《光電技術(shù)》PPT課件

1、光電成象器件是指能夠輸出圖像信息的一類器件。,它包括真空成象器件和固體成象器件兩大類。,真空成象器件又包括：變象管、象增強(qiáng)器、攝象管。變象管是使不可見光圖像變?yōu)榭梢姽鈭D像的器件，象增強(qiáng)器是使微弱光圖像變?yōu)榭梢姽鈭D像的器件，攝象管是使光學(xué)圖像變?yōu)殡娨曅盘?hào)的器件。,固體成象器件是通過特殊的結(jié)構(gòu)與電路以自掃描的方式讀出電信號(hào)再通過顯示器件成象的器件。,光電成象器件在國防、工業(yè)、新聞、醫(yī)學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，具有很強(qiáng)的生命力。,變象管是把不可見光圖像變?yōu)榭梢姽鈭D像的真空光電管，象增強(qiáng)器是把亮度很低的光學(xué)圖像增強(qiáng)到足夠亮度圖像的真空光電管。統(tǒng)稱它們?yōu)橄蠊堋?象管通常有三個(gè)基本部分，即光電陰極、

2、電子光學(xué)系統(tǒng)、熒光屏。如圖所示。,光電陰極使亮度很低的光學(xué)圖像或不可見光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成光電子圖像，在超高真空管內(nèi)，這些光電子從外部高壓電源獲取能量，,并受電子光學(xué)透鏡聚焦，高速轟擊熒光屏，從而產(chǎn)生人眼可見的相應(yīng)光學(xué)圖像。,一、象管基本結(jié)構(gòu),1.光電陰極,光電陰極是涂覆于光窗內(nèi)壁的光電發(fā)射材料薄膜。常用的光電陰極有：銻銫光電陰極，多堿光電陰極等。,2.電子光學(xué)系統(tǒng),電子光學(xué)系統(tǒng)有電聚焦和磁聚焦兩種形式。,靜電聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖：,磁聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖：,管外的線圈用來使管內(nèi)產(chǎn)生平行于管軸的磁場，以形成磁透鏡。磁聚焦的優(yōu)點(diǎn)是聚焦作用強(qiáng)，容易調(diào)節(jié)，也容易保證邊緣像差。,缺點(diǎn)是管子外有長螺旋線圈和直

3、流激磁等，使整個(gè)設(shè)備的尺寸、重量增加，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。,3. 熒光屏,熒光屏的作用是將電子動(dòng)能轉(zhuǎn)換成光能。對(duì)熒光屏的要求是不僅應(yīng)具有高的轉(zhuǎn)換效率，而且屏的發(fā)射光譜要同人眼或與之耦合的下級(jí)光電陰極的響應(yīng)一致。,常用熒光屏發(fā)光材料的光譜發(fā)射:,二、圖象增強(qiáng)技術(shù),為了增強(qiáng)圖像的亮度，經(jīng)歷了三代象增強(qiáng)器。,1. 第一代像增強(qiáng)器,將幾個(gè)分立的單級(jí)圖像增強(qiáng)管組合起來，構(gòu)成級(jí)聯(lián)式圖像增強(qiáng)管。如圖：,每個(gè)單級(jí)管的輸入窗和輸出窗都是由光纖面板制成，它的亮度增益可達(dá)105。,2. 第二代像增強(qiáng)器,第二代像增強(qiáng)器是用微通道板（Microchannel plates，MCP）實(shí)現(xiàn)單級(jí)高增益圖像增強(qiáng)。,MCP是一種大面積微

4、通道電子倍增器，它由二次電子發(fā)射系數(shù)較高的含鉛玻璃制成。,微通道板的結(jié)構(gòu)如圖：,微通道板是一塊被加工成薄片（0.4至幾個(gè)毫米）的空芯玻璃纖維二維陣列。,每個(gè)空芯管內(nèi)徑650m，長徑比約為40/180/1，薄片端面法線相對(duì)于微通道軸心線的偏置角為510。通道內(nèi)壁覆蓋一層高阻二次電子發(fā)射膜。在微通道板的兩端加上高的直流電壓（約kV）后，在每個(gè)微管道內(nèi)即形成極強(qiáng)的電場。,當(dāng)光敏面發(fā)射的電子進(jìn)入微管道后，在強(qiáng)電場作用下與管壁多次碰撞，由于高的二次電子發(fā)射（二次發(fā)射系數(shù) 1），使得n次轟擊內(nèi)壁后在輸出端會(huì)得到n個(gè)電子，從而實(shí)現(xiàn)了電子倍增作用。一般10kV的MCP可得到105106的電子增益。,微通道板像

5、增強(qiáng)器的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，而且由于微通道板的增益與所加偏壓有關(guān)，因此可以通過調(diào)整工作偏壓來調(diào)整增益。另外，微通道板像增強(qiáng)器有自動(dòng)防強(qiáng)光的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)楫?dāng)微通道板工作在飽和狀態(tài)時(shí)，輸入電流再怎么增加而輸出仍保持不變，因此，可以保持熒光屏在強(qiáng)光下不致于被“灼傷”。,雙近貼式光電陰極、微通道板、熒光屏相互靠得很近。一般光電陰極與微通道板的距離小于0.1mm，微通道板與熒光屏之間的距離小于0.5mm。,微通道板像增強(qiáng)器主要有兩種：雙近貼式和倒像式。,雙近貼式微通道板像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)：,光電陰極發(fā)射的光電子直接打到MCP上。這種管子體積小，重量輕，使用方便，但像質(zhì)和分辨率較差。,倒像式微通道板像增強(qiáng)器結(jié)

6、構(gòu)如圖：,倍增后，在均勻電場作用下直接投射到熒光屏上。因?yàn)樵跓晒馄辽纤傻南裣鄬?duì)于光電陰極來說是倒像，故稱為倒像管。這種管子具有較高的分辨率和像質(zhì)。,第三代圖像增強(qiáng)器是第二代像增強(qiáng)器的微通道板結(jié)構(gòu)配以負(fù)電子親和勢光電陰極。負(fù)電子親和勢光電陰極不僅在可見光范圍有較高的靈敏度，而且在近紅外區(qū)也有比銀氧銫光電陰極高的量子效率，因此，這種圖像增強(qiáng)器能同時(shí)起到光譜變換和微光增強(qiáng)的作用。,倒像式是在管內(nèi)熒光屏前插入微通道板，微通道板的輸出端與熒光屏之間仍采用近貼式。由光纖面板上的光電陰極發(fā)射的光電子圖像，經(jīng)靜電透鏡聚焦在MCP上，MCP將電子圖像,3. 第三代圖像增強(qiáng)器,能夠輸出視頻信號(hào)的真空光電管稱為攝

7、像管。,攝像管的種類很多，按光電變換形式進(jìn)行分類，基本上分為兩類。,一類是利用外光電效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，稱光電發(fā)射型攝像管。,屬于光電發(fā)射型攝像管這一類的有：超正析管、二次電子導(dǎo)電攝像管（SEC）、分流管、硅靶電子倍增管等。,另一類是利用內(nèi)光電效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，統(tǒng)稱為視像管。,屬于視像管這一類的有硫化銻管(Sb2S3)、氧化鉛管(PbO)、硅靶管和異質(zhì)結(jié)靶管等。,一、結(jié)構(gòu)原理,攝像管基本結(jié)構(gòu)如圖：,光電發(fā)射型攝像管圖像質(zhì)量高，惰性極小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，調(diào)整麻煩，所以目前除特殊場合外一般用得較少。視像管結(jié)構(gòu)簡單，體積小，使用方便，在電視領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。,攝像管的作用是把入射的

8、光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)并輸出，它應(yīng)具有三個(gè)基本功能：光電變換、光電信號(hào)存儲(chǔ)和掃描輸出。,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。,掃描裝置形成的掃描線按一定的軌跡串行、逐點(diǎn)地采集這些轉(zhuǎn)換后的電量形成輸出信號(hào)。,掃描線經(jīng)過某一點(diǎn)的時(shí)間只占掃描整個(gè)光敏面所需周期的極小部分，為了提高檢測靈敏度，每個(gè)光敏點(diǎn)在掃描周期內(nèi)應(yīng)不間斷地對(duì)轉(zhuǎn)換后的電量進(jìn)行積累，這種功能就是光電信號(hào)的積分存儲(chǔ)。,盡管攝像管種類繁多，但其工作原理基本相同，下面以氧化鉛（PbO）攝像管為例予以說明。,氧化鉛攝像管結(jié)構(gòu)示意圖：

9、,被攝物經(jīng)物鏡成像在光電靶上。光電靶既能完成光電變換又能存儲(chǔ)信號(hào)，結(jié)構(gòu):,靶向著景物的一側(cè)為信號(hào)極，它是噴涂在玻璃板上的一層透明金屬氧化物導(dǎo)電層，如氧化亞錫信號(hào)板，具有較高的透射率和電導(dǎo)率。信號(hào)極引出的電極為信號(hào)電極，通過負(fù)載電阻施加靶壓。靶的另一側(cè)為光敏層。光敏層由三層很薄的半導(dǎo)體材料組成。與透明導(dǎo)電膜相連接的是N型氧化鉛半導(dǎo)體，稱N層；中間一層是氧化鉛本征半導(dǎo)體，稱I層；受電子束掃描的一層是氧化鉛P型半導(dǎo)體，稱P層?？梢?，氧化鉛靶具有PIN光電二極管結(jié)構(gòu)。,工作時(shí)，N層與靶壓正極相連，光電二極管處于反向偏置，靶壓幾乎全加在I層上。景物成像在光電靶上，在光電二極管內(nèi)產(chǎn)生光生載流子。在強(qiáng)電場作

10、用下幾乎全部參加導(dǎo)電，因而光電轉(zhuǎn)換效率高。且因光電二極管反向偏置，暗電流很小。圖像使光電靶上各點(diǎn)照度不同，在光電二極管內(nèi)產(chǎn)生不同數(shù)量的電子-空穴對(duì)。,電子-空穴對(duì)在反向電場作用下分別到達(dá)靶的兩側(cè)，使得靶的掃描面上的電位升高，形成與入射圖像亮暗對(duì)應(yīng)的正電位圖像，這就是圖像的存儲(chǔ)。,圖像信號(hào)的掃描輸出是由電子槍發(fā)射掃描電子束來完成的。電子槍包括燈絲、熱陰極、控制柵極、加速電極與聚焦電極、靶網(wǎng)電極和管外的聚焦線圈、偏轉(zhuǎn)線圈、校正線圈。它的作用是產(chǎn)生熱電子，并使它聚焦成很細(xì)的電子射線，按著一定的軌跡掃描靶面。聚焦電極的電壓可調(diào)，它與加速電極形成的電子透鏡起輔助聚焦作用。靶網(wǎng)電極使靶前形成均勻電場，因而

11、電子束在整個(gè)靶面都垂直上靶。,二、圖象信號(hào)的形成,任何一幅圖像可以分成許多小的像點(diǎn)，通常稱為像素或像元。像素越小，單位面積上的像素?cái)?shù)目越多，圖像就越清楚。像素的大小由閱讀電子束截面決定。,電子槍發(fā)射電子束，并在管外聚焦線圈、偏轉(zhuǎn)線圈、校正線圈產(chǎn)生的磁場的配合作用下，使電子束在靶面正電位圖像上從左至右、從上而下地順序掃描。,在電子束掃描某一像素的瞬間，該像素與電源正極和陰極接成通路。這個(gè)像素（光電二極管結(jié)構(gòu)）的光電流由PN，流過負(fù)載，產(chǎn)生負(fù)極性圖像電壓信號(hào)輸出（信號(hào)閱讀），同時(shí)掃描電子束使P層掃描面的電位降至陰極電位（圖像信號(hào)擦除）。這樣，電子束在從左至右，由上而下對(duì)正電位圖像的順序掃描中，就把

12、隨空間、時(shí)間而變化的圖像信息轉(zhuǎn)換成隨時(shí)間變化的電信號(hào)，這就是視頻信號(hào)。,靶面電位變化及視頻信號(hào)輸出可以用等效電路解釋：,電子束離開象素，C通過R放電，C右側(cè)電位將升高。,每個(gè)象素可用電阻R和電容C來等效。C儲(chǔ)存信息電荷，R隨照度變化而變化。電子束掃描某一像素的瞬間，該像素與電源正極和陰極接成通路。于是C被充電，C的左側(cè)電位升至VT，右側(cè)為0。,無光照，放電時(shí)C右側(cè)電位為：,暗電阻RD很大。放電時(shí)間近似等于幀周期Tf。則C右側(cè)電位最大值：,有光照，放電時(shí)C右側(cè)最高電位為：,這樣，由于光照產(chǎn)生的有效信號(hào)為：,這種信號(hào)電壓引起的充電電流在RL產(chǎn)生壓降輸出信號(hào)。,三、攝像器件的性能參數(shù),1、靈敏度,2

13、、光電轉(zhuǎn)換特性,攝像器件的靈敏度定義為：在2856K色溫標(biāo)準(zhǔn)光源單位光通量（lm）或單位輻射通量（W）的照射下，器件所產(chǎn)生的輸出信號(hào)電流。單位為A/lm或mA/W。 工程中，常用能產(chǎn)生正常電視圖像所需的最低光照度來表征器件的靈敏度。顯然，它越小攝像器件越靈敏。,攝像器件輸出的光電流與入射的光照度之間的函數(shù)關(guān)系，稱為其光電轉(zhuǎn)換特性。通常表示為：,式中，稱為光照指數(shù)，k為比例系數(shù)。,對(duì)大部分?jǐn)z像器件而言， 值接近于1。在實(shí)際的電視攝像系統(tǒng)電子線路中，往往專門設(shè)置有“伽瑪校正電路”，可選擇使值小于1或大于1，以分別抑制背景、與顯示器匹配和增加系統(tǒng)的光動(dòng)態(tài)適應(yīng)范圍。,3、分辨率,分辨率表示能夠分辨圖像

14、中明暗細(xì)節(jié)的能力。,測量成像器件的極限分辨率時(shí)，要用專門的測試卡來進(jìn)行。測試卡上有幾組不同頻率、等線寬的黑白線條。測試卡成像在攝像管上，輸出的信號(hào)在監(jiān)視器上顯示出測試卡圖像，然后通過人眼觀察。人眼能分辨的最細(xì)線條數(shù)就是器件的極限分辨率。,如在水平的光柵寬度內(nèi)最多能分辨300對(duì)垂直的黑白線條，則水平分辨率為600線；若在垂直的光柵高度內(nèi)最多能分辨250對(duì)水平的黑白線條，則垂直分辨率為500線。,分辨率通常有兩種表示方式，一種是極限分辨率，另一種是調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。,極限分辨率表示法很簡單，但帶有很大的主觀性，因?yàn)樗且揽坑^察者的眼睛來分辨的。同時(shí)它也不能反映攝像系統(tǒng)各部分對(duì)分辨率的影響。為

15、了客觀地表示攝像管的分辨率，一般采用調(diào)制傳遞函數(shù)。,設(shè)正弦信號(hào)的極大值為Amax，極小值為Amin，則調(diào)制度M（也稱為對(duì)比度）定義為：,調(diào)幅波信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中，調(diào)制度通常受到衰減，且隨著線條的空間頻率的增加而降低。用上述方法測出調(diào)幅波信號(hào)輸入、輸出的調(diào)制度Mi、Mo，則定義為：,用黑白相間的線條光柵調(diào)制入射到攝像器件上的光通量，得到調(diào)制信號(hào)。濾去高次諧波，得到正弦信號(hào)。,為調(diào)制傳遞函數(shù)。MTF能客觀地表示器件對(duì)不同空間頻率目標(biāo)的傳遞能力。用不同空間頻率的線條光柵反復(fù)進(jìn)行上述測試，就能得到MTF與空間頻率的關(guān)系曲線。,指輸出信號(hào)的變化相對(duì)于光照度的變化有一定的滯后。在攝取快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，惰性會(huì)

16、造成圖像模糊；在彩色電視中惰性會(huì)引起運(yùn)動(dòng)物體的彩色拖尾。因此在商業(yè)電視廣播中要求滯后值不大于10%。影響攝像管惰性的原因是靶面光電導(dǎo)弛豫過程和電容電荷釋放惰性。,5、視頻信噪比（S/N）,4、惰性（或滯后）,定義為輸出視頻信號(hào)值與同頻帶下噪聲電平的均方根值之比。工程上，用dB數(shù)表示信噪比，即 式中，Sm為最大輸出信號(hào)值，id為背景信號(hào)加噪聲值。40dB是獲得滿意電視圖像的基本要求之一。,6、動(dòng)態(tài)范圍,在同一幅景物內(nèi)，攝像器件能處理的最高照度值與最低照度值之比稱為攝像器件的動(dòng)態(tài)范圍。在攝像管中，動(dòng)態(tài)范圍的下限受噪聲的限制，而上限則受到靶面像元存儲(chǔ)信息容量的限制。,電荷耦合器件簡稱為CCD(Cha

17、rge Coupled Devices)。,CCD是二十世紀(jì)七十年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體器件。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室W.S.玻意耳和G.E.史密斯等人在研究磁泡時(shí)，發(fā)現(xiàn)了電荷通過半導(dǎo)體勢阱發(fā)生轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，提出了電荷耦合這一新概念和一維CCD器件模型。同時(shí)預(yù)言了CCD器件在信號(hào)處理、信號(hào)存儲(chǔ)及圖像傳感中的應(yīng)用前景。鑒于美國MOS器件工藝及硅材料研究的雄厚基礎(chǔ)，這種新型器件的設(shè)想很快得到了實(shí)現(xiàn)。30年來，CCD已成為現(xiàn)代光電子學(xué)和現(xiàn)代測試技術(shù)中最活躍、最富有成果的領(lǐng)域之一。CCD具有以下一些特點(diǎn)：,CCD器件是一種固體化器件，體積小，重量輕，功耗低，耐沖擊性好，可靠性高，壽命長?；冃?，尺寸重現(xiàn)性好。有

18、很高的空間分辨率。具有很高的光電靈敏度和大的動(dòng)態(tài)范圍。光敏元間距的位置精確，可獲得很高的定位和測量精度。信號(hào)與微機(jī)接口容易。,品牌.自主創(chuàng)新.ppt,一、CCD結(jié)構(gòu)工作原理,電荷耦合器件突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。,CCD的基本功能: 信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測。,CCD有線陣和面陣之分。光敏元排列為一行的稱為線陣CCD，像元數(shù)從128位至5000位以至7000位構(gòu)成一個(gè)產(chǎn)品系列，由于生產(chǎn)廠家和CCD像元數(shù)不同，市場上有數(shù)十種型號(hào)的器件可供選用。面陣CCD器件像元排列為一平面，它包含若干行和列的結(jié)合。目前達(dá)到實(shí)用階段的像元數(shù)由25萬至數(shù)百萬個(gè)不

19、等，按照片子的尺寸不同，有1/3英寸、1/2英寸、2/3英寸和1英寸之分。按使用場合的不同有彩色和黑白CCD芯片之別，目前，絕大部分面陣CCD是以整機(jī)的形式投放市場。,無論線陣還是面陣，工作原理基本相同。下面以2048像元的雙列兩相線陣CCD為例，討論CCD的結(jié)構(gòu)原理。,一般來說，線陣CCD光敏單元數(shù)越多，可測量的范圍越寬，測量精度也越高。目前常用2048光敏元以上的線陣列。為了提高電荷耦合效率，多采用雙列兩相器件。,雙列兩相線陣CCD結(jié)構(gòu)：,主要由光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵和移位寄存器組成。,每個(gè)光敏元是一個(gè)光敏二極管，接收光信號(hào)，作光電轉(zhuǎn)換，是線陣CCD 的一個(gè)像素。光敏元的兩側(cè)是用作存儲(chǔ)光生電荷的M

20、OS電容陣列。,在CCD器件的中間是一個(gè)光敏元組成的線陣。,CCDA、CCDB 是雙列CCD移位寄存器。轉(zhuǎn)移柵（SH） 控制光生電荷向CCDA，CCDB轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移柵和移位寄存器由MOS電容構(gòu)成，是蔽光的。,MOS基本結(jié)構(gòu)如圖表示：,在P型（或N型）硅單晶的襯底上生長一層很薄的二氧化硅（約為0.1-0.2m），再在SiO2上面淀積具有一定形狀的金屬鋁（或多晶硅）電極，電極間隙約為2.5m,不加電壓時(shí)，P型半導(dǎo)體中空穴是均勻分布的。,在電極上加正偏壓（若是N型硅襯底則加負(fù)偏壓），電場穿過SiO2薄層，排斥P型硅中的多數(shù)載流子空穴，在SiO2下形成耗盡區(qū)（無載流子的本征區(qū)）。,當(dāng)電極上電壓增加，達(dá)到

21、閾值電平以上時(shí)，耗盡區(qū)進(jìn)一步向體內(nèi)延伸，并將P型半導(dǎo)體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）吸引到表面，產(chǎn)生反型層。,耗盡區(qū)對(duì)少數(shù)載流子（電子）來說象一個(gè)“阱”，稱為勢阱，能起收集電子的作用，所加偏壓越大，勢阱就越深，存貯電子能力越大。這就是MOS的電荷存貯功能。,每個(gè)電極與其下面的SiO2層和Si單晶構(gòu)成MOS結(jié)構(gòu)。,首先，光生電荷由光電二極管向移位寄存器的并行轉(zhuǎn)移，如圖：,光敏區(qū)是一行NP擴(kuò)散光電二極管，以積分方式工作。,光電柵極PG緊靠著光敏二極管，PG上加有一定正電壓，以便在PG下形成一勢阱，收集并存儲(chǔ)光生少數(shù)載流子（電子）。勢阱內(nèi)吸收的光生電子數(shù)與入射的光強(qiáng)成正比，這就是光生信號(hào)電荷。,光積分一定時(shí)

22、間后，SH變?yōu)楦唠娖剑ū萈G高一倍），形成更深的勢阱。這時(shí)1已是高電平， 1下比SH下有更深的勢阱。這樣就使光敏區(qū)與移位寄存器連通，電路設(shè)計(jì)使得偶數(shù)光敏元的電荷轉(zhuǎn)向CCDA，奇數(shù)光敏元電荷轉(zhuǎn)向CCDB。,然后，向CCD移位寄存器轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷再串行輸出。,兩相CCD移位寄存器電荷串行傳輸如圖：,當(dāng)前面的SH的電平由高變低時(shí)，低電平形成勢壘，使光敏區(qū)與電極隔離，之后， 1 、 2 交替變化，信號(hào)電荷就沿著確定的方向從左到右傳輸，移向輸出端。,CCDA，CCDB的右端是輸出柵OG和浮置擴(kuò)散放大器，由復(fù)位晶體管T1和輸出晶體管T2組成。兩路光生電荷在這里按光敏元的順序交替輸出。 OG加正電壓,將信號(hào)

23、電荷輸送到輸出二極管的N區(qū)。,當(dāng)復(fù)位脈沖RS為低電平時(shí)，N區(qū)中的信號(hào)電荷控制輸出管T2，使OS輸出一個(gè)信號(hào)脈沖。當(dāng)RS為高電平時(shí)，N區(qū)中的信號(hào)電荷被抽走，騰出空間準(zhǔn)備容納下一個(gè)電荷包。這樣在OG、RS的作用下，OS端相繼輸出與光信號(hào)成正比的離散脈沖序列。,綜上所述，線陣CCD在正確的SH、 1 、 2 、RS信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，才能正常工作。 SH、 1 、 2 、RS 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)系如圖：,面陣CCD結(jié)構(gòu)如圖：,像敏區(qū)是接收光學(xué)圖像的，存儲(chǔ)器和水平移位寄存器是蔽光的。在光積分期間，像敏區(qū)積累電荷。之后向存儲(chǔ)區(qū)轉(zhuǎn)移。當(dāng)圖像全部轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器之后，像敏區(qū)再開始新的一次光積分。,存儲(chǔ)區(qū)的信號(hào)電荷逐行移進(jìn)移位

24、寄存器，再從左到右輸出成視頻信號(hào)。為了與現(xiàn)行電視制式配合，在時(shí)鐘脈沖的作用下也是將一幀圖像分為奇數(shù)場、偶數(shù)場兩場輸出。,二、電荷耦合器件的性能參數(shù),定義為每一次轉(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量之比為轉(zhuǎn)移效率。,設(shè)某勢阱中電荷量為Q(n)，若傳到下一個(gè)勢阱中的電荷量是Q(n+1)，則電荷轉(zhuǎn)移效率為:,1.電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率,則轉(zhuǎn)移損失率為:,一個(gè)電荷電荷包Q(0) ，經(jīng)n次轉(zhuǎn)移后，剩下的電荷Q(n)為: ，如果=0.99，經(jīng)24次轉(zhuǎn)移, Q(n) / Q(0) =78%；而經(jīng)過192次轉(zhuǎn)移后， Q(n) / Q(0) =14% 。對(duì)于一個(gè)二相CCD移位寄存器，若移動(dòng)m位，

25、則n=2m。如果，m=512，只有當(dāng)=0.9999, Q(n) / Q(0)90%。所以若要保證總效率在90%以上，要求達(dá)0.9999以上。故提高轉(zhuǎn)移效率是電荷耦合器件能否實(shí)用的關(guān)鍵。,影響的主要因素是界面態(tài)對(duì)電荷的俘獲。故常采用“胖零”方式，即讓“零”信號(hào)也有一定的電荷來填補(bǔ)陷阱。,2.工作頻率,使CCD中信號(hào)電荷在移位寄存器中轉(zhuǎn)移的時(shí)鐘脈沖頻率即為工作頻率。,由于CCD器件是工作在不平衡狀態(tài)，所以驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的選擇顯得十分重要：頻率太低，熱激發(fā)少數(shù)載流子過多，它的加入降低了輸出信號(hào)的信噪比；頻率太高，又會(huì)降低總轉(zhuǎn)移效率，減小了輸出信號(hào)幅值。,為了避免熱激發(fā)所產(chǎn)生的少數(shù)載流子對(duì)信號(hào)電荷的影響

26、，信號(hào)電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的轉(zhuǎn)移時(shí)間t1必須小于少數(shù)載流子的平均壽命。 在正常工作條件下，對(duì)于二相CCD, t1 = T/2 = 1/(2f) , 其中T為二相交迭脈沖周期，f為時(shí)鐘頻率。故有 。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)電極所需要的時(shí)間t0跟不上驅(qū)動(dòng)脈沖的變化，將會(huì)使轉(zhuǎn)移效率大大降低。所以對(duì)二相CCD，要求 t0 T/2，即： 為工作頻率的上限。,3.光電特性,在低照度下CCD的光電特性線性良好，輸出信號(hào)電壓與入射的照度是線性關(guān)系，照度指數(shù)可達(dá)99.7%。由于MOS電容存儲(chǔ)電荷量是有限的，故當(dāng)入射照度大于100 lx，輸出信號(hào)電壓達(dá)飽和狀態(tài)。因而CCD是低照

27、度器件。,4.光譜特性,目前多數(shù)CCD的像元都是采用光電二極管結(jié)構(gòu)，與MOS像元結(jié)構(gòu)相比，其對(duì)藍(lán)光的響應(yīng)度較高。由圖，在波長小于0.7m時(shí)，,兩種像元結(jié)構(gòu)的相對(duì)響應(yīng)度的差異較大，其主要原因是在MOS像元結(jié)構(gòu)中，多晶硅電極對(duì)短波光的吸收而導(dǎo)致其短波光譜響應(yīng)度低得多。,CCD的積分靈敏度常用每單位曝光量下輸出信號(hào)電壓值表示。即S=U/H ，單位V.cm2/J。又，曝光量H=L, 為曝光時(shí)間(即光積分時(shí)間), 單位J / cm2（或lx.s）。,5.動(dòng)態(tài)范圍,動(dòng)態(tài)范圍被定義為CCD像元的飽和輸出電壓與它在暗場下的峰-峰噪聲電壓的比值。,飽和輸出電壓決定于勢阱中可存儲(chǔ)的最大電荷量；峰-峰噪聲電壓由噪聲

28、電荷決定。CCD的動(dòng)態(tài)范圍在1000:1.,1）勢阱中的最大信號(hào)電荷量 最大信號(hào)電荷量可近似為：Q=AUGCox。與CCD光電柵極的有效面積、柵極電壓、單位氧化層面積的電容量有關(guān)。由于Q值的限制，器件都有其飽和曝光量。曝光量過大，光電轉(zhuǎn)換失去線性。CCD的輸出電壓是由信號(hào)電荷控制的。故器件有飽和輸出電壓，為數(shù)百毫伏數(shù)伏。,2）噪聲 CCD中的噪聲主要有三個(gè)方面：由于電荷注入器件引起的散粒噪聲；電荷轉(zhuǎn)移過程中，由于轉(zhuǎn)移損失及界面態(tài)對(duì)信號(hào)電荷的俘獲和釋放引起的轉(zhuǎn)移噪聲；輸出電路帶來的噪聲。CCD是低噪聲器件，因此可用于微光成像。,6.暗電流,暗電流來源有：耗盡區(qū)中的本征熱激發(fā)；少數(shù)載流子從中性體內(nèi)

29、向表面擴(kuò)散；表面能級(jí)的熱激發(fā)。,暗電流不均會(huì)造成背景不均，個(gè)別地方的暗電流太大，則在圖像上會(huì)出現(xiàn)白斑。目前暗電流可控制在1nA/cm2。另外，采用致冷法可大大降低暗電流，使CCD器件適用于低照度工作，如天文觀察等。,7.分辨率,面陣CCD也是像元數(shù)越多，分辨率越高。由于水平方向與垂直方向像元間距不同，故分辨率不同。面陣CCD的分辨率更多用水平方向和垂直方向各自的線數(shù)來表示。,對(duì)于線陣CCD器件，像元越多的器件具有更高的分辨率。由于CCD所能分辨的最小間距就是像元間距，所以由像元的尺寸可確定極限分辨率。例，CCD2561的像元尺寸為10 m 20 m ，線陣方向是10 m ，像元間距15 m ，

30、則極限分辨率為 (線對(duì)/mm).,三、線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路,從CCD的工作原理知，線陣CCD只有在正確的SH、 1 、 2 、RS 信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，才能正常工作。,下面以TCD1200D線陣CCD為例介紹CCD驅(qū)動(dòng)電路：,隨著CCD像感器應(yīng)用的迅速發(fā)展，設(shè)計(jì)出芯片少、體積小、耗電省、工作又穩(wěn)定可靠的驅(qū)動(dòng)電路是應(yīng)用CCD技術(shù)的關(guān)鍵。下面介紹一種CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法。,TCD1200D有2160個(gè)光敏單元，其前后各有64及12個(gè)啞單元。故SH的周期2236個(gè)RS周期。RS脈沖標(biāo)準(zhǔn)頻率1MHz， 1 、 2脈沖標(biāo)準(zhǔn)頻率0.5MHz。其驅(qū)動(dòng)波形和管腳圖如圖。,驅(qū)動(dòng)電路由一片單片機(jī)(AT89C2051)及

31、兩片可編程門陣列芯片（GAL16V8）構(gòu)成。,AT89C2051是帶2K字節(jié)閃速可編程電擦除只讀存儲(chǔ)器（EPROM）的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，與MCS-51單片機(jī)指令集和輸出管腳相兼容。其管腳圖如圖：,GAL16V8 器件是美國LATTICE公司發(fā)明的一種可以電擦寫、可重復(fù)編程、可以加密的一種可編程邏輯器件。只要正確地編程、燒制，就可實(shí)現(xiàn)所需要的邏輯功能。,89C2051具有8031單片機(jī)的功能，且內(nèi)含振蕩器和時(shí)鐘電路，可輸出20MHz時(shí)鐘。P1.0、 P1.1還可作為片內(nèi)模擬比較器的輸入端 AIN0, AIN1。,GAL16V8有兩片：,一片GAL產(chǎn)生Q0、QIQ5(分別是20M

32、Hz信號(hào)的2分頻、4分頻64分頻)，產(chǎn)生 、 信號(hào)。信號(hào)頻率是312.5kHz，一個(gè)周期內(nèi)的高、低電平時(shí)間都是1.6s，用作1 信號(hào)，符合TCD1200D產(chǎn)品說明書上對(duì) 1的要求。 則用作2信號(hào)，而 。RS脈寬0.2 s，下降沿超前1 、 2的下降沿0.2 s， , 符合要求。,另一片GAL與單片機(jī)89C2051一起產(chǎn)生SH信號(hào)。引上片的信號(hào)產(chǎn)生 ，可知信號(hào)是一個(gè)與1同頻同相、高電平1.2s和低電平2.0s的周期信號(hào)。且上升沿一定滯后于1 ，下降沿一定超前于1 ，即Q的高電平被1高電平包容。將信號(hào)送往單片機(jī)（P1.7口），每一幀完成后即查詢Q信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)查詢到Q為高電平就輸出一個(gè)3s寬的高電

33、平、之后是低電平（延續(xù)一幀）的P信號(hào)（P3.7口），將P引入GAL與Q信號(hào)相與就得到SH信號(hào)。,圖為TCD1200D驅(qū)動(dòng)波形的產(chǎn)生過程：,89C2051單片機(jī)使用20MHz的時(shí)鐘，單片機(jī)查詢到Q為高電平的時(shí)刻到實(shí)際輸出P高電平的時(shí)刻需1.2 s，P和Q相與就恰為SH信號(hào)。所有4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)（ SH、 1 、 2 、RS ）都由GAL器件輸出，產(chǎn)生的信號(hào)可直接加到CCD管腳上。,使用一片AT89C2051和兩片GAL16V8成本相當(dāng)?shù)?。兩片GAL中還有3/4片富余、89C2051只占用2位信號(hào)線，所以可充分用于數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)。,四、CCD像感器的應(yīng)用,CCD像感器的一個(gè)主要應(yīng)用是用面陣CCD組成電視

34、攝像機(jī)。與真空攝像機(jī)比較，CCD攝像機(jī)具有明顯優(yōu)點(diǎn)。自掃描、功耗低、啟動(dòng)快、靈敏度高、壽命長、工作電壓低、抗電磁干擾，尤其是體積小、重量輕、可靠性高的優(yōu)勢，使其在航天遙感、軍用儀器、偵察跟蹤、現(xiàn)場監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展，使CCD的分辨力也超過了光電導(dǎo)攝像管，因而，絕大多數(shù)光電導(dǎo)管攝像機(jī)均已被CCD攝像機(jī)所取代。,20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的數(shù)碼照相機(jī)展現(xiàn)了面陣CCD的又一重要應(yīng)用。它是通過光學(xué)鏡頭將圖象成像在面陣CCD上，轉(zhuǎn)換后的電荷包圖象再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息存儲(chǔ)在電子存儲(chǔ)卡中。它既具有攝象機(jī)的即拍即演的可視功能，又能像傻瓜相機(jī)那樣操作方便。它將攝取的圖象數(shù)字

35、化存儲(chǔ)起來，無須膠卷。通過USB接口與各種計(jì)算機(jī)相連，可對(duì)圖象做各種處理，并可通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。,線陣CCD是行圖像傳感器件，通過A/D轉(zhuǎn)換，將視頻信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，大量應(yīng)用于掃描儀、光譜儀中。CCD的像元尺寸小，幾何精度高，配置適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，可以得到很高的空間分辨率，特別適用于各種精密圖像傳感和無接觸工件尺寸的在線測量。,CCD與圖像增強(qiáng)器的耦合組成微光攝像機(jī)，CCD正在各種場所的系統(tǒng)中取代各類光電導(dǎo)攝像管，CCD在特定的條件下與微光像增強(qiáng)器耦合，甚至可以檢測到一個(gè)光子。圖像增強(qiáng)器與CCD的耦合如圖所示：,將圖像增強(qiáng)器的末級(jí)輸出用高靈敏度的CCD攝像機(jī)來接收，就組成了高靈敏度、低噪聲的微光CCD

36、攝像機(jī)。,20世紀(jì)70年代初期，隨著MOS技術(shù)的成熟，三種典型的固體圖像傳感器電荷耦合器件(CCD)、電荷注入器件(CID)、光敏二極管陣列(PDA)得到了發(fā)展。到80年代中期，基于這三種固體圖像傳感器技術(shù)的攝像機(jī)逐漸投放市場。在這三種固體圖像傳感器中，CCD發(fā)展最為迅速。到90年代初，CCD技術(shù)已比較成熟，在微光下，具有每個(gè)像元幾個(gè)電子的成像能力。目前出售的每種攝錄機(jī)和數(shù)碼相機(jī)絕大部分是基于CCD技術(shù)。,CCD圖像傳感器有如下缺點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)處理電路難與CCD成像陣列單片集成，圖像系統(tǒng)為多芯片系統(tǒng)；為了獲得信號(hào)的完整性，在像元間信號(hào)需要近似完美的轉(zhuǎn)移，隨著陣列尺寸的增加，電荷轉(zhuǎn)移要求更加

37、嚴(yán)格準(zhǔn)確；時(shí)鐘脈沖復(fù)雜，需要相對(duì)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；圖像信息不能隨機(jī)讀取，而這種隨機(jī)讀取對(duì)很多應(yīng)用是不可少的。于是，CMOS （Complementary Metal-Oxide-Semiconductor互補(bǔ)性）圖像傳感器技術(shù)被開發(fā)。,隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本的固體圖像傳感器已成為可能。CMOS技術(shù)可以將圖像傳感器陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、信號(hào)處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，實(shí)現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。這種片上攝像機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電源電壓工作，僅消耗幾十毫瓦的功率，所以功耗極低。這種成像技術(shù)將推動(dòng)下一代成像系統(tǒng)的發(fā)展。,

38、上世紀(jì)70-80年代，CCD像感器因固定圖形噪聲很小而被廣泛用于多種固體圖像傳感器中。但當(dāng)時(shí)的MOS圖像傳感器雖經(jīng)日立、三菱等幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)的努力，最終因殘余熱噪聲原因而被迫放棄。90年代以后，蘇格蘭愛丁堡大學(xué)和瑞典Linkoping大學(xué)的研究人員分別進(jìn)行了低成本的單芯片成像系統(tǒng)開發(fā)，他們?cè)贑MOS圖像傳感器研究方面取得了令人滿意的結(jié)果，并推動(dòng)了CMOS圖像傳感器的快速發(fā)展。近來，CMOS圖像傳感器已成為固體圖像傳感器研究開發(fā)熱點(diǎn)。,一、CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu),CMOS圖像傳感器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖。,由光敏單元陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時(shí)和控制電路、在片模擬信號(hào)處理器(ASP)構(gòu)成。更高級(jí)

39、的還集成有在片模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。器件采用單一5V電源。,行選通邏輯和列選通邏輯可以是移位寄存器，或譯碼器。定時(shí)和控制電路限制信號(hào)讀出模式、設(shè)定積分時(shí)間、控制數(shù)據(jù)輸出率等。在片模擬信號(hào)處理器完成信號(hào)積分、放大、取樣和保持、相關(guān)雙取樣、雙取樣等功能。光敏元將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)處理后以模擬或數(shù)字信號(hào)輸出。,二、像元結(jié)構(gòu),CMOS基本類型分：無源像素傳感器和有源像素傳感器。,無源像素結(jié)構(gòu)如圖。它由一個(gè)反向偏置的光電二極管和一個(gè)開關(guān)管構(gòu)成，沒有信號(hào)放大作用。,1.無源像素(PPS)結(jié)構(gòu),PPS像元結(jié)構(gòu)簡單，單元尺寸內(nèi)有高的設(shè)計(jì)填充系數(shù)k（有效光敏面積與單元面積之比），或k一定可以設(shè)計(jì)出最小的像

40、元尺寸。PPS的致命弱點(diǎn)是讀出噪聲大（主要是固定圖形噪聲，一般有250個(gè)均方根電子）。由于多路傳輸線寄生電容及讀出速率的限制，它難以向大型陣列發(fā)展。,當(dāng)開關(guān)管開啟，光敏二極管與垂直的列線連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路保持列線電壓為一常數(shù)，并減小KTC噪聲。當(dāng)光敏二極管存貯的信號(hào)電荷被讀取時(shí)，其電壓被復(fù)位到列線電壓水平，與此同時(shí)，與光信號(hào)成正比的電荷由電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電壓輸出。,2.有源像素(APS)結(jié)構(gòu),在像元內(nèi)引入緩沖器或放大器可以改善像元的性能。像元內(nèi)含有有源放大器的傳感器稱有源像素傳感器。,由于每個(gè)放大器僅在讀出期間被激發(fā)，所以CMOS有源像素傳感器的功耗比CCD的還小。與無源像素結(jié)構(gòu)相比，有源像素結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)小，其設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為20%30%，與CCD接近。隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展，幾何設(shè)計(jì)尺寸日益減小，填充系數(shù)不是限制APS潛在性能的因素。,APS主要有光電二極管型(PD-APS)和光柵型(PG-APS)。,PD-APS結(jié)構(gòu)如圖。,每個(gè)像元有三個(gè)晶體管和一個(gè)光電二極管。源跟隨器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并具有增益。因?yàn)楣饷裘鏇]有多晶硅疊層，光敏二極管型APS量子效率較高，所以它的