獨立地進(jìn)行傳輸放大，因而各圖像的空間分布沒有改變，于是在微通道板的輸出端得到被增強(qiáng)了的電子圖像。這個電子圖像再被均勻加速電場加速后，射到熒光屏上，于是在屏上則顯示出清晰明亮的光學(xué)圖像。微通道板像增強(qiáng)器工作過程實際應(yīng)用中，光電陰極將被觀察的弱光信號或二維圖像變?yōu)殡娦盘柣蚬怆婈帢O熒光屏（1）近貼聚焦MCP像增強(qiáng)器

近貼式MCP像增強(qiáng)器又稱為平面型或薄片型像增強(qiáng)器。它是把MCP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。性能典型值：亮度增益：5×103cd·m-2lx-1；分辨率：30lp·mm-1；微通道板像增強(qiáng)器兩種聚焦形式光電陰極熒光屏（1）近貼聚焦MCP像增強(qiáng)器近貼式MCP像(2)倒像式銳聚焦MCP像增強(qiáng)器

結(jié)構(gòu)：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，與熒光屏之間是近貼均勻場。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點：分辨率高，像質(zhì)好；但噪聲較大。靜電聚焦式MCP像增器(2)倒像式銳聚焦MCP像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)：在單第3代技術(shù)是目前像增強(qiáng)夜視技術(shù)的最高水平，在任何野戰(zhàn)條件下均能提供清晰的圖像。

特點:它有一個最高靈敏度的負(fù)電子親和勢砷化鎵光電陰極，有延長管子使用壽命的離子隔離膜（為了防止離子反饋損壞精致的光電陰極）。砷化鎵光電陰極的敏感度擴(kuò)展到近紅外區(qū)域，該區(qū)域的夜光照射和對比度都是最大的。

三、第三代微光像增強(qiáng)器——Ⅲ-V族負(fù)電子親和勢光電陰極像增強(qiáng)器微光夜視儀第3代技術(shù)是目前像增強(qiáng)夜視技術(shù)的最高水平，在任何野戰(zhàn)條件下

優(yōu)點：

體積小，重量輕，整管長度和重量約為一代級聯(lián)管的二分之一；亮度便于調(diào)節(jié)；減少了熒光屏的光反饋；整管電壓較低。缺點：噪聲大，主要是附加噪聲；圖像不夠均勻；工藝難度大，主要是制作以及后續(xù)工序?qū)CP有影響。微通道板像增強(qiáng)器的優(yōu)缺點優(yōu)點：缺點：微通道板像增強(qiáng)器的優(yōu)缺點1.多狹縫條紋變像管應(yīng)用舉例1.多狹縫條紋變像管應(yīng)用舉例

性能參數(shù)：

光譜響應(yīng)范圍：200nm-900nm

254nm的量子效率：≥20%

增益(在254nm）：≥103將人眼不可見的紫外光線轉(zhuǎn)換增強(qiáng)為人眼或圖像探測器的光線，主要用于痕跡鑒定、導(dǎo)彈預(yù)警、火警探測器、電力線高壓可見漏電和科學(xué)研究等。濾光片:254nm、365nm、415nm、445nm、532nm、540nm、800nm、850nm2.紫外像增強(qiáng)器

性能參數(shù)：

光譜響應(yīng)范圍：200nm-9德國蔡司、奧地利施華洛世奇、加拿大紐康、美國博士能、俄羅斯貓頭鷹、國產(chǎn)熊貓夜視儀等。主動式紅外夜視儀微光夜視儀熱像儀3.夜視儀德國蔡司、奧地利施華洛世奇、加拿大紐康、美國博士能、俄羅斯貓(1)WGS15-1型手持微光夜視儀以微光像增強(qiáng)器為核心攜帶方便的一代手持微光夜視儀，該夜視儀配有IR助視燈，視場大、體積小、重量輕、使用方便。用途：用于夜間和低照度下進(jìn)行觀察。在公安偵破、邊防守衛(wèi)、海關(guān)及科學(xué)研究等方面均可廣泛運(yùn)用。

性能參數(shù)：

物鏡孔徑：48毫米放大倍率：1.8倍物方視場：17°

調(diào)焦范圍：5米～無窮遠(yuǎn)視度范圍：±5屈光度出瞳直徑：7毫米分辨力：≤2.8毫弧度工作電壓：3伏直流（標(biāo)準(zhǔn)5號電池）像增強(qiáng)器：一代像增強(qiáng)器尺寸：192(L)×66(W)×88(H)質(zhì)量：0.7公斤(1)WGS15-1型手持微光夜視儀以微光像增強(qiáng)器為核(2)WGT46-1型超二代頭盔微光觀察鏡主要特點：該觀察鏡采用超二代象增強(qiáng)器，靈敏度高、觀察效果好。該觀察鏡配有與頭盔相聯(lián)的支架，可以方便、快捷的安裝、拆卸，也可當(dāng)作袖珍手持微光觀察鏡使用。該觀察鏡體積小、重量輕，整機(jī)性能優(yōu)良。用途：適合單人夜間行動、觀察使用，也可用于夜間巡邏或近距離操作器械、維護(hù)保養(yǎng)。

性能參數(shù)：

放大率：1×

視場：38°

物鏡調(diào)焦范圍：250mm～∞出瞳直徑：7mm

分辨力：1.59LP/mrad

工作電壓：3VDC（采用日本松下CR2鋰電池）像增強(qiáng)器：高性能超二代像增強(qiáng)器（1XZ18/18WS-1）(2)WGT46-1型超二代頭盔微光觀察鏡主要特點：該觀察光電成像原理圖像是空間變化的光強(qiáng)信息，則圖像探測器必須能感受到空間不同位置的光強(qiáng)變化，即成像。成像掃描成像電子束掃描成像（光導(dǎo)攝像管）光機(jī)掃描成像（熱像儀）固體自掃描成像（CCD攝像機(jī)）非掃描成像照相機(jī)、電影攝影機(jī)、變像管光電成像原理圖像是空間變化的光強(qiáng)信息，則圖像探測器必須能感受光電成像原理圖像探測器的功能是把光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)換為電信號。即把入射到探測器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號——視頻信號。把空間圖像信號轉(zhuǎn)換為按時序變化的電信號的過程稱為掃描。光電成像原理圖像探測器的功能是把光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)換為電信號?！?.2攝像管攝像管：攝制圖像、存貯和處理，即將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成適于處理和傳遞的時間序列的一維電信號。攝像管不是產(chǎn)生輸出圖像，而是把輸入圖像轉(zhuǎn)換為便于傳輸?shù)碾娦盘枺@一電信號即是視頻信號。顯像管等設(shè)備可將處理后的視頻信號轉(zhuǎn)換為輸出的光學(xué)圖像?！?.2攝像管攝像管：攝制圖像、存貯和處理，

具體分為以下四個過程：

1.光學(xué)圖像各個像素轉(zhuǎn)變成電荷（電位）圖像；

2.對電荷圖像進(jìn)行存貯和積累構(gòu)成電荷圖；

3.對電信號進(jìn)行放大和增強(qiáng)；

4.對存貯電荷圖像的各個像素進(jìn)行有序掃描，輸出與輸入信息成比例的一維電信號。

具體分為以下四個過程：一、攝像管的分類（按光電變換的形式）把有移象區(qū)的攝象管稱為光電發(fā)射式攝象管，它的光電變換部分和光信息存儲部分彼此分離，總稱為移象區(qū)。1.內(nèi)光電變換型（光電導(dǎo)型）

2.外光電變換型（光電發(fā)射型）移像區(qū)(加速電場)：增強(qiáng)光電子能量，獲得增益，提高靈敏度。把沒有移象區(qū)的攝象管稱為光電導(dǎo)式攝象管或視象管，它的兩部分功能全由一個靶來完成。電子槍部分二者基本相同。一、攝像管的分類（按光電變換的形式）把有移象區(qū)的攝象管稱為光

二、攝像管的組成

（一）光電變換與電荷存貯（積累）部分光電導(dǎo)體：利用光電導(dǎo)效應(yīng)光電發(fā)射體：利用光照下發(fā)射電子(1)光電變換部分：

將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化成電荷圖像(2)電荷存貯（積累）部分：為了對微弱的瞬時信號積累，采用積累元件對整個幀周期產(chǎn)生的信號不斷積累。要求：幀周期內(nèi)的信號不漏走，足夠的絕緣能力和很高的電阻。光電變換部分與存儲部分、信號閱讀部分二、攝像管的組成（一）光電變換與電荷存貯（積累）部分光電導(dǎo)體信號板光電導(dǎo)體：利用光電導(dǎo)效應(yīng)光電發(fā)射體：利用光照下發(fā)射電子成像面掃描面掃描區(qū)移像區(qū)靶光電信號板光電導(dǎo)體：利用光電導(dǎo)效應(yīng)成像面掃描面掃描區(qū)移像區(qū)靶

光電靶面光電導(dǎo)薄膜，景物圖像成像于此。連續(xù)薄膜并非分割成單個像素，而由電子束逐點連續(xù)掃描獲得。像素的面積取決于電子束的截面面積。光電圖像照射靶面時，激發(fā)出與光照度成比例的光生載流子改變了靶面各點電導(dǎo)率，材料電導(dǎo)率增大即電阻值減小。靶面上光強(qiáng)分布圖轉(zhuǎn)換為電位分布圖，實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換和電荷積累的過程。光電靶面光電導(dǎo)薄膜，景物圖像成像于此。連續(xù)薄膜并非分割成電子束V光照RLC1R1R2C2CnRn視頻信號光電導(dǎo)靶面工作原理及等效電路電子束KVABRLC光照透明導(dǎo)電層光電導(dǎo)材料在厚度方向等效于電容與電阻的并聯(lián)；真空管內(nèi)側(cè)表面B與陰極K間加電壓V。無光照時，各像素電阻大，暗電流小，電子束逐點掃描到某像素時該像素接通電源電容被充電，B面是陰極電位。電子束離開該像素時通過電阻R放電。（暗電阻大，放電電流（暗電流）微弱）光電圖像照射靶面時，材料電導(dǎo)率增大即電阻值減小，電容對電阻放電，B側(cè)面電位上升，則靶面上光強(qiáng)分布圖轉(zhuǎn)換為電位分布圖，實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換和電荷積累的過程。電子束V光照RLC1R1R2C2CnRn視頻信號光電導(dǎo)靶面工（二）信號閱讀部分：

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）

和電子束聚焦掃描系統(tǒng)。（二）信號閱讀部分：從靶面取出信號的任務(wù)是由閱讀部分來電子束V光照RLC1R1R2C2CnRn視頻信號光電導(dǎo)靶面工作原理及等效電路電子束KVABRLC光照透明導(dǎo)電層電子束第二次再掃描到某像素時，電源V再次對電容充電，此時充電電流在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生壓降，充電電流的大小與入射光強(qiáng)有關(guān)。則負(fù)載電阻上獲得的視頻信號對應(yīng)于B面上各像素的電位變化。電子束掃描到某像素時，一方面讀出它的電位，同時使B面上這一點電位恢復(fù)到陰極電位，準(zhǔn)備下次攝像。電子束對靶面逐行掃描，掃完一幀后開始第二幀。兩幀之間靶面對光強(qiáng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)行電荷積累，在掃到像素時進(jìn)行信號讀出。。電子束V光照RLC1R1R2C2CnRn視頻信號光電導(dǎo)靶面工（三）主要參數(shù)：１．分辨率：輸出圖像細(xì)節(jié)的鑒別能力，以線對表示。

影響因素：電子束截面的大小，截面內(nèi)電流的分布及電子束的運(yùn)動；靶面上載流子的擴(kuò)散運(yùn)動。２．動態(tài)范圍：最高入射照度與最低入射照度之比。減小電子束截面（降低平均效應(yīng)），提高分辨率；采用橫向電阻率較大的靶面材料減小擴(kuò)散運(yùn)動，提高分辨率（擴(kuò)散運(yùn)動使像素間電荷分布產(chǎn)生平均效應(yīng)降低了分辨率）。（三）主要參數(shù)：１．分辨率：輸出圖像細(xì)節(jié)的鑒別能力，以線對abcdefghijkl13579光敏板上的像光導(dǎo)電視攝像管光電轉(zhuǎn)換過程透明電極相對于電子槍加有正電壓，則電子束可以穿過光導(dǎo)膜形成回路，在掃描電路控制下對光導(dǎo)薄膜自左向右、有上到下逐行掃描。20～300V發(fā)送漢字“中”時，攝像機(jī)對準(zhǔn)“中”字，經(jīng)透鏡成像至攝像機(jī)的光電靶面；abcdefghiabcdefghijkl13579行正程行逆程自上而下掃描所有行即是一幀光電轉(zhuǎn)換的掃描過程掃描的實際作用就是按順序?qū)⒐鈱?dǎo)膜一個一個小面元接入回路。光導(dǎo)膜上有無“中”字處的光電導(dǎo)不同，則光導(dǎo)攝像管的輸出信號亦隨之不同。abcdefghi相應(yīng)于“中”字的輸出信號波形為tuO攝像管輸出電壓abcdefghijkl13579光敏板上的像tuOtuOtuO則實現(xiàn)了圖像的光電轉(zhuǎn)換。相應(yīng)于“中”字的輸出信號波形為tuO攝像管輸出電壓ababcdefghijkl13579像素每一小格為一個傳送單位，即像素。我國采用625行制。目前電視屏幕寬高比為4:3,則水平方向為833格，則一幀圖像的像素為625×833＝520625個。傳送活動的圖像，只需將圖像在一秒鐘內(nèi)傳送很多遍（傳送一遍即一幀，人眼的視覺暫留時間決定一般傳送25遍）。即幀頻為25Hz。像素abcdefghi

靶面由二維排列的微小硅光電二極管列陣組成，每個光電二極管為一個像素；

硅靶的光譜響應(yīng)峰值在500nm~850nm。

靶面無光照時，電子束掃描把外電場引入光電二極管并使pn結(jié)得到反向偏置，此時反向漏電流（暗電流）很小；

電子束掃過后接收光照，pn結(jié)產(chǎn)生電子空穴對，在內(nèi)建電場作用下光生載流子在pn結(jié)兩側(cè)積累并使pn結(jié)勢壘下降；電子束再次掃描時回路中形成比暗電流高的光電流，在負(fù)載電阻上得到對應(yīng)于光強(qiáng)的電信號。同時外電場復(fù)原二極管內(nèi)建電場準(zhǔn)備下一幀攝像；三、硅靶攝像管靶面由二維排列的微小硅光電二極管列陣組成，每個光電二極

硅靶攝像管和像增強(qiáng)管在管內(nèi)串接而成。

移像區(qū)有很高電子加速電場，使電子達(dá)到靶面有很高的能量，高能電子在靶面上感應(yīng)大量電子空穴對，得到增強(qiáng)的電荷圖像。

掃描區(qū)把增強(qiáng)的電子圖像讀出，于是管子靈敏度高，可做低照度攝像，可對10－5lx以下景物敏感。

光電分布圖像入射到多堿光電陰極上產(chǎn)生光電子發(fā)射效應(yīng)而得到光電子發(fā)射圖像，經(jīng)移像區(qū)將其成像到硅靶上。四、硅靶電子倍增攝像管(SEM)硅靶攝像管和像增強(qiáng)管在管內(nèi)串接而成。移像區(qū)有很高真空攝像管真空攝像管不僅可以將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訄D像信號，還可以將電子圖像利用無線電或有線電電子學(xué)的方法進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送和圖像重現(xiàn)。它不僅能超越障礙提供遠(yuǎn)距離景物的圖像，而且能夠在大屏幕上顯示，其亮度和對比度還可以調(diào)節(jié)。真空攝像管真空攝像管不僅可以將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訄D像信攝像管的攝像過程是將兩維空間分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為一維時間變化的視頻電信號，具體攝像攝像過程可分為三個步驟：攝像管的攝像過程是將兩維空間分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為一維時間第五章--其它光電探測器件ppt課件第五章--其它光電探測器件ppt課件象管和攝象管的主要區(qū)別:象管內(nèi)部沒有掃描機(jī)構(gòu)，不能輸出電視信號，對它的使用就跟使用望遠(yuǎn)鏡去觀察遠(yuǎn)處景物一樣，觀察者必須通過它來直接面對著景物?？偨Y(jié)象管和攝象管的主要區(qū)別:象管內(nèi)部沒有掃描機(jī)構(gòu)，不能輸出電視信光電攝像器件應(yīng)具有三種基本功能：光電變換、光電信號存儲和掃描輸出。光學(xué)圖像投射到器件光敏面后，稱為像素的獨立的光敏單元分別完成光電轉(zhuǎn)換，在光敏面上形成電量的潛像。掃描裝置形成的掃描線按一定的軌跡串行、逐點地采集這些轉(zhuǎn)換后的電量形成輸出信號。掃描線經(jīng)過某一個像素的時間只占掃描整個光敏面所需周期的極小部分，為了提高檢測靈敏度，每個像素在掃描周期內(nèi)應(yīng)不間斷地對轉(zhuǎn)換后的電量進(jìn)行積累，這種功能稱為光電信號的積分存儲。光電攝像器件應(yīng)具有三種基本功能：光電變換、光電信號存儲和掃描§5.3CCD圖像傳感器電荷耦合器件（chargedcoupleddevice）；CCD的突出特點是以電荷作為信號，實現(xiàn)電荷的存儲與轉(zhuǎn)移，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號；由MOS構(gòu)成的密排器件；信息存儲和信息處理；攝像裝置?！?.3CCD圖像傳感器電荷耦合器件（chargeCCD光敏單元陣列CCD光敏單元陣列三、CCD的工作原理CCD工作過程的主要是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸（耦合）和檢測。

一個完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。

CCD工作時，在設(shè)定的積分時間內(nèi)，光敏元對光信號進(jìn)行采樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏元的電荷量。取樣結(jié)束后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號驅(qū)動下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位寄存器相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號可接到示波器、圖像顯示器或其它信號存儲、處理設(shè)備中，可對信號再現(xiàn)或進(jìn)行存儲處理。三、CCD的工作原理CCD工作過程的主要是信號電荷首先，用光學(xué)系統(tǒng)將景物聚焦在器件表面，由于光激發(fā)，在半導(dǎo)體內(nèi)部就會產(chǎn)生電子－空穴對，其中少數(shù)載流子被附近勢阱所收集。由于每一單元電極下所存儲的少數(shù)載流子的數(shù)目與光強(qiáng)有關(guān)，因此一個光學(xué)圖像可轉(zhuǎn)化成柵極下面的電荷圖像。隨著時間的增加，積累的電荷越來越多。這就是光電轉(zhuǎn)換和存儲過程。然后以一定的方式給不同柵極加偏壓，使電荷按一定順序轉(zhuǎn)移，最后在輸出端輸出，從而使圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號。首先，用光學(xué)系統(tǒng)將景物聚焦在器件表面，由于光激發(fā)，在半導(dǎo)體內(nèi)

在CCD中，電荷注入的方法有很多，歸納起來，可分為光注入和電注入兩類。CCD攝象器件為光注入方式；通過光電轉(zhuǎn)換把照度分布轉(zhuǎn)換成電荷分布注入到每一位的勢阱中。CCD信息存儲和信息處理為電注入方式；

通過輸入端注入與信號成正比的電荷。1.信號電荷的產(chǎn)生（注入）在CCD中，電荷注入的方法有很多，歸納起來，可分為光注入光注入當(dāng)光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子－空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。光注入當(dāng)光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電電注入CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流進(jìn)行采樣，然后將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。電注入的方法很多，一般常用的是電流注入法和電壓注入法。電注入CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流進(jìn)行采樣，然后將信號構(gòu)成CCD的基本存儲單元是MOS(MetalOxideSemiconductor)結(jié)構(gòu)，光敏元的結(jié)構(gòu)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，以此形成金屬－氧化物－半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元。

-V1-V2-V3三個相鄰的MOS結(jié)構(gòu)的存儲作用MOS光敏元的結(jié)構(gòu)2.信號電荷的存儲構(gòu)成CCD的基本存儲單元是MOS(MetalOxide通過將一定規(guī)則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體表面按一定方向移動。CCD電極間隙必須很?。ㄐ∮?um），電荷才能不受阻礙地從一個電極向另一個電極轉(zhuǎn)移.以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡稱為N型CCD。而以空穴為信號電荷的CCD稱為P型溝道CCD，簡稱為P型CCD。由于電子的遷移率(單位場強(qiáng)下的運(yùn)動速度)遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此n型CCD比p型CCD的工作頻率高很多。3.信號電荷的傳輸（耦合）通過將一定規(guī)則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就CCD電荷傳輸?shù)姆绞剑篎T(FrameTransfer)幀轉(zhuǎn)移

IT(InterlineTransfer)行間轉(zhuǎn)移

FIT(FrameInterlineTransfer)幀行間轉(zhuǎn)移CCD電荷傳輸?shù)姆绞剑篎T(FrameT

在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像。在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，如果照射在-V1-V2-V1123456789(a)-V3-V1-V2123456789(b)-V1-V2-V1123456789(c)金屬電極所加脈沖電壓：N型CCD的傳輸方式1,4,7等柵下的半導(dǎo)體對空穴形成勢阱，在1,7中注入空穴2,5,8等柵下出現(xiàn)更深的勢阱，電荷出現(xiàn)轉(zhuǎn)移只有柵2,5,8下有勢阱，1,7的電荷已存儲到2,5,8勢阱中，此時電荷向右移動了一個柵的位置加負(fù)電壓

－V1>－V2>－V3加負(fù)電壓

－V1>－V2-V1-V2-V1123第五章--其它光電探測器件ppt課件CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，以矩陣的方式排列，經(jīng)周期性放電，產(chǎn)生表示一幅幅畫面的電信號，經(jīng)過濾波、放大處理，通過攝像頭的輸出端子輸出一個標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合視頻信號。目前，CCD輸出方式主要有電流輸出(二極管輸出)，浮置擴(kuò)散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。4.信號電荷的檢測（輸出）CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，以矩陣的方式排列，經(jīng)周期性01111100光敏管陣列并聯(lián)串聯(lián)轉(zhuǎn)換器運(yùn)算電路顯示電路結(jié)束信號驅(qū)動脈沖CCD0光敏管陣列并聯(lián)串聯(lián)轉(zhuǎn)換器運(yùn)算電路顯示電路結(jié)束信號驅(qū)動脈沖CCCD就象一排排輸送帶上并排放滿了小桶，光線就象雨滴撒入各個小桶，每個小桶就是一個像素。按下快門拍照的過程，就是按一定的順序測量一下某一短暫的時間間隔中，小桶中落進(jìn)了多少“光滴”。CCD就象一排排輸送帶上并排放滿了小桶，光線就

CCD具備光電轉(zhuǎn)換、信息存儲和傳輸?shù)裙δ?，它存儲由光或電激勵產(chǎn)生的信號電荷，當(dāng)對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸。具有集成度高、功耗小、分辨率高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。CCD的基本功能CCD具備光電轉(zhuǎn)換、信息存儲和傳輸?shù)裙δ?，它存儲由光?/p>

在電子計算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)中信息存貯與處理攝像裝置

航空航天、天文遙感、尺寸及光譜測量、傳真和掃描技術(shù)、醫(yī)療儀器、廣播攝像、高速攝像、工業(yè)視覺系統(tǒng)及軍事電子對抗等。CCD應(yīng)用的分類：在電子計算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)中信息存貯與處理航空航特點:(1)非接觸檢測;(2)響應(yīng)快;(3)可靠性高,為修簡便;(4)測量精度高;(5)體積小,重量輕;容易與計算機(jī)連接(6)對被測物體需要強(qiáng)光照射;(7)受被測物體以外的光的影響.條形碼掃描器應(yīng)用:(1)寬度測量;(2)外徑測量;(3)主軸徑向跳動測量。特點:條形碼掃描器應(yīng)用:CCD主要特性1.體積小，重量輕，耗電少，啟動快，壽命長

2.光譜相應(yīng)范圍寬

3.靈敏度高

4.暗電流小，監(jiān)測噪音低

5.動態(tài)響應(yīng)范圍寬

6.分辨率高

7.與微光像增強(qiáng)器級聯(lián)，低照度下可采集信號

8.有抗過度曝光性能CCD主要特性1.體積小，重量輕，耗電少，啟動快CCD主要性能指標(biāo)

像素數(shù)：感光元件的數(shù)量

CCD尺寸：感光器件的大小幀頻：采集圖像的速度CCD主要性能指標(biāo)像素數(shù)：感光元件的數(shù)量1、轉(zhuǎn)移效率η：信號電荷包在進(jìn)行一次轉(zhuǎn)移中的效率。即電荷包從一個柵極勢阱轉(zhuǎn)移到下一個柵極勢阱時，有η部分的電荷轉(zhuǎn)移過去，余下ε（稱為失效率）部分沒有被轉(zhuǎn)移，根據(jù)電荷守恒定律有：電荷量為Q0的電荷包經(jīng)過n次轉(zhuǎn)移后的電荷輸出量為：成百上千次轉(zhuǎn)移后，即使η接近1，總的效率仍然很低。如：

二相1024位器件，當(dāng)η＝0.999時，總效率不到0.13?？傂?、轉(zhuǎn)移效率η：信號電荷包在進(jìn)行一次轉(zhuǎn)移中的效率。即電荷包

造成電荷沒有轉(zhuǎn)移過去的因素是：

界面態(tài)俘獲（或體態(tài)俘獲）電荷轉(zhuǎn)移速度太慢；電極間隙的影響；表面復(fù)合一定的η值限定了器件的最長位數(shù)n；對于長線陣和大面陣CCD要求η>99.99%，對于100萬像素以上的CCD要求η>99.999%~99.9999%

。造成電荷沒有轉(zhuǎn)移過去的因素是：界面態(tài)俘獲（或體態(tài)2、分辨率：指攝像器件對物象中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。CCD的分辨率與每個像元的尺寸和像元之間的間距有關(guān)；CCD器件像素數(shù)越多，分辨率越高；當(dāng)像素數(shù)一定時，轉(zhuǎn)移損失率對空間分辨率的影響也很大；光生載流子的橫向擴(kuò)散引起像素間的相互干擾，造成空間分辨率的減小。在CCD像素數(shù)目相同的條件下，像素點大的CCD芯片可以獲得更好的拍攝效果。大的像素點有更好的電荷存儲能力，因此可提高動態(tài)范圍及其它指標(biāo)。2、分辨率：指攝像器件對物象中明暗細(xì)節(jié)的CCD的分辨率與3、暗電流：CCD在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱為暗信號，即暗電流。主要來源：半導(dǎo)體襯底的熱產(chǎn)生；耗盡區(qū)的產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā)載流子；（主要）耗盡區(qū)邊緣的少子熱擴(kuò)散；界面上的產(chǎn)生中心的熱激發(fā)。3、暗電流：CCD在既無光注入又無電注入情況下主要來源：暗電流的危害：限制器件的低頻響應(yīng)，減小動態(tài)范圍；

——應(yīng)盡量縮短信號電荷的存儲與轉(zhuǎn)移時間引起固定圖像噪聲，暗電流在整個成像區(qū)不均勻時使像面嚴(yán)重畸變；

——CCD光敏元處于積分工作狀態(tài)，暗電流積分形成暗信號圖像疊加到光信號圖像上，引起固定圖像噪聲，出現(xiàn)個別暗電流尖峰，則一幅清晰完整的圖像就會產(chǎn)生某些“亮條”或“亮點”。

暗電流的危害：4、靈敏度：在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號電壓（電流）。曝光量是光強(qiáng)與光照時間之積；由CCD器件響應(yīng)度和各種噪聲因素共同決定；

——光子噪聲、暗電流噪聲、表面捕獲噪聲等。4、靈敏度：在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸曝光量是光強(qiáng)5、動態(tài)范圍：對于光照度有較大變化時，器件仍能線性響應(yīng)的范圍。上限由電荷最大存貯容量決定，下限受噪聲所限制；通常在103~104數(shù)量級。6、線性度：在動態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號與曝光量的關(guān)系是否成直線關(guān)系。弱信號下線性度較差（器件噪聲影響大，信噪比低，引起一定離散