《光電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件第6章

6.1光電成像器件的基本特性與成像原理6.2攝像管6.3光電發(fā)射型攝像管與視像管6.4攝像器件的性能參數(shù)6.5CCD電荷耦合成像器件6.6CMOS圖像傳感器6.7變像管和圖像增強(qiáng)管第6章光電成像技術(shù)6.1光電成像器件的基本特性與成像原理

6.1.1光電成像器件的基本特性

1.光譜響應(yīng)

圖6-1所示為多堿銻化物光電陰極像管、氧化鉛攝像管及CCD攝像器件的光譜響應(yīng)特性曲線。所以在選用光電成像器件時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮器件的光譜響應(yīng)與被測(cè)量景物輻射的光譜的匹配。圖6-1光譜響應(yīng)特性曲線

2.光電轉(zhuǎn)換特性

1)轉(zhuǎn)換系數(shù)(增益)

對(duì)于直視型光電成像器件，其輸入量與輸出量分別是不同波段電磁波輻射通量(或光通量)。對(duì)于評(píng)價(jià)這類光電成像特性的轉(zhuǎn)化系數(shù)可定義為

(6.1.1)當(dāng)直視型光電成像器件用于增強(qiáng)可見光圖像時(shí)，轉(zhuǎn)換系數(shù)被定義為亮度增益Gl，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(6.1.2)工程上為了計(jì)算和測(cè)試方便，常采用無(wú)量綱的量G0來(lái)表示增益。G0的定義是光電成像的輸出光出射度與輸入照度之比。表達(dá)式為

(6.1.3)如果當(dāng)直視型光電成像器件的輸出像面具有朗伯體發(fā)光特性時(shí)，則根據(jù)式(6.1.2)和式(6.1.3)得出以下關(guān)系式

(6.1.4)從式(6.1.1)、式(6.1.2)和式(6.1.3)可以看出，轉(zhuǎn)換系數(shù)、亮度增益和光增益都與輸入光譜分布有關(guān)。作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，必須確定取標(biāo)準(zhǔn)輻射源(或標(biāo)準(zhǔn)光源)作為輸入源。同時(shí)又為了描述直視型光電成像器件對(duì)不同光譜的轉(zhuǎn)換特性，又定義了單色轉(zhuǎn)換系數(shù)Gλ為

(6.1.5)

2)光電靈敏度(響應(yīng)率)

非直視型光電成像器件的轉(zhuǎn)換特性，通常用光電靈敏度(響應(yīng)率)表示。由于這類器件的輸入是輻射通量(或光通量)，輸出是電信號(hào)(或視頻信號(hào))，則這類器件的光電靈敏度可表示成以下兩種形式

(6.1.6)

(6.1.7)當(dāng)用單色輻射(或單色光)Eλ輸入，所得到的單色靈敏度RλI和RλU分別為

(6.1.8)

(6.1.9)

3.時(shí)間響應(yīng)特性

直視型光電成像器件的輸出屏(熒光屏)是限制時(shí)間響應(yīng)的主要環(huán)節(jié)。熒光屏的惰性主要表現(xiàn)為余暉，它來(lái)源于熒光粉的受激發(fā)光過(guò)程中電子被陷阱能級(jí)暫態(tài)俘獲。而陷阱能級(jí)上電子再獲釋的時(shí)間分散就決定了發(fā)光的延遲。由于發(fā)光在下降過(guò)程中的滯后比上升過(guò)程嚴(yán)重，因此通常用余輝來(lái)表示直視型光電成像器件的惰性。

4.光學(xué)特性

光電成像過(guò)程中由于各種原因會(huì)產(chǎn)生像差，使輸出圖像的亮度分布不能準(zhǔn)確再現(xiàn)輸入圖像的照度分布。定量描述這種圖像失真程度的性能指標(biāo)通常采用分辨率和光學(xué)傳遞函數(shù)(或調(diào)制傳遞函數(shù))。前者是單值參數(shù)，而后者是空間頻率的復(fù)函數(shù)。

分辨率是以人眼作為接收器來(lái)判定的極限分辨能力的。通常用光電成像在一定距離內(nèi)能分辨的等寬黑白條紋數(shù)來(lái)表示。對(duì)于直視型光電成像器件取輸入像面上每毫米所能分辨的等寬黑白條紋數(shù)表示分辨率。對(duì)于非直視型光電成像系統(tǒng)，則取掃描線方向相當(dāng)于幀高的距離內(nèi)所能分辨的等寬黑白條紋數(shù)表示分辨率。這一極限分辨率的線條數(shù)簡(jiǎn)稱為電視線。表示電視分辨率的指標(biāo)，可以用電視線n或用視頻帶寬ΔfU，兩者之間換算關(guān)系為

(6.1.10)光學(xué)傳遞函數(shù)(簡(jiǎn)寫為OTF)是復(fù)數(shù)，可表示為

(6.1.11)

式中，T(fx,

fy)稱為調(diào)制傳遞函數(shù)，簡(jiǎn)稱為MTF，θ(fx,fy)稱為相位傳遞函數(shù)，簡(jiǎn)寫為PTF。6.1.2光電成像原理與電視攝像制式

1.光電成像原理

圖6-2所示的是光電成像系統(tǒng)的原理圖。從圖6-2中可以看出光電成像系統(tǒng)由光學(xué)成像系統(tǒng)、光電變換系統(tǒng)、同步掃描和控制系統(tǒng)、視頻信號(hào)處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)構(gòu)成。圖6-2光電成像系統(tǒng)原理圖由于監(jiān)視器的顯像管幾乎都是利用電子束掃描熒光屏，熒光屏又是具有一定的余輝效應(yīng)，便可在顯示管上獲得可供觀察的圖像。例如，將亮度按正弦分布的光柵(如圖6-3(a)所示)經(jīng)光電成像器件或攝像器件掃描一行形成如圖6-3(b)所示的一行電壓按時(shí)間分布的圖像信號(hào)，或稱為視頻信號(hào)。圖6-3正弦光柵與視頻信號(hào)設(shè)它所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為thf，則由圖6-3(a)和圖6-3(b)可以看出電信號(hào)的時(shí)間頻率為

(6.1.12)

式中，為電子數(shù)的正程掃描速度。若用vhf來(lái)表示這一速度，式(6.1.12)可改寫為

(6.1.13)

2.電視制式

電視畫面的寬高比、幀頻、場(chǎng)頻和行頻等是電視系統(tǒng)的重要參數(shù)，它影響著電視系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

電視圖像的寬高比：用W和H分別表示電視屏幕上顯示出來(lái)的圖像寬度和高度，兩者之比稱為圖像的寬高比，用

a表示為

(6.1.14)電視的幀頻為每秒電視屏幕變化的次數(shù)，即電視圖像的重復(fù)頻率。在電視中，采用如圖6-4所示的隔行掃描方式：第一場(chǎng)(稱奇數(shù)場(chǎng))掃描1、3、5、……奇數(shù)行，第二場(chǎng)(稱偶數(shù)場(chǎng))掃描2、4、6、……偶數(shù)行。兩行合起來(lái)構(gòu)成一幅畫面，稱為一幀。這樣，每秒鐘內(nèi)光柵重復(fù)50次，而實(shí)際上顯示的畫面只有25幅，即場(chǎng)頻50Hz，幀頻只有25Hz。圖6-4隔行掃描原理圖

6.2攝像管

6.2.1電視攝像的基本原理

電視技術(shù)是利用無(wú)線電子學(xué)或有線電子學(xué)的方法傳送和顯示遠(yuǎn)距離景物圖像的技術(shù)。攝像過(guò)程可具體分為以下三個(gè)步驟：

(1)攝像管光敏元件接受輸入圖像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將兩維空間分布的光強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)閮删S空間分布的電荷量。

(2)攝像管電荷存儲(chǔ)元件在一幀周期內(nèi)連續(xù)積累光敏元件產(chǎn)生的電荷量，并保持電荷量的空間分布，這一存儲(chǔ)電荷的元件稱為靶。

(3)攝像管電子槍產(chǎn)生空間兩維掃描電子束，在一幀周期內(nèi)完成全靶面的掃描，逐點(diǎn)掃描的電子束到達(dá)靶面的電荷量與靶面存儲(chǔ)的電荷量有關(guān)，受靶面存儲(chǔ)的電荷量控制，在輸出電路上產(chǎn)生與被掃描點(diǎn)光輻照強(qiáng)度成比例的電信號(hào)——即視頻信號(hào)。6.2.2攝像管的結(jié)構(gòu)與工作原理

為了完成攝像任務(wù)，攝像管必須具有圖像的寫入、存儲(chǔ)過(guò)程，即輸入的光學(xué)圖像照射在靶面上產(chǎn)生電荷(電位)圖像；圖像的閱讀、擦除過(guò)程，即掃描電子束從靶面上取出視頻信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)上述功能，一般真空攝像管應(yīng)具有如圖6-5所示的結(jié)構(gòu)，其主要由光電變換與存儲(chǔ)部分和信號(hào)閱讀部分兩大部分組成。圖6-5真空攝像管的一般結(jié)構(gòu)

1.光電變換與存儲(chǔ)部分

1)光電變換部分

光學(xué)圖像投射到攝像管的光敏面上，由于攝像管受照面的材料具有光電效應(yīng)，在攝像管的靶面上就建立起與入射照度分布相對(duì)應(yīng)的電位起伏，這就完成了光電變換的功能。

常見的光敏元件材料有光電發(fā)射體和光電導(dǎo)體。圖6-6光電導(dǎo)體的光電變換原理示意圖

2)電荷存儲(chǔ)與積累部分

由于光電變換所得到的瞬時(shí)信號(hào)很弱，所以現(xiàn)在攝像管均采用電荷積累元件。它在整個(gè)幀周期內(nèi)連續(xù)地對(duì)圖像上任一像元積累電荷信號(hào)。因?yàn)橐e累和存儲(chǔ)信號(hào)，所以在幀周期內(nèi)要求信號(hào)不能泄露。因此要求存儲(chǔ)元件應(yīng)具有足夠的絕緣能力，常用的存儲(chǔ)方式有二次電子發(fā)射積累(如圖6-7所示)、二次電子導(dǎo)電積累(如圖6-8所示)、電子轟擊感應(yīng)電導(dǎo)積累(如圖6-9所示)和光電導(dǎo)積累(如圖6-10所示)四種方式。圖6-7二次電子發(fā)射積累圖6-8二次電子導(dǎo)電積累圖6-9電子轟擊感應(yīng)電導(dǎo)積累圖6-10光電導(dǎo)積累

2.信號(hào)閱讀部分

從靶面上取出信號(hào)的任務(wù)由閱讀部分來(lái)完成。閱讀部分通常是掃描電子槍系統(tǒng)，它由細(xì)電子束的發(fā)射源、電子束聚焦系統(tǒng)和電子束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)三部分組成。

3.視頻信號(hào)的形成

視像管靶的膜層是連成一片的，然而它具有很高的電阻率(1012Ω·cm),以便能夠使在掃描面上各點(diǎn)積累的電荷不至于在一幀周期(如1/25s)內(nèi)泄露。這樣就可以把接收?qǐng)D像的靶面分割成很多像元，按我國(guó)的電視制式(PAL制)，一幀圖

像可分解為約50萬(wàn)個(gè)像元。每個(gè)像元可用一個(gè)電阻R和一個(gè)電容C來(lái)等效。電容C起存儲(chǔ)信息的作用，電阻R隨著光照度的增大而變小，無(wú)光照時(shí)R為暗電阻Rd，光照后R變?yōu)镽C(E),是與照度E有關(guān)的變量。

圖6-11給出了視像管信號(hào)輸出的等效電路。圖6-11視像管信號(hào)輸出的等效電路

6.3光電發(fā)射型攝像管與視像管

攝像管的種類很多，如光電發(fā)射型攝像管和光電導(dǎo)型攝像管，其結(jié)構(gòu)如圖6-12所示。按照其光敏面光電材料的光電效應(yīng)來(lái)區(qū)分，可分為兩大類型：一類是利用外光電效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，屬于這一類的有：超正析像管、二次電子導(dǎo)電攝像管(SEC)、分流管和硅靶電子倍增管等。圖6-12攝像管的結(jié)構(gòu)6.3.1光電發(fā)射型攝像管

1.超正析攝像管的工作原理(如圖6-13所示)

攝像時(shí)，來(lái)自景物輻射的光子照射在攝像管的光陰極上，產(chǎn)生光電子圖像。光電子在移像區(qū)均勻復(fù)合長(zhǎng)的聚焦和加速作用下，以(300~500)eV的能量成像在靶面上。靶由具有良好二次電子發(fā)射特性的介質(zhì)材料制成，它在高速光電子的轟擊下發(fā)射二次電子。這些二次電子被正電位的靶網(wǎng)所收集，從而在靶面上積累起正電荷圖像。圖6-13超正析攝像管的工作原理

2.二次電子導(dǎo)電攝像管(SEC)

SEC攝像管主要用于有光條件下的攝像，具有靈敏度高、分辨力高、動(dòng)態(tài)范圍寬、惰性小等優(yōu)點(diǎn)。SEC攝像管主要由移像區(qū)、靶和閱讀系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖6-14

所示。圖6-14

SEC攝像管的結(jié)構(gòu)

SEC射像管的移像區(qū)與超正析攝像管相同。其二次電子導(dǎo)電靶常用的材料是氯化鉀(KCl)，靶的斷面結(jié)構(gòu)如圖6-15所示。圖6-15

SEC靶的斷面結(jié)構(gòu)

3.電子轟擊型硅靶攝像管(EBS)

電子轟擊型硅靶攝像管是一種靈敏度極高的攝像管，簡(jiǎn)稱為EBS(ElectronBombardedSilicon)攝像管或SIT(SiliconIntensifiedTarget)攝像管。它廣泛地應(yīng)用于微光電視系統(tǒng)領(lǐng)域。

EBS攝像管的形狀與工作狀態(tài)與SEC攝像管極為相似，只是用硅靶取代了SEC靶，而EBS攝像管的靶又與硅靶攝像管的靶在結(jié)構(gòu)上基本相同。只是在光電子入射側(cè)N+層上，加鍍一層厚度10nm左右的鋁層，以屏蔽雜散光照射在靶面上而產(chǎn)生附加的光電導(dǎo)效應(yīng)。圖6-16硅增強(qiáng)靶攝像管硅靶攝像管中硅靶的結(jié)構(gòu)如圖6-17所示。靶的基底是N型單晶硅的薄片，厚度約為20μm。其上有大量微小的P型區(qū)，又稱為P型島，直徑約為(6~15)μm，厚度約為(2~4)μm，間距約為(15~25)μm。由P型島與N型基底之間構(gòu)成密集的光敏二極管(P-N)面陣，并在P型島之上覆蓋一層薄膜(SiO2)，厚度為(0.5~1)μm。在靶接受光照的表面上形成一層極薄的N+層，深度僅有0.2μm。在靶接受電子束掃描的表面上形成一層半導(dǎo)體膜，通常稱為電阻海。該層可選用碲化鎘(CdTe)或氮化鉿鉭，厚度小于1μm。圖6-17硅靶的結(jié)構(gòu)硅靶的N+層位于接受光照的表面，具有很高的導(dǎo)電率，因此N+層就構(gòu)成靶的信號(hào)輸出電極。工作時(shí)這一電極接以(5~15)V的靶壓，同時(shí)經(jīng)電子束掃描的P型島表面使之穩(wěn)定在零電位。這時(shí)硅靶的二極管面陣處于反偏置的工作狀態(tài)，其反偏壓就等于UΤ。由于反偏置使P-N結(jié)空間電荷區(qū)加寬，即耗盡區(qū)加厚，耗盡區(qū)的變化如圖6-18所示。圖6-18耗盡區(qū)的變化6.3.2光電導(dǎo)型攝像管——視像管

視像管是利用內(nèi)光電效應(yīng)將輸入的光學(xué)輻射圖像變換為電信號(hào)的攝像管，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便，是整個(gè)攝像管領(lǐng)域中發(fā)展最快、應(yīng)用最多最廣泛的一種。

在視像管中，光電導(dǎo)靶面既作為光電變換器，又作為電信號(hào)存儲(chǔ)與積累器。因此，這種攝像管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要組成部件有光電導(dǎo)靶、掃描電子槍、輸出信號(hào)電極和保持真空的管殼，其典型結(jié)構(gòu)如圖6-19所示。圖6-19視像管的典型結(jié)構(gòu)

1.注入型光電導(dǎo)靶

最具代表性的注入型光電導(dǎo)靶攝像管是用三硫化二碲(Sb2S3)光電導(dǎo)材料制成的靶。Sb2S3具有較好的光電導(dǎo)特性。最早應(yīng)用的視像管采用的就是Sb2S3。雖然它的惰性大、靈敏度低，但其具有制作工藝簡(jiǎn)單、成品率高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在大量使用攝像機(jī)的工業(yè)用閉路電視方面有著十分廣泛的應(yīng)用。

Sb2S3是均勻的介質(zhì)薄膜，Sb2S3靶面的結(jié)構(gòu)如圖6-20

所示。圖6-20三硫化二碲光電導(dǎo)靶的結(jié)構(gòu)

2.阻擋型光電導(dǎo)靶

最早出現(xiàn)的阻擋型光電導(dǎo)靶是用氧化鉛(PbO)半導(dǎo)體材料制成的。它具有靈敏度高、暗電流低及惰性小等優(yōu)點(diǎn)，是一款高性能的視像管。其名稱是Plumbicon。

氧化鉛光電導(dǎo)靶是阻擋型靶，結(jié)構(gòu)為N-I-P半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，如圖6-21所示。圖6-21氧化鋁光電導(dǎo)靶的結(jié)構(gòu)

3.異質(zhì)結(jié)光電導(dǎo)靶

由同一種半導(dǎo)體單晶體材料形成的結(jié)稱為同質(zhì)結(jié)；由不同質(zhì)半導(dǎo)體形成的結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)。

異質(zhì)結(jié)與同質(zhì)結(jié)的根本區(qū)別在于形成異質(zhì)結(jié)的兩種材料的禁帶寬度不同，因而接觸處的能級(jí)是不連續(xù)的。異質(zhì)結(jié)與同質(zhì)結(jié)相比有如下特點(diǎn)：

(1)結(jié)區(qū)兩側(cè)材料的禁帶寬度Eg不同，因而透光能力不同。

(2)結(jié)區(qū)兩側(cè)的折射率不同，所以折射率小的材料起反射層的作用。

(3)在異質(zhì)結(jié)界面處，能帶出現(xiàn)突變，因而影響載流子的傳輸。這種影響是動(dòng)力還是阻力，視具體情況而定。

(4)異質(zhì)結(jié)界面處通常存在著大量的界面態(tài)，其密度一般為(1012~1013)cm-3。由異質(zhì)結(jié)制成的靶稱為異質(zhì)結(jié)靶。采用異質(zhì)結(jié)靶可以解決均質(zhì)型光電導(dǎo)靶存在的靈敏度和惰性、靈敏度和存儲(chǔ)時(shí)間之間的矛盾。下面介紹硒化鎘(CdSe)與硒碲化鎘靶。

典型的硒化鎘(CdSe)異質(zhì)結(jié)靶的結(jié)構(gòu)如圖6-22所示。圖6-22硒化鎘異質(zhì)結(jié)靶的結(jié)構(gòu)硒碲化鎘靶(CdTe1-xSex)在硒化鎘靶的基礎(chǔ)上改進(jìn)了紅外響應(yīng)，將光譜響應(yīng)的長(zhǎng)波限由720nm延伸到1020nm。其異質(zhì)結(jié)靶的結(jié)構(gòu)如圖6-23所示。圖6-23硒碲化鎘異質(zhì)結(jié)靶的結(jié)構(gòu)硒碲化鎘靶具有如下的特點(diǎn)：

(1)從藍(lán)光到近紅外(波長(zhǎng)為(400~1020)nm)都有很好的光電靈敏度，光譜響應(yīng)的峰值在840nm波長(zhǎng)處，適宜于彩色攝像，可再現(xiàn)真實(shí)的色彩。

(2)硒碲化鎘靶攝像管的光電轉(zhuǎn)換特性呈線性，γ值為0.95，其光電靈敏度的典型值為2670μA/lm。

(3)硒碲化鎘靶攝像管的分辨力很高。因?yàn)榘械母唠娮鑼佑羞m宜的電阻率，并且靶的厚度較薄，所以分辨力只受到電子束在靶上的彌散限制，靶上電荷的橫向擴(kuò)散已成為次要因素。

(4)硒碲化鎘靶攝像管的暗電流較低。在靶的工作電壓為20V并處于室溫條件下，暗電流典型值為2nA。

(5)硒碲化鎘靶攝像管的惰性較大。因?yàn)榘械暮穸容^薄，靶的等效電容較大造成靶面掃描后殘余電位較高，因?yàn)樗诘谌龍?chǎng)掃描后仍有10%的殘余信號(hào)。

4.硅二極管陣列光電導(dǎo)靶

硅二極管陣列光電導(dǎo)靶簡(jiǎn)稱為硅靶，它也是結(jié)型光電導(dǎo)靶。硅具有良好的光電導(dǎo)效應(yīng)，并且容易制成P型和N型。但由于電阻率低，不能制成均勻連續(xù)的靶，電荷在橫向的擴(kuò)散將嚴(yán)重?fù)p失分辨力。為此硅靶采用硅平面工藝制成分立的P-N結(jié)硅光電二極管陣列結(jié)構(gòu)。硅靶攝像管的出現(xiàn)是攝像管發(fā)展史上的一個(gè)重要標(biāo)志。它具有壽命長(zhǎng)、靈敏度高和光譜響應(yīng)范圍寬等明顯優(yōu)點(diǎn)，但其分辨力和暗電流等特性較差。這種攝像管的名稱是Telecon。

6.4攝像器件的性能參數(shù)

6.4.1攝像管的靈敏度

靈敏度S是攝像管的一個(gè)極其重要的特性參數(shù)。它定義為輸出信號(hào)電流與輸入光通量(或照度)的比值，其單位為μA/lm或μA/lx。光電導(dǎo)攝像管的靈敏度公式為

(6.4.1)由于靶面每個(gè)像元接受光照的時(shí)間是電子束掃描時(shí)間的N倍，因此每個(gè)像元在幀周期Tf內(nèi)輸入的光通量為NΦ，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)電流為Is，利用光電導(dǎo)攝像管等效電路求解微分方程可得

(6.4.2)

(6.4.3)

(6.4.4)因?yàn)殡娮邮鴴呙杳總€(gè)像元的時(shí)間t0是幀周期的Tf的N分之一，所以

(6.4.5)

將式(6.4.2)、式(6.4.3)、式(6.4.4)和式(6.4.5)代入式(6.4.1)，則得到

(6.4.6)6.4.2攝像管的惰性

1．光電導(dǎo)惰性

1)靶面光電導(dǎo)的上升惰性

(1)單分子復(fù)合模型。當(dāng)靶面接受突變的光照時(shí)，光電導(dǎo)上升規(guī)律由下面的微分方程來(lái)確定

(6.4.7)

以初始條件t=0時(shí)Δn=0來(lái)求解這一方程，有

(6.4.8)

(2)雙分子復(fù)合模型。當(dāng)靶面接受突變的光照時(shí)，光電導(dǎo)上升規(guī)律由下面的微分方程來(lái)確定

(6.4.9)利用初始條件t=0，Δn=0解此方程，有

(6.4.10)

所以

(6.4.11)

2)靶面光電導(dǎo)的衰減惰性

(1)單分子復(fù)合模型。當(dāng)靶面照度截止時(shí)，光電導(dǎo)衰減規(guī)律由下面的微分方程確定

(6.4.12)

利用初始條件t=0，Δn=Lτa解此方程，得到

(6.4.13)

(2)雙分子復(fù)合模型。當(dāng)靶面照度截止時(shí)，光電導(dǎo)衰減規(guī)律符合下面的微分方程

(6.4.14)

利用初始條件t=0，Δn=Lτa解此方程，得到

(6.4.15)用單一能級(jí)的陷阱簡(jiǎn)化陷阱對(duì)光電導(dǎo)的作用。當(dāng)輸入照度較低并取單分子復(fù)合模型時(shí)，可列出如下兩個(gè)微分方程

(6.4.16)

(6.4.17)式中，Δn和ΔnH分別是載流子(電子)的密度和陷阱中的電子密度；HE和HT分別是陷阱對(duì)電子的俘獲率和釋放率。它們可分別表示為

(6.4.18)

(6.4.19)

式中，PH是電子被俘獲的幾率，熱平衡時(shí),HE=HT，因此

(6.4.20)由于照度很低，可以認(rèn)為多數(shù)陷阱是空的，即NH>>ΔnH，所以可將上式簡(jiǎn)化為

(6.4.21)

這表明在低照度下Δn和ΔnH的比值是與照度無(wú)關(guān)的常量g。利用式(6.4.17)和式(6.4.18)，可以寫出靶面停止光照時(shí)的微分方程

(6.4.22)

再將式(6.4.21)求一階導(dǎo)數(shù)，得

(6.4.23)將式(6.4.23)代入式(6.4.21)，得

(6.4.24)

根據(jù)初始條件t=0時(shí),Δn=Lτa,求解這一方程，其解為

(6.4.25)

比較式(6.4.13)和式(6.4.25)可知，當(dāng)有陷阱能級(jí)時(shí)光電導(dǎo)惰性的弛豫時(shí)間常數(shù)增大到(1+g)倍。由此可見,陷阱對(duì)光電導(dǎo)惰性的影響是很嚴(yán)重的。典型攝像管的惰性如圖6-24所示。圖6-24典型攝像管的惰性

2.電容性惰性

當(dāng)電子束掃描靶面時(shí)，靶面電位并不是立即下降到零電位，而是隨時(shí)間增加逐漸下降。這一下降規(guī)律取決于掃描電子束的等效電阻和靶的等效電容。由此造成靶面在電子束掃描后仍有殘余電荷，從而產(chǎn)生惰性。由于這種惰性是因靶的電容引起的，因此稱為電容性惰性。

掃描電子束到達(dá)靶面形成著靶電流，這一著靶電流的

數(shù)值與靶面的電位有關(guān)，經(jīng)實(shí)測(cè)兩者的關(guān)系曲線如圖6-25所示。圖6-25著靶電流與靶面電位的關(guān)系曲線6.4.3攝像管的分辨力

1.垂直分辨力(或稱為分解力)

在整個(gè)畫面上，沿垂直方向所能分辨的像元數(shù)或黑白相間的水平等寬矩形條紋數(shù)稱為垂直分辨力。例如，若能夠分辯800行，即稱垂直分辨力為800TVL。圖6-26掃描線位置對(duì)垂直分辨力的影響

2.水平分辨力

在整個(gè)畫面上，沿水平方向所能分辨的像元數(shù)稱為水平分辨力，習(xí)慣上也用電視線來(lái)表示。

由于在水平方向上，掃描電子束是連續(xù)移動(dòng)的，所以它同垂直方向上的情況不同。因此兩者的分辨力也不相等。除了靶和屏以外，影響水平分辨力的因素主要還有以下幾種：

(1)掃描電子束落點(diǎn)尺寸的影響，如圖6-27所示。由于以直徑為d的束點(diǎn)進(jìn)行掃描，所以使黑白邊界變得模糊，模糊的范圍與d相等。束點(diǎn)尺寸對(duì)水平分辨力的影響稱之為孔闌效應(yīng)。為了減小孔闌效應(yīng)，應(yīng)縮小束點(diǎn)的水平尺寸。圖6-27掃描電子束落點(diǎn)尺寸對(duì)水平分辨力的影響

(2)信道頻帶寬度的影響。電子束掃描靶面時(shí)，像元上的信號(hào)接連不斷的輸送出去，像元數(shù)越多，輸出脈沖頻率越高。這就要求信道有足夠的帶寬。如果帶寬不夠，就會(huì)限制水平分辨力。根據(jù)我國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn)，可以算出信道帶寬為

(6.4.26)

攝像管的分辨力通常以TVL或電視的行/高表示，也可以換算成以lp/mm表示的分辨力，即

(6.4.27)例如,某攝像管的分辨力為400TVL，靶面有效直徑為16mm，則靶面上的分辨力應(yīng)為

(6.4.28)6.4.4攝像管的其他特性參數(shù)

1.攝像管的信噪比

輸出視頻信號(hào)電流峰-峰值與輸出電流中所含噪聲均方根值的比值定義為攝像管的信噪比。攝像管的噪聲來(lái)源有很多，主要有：

(1)光子、光電子、載流子、二次電子發(fā)射電子和掃描電子的散粒噪聲。

(2)載流子的產(chǎn)生——復(fù)合噪聲。

(3)熱噪聲。

(4)1/f噪聲。

(5)預(yù)放器噪聲。

2.光電轉(zhuǎn)換特性(γ特性)

光電轉(zhuǎn)換特性表征輸出視頻信號(hào)電流Is，與光敏面上的輻照度E的關(guān)系曲線，如圖6-28所示。此關(guān)系曲線通?？捎孟率奖硎?/p>

(6.4.29)

由式(6.4.29)可知，γ值就是以雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示的光電轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率，又稱為灰度系數(shù)。用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示的光電轉(zhuǎn)換特性如圖6-29所示。圖6-28光電轉(zhuǎn)換特性曲線圖6-29對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示的光電轉(zhuǎn)換特性

3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍

攝像管所能允許的光照強(qiáng)度變化的范圍稱之為動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，其下限決定于低照度下的信噪比，而上限則決定于靶面存儲(chǔ)電荷的能力。通常靶的電位起伏最高限為幾伏，否則會(huì)影響電子束的聚焦與邊緣電子束的著靶。

6.5

CCD電荷耦合成像器件

6.5.1

CCD的基本結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)原理

1.CCD的物理基礎(chǔ)

CCD是基于MOS(金屬-氧化物半導(dǎo)體)電容器在非穩(wěn)定態(tài)下工作的一種器件。單個(gè)CCD的基本結(jié)構(gòu)(MOS結(jié)構(gòu))如圖6-30的(a)和(b)所示。圖6-30單個(gè)CCD的基本結(jié)構(gòu)(MOS結(jié)構(gòu))構(gòu)成CCD的基本單元MOS(MetalOxideSemiconductor)結(jié)構(gòu)，柵極電壓變化對(duì)耗盡區(qū)的影響如圖6-31的(a)和(b)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(dāng)柵極施加正電壓Ug(此時(shí)Ug小于P型半導(dǎo)體的閾值電壓Uth)時(shí)，P型半導(dǎo)體中的空穴將被排斥，并在半導(dǎo)體中產(chǎn)生耗盡層。Ug繼續(xù)增加，耗盡層將繼續(xù)向半導(dǎo)體內(nèi)延伸。當(dāng)Ug大于Uth后，耗盡層的深度將與Ug的大小成正比變化。圖6-31柵極電壓變化對(duì)耗盡區(qū)的影響

2.MOS電容器的電荷存儲(chǔ)原理

在MOS電容器上施加足夠大的柵極電壓，使半導(dǎo)體的界面處能帶向下彎曲而形成反型層。在電壓加到柵極上的瞬間，在介電弛豫時(shí)間(約10-12s)內(nèi)，金屬電極上感應(yīng)生成正電荷，而半導(dǎo)體中只有多子(空穴)能跟上變化，少子(電子)取決于“產(chǎn)生-復(fù)合”過(guò)程而跟不上這個(gè)變化(還來(lái)不及產(chǎn)生)，反型層也還沒有形成(盡管Ug>Uth)，因此有N個(gè)空穴從表面流向體內(nèi)，體內(nèi)則有同樣數(shù)目的空穴流向底電極以保持體內(nèi)的電中性。而在界面層內(nèi)留下了同樣數(shù)目的離化受主。

3.CCD器件的電荷耦合(傳輸)

為了理解在CCD中勢(shì)阱及電荷是如何從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置的，可觀察圖6-32所示的4個(gè)彼此靠得很近的電極在加上不同電壓情況下，勢(shì)阱與電荷的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。圖6-32三相電荷的轉(zhuǎn)移過(guò)程

4.CCD的結(jié)構(gòu)

1)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)通常按照每位采用的電極相數(shù)來(lái)劃分。對(duì)于普通結(jié)構(gòu)的CCD，為了使電荷包單向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)的CCD，也可以采用二相供電或四相供電等方式。

(1)三相CCD是最簡(jiǎn)單的電極結(jié)構(gòu)。

(2)二相CCD的電極結(jié)構(gòu)。圖6-33二相時(shí)鐘的電極結(jié)構(gòu)圖6-34二相多晶硅柵極結(jié)構(gòu)圖6-35給出的是使電極有方向性的二相CCD的轉(zhuǎn)移過(guò)程和二相時(shí)鐘波形。為方便分析，假定Uth=0。當(dāng)t=t1時(shí)，Φ1=0,Φ2=U。因此電極1下面無(wú)勢(shì)阱，電極2下面有臺(tái)階狀勢(shì)阱。圖6-35二相CCD的轉(zhuǎn)移過(guò)程和時(shí)鐘波形二相時(shí)鐘波形的脈沖波形如圖6-36所示，并且波形不重疊。t1~t5脈沖的電荷包由電極1下面轉(zhuǎn)移到電極2下面。同樣，t6~t7脈沖的電荷包由電極2下面轉(zhuǎn)移到電極3下面。t7~t8間隔是I/O間隔。圖6-36二相時(shí)鐘的脈沖波形二相CCD結(jié)構(gòu)采用工作模式驅(qū)動(dòng)，即一個(gè)柵極電極加一定的直流偏壓，另一個(gè)柵極電極加時(shí)鐘脈沖，其工作原理如圖6-37所示，將Φ1固定，只改變?chǔ)?即可，幅值要比直流偏壓高一倍。雖然這種工作模式比一般的二相方式的時(shí)鐘脈沖擺幅要大些，但驅(qū)動(dòng)的外圍電路可以簡(jiǎn)化。圖6-37單時(shí)鐘脈沖二相CCD

(3)四相CCD電極結(jié)構(gòu)。四相電極CCD的電極結(jié)構(gòu)如圖6-38所示。奇數(shù)電極位于厚SiO2上，偶數(shù)電極位于薄SiO2上。因此即使在同一柵極電壓下，偶數(shù)電極下面的耗盡層要深一些。圖6-39所示的是四相CCD的時(shí)鐘波形，圖6-40所示的是其電勢(shì)分布以及轉(zhuǎn)移過(guò)程圖。圖6-40(a)是四相結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化形勢(shì)。當(dāng)t=t1時(shí)，Φ1=Φ3=Φ4=0,Φ2=U。因此如圖6-40(b)所示，僅在電極2下面存在勢(shì)阱。如果此時(shí)該勢(shì)阱積累有電荷包，則在t=t2時(shí)，Φ1=Φ3=0,Φ2=Φ4=U，如圖6-40(c)所示，第二個(gè)勢(shì)阱在電極4下面。從t3到t6的轉(zhuǎn)移如圖6-40(d)

~6-40(g)所示。圖6-38四相CCD的電極結(jié)構(gòu)圖6-39四相CCD的時(shí)鐘波形圖6-40四相CCD的電勢(shì)分布與轉(zhuǎn)移過(guò)程

2)轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)

CCD的轉(zhuǎn)移溝道有兩種形式，即表面溝道和體內(nèi)或埋溝道的形式。前者稱為表面CCD，簡(jiǎn)記為SCCD；后者稱為埋溝CCD，簡(jiǎn)記為BCCD。前面介紹的都是表面CCD，下面簡(jiǎn)單介紹埋溝CCD。

3)輸入、輸出結(jié)構(gòu)

典型CCD的輸入、輸出結(jié)構(gòu)如圖6-41所示。在CCD的主體兩端分別加上輸入二極管(ID)和輸入柵(IG)構(gòu)成電荷的輸入結(jié)構(gòu)，輸出控制柵(OG)和輸出二極管(OD)構(gòu)成電荷的輸出結(jié)構(gòu)，三相二位CCD的結(jié)構(gòu)如圖6-42所示。圖6-41典型CCD的輸入、輸出結(jié)構(gòu)圖6-42三相二位CCD的結(jié)構(gòu)

(1)電荷的注入和檢測(cè)。在CCD中，電荷注入的方式很多，歸納起來(lái)，可分為光注入和電注入的方法向勢(shì)阱注入信號(hào)電荷。

光注入就是對(duì)光敏區(qū)的光敏元柵極施加正電壓，使柵極下產(chǎn)生耗盡勢(shì)阱，則光敏區(qū)產(chǎn)生的光生載流子被收集到這個(gè)勢(shì)阱中。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵為高電平時(shí)，信號(hào)電荷將從寄存區(qū)轉(zhuǎn)移到水平位移寄存器，完成光注入。當(dāng)光照射CCD硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集到勢(shì)阱中并形成信號(hào)電荷。光注入方式又可分為正面照射式和背面照射式。在背面照射(CCD攝像器件的光敏單元為光注入方式)這種方式下，光注入電荷QIP為

(6.5.1)①電流注入法。電流注入法如圖6-43(a)圖所示，由N+擴(kuò)散區(qū)和P型襯底構(gòu)成注入二極管。IG為CCD的輸入柵，其上加適當(dāng)?shù)恼珘阂员３珠_啟并作為基準(zhǔn)電壓，模擬輸入U(xiǎn)IN信號(hào)加在輸入二極管D極上。當(dāng)Φ2為高電平時(shí)，可將N+區(qū)(D極)看成是MOS晶體管的源極，IG為其柵極，而Φ2為漏極。當(dāng)工作在飽和區(qū)時(shí)，輸入柵下溝道電流為

(6.5.2)式中，W為信號(hào)溝道寬度；Lg為注入柵的長(zhǎng)度；μ為載流子表面遷移率；C為注入柵電容。經(jīng)過(guò)Tc時(shí)間注入后，Φ2下勢(shì)阱的信號(hào)電荷量Qs為

(6.5.3)

可見這種注入方式的信號(hào)電荷Qs不僅依賴于UIN和Tc，而且與輸入二極管所加偏壓U的大小有關(guān)。因此Qs與UIN的線性關(guān)系較差。圖6-43電荷的注入②電壓注入法。電壓注入法如圖6-43(b)所示，電壓注入法和電流注入法類似，也是把信號(hào)加到源極擴(kuò)散區(qū)上，所不同的是輸入柵IG電極上加上與Φ2同相位的選通脈沖，其

寬度小于Φ2的脈寬。

(2)電荷的檢測(cè)。電荷的檢測(cè)也稱為輸出方式。信號(hào)電荷經(jīng)輸入結(jié)構(gòu)變成大小不同的電荷包后，就在時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下沿CCD溝道轉(zhuǎn)移，很快轉(zhuǎn)移到輸出端的最后一個(gè)時(shí)鐘電極下面。如何將電荷包無(wú)破壞地檢測(cè)出來(lái)是輸出結(jié)構(gòu)的任務(wù)。目前CCD的輸出方式主要有電流輸出、浮置擴(kuò)散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。①電荷的輸出。電荷輸出如圖6-44(a)所示，電荷輸出方式由反向偏置二極管、二極管偏置電阻R、源極輸出放大器和復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管UR等單元構(gòu)成。信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移脈沖Φ1、Φ2的驅(qū)動(dòng)下向右轉(zhuǎn)移到最末一級(jí)下的勢(shì)阱中，當(dāng)Φ2電極上的電壓由高變低時(shí)，由于勢(shì)阱的提高，信號(hào)電荷將通過(guò)輸出柵OG(加有恒定電壓)下的勢(shì)阱進(jìn)入反向偏置的二極管(圖6-42(a)中的N+區(qū))中。二極管收集信號(hào)電荷來(lái)控制A點(diǎn)電

位的變化。由電源UD的內(nèi)阻R、襯底P和N+區(qū)構(gòu)成的輸出二極管反

向偏置電路，對(duì)電荷電子來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)很深的勢(shì)阱。進(jìn)入反向偏置的二極管中的電荷，將產(chǎn)生電流ID，且ID的大小與注入二極管中的信號(hào)量Qs成正比，與R成反比。電阻R是制作在CCD器件內(nèi)部的固定電阻，阻值為常數(shù)。所以，輸出電流ID與注入二極管中的電荷量Qs呈線性關(guān)系，且

Qs=IDdt

(6.5.4)②浮置擴(kuò)散放大器輸出。浮置擴(kuò)散放大器輸出如圖6-44(b)所示，前置放大器與CCD同做在一個(gè)硅片上，T1為復(fù)位管，T2為放大管。復(fù)位管在Φ2下的勢(shì)阱未形成之前，在RG端加復(fù)位脈沖Φk，使復(fù)位管導(dǎo)通，把浮置擴(kuò)散區(qū)剩余電荷抽走，復(fù)位到UDD。而當(dāng)電荷到來(lái)時(shí)，復(fù)位管截止，由浮置擴(kuò)散區(qū)收集的

信號(hào)電荷來(lái)控制T2管柵極電位變化，設(shè)電位變化量為ΔU，則有

(6.5.5)

式中，CFD為浮置擴(kuò)散區(qū)有關(guān)的總電容，包括浮置二極管勢(shì)壘電容Cd；OG、DG與FD之間的耦合電容C1、C2及晶體管的輸入電容Cg，即

CFD=Cd+C1+C2+Cg

(6.5.6)

經(jīng)放大器放大KU倍后，輸出的信號(hào)

(6.5.7)

以上兩種輸出機(jī)構(gòu)均為破壞性的一次性輸出。圖6-44電荷輸出電路③浮置柵放大器輸出。浮置柵放大器輸出如圖6-44(c)所示，T2的柵極不是直接與信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵線相連。當(dāng)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道時(shí)，在浮置柵上感應(yīng)出鏡像電荷，以此來(lái)控制T2的柵極電位，達(dá)到信號(hào)檢測(cè)與放大的目的。顯然，這種機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中進(jìn)行非破壞性檢測(cè)。轉(zhuǎn)移到Φ2下的電荷所引起的浮置柵上的電壓的變化ΔUFG為

(6.5.8)6.5.2

CCD的性能參數(shù)

1.轉(zhuǎn)移效率η和轉(zhuǎn)移損失率ε

電荷轉(zhuǎn)移效率是表征CCD性能好壞的重要指標(biāo)。把一次轉(zhuǎn)移后，到達(dá)下一個(gè)勢(shì)阱中的電荷與原來(lái)勢(shì)阱中的電荷之比稱為轉(zhuǎn)移效率η。

(6.5.9)

如果轉(zhuǎn)移損失率定義為

(6.5.10)則轉(zhuǎn)移效率η和轉(zhuǎn)移損失率ε關(guān)系為

(6.5.11)

式中,Q(0)為t=0時(shí)某電極下的電荷；當(dāng)Q(t)為時(shí)間t時(shí)，大多數(shù)電荷在電場(chǎng)作用下向下一個(gè)電極轉(zhuǎn)移，但總有一小部分電荷由于某種原因被留在該電極下的電荷。理想情況下η應(yīng)等于1，但實(shí)際上電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中有損失。所以，總是η小于1，常為0.9999以上，一個(gè)Q(0)的電荷包，經(jīng)過(guò)n次轉(zhuǎn)移后，所剩下的電荷Q(n)為

(6.5.12)

這樣，n次轉(zhuǎn)移前后電荷的關(guān)系為

(6.5.13)

2.工作頻率f

1)決定工作頻率下限的因素

為了避免由于熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子對(duì)于注入信號(hào)的干擾，注入電荷從產(chǎn)生一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所用的時(shí)間，必須小于少數(shù)載流子的平均壽命τ，即t<τ。

在正常工作條件下，對(duì)于三相CCD，則t=T/3=1/3f，故

(6.5.14)

可見，工作頻率的下限與少數(shù)載流子的壽命有關(guān)。

2)工作頻率上限

當(dāng)工作頻率升高時(shí)，若電荷本身從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所需的時(shí)間t大于驅(qū)動(dòng)脈沖使其轉(zhuǎn)移的時(shí)間為T/3，那么，信號(hào)電荷跟不上脈沖驅(qū)動(dòng)的變化，將會(huì)使轉(zhuǎn)移效率大大下降，為此要求t≤1/3t，即

(6.5.15)6.5.3

CCD成像器件

1.工作原理

電荷耦合攝像器件是用于攝像或像敏的器件，簡(jiǎn)稱為ICCD。它的功能是把二維光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S時(shí)序的視頻信號(hào)輸出。

1)線型CCD攝像器件的兩種基本形式

(1)單溝道線型ICCD。單邊傳輸如圖6-45(a)所示為三相單溝道線型ICCD的結(jié)構(gòu)。由圖6-45可見，光敏列與轉(zhuǎn)移區(qū)——移位寄存器是分開的，移位寄存器被遮擋。這種器件在光積分周期里，光柵電極電壓為高電平，光敏元在光的作用下產(chǎn)生電荷并存儲(chǔ)在光敏MOS電容勢(shì)阱中，當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖到來(lái)時(shí)，線型光敏陣列勢(shì)阱中的信號(hào)電荷并行轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器中，最后在時(shí)鐘脈沖的作用下一位一位地移出器件，形成視頻脈沖信號(hào)。圖6-45線型CCD攝像器件

(2)雙溝道線型ICCD。雙邊傳輸如圖6-45(ｂ)所示，它具有兩列CCD移位寄存器A與B，分列在像敏陣列的兩邊。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵A與B為高電位(對(duì)于N溝道器件)時(shí)，光積分陣列的信號(hào)電荷包同時(shí)按箭頭方向轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的移位寄存器內(nèi)，然后在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，分別向左轉(zhuǎn)移，最后以視頻信號(hào)輸出。顯然，同樣像敏單元的雙溝道線陣ICCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率也大大提高。因此一般高于256位的線陣ICCD都為雙溝道。

2)面陣ICCD

按一定的方式將一維線型ICCD的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構(gòu)成二維面陣ICCD。由于排列方式不同，面陣ICCD常有幀轉(zhuǎn)移、隔列轉(zhuǎn)移和線轉(zhuǎn)移三種。

(1)幀轉(zhuǎn)移面陣ICCD。圖6-46所示的是三相幀轉(zhuǎn)移面陣CCD的結(jié)構(gòu)。圖6-46三相幀轉(zhuǎn)移面陣ICCD的結(jié)構(gòu)

(2)隔列轉(zhuǎn)移面陣ICCD。其結(jié)構(gòu)如圖6-47所示，它的像敏單元呈二維排列，每列像敏單元被遮光的讀出寄存器(垂直CCD)及溝阻隔開，像敏單元與讀出寄存器之間又有轉(zhuǎn)移控制柵。由圖6-45可見，每一像敏單元對(duì)應(yīng)于兩個(gè)遮光的讀出寄存器單元。讀出寄存器與像敏單元的另一側(cè)被溝阻隔開。由于每列像敏單元均被讀出寄存器所隔開，因此這種面陣ICCD稱為隔列轉(zhuǎn)移面陣ICCD。圖6-47隔列轉(zhuǎn)移面陣ICCD的結(jié)構(gòu)

(3)線轉(zhuǎn)移面陣ICCD。這種轉(zhuǎn)移方式與前兩種方式相比，取消了存儲(chǔ)區(qū)線轉(zhuǎn)移面陣ICCD的結(jié)構(gòu)如圖6-48所示，多了一個(gè)線尋址電路(圖6-48中的①)。它的像敏單元一行一行地緊密排列，很類似于幀轉(zhuǎn)移型ICCD的光敏區(qū)，但它的每一行都有一定的地址。它沒有水平讀出寄存器，只有一個(gè)輸出寄存器(圖6-48中的③)，當(dāng)線尋址電路選中某一行像敏單元時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖將使該行的光生電荷包一位一位地按箭頭方向轉(zhuǎn)移，并移入輸出寄存器，輸出寄存器亦在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下使信號(hào)電荷包經(jīng)輸出端輸出。圖6-48線轉(zhuǎn)移面陣ICCD的結(jié)構(gòu)

2.ICCD的基本特性參數(shù)

１)光電轉(zhuǎn)換特性

在ICCD中，電荷包是由入射光子被襯底硅吸收而產(chǎn)生的少數(shù)載流子所形成的，因此它具有良好的光電轉(zhuǎn)換特性。它的光電轉(zhuǎn)換因子可達(dá)到99.7%。

2)光譜響應(yīng)

ICCD接受光照有正面光照和背面光照兩種形式。

3)動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是指勢(shì)阱的最大電荷存儲(chǔ)量(輸出飽和電壓)與噪聲的峰-峰值電壓之比，即

(6.5.16)

式中，Vsat為輸出飽和電壓；Vp-p為噪聲的峰-峰值。典型

的電荷包最大值為2×106個(gè)電子。最大的動(dòng)態(tài)范圍一般為

80dB左右。

4)暗電流

在正常工作的情況下，MOS電容處于非平衡狀態(tài)。但隨著時(shí)間的推移，由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子使系統(tǒng)趨向平衡。因此即使在沒有光照或其他方式對(duì)器件進(jìn)行電荷注入的情況下，也會(huì)存在暗電流。暗電流是大多數(shù)攝像器件所共有的特性，是判斷一個(gè)攝像器件好壞的重要指標(biāo)。暗電流在整個(gè)攝像區(qū)域不均勻時(shí)，更是如此。產(chǎn)生暗電流的主要原因有：

(1)耗盡的硅底中電子自價(jià)帶至導(dǎo)帶的本征躍遷。

(2)少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴(kuò)散。

(3)來(lái)自SiO2表面引起的暗電流。

(4)Si-SiO2界面表面引起的暗電流。

5)分辨力

分辨力是圖像傳感器的重要特性，常用光學(xué)傳遞函數(shù)(OTF)中的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來(lái)評(píng)價(jià)。圖6-49為寬帶光源(白熾光源)與窄帶光源(單色光源)照明下某線陣ICCD的MTF曲線。圖6-49(a)和(b)中的橫坐標(biāo)為歸一化的空間頻率，縱坐標(biāo)為其模傳遞函數(shù)。圖6-49某線陣ICCD的MTF曲線6.6CMOS圖像傳感器

1.CMOS圖像傳感器

1)CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理

CMOS圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換原理與CCD基本相同，其光敏單元受到光照后產(chǎn)生光生電子。而其信號(hào)的讀出方式與CCD不同，每個(gè)CMOS像素傳感單元都有自己的緩沖放大器，而且可以被單獨(dú)選址和讀出。

圖6-50上部給出了光敏二極管和MOS三極管組成的相當(dāng)于一個(gè)像元的模型結(jié)構(gòu)剖面，在光積分期間，MOS三極管截止，光敏二極管隨入射光的強(qiáng)弱產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的載流子并存儲(chǔ)在源極的P-N結(jié)部位上。圖6-50光敏二極管