第五章-光电成像检测器件

第五章光电成像检测器件光电探测器光电成像器件微光夜瞄镜微光夜视眼镜热像仪第五章光电成像检测器件5.1光电成像检测器件的类型与成像原理5.2真空摄像管5.3电荷耦合器件CCD5.4CMOS图像传感器5.5变象管和像增强器5.1光电成像检测器件的类型与成像原理一、光电成像检测器件的类型1、扫描型光电成像器件---又称摄像器件这种器件通过电子束扫描或固体自扫描等方式，将被摄景物经光学系统成像在器件的光敏面（靶面）上的二维图像转变为一维时序信号输出处理。这种运载图像信息的一维时序信号称为视频信号。1、扫描型光电成像器件扫描型光电成像器件真空摄像器件固体摄像器件光电型热电型：热释电摄像管光电发射式摄像管光电导式摄像管电荷传送型器件CTD金属氧化物半导体型MOS传感器件电荷耦合器件CCD电荷注入器件CID电荷引动器件CPD非扫描型光电成像器件变象管像增强管红外变象管X射线变象管紫外变象管负电子亲和势像增强器串联式像增强管级联式像增强管微通道板式像增强器2、非扫描型光电成像器件由像敏面（光电阴极），电子透镜和显像面（荧光屏）等三部分组成。二、电视扫描技术1、视频信号电子束扫描时，由视频信号控制电子束荧光屏的强度，荧光屏的发光强度是电子束强度的函数。0()vLLU电子束显像管的电磁偏转线圈产生的洛伦磁力产生水平和垂直的偏转（行、场两个方向扫描荧光屏）2.扫描光电图像将光电图像分割为很多细小的单元，称为像素－－图像的分割与像素2.扫描电信号光电图像按一定规律依次将图像中的每一像素的电（电荷）信号读出的过程，称为扫描。－－图像的分割与象素一帧一行扫描点从起始点出发再次回到该点，输出的全部图像信息称为一帧。2.扫描－－行、帧隔行扫描方式逐行扫描方式2.扫描－－两种扫描方式逐行扫描方式根据视人眼觉时间特性，无闪烁显示活动图象要高于48次/秒刷新速率帧频：50Hz行数：625行频：降低行频隔行扫描方式2.扫描－－两种扫描方式h5062531250Hzf隔行扫描方式一帧分为两场－－奇数场－－偶数场135246场频：50Hz帧频：25Hz－－无闪烁-－降低行频隔行扫描方式逐行扫描方式－高清晰成像测量系统－工业民用电视系统2.扫描－－两种扫描方式－－正程和逆程行正程场正程显示信息行逆程场逆程消隐2.扫描3.我国电视标准我国电视标准采用PAL制：场频fv=50Hz，帧频fZ=25Hz；隔行扫描，每帧625行；场周期TV=20ms；行周期TH=64s；视频信号带宽BW=6MHzPAL－－德国NTSC－－美国5.2真空摄像管一、视像管的结构和各部分作用视像管是利用内光电效应原理将光学图像转变为电信号的这一类摄像管的统称。氧化铅靶由三层不同的材料组成---PIN型层结构光电转换信号存储扫描输出1.三个基本功能光像电子枪利用电子枪发射出来的电子束依次扫描靶面各像素，将靶面的电荷（或电势）图像有序地转变成视频信号输出，这就完成了扫描输出的功能。－－加速电极－－聚焦电极－－聚焦线圈－－偏转线圈－－灯丝－－热阴极－－控制栅极扫描输出2.电子束扫描输出2.电子束扫描输出－－灯丝－－热阴极－－控制栅极－－加速电极－－聚焦电极－－聚焦线圈－－偏转线圈电真空摄像管由于其重量和体积的限制，其研究与发展已经告一段落，它正逐步被固体摄像器件所代替。2.硅靶结构和工作原理二、摄像管的性能参数1、摄像管的光电转换特性vIE2、光谱响应特性5.3电荷耦合器件CCD固体成像器件本身能完成光学图像转换、信息存贮和按顺序输出视频信号的全过程。固体成像器件与真空成像器件相比，有以下显著优点：全固体化，体积小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲压性能好，可靠性高，寿命长；基本上不保留残像（真空摄像管有15~20%的残像），无象元烧伤，扭曲，不受电磁干扰；对红外敏感，在军事上可用于红外夜视系统；象元尺寸的几何位置精度高（优于1um），因而可用于不接触精密尺寸测量系统；视频信号与微机接口容易。高锟——光纤之父博伊尔&史密斯——发明CCD图像传感器2009年诺贝尔奖物理学奖得主Fig.1贝尔实验室GeorgeSmith和WillardBoyle将可视电话和半导体存储技术结合发明了CCD原型Fig.2现代CCD芯片外观几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括仙童半导体（FairchildSemiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（TexasInstruments）。其中仙童半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。1973年，仙童公司的产品，第一块商用CCD一.CCD的结构与工作原理1、CCD单元结构由多个像素组成线阵,金属栅极是分立的，氧化物与半导体是连续的PMOS结构单元－像素基本名词：势阱势阱施加正电压空穴耗尽区电子的“陷阱”一个势阱所吸收的若干个光生电荷称为一个电荷包基本名词：势阱—电子的势能图像类似一个波的形状，当电子处于波谷，就好像处在一口井里，比较稳定，很难跑出来，所以称为势阱栅极正向电压增加时，势阱变深。－－改变UG，调节势阱深度2、电荷的注入（光注入、电注入）光注入：电子－－信号电荷（包）产生电子－空穴对空穴－－栅极电压排斥3、电荷存储3、电荷存储存储电荷P单元最大存储信息电荷量：oxGdQCUA4、电荷耦合原理基本思想：－－调节势阱深度－－利用势阱耦合势阱耦合5、CCD电极结构形式三相驱动形式的CCD三相时钟脉冲电压按组（相）加到CCD各电极上123123456789101112采用三相多晶硅交叠栅结构6、电荷的输出将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。电荷输出结构有多种形式，如电流输出、浮置扩散放大器输出、浮栅放大器输出结构等。浮置扩散放大器属于电压输出方式，目前采用较多。6、电荷的输出电流输出方式：衬底P和N+区构成输出二极管（反偏压）反偏二极管6、电荷的输出电流输出方式：衬底P和N+区构成输出二极管（反偏压）信号电荷sdQI复位脉冲RS10－2V5V浮置扩散放大器输出—又称电压输出T1管在复位脉冲ΦR的作用下导通，将浮置区剩余电荷包抽走。当复位脉冲ΦR结束，T1管关闭后，A点具有一定的浮置电位。当电荷到来时，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管T2的栅极电压，在输出极得到放大的电压信号。二.CCD的主要特性参数1.转移效率，损耗率7.暗电流3.光电转换效率4.光谱响应特性5.CCD噪声6.分辨率2.工作频率8.动态范围1、转移效率，损耗率η总=ηn例：η=0.999，二相1024器件，η总13%预先输入一定的背景电荷，零信号也有一定电荷－－“胖零”技术。()/(0)QtQ(0)()()11(0)(0)QQtQtQQ100%表面态对电子俘获的原因时钟频率过高2、驱动频率下限——热生载流子影响少数载流子平均寿命上限——电荷来不及转移电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间13gf13gf3、光电转换特性(γ)γ1决定光电转换部件的特性，光电导摄像管的γ1值小于1。Sb2S3管的γ1值为0.6~0.7，PbO管的γ1值为0.95，而硅靶管的γ1值接近于1。分辨率表示能够分辨图像中明暗细节的能率，分辨率通常用两种方式表达，即极限分辨率和调制深度。极限分辨率是以在等于光栅（图像）高度的范围内所能分辨的等宽度黑白线条纹数来表示。分为水平分辨率和垂直分辨率。4、分辨率客观表示摄像管的分辨率，用调制深度来表示。在摄像管的光敏面上投射40条和400条两组黑白条纹。沿箭头方向扫描，在示波器上就得到如图b所示的电信号。CCD电荷存储电荷转移电荷注入电荷输出CCD的结构与工作原理小结：5.4MOS图像传感器SSPA一、SSPA的结构与工作原理1、SSPA的结构2.电荷存贮工作方式光电二极管电荷存贮工作方式的原理如图所示。1.连续工作方式电荷存贮的连续工作方式当一束光照到光电二极管的光敏面上时，假设光电二极管的量子效率为，那么光电流为在自扫描光电二极管阵列中，由于象元数比较多，光电二极管的面积很小，在一般的入射光照下，它的光电流是很微弱的。要读取信号，要求光电流放大器的放大倍数非常高。光电二极管光电信号的取出是藉由下面几步实现的：(1)准备首先闭合开关，如图a。此时结电容Cd上的电荷(2)曝光过程打开开关，如图b那么在曝光过程上所释放的电荷是如果在曝光过程中，辐射照度和光电流都是时间的变化函数，那么上所释放的电荷式中为Ip平均光电流。同时，接面电容Cd上的电压因放电而下降到Vcd，它的值为(3)再充电过程输出的峰值电压则二、SSPA线列阵1.原理结构它主要由以下三部分组成：(1)N位完全相同的光电二极管数组(2)N个多路开关(3)N位数字移位缓存器2、SSPA矩阵SSPA矩阵可以对某一平面（二维）上的光强分布进行光电转换。3、SSPA器件的信号读出及放大电路1.电流放大输出若充电电流为I0，那么通过电流放大器后的输出电压2.电荷积分输出电荷积分输出方式就是在输出视频在线对每一光电二极管的输出电流脉冲进行积分，然后输出一串「方波」的电压信号。因此放大器的输出电压信号四、SSPA的主要特性参数1.光电特性在电荷存贮工作方式下的SSPA组件，其光照引起的二极管输出电荷ΔQ正比于曝光量。2.暗信号系列线阵SSPA的暗电流温度特性。3.动态范围SSPA器件的动态范围为输出饱和信号与暗场噪声信号之比值。其动态范围SSPD图像传感器与上一节介绍的CCD图像传感器的性能比较。线阵CCD在扫描仪中的应用CCD图像传感器的应用线阵CCD在图像扫描中的应用线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描线阵CCD用于字符识别CCD数码照相机数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。CCD用于图像记录数码相机的外形三基色分离原理CCD数码照相机的结构数码相机的结构解剖（索尼F828）CCDCCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片CCD数码摄像机5.5CMOS图像传感器（互补金属氧化物半导体－ComplementaryMetalOxideSemiconductor）CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）图像传感器出现于1969年,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。CMOS图像传感器虽然比CCD出现还早一年，但在相当长的时间内，由于它存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率（有效像元与总面积之比）低（10%~20%），响应速度慢等缺点，因此只能用于图像质量要求较低、尺寸较小的数码相机中，如机器人视觉应用的场合。一、概况目前，随着集成电路工艺水平的发展，CMOS图像传感器的各项指标也得到了很大的提高，1989年以后，出现了“主动像元”（有源）结构。它不仅有光敏元件和像元寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围，使它的一些性能参数与CCD图像传感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于CCD图像传感器，所以应用越来越广泛。数码相机、摄像机、可拍照手机、可视门铃、PC机的微型摄像头、指纹鉴定等医学诊断：药丸式摄像机（camera-in-a-pill）CMOS视频摄像头带红外LED照明的CMOS视频摄像头CMOS图像传感器的发展历史1969：NASA喷气推进实验室JPL，制造成功第一片CMOS图像传感器；1989：英国爱丁堡大学制成第一块单片CMOS图像传感器；1995：J