1、知識回顧：知識回顧：可擦重寫光盤可擦重寫光盤寫、讀、擦激光脈沖與其效應(yīng)的相變過程知識回顧：知識回顧：可擦重寫光盤可擦重寫光盤磁光介質(zhì)的寫、讀、擦原理示意圖知識回顧：知識回顧：持續(xù)光譜燒孔光存儲示意圖持續(xù)光譜燒孔光存儲示意圖知識回顧：知識回顧：電子俘獲材料的能級分布知識回顧：知識回顧：第四章第四章 光電成像器件光電成像器件光電成像器件是能夠光電成像器件是能夠輸出圖像信息輸出圖像信息的一類器件的一類器件l攝像器件：使光學(xué)圖像變成視頻信號攝像器件：使光學(xué)圖像變成視頻信號 攝像管攝像管 電荷耦合器件電荷耦合器件 CMOS CMOS圖像傳感器圖像傳感器l像管：使光學(xué)圖像增強或改變光譜像管：使光學(xué)圖像增強

2、或改變光譜 像增強器像增強器 變像管變像管攝像頭一、光電成像器件的類型一、光電成像器件的類型光電成像器件（成像原理）掃描型非掃描型真空電子束掃描固體自掃描：CCD光電型熱電型：熱釋電攝像管光電發(fā)射式攝像管光電導(dǎo)式攝像管變像管（完成圖像光譜變換）紅外變像管紫外變像管X射線變像管像增強管（圖像強度的變換）串聯(lián)式級聯(lián)式微通道板式負(fù)電子親和勢陰極常由像敏面，電子透鏡顯像面構(gòu)成二、光電成像器件的基本特性（二、光電成像器件的基本特性（P261）1、光譜響應(yīng)相對靈敏度波長1231多堿氧化物光陰極像管，屬于外光電效應(yīng)攝像管，光譜響應(yīng)由光陰極材料決定；2氧化鉛攝像管，屬于內(nèi)光電效應(yīng)的攝像管，光譜響應(yīng)由靶材料決定

3、；3CCD攝像器件，光譜響應(yīng)由硅材料決定；另熱釋電攝像管基于材料的熱釋電效應(yīng)，光譜響應(yīng)特性近似直線。2、轉(zhuǎn)換特性（光電成像器件的輸出量與對應(yīng)的輸入量的比值關(guān)系）變像管：轉(zhuǎn)換系數(shù)C表示evC光通量輻通量像增強管：亮度轉(zhuǎn)換增益GL來表示vvLEMG vvLMvvLELG(lm/W)光出射度光照度無量綱亮度（cd/lm）攝像器件：靈敏度S表示eEIS eISvEIS vIS電視系統(tǒng)：光電導(dǎo)材料的值來表示vEAIlnlnln視像管的信號電流常數(shù)視像管靶面照度1，弱光信號被提高灰度系數(shù)3、分辨率（表示能夠分辯圖像中明暗細(xì)節(jié)的能力）極限分辨率（主觀）：人眼觀察分辯專門測試卡成像在靶面上且在熒光屏上顯示出的

4、最細(xì)線條數(shù)。調(diào)制傳遞函數(shù)（客觀）：簡稱MTF，輸出調(diào)制度與輸入調(diào)制度之比。iMMfT0)(MTF隨頻率增加而衰減，一般將MTF值為10所對應(yīng)的線數(shù)定為攝像管的極限分辨率。光電成像原理同步掃描視頻信號景物光學(xué)成像光電變換圖像分割傳送同步掃描視頻解調(diào)圖像再現(xiàn)攝像部分顯像部分光電成像系統(tǒng)原理方框圖三、光電成像原理與電視攝像制式三、光電成像原理與電視攝像制式三、光電成像原理與電視攝像制式三、光電成像原理與電視攝像制式 光學(xué)物鏡將景物所反射出來的光成像到光電成像器件的像敏面上形成二維光學(xué)圖像。 光學(xué)成像器件將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成二維“電氣”圖像的工作。 景物光學(xué)成像光電變換圖像分割同步掃描視頻信號 攝 像

5、 部 分 “電氣”圖像的電氣量在二維空間的分布與光學(xué)圖像的光強分布保持著線性對應(yīng)關(guān)系。組成一幅圖像的最小單元稱作像素，像素單元的大小或一幅圖像所含像素數(shù)決定了圖像的清晰度。像素數(shù)愈多，或像素幾何尺寸愈小，反映圖像的細(xì)節(jié)愈強，圖像愈清晰，圖像質(zhì)量愈高。這就是圖像分割。景物光學(xué)成像光電變換圖像分割同步掃描視頻信號攝 像 部 分 三、光電成像原理與電視攝像制式三、光電成像原理與電視攝像制式景物光學(xué)成像光電變換圖像分割同步掃描視頻信號 攝 像 部 分 按著一定的規(guī)律將所分割的電氣圖像轉(zhuǎn)變成一維時序信號，即將電氣圖像從左向右，又從上向下的規(guī)律輸出即為掃描。由于監(jiān)視器的顯象管幾乎都是利用電子束掃描熒光屏，

6、便可在顯象管上獲得可供觀察的圖像。三、光電成像原理與電視攝像制式三、光電成像原理與電視攝像制式攝像頭二維光學(xué)圖像一維時序電信號還原二維光學(xué)圖像傳輸和接收規(guī)則電視制式按照電視制式輸出的一維時序電信號稱為視頻信號攝像是將空間分布的光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)換為一維時間變化的視頻信號的過程，完成這一過程的功能器件稱為攝像器件。1. 掃 描光電圖像 將光電圖像分割為很多細(xì)小的單元，稱為像素圖像的分割與象素1. 掃 描電信號光電圖像按一定規(guī)律依次將圖像中的每一像素的電（電荷）信號讀出的過程，稱為掃描。 圖像的分割與象素一幀：一行：從左向右的掃描稱為掃描點從起始點出發(fā)再次回到該點，輸出的全部圖像信息稱為一幀。 1.

7、掃 描 行、幀一場：從上向下的掃描稱為正程和逆程行正程場正程 顯 示信 息行逆程 場逆程 消 隱1. 掃 描1. 掃 描 兩種掃描方式根據(jù)人眼視覺時間特性，無閃爍顯示活動圖象要高于48次/秒刷新速率 幀頻：50Hz 行數(shù)：625行頻：h5062531250Hzf 降低行頻1. 掃 描 兩種掃描方式一幀分為兩場奇數(shù)場偶數(shù)場135246根據(jù)視覺時間特性，無閃爍地顯示活動圖象要高于48次/秒的刷新速率 場頻： 50Hz幀頻：25Hz 無閃爍降低行頻1. 掃 描 兩種掃描方式我國電視標(biāo)準(zhǔn)采用PAL制：場頻fv=50Hz，幀頻fZ=25Hz；隔行掃描，每幀625行；場周期TV=20ms；行周期TH=64

8、s；視頻信號帶寬BW=6MHz四、電真空攝像管結(jié)構(gòu)原理四、電真空攝像管結(jié)構(gòu)原理光電轉(zhuǎn)換信號存儲光電導(dǎo)式/熱釋電攝像管 光像利用電子槍發(fā)射出來的電子束依次掃描靶面各像素，將靶面的電荷（或電勢）圖像有序地轉(zhuǎn)變成視頻信號輸出，這就完成了掃描輸出的功能。 a) 光電發(fā)射式攝象管 b) 光電導(dǎo)式攝象管 分類：光電攝像器件的工作過程：1、光電轉(zhuǎn)換：光學(xué)圖像投射到器件光敏面上，以象素為單元分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，形成電量的潛像。2、光電信號的存儲：每個象素在掃描周期內(nèi)對轉(zhuǎn)換的電量進(jìn)行存儲。3、掃描：掃描線按一定軌跡逐點采集轉(zhuǎn)換后的電量，形成輸出信號。1）光電發(fā)射體：光電陰極 光照下光電陰極產(chǎn)生與光通量成正比的光電

9、子流，既可利用光電子流進(jìn)行放大處理作為信號輸出；也可以利用以光電子發(fā)射而提高的光電陰極電位作輸出。入射光光電子發(fā)射光電陰極光電變換示意圖（1）、光電變換部分2）光電導(dǎo)體 光照時靶的電導(dǎo)率升高，正電荷順電場方向移動而積累，電位升高，升高量與光照相對應(yīng)。E光電導(dǎo)體光電變換示意圖工作原理：外光電效應(yīng)光電子發(fā)射光電發(fā)射體內(nèi)光電效應(yīng)導(dǎo)體內(nèi)有電流光電導(dǎo)體移走的電子數(shù)或留下的正電荷數(shù)發(fā)射的電子數(shù)或留下的正電荷數(shù)信號光電轉(zhuǎn)換介質(zhì)變換方式光電變換部分管子結(jié)構(gòu)管子結(jié)構(gòu)氧化鉛氧化鉛PIN靶靶PIN光電靶光電靶 ：反向偏置反向偏置，掃描面形成正電位圖像掃描面形成正電位圖像電子槍電子槍 ： 發(fā)射電子束發(fā)射電子束，按電視

10、制式掃描正電按電視制式掃描正電 位圖像位圖像，輸出視頻信號輸出視頻信號視象管的基本結(jié)構(gòu)：光導(dǎo)靶和電子槍。 RLC防反射膜信號板光導(dǎo)靶1）光導(dǎo)靶 由光窗、信號板和靶組成。 靶面的軸向電阻小，橫向電阻大，有利于保持光電轉(zhuǎn)換形成電量的潛象，并在掃描周期內(nèi)實現(xiàn)積分存儲。氧化鉛靶 靶的成象面一邊為N-PbO，掃描面一邊為P-PbO，兩者之間夾著一層(相對)很厚的本征氧化鉛I-PbO，因而具有PIN結(jié)構(gòu)。N I PSnO2 透明導(dǎo)電膜玻璃RLVT （4060V）信號板視頻信號RLCLEK每個象元（象素）有序的轉(zhuǎn)化為視頻電信號 幀圖像可分成四十多萬個像元。每個像元可用一個電阻幀圖像可分成四十多萬個像元。每個

11、像元可用一個電阻和電容和電容c c來等效。來等效。 電容電容c c起存儲信息的作用，電阻起存儲信息的作用，電阻R R隨著光照度的增大而變隨著光照度的增大而變小，無光照時小，無光照時R R為暗電阻為暗電阻R R0 0、光照后變?yōu)楣庹蘸笞優(yōu)镽c(E)Rc(E)，是與照度有是與照度有關(guān)的變量。關(guān)的變量。 在電子束掃描某一像素的瞬間，該像素與電在電子束掃描某一像素的瞬間，該像素與電源正極和陰極結(jié)成通路。這個像素的光電流由源正極和陰極結(jié)成通路。這個像素的光電流由PN，流過負(fù)載，流過負(fù)載RL, ,產(chǎn)生負(fù)極性圖像信號輸出。產(chǎn)生負(fù)極性圖像信號輸出。同時，同時，掃描電子束使掃描電子束使P層電位降至陰極電位（圖層

12、電位降至陰極電位（圖像擦除）像擦除）。光電導(dǎo)靶（視象管） 光進(jìn)入到每個PN結(jié)區(qū)將產(chǎn)生電子空穴對，它們被結(jié)的內(nèi)電場分離以后，光生的電子通過信號板等外電路入地，光生的空穴則被積累于P型島上。 如果光照是均勻的，靶的掃描面電位只是均勻地升高。如果光照不均勻，是一幅光學(xué)圖象，則掃描面上各P型島的電勢分布，將正比于入射光學(xué)圖象的亮度分布，亮度高的點，所對應(yīng)的P型島的電勢也高。 硅靶 燈絲、熱陰極、控制柵極、各加速電極和聚焦電極、靶網(wǎng)電極和管外的聚焦線圈、偏轉(zhuǎn)線圈、校正線圈等，它的作用是產(chǎn)生電子，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。電子槍掃描輸出信號 電子槍的作用是產(chǎn)生熱電子，并使它聚焦成

13、很細(xì)的電子射線，按著一定的軌跡掃描靶面。逐點地采集這些轉(zhuǎn)換后的電量形成串行輸出信號。 電真空攝像管由于其重量和體積的限制，其研究與發(fā)展已經(jīng)告一段落，它正逐步被固體攝像器件所代替。RLC防反射膜信號板光導(dǎo)靶聚焦線圈偏轉(zhuǎn)線圈校正線圈聚焦電極加速電極K聚焦線圈校正線圈偏轉(zhuǎn)線圈G知識回顧：知識回顧：光像利用電子槍發(fā)射出來的電子束依次掃描靶面各像素，將靶面的電荷（或電勢）圖像有序地轉(zhuǎn)變成視頻信號輸出，這就完成了掃描輸出的功能。 知識回顧：知識回顧：靶的成象面一邊為N-PbO，掃描面一邊為P-PbO，兩者之間夾著一層(相對)很厚的本征氧化鉛I-PbO，因而具有PIN結(jié)構(gòu)。N I PSnO2 透明導(dǎo)電膜玻璃

14、RLVT （4060V）信號板知識回顧：知識回顧： 在電子束掃描某一像素的瞬間，該像素與電在電子束掃描某一像素的瞬間，該像素與電源正極和陰極結(jié)成通路。這個像素的光電流由源正極和陰極結(jié)成通路。這個像素的光電流由PN，流過負(fù)載，流過負(fù)載RL, ,產(chǎn)生負(fù)極性圖像信號輸出。產(chǎn)生負(fù)極性圖像信號輸出。同時，同時，掃描電子束使掃描電子束使P層電位降至陰極電位（圖層電位降至陰極電位（圖像擦除）像擦除）。4.3 4.3 電荷耦合器件電荷耦合器件lCCDCCD圖像傳感器主要特點：圖像傳感器主要特點：固體化攝像器件固體化攝像器件很高的空間分辨率很高的空間分辨率很高的光電靈敏度和大的動態(tài)范圍很高的光電靈敏度和大的動態(tài)

15、范圍光敏元間距位置精確光敏元間距位置精確, ,具有高的定位和測量精度具有高的定位和測量精度信號與微機接口容易信號與微機接口容易CCD(Charge Coupled Devices)主要內(nèi)容：一. CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理二. CCD的主要特性參數(shù)三. CCD攝像器件CCD電荷存儲電荷轉(zhuǎn)移電荷注入電荷輸出一. CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理特點：以電荷作為信號基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移一. CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理為什么稱為電荷耦合器件？電荷器件中的信息是以電荷形式出現(xiàn)的，不同于其他探測器的“電流”或“電壓”耦合器件內(nèi)部信息的傳遞是通過勢阱的藕合完成的，完全不同于電子槍的“掃描輸出”形式CCD光敏元顯微照片

16、光敏元顯微照片CCD讀出移位寄存器讀出移位寄存器的的數(shù)據(jù)面顯微照片數(shù)據(jù)面顯微照片 彩色CCD顯微照片（放大7000倍）一. CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理1 CCD的單元結(jié)構(gòu)MOS結(jié)構(gòu)單元像素由多個像素組成線陣,金屬柵極是分立的，氧化物與半導(dǎo)體是連續(xù)的EvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFm 柵極電壓Vg=0,p型半導(dǎo)體中均勻的空穴（多數(shù)載流子）分布，半導(dǎo)體中能量線延伸到表面并與表面垂直。 柵極電壓Vg0,電場排斥電子吸引空穴，使表面電子能量增大，表面處能帶向上彎曲，越接近表面空穴濃度越大，形成空穴積累層。EvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmVG0Vg0,電場排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越

17、小，形成空穴耗盡層。EvVG0EFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmW 柵極電壓Vg0,電場排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越小，電子濃度甚至超過空穴濃度，形成反型層。 EvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmVG0WEvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmVG0WVg0SiO2柵電極反型層P-SiVg0SiO2柵電極耗盡層P-Si 半導(dǎo)體表面與襯底的電壓，常稱為表面勢，（用VG表示）外加電壓越大，對應(yīng)有越大的表面電勢，能帶彎曲的越厲害，相應(yīng)的能量越低，儲存電子的能力越大，通常稱其為勢阱。注入電子形成電荷包表面勢與勢阱VG 0 51015伏VG空勢阱P-SiVG=12伏全滿勢阱P-SiVG=

18、12伏填滿1/3勢阱P-Si 勢 阱 施加正電壓 空穴耗盡區(qū) 柵極正向電壓增加時，勢阱變深。改變UG，調(diào)節(jié)勢阱深度2）電荷的存儲 MOS電容具有存儲電荷的能力dGoxAUCQ 反型層的出現(xiàn)在SiO2襯底之間建立了導(dǎo)電機構(gòu)，Vg0SiO2柵電極反型層P-SiP型襯底n溝道Vg0SiO2柵電極反型層n-Sin型襯底p溝道 n型襯底，柵極加負(fù)電壓，反型層是正電荷，稱為p溝道。 p型襯底，柵極加正電壓，反型層是負(fù)電荷，稱為n 溝道，4 信號電荷包的傳輸1）通過控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺，使信號電荷包由勢阱淺的位置流向勢阱深的位置。2）必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS

19、電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。3）柵極脈沖電壓必須嚴(yán)格滿足位相時序要求，保證信號轉(zhuǎn)移按確定方向進(jìn)行。CCD中電荷包的轉(zhuǎn)移：將電荷包從一個勢阱轉(zhuǎn)入相鄰的深勢阱。 基本思想： 調(diào)節(jié)勢阱深度 利用勢阱耦合Vg=0SiO2柵電極P-SiVg0SiO2柵電極耗盡層P-SiVg0SiO2柵電極反型層P-SinnP-Si 襯底源漏輸出柵轉(zhuǎn)移柵電極SiO2n-溝道電荷包轉(zhuǎn)移2伏2伏10伏VGP-Si 2伏2伏10伏VGP-Si VG2伏2伏10伏P-Si2伏 VG123t2 t4t1 t3 t5123t1 t3 t510伏2伏2伏2伏VGP-Si VG2伏2伏10伏P-Si MOS上三個相鄰電極，每隔兩個所

20、有電極接在一起。由3個相位差120時鐘脈沖驅(qū)動。三相CCD中電荷包的轉(zhuǎn)移過程： .9 , 6 , 3.8 , 5 , 2.741321驅(qū)動驅(qū)動，驅(qū)動t1時刻，1為高電平， 2 3為低電平，1電極下形成深勢阱，儲存電荷形成電荷包t2-t3時刻，1電壓線性減小，1電極下勢阱變淺， 2為高電平，2電極下形成深勢阱，信號電荷從1電極向2電極轉(zhuǎn)移，直到t3時刻，信號電荷全部轉(zhuǎn)到2電極下。重復(fù)上述過程，信息電荷從2電極轉(zhuǎn)移到3電極，到t5時刻， 信號電荷全部轉(zhuǎn)移到3電極下。經(jīng)過一個時鐘周期，信號電荷包向右轉(zhuǎn)移一級，t6時刻信號電荷全部轉(zhuǎn)移4電極下。依次類推，信號電荷依次由1，2，3，4.N向右轉(zhuǎn)移直至輸出

21、移位寄存器電子 被吸入產(chǎn)生電子空穴對空穴 柵極電壓排斥2、信號電荷的注入光注入： 產(chǎn)生電子空穴對（1）光注入當(dāng)光照射CCD硅片時，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。它有可分為正面照射式背面照射式。其光注入電荷：材料的量子效率入射光的光子流速率0ATqQeonIP光敏電壓的受光面積光注入時間U+U+勢壘P-Si背面照射式光注入IDuINuIDN+IG1232PID為源極，IG為柵極,而2為漏極，當(dāng)它工作在飽和區(qū)時，輸入柵下溝道電流為：22UUUCLWIIGINGs經(jīng)過Tc時間注入后，其信號電荷量為：cIGINGsTUUUCL

22、WQ22IDIG213231N+P-Si電壓注入法與電流注入法類似，但輸入柵極IG加與2同位相的選通脈沖，在選通脈沖作用下，電荷被注入到第一個轉(zhuǎn)移柵極2下的勢阱里，直到阱的電位與N+區(qū)的電位相等時，注入電荷才停止。往下一級轉(zhuǎn)移前，由于選通脈沖的終止，IG的勢壘把2N+的勢阱分開。電荷注入量與時鐘脈沖頻率無關(guān)。由反向偏置二極管收集信號電荷來控制A點電位的變化，直流偏置的輸出柵極OG用來使漏擴散時鐘脈沖之間退耦，由于二極管反向偏置，形成一個深陷落信號電荷的勢阱，轉(zhuǎn)移到2電極下的電荷包越過輸出柵極，流入到深勢阱中。UDRDRgAOG12放大P-SiN+2、電荷的檢測（1）電流輸出：2、電荷的檢測（1

23、）電流輸出：OG12浮置擴散T1（復(fù)位管）T2（放大管）RgUDD(2)浮置擴散放大器輸出：復(fù)位管在2下的勢阱未形成前，在RG端加復(fù)位脈沖，使復(fù)位管導(dǎo)通，把浮置擴散區(qū)剩余電荷抽走，復(fù)位到UDD，而當(dāng)電荷到來時，復(fù)位管截止，由浮置擴散區(qū)收集的信號電荷來控制放大管柵極電位變化。(2)浮置擴散放大器輸出：（3）浮置柵放大器輸出：如下圖。浮柵T2UDD1321323T2的柵極不是直接與信號電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當(dāng)信號電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道時，在浮置柵上感應(yīng)出鏡像電荷，以此來控制T2的柵極電位。（3）浮置柵放大器輸出：如下圖。習(xí)題講解：習(xí)題講解： 光電倍增管的供電電路種類

24、很多，可以根據(jù)應(yīng)用的情況設(shè)計出各具特色的供電電路。本節(jié)介紹最常用的電阻分壓式供電電路。 習(xí)題講解：習(xí)題講解： 考慮到光電倍增管各倍增極的電子倍增效應(yīng)，各級的考慮到光電倍增管各倍增極的電子倍增效應(yīng)，各級的電子流按放大倍率分布，其中，陽極電流電子流按放大倍率分布，其中，陽極電流Ia最大。因此，最大。因此，電阻鏈分壓器中流過每級電阻的電流并不相等，但是，當(dāng)電阻鏈分壓器中流過每級電阻的電流并不相等，但是，當(dāng)流過分壓電阻的電流流過分壓電阻的電流IR遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ia時，即時，即 IR Ia時，流時，流過各分壓電阻過各分壓電阻Ri的電流近似相等。工程上常設(shè)計的電流近似相等。工程上常設(shè)計IR大于等大于等于

25、于10倍的倍的Ia電流。電流。 IR10Ia選擇的太大將使分壓電阻功率損耗加大，倍增管溫度升高導(dǎo)致性能的降低，以至于溫升太高而無法工作。 習(xí)題講解：習(xí)題講解：R=Ubb/IR各分壓電阻Ri 為Rbbi1.5)(NIUR而R1應(yīng)為（第一級和陰極距離較遠(yuǎn)，最后一級電流容易飽和）R1=1.5 Ri選定電流后，可以計算出電阻鏈分壓器的總阻值R 習(xí)題講解：習(xí)題講解：電源電壓電源電壓 極間供電電壓UDD直接影響著二次電子發(fā)射系數(shù)，或管子的增益G。因此，根據(jù)增益G的要求可以設(shè)計出極間供電電壓UDD與電源電壓Ubb。 0.7nDDn(0.2) UG nDDn(0.025) UG 由可以計算出UDD與Ubb。習(xí)

26、題講解：習(xí)題講解：末極的并聯(lián)電容末極的并聯(lián)電容 習(xí)題講解：習(xí)題講解：習(xí)題講解：習(xí)題講解：末極的并聯(lián)電容末極的并聯(lián)電容 當(dāng)入射輻射信號為高速的迅變信號或脈沖時，末3級倍增極電流變化會引起較大UDD的變化，引起光電倍增管增益的起伏，將破壞信息的變換。在末3極并聯(lián)3個電容C1、C2與C3，通過電容的充放電過程使末3級電壓穩(wěn)定。 電容C1、C2與C3的計算公式為 DDam1LN70UIC 式中N為倍增極數(shù)，Iam為陽極峰值電流，為脈沖的持續(xù)時間，UDD為極間電壓，L為增益穩(wěn)定度的百分?jǐn)?shù)。 12CC 213CC 習(xí)題講解：習(xí)題講解：電源電壓的穩(wěn)定度電源電壓的穩(wěn)定度 可得到光電倍增管的電流增益穩(wěn)定度與極間

27、電壓穩(wěn)定度的關(guān)系 DDDD7 . 0UUNGGbbbb7 . 0UUNGG對銻化銫倍增極 0.7NDDN(0.2) UG NDDN(0.025) UG 習(xí)題講解：習(xí)題講解：bbbbUUnGG 由于光電倍增管的輸出信號Uo=GSkvRL，因此，輸出信號的穩(wěn)定度與增益的穩(wěn)定度有關(guān) bbbbUUnGGUU對銀鎂合金倍增極 在實際應(yīng)用中常常對電源電壓穩(wěn)定度的要求簡單地認(rèn)為高于輸出電壓穩(wěn)定度一個數(shù)量級。例如，當(dāng)要求輸出電壓穩(wěn)定度為1%時，則要求電源電壓穩(wěn)定度應(yīng)高于0.1%。 知識回顧：知識回顧：1 CCD的單元結(jié)構(gòu)MOS結(jié)構(gòu)單元像素由多個像素組成線陣,金屬柵極是分立的，氧化物與半導(dǎo)體是連續(xù)的知識回顧：知

28、識回顧： 柵極電壓Vg0,電場排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越小，形成空穴耗盡層。EvVG0EFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmW 柵極電壓Vg0,電場排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越小，電子濃度甚至超過空穴濃度，形成反型層。 EvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmVG0WEvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmVG0WVg0SiO2柵電極反型層P-SiVg0SiO2柵電極耗盡層P-Si知識回顧：知識回顧： 半導(dǎo)體表面與襯底的電壓，常稱為表面勢，（用VG表示）外加電壓越大，對應(yīng)有越大的表面電勢，能帶彎曲的越厲害，相應(yīng)的能量越低，儲存電子的能力越大，通常稱其為勢阱。注入電子形成電荷

29、包表面勢與勢阱VG 0 51015伏VG空勢阱P-SiVG=12伏全滿勢阱P-SiVG=12伏填滿1/3勢阱P-Si知識回顧：知識回顧：電荷包轉(zhuǎn)移2伏2伏10伏VGP-Si 2伏2伏10伏VGP-Si VG2伏2伏10伏P-Si2伏 VG123t2 t4t1 t3 t5123t1 t3 t510伏2伏2伏2伏VGP-Si VG2伏2伏10伏P-Si 知識回顧：知識回顧：電子 被吸入產(chǎn)生電子空穴對空穴 柵極電壓排斥光注入： 產(chǎn)生電子空穴對材料的量子效率入射光的光子流速率0ATqQeonIP光敏電壓的受光面積光注入時間知識回顧：知識回顧：由反向偏置二極管收集信號電荷來控制A點電位的變化，直流偏置的

30、輸出柵極OG用來使漏擴散時鐘脈沖之間退耦，由于二極管反向偏置，形成一個深陷落信號電荷的勢阱，轉(zhuǎn)移到2電極下的電荷包越過輸出柵極，流入到深勢阱中。UDRDRgAOG12放大P-SiN+2、電荷的檢測（1）電流輸出： 表面溝道電荷耦合器件（SCCD）信號電荷存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏敗?體內(nèi)溝道或埋溝道電荷耦合器件（BCCD）信號電荷存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體內(nèi)部沿一定方向傳輸。 按電荷轉(zhuǎn)移的溝道分：按光敏元的排列分： 線陣CCD面陣CCD1. 轉(zhuǎn)移效率，損耗率6. 暗電流4. 光譜響應(yīng)特性3. 光電轉(zhuǎn)換特性5. 分辨率2. 工作頻率7. 動態(tài)范圍轉(zhuǎn)移效率：當(dāng)C

31、CD中電荷包從一個勢阱轉(zhuǎn)移到另一個勢阱時，若Q1為轉(zhuǎn)移的電荷量，Q0為原始電荷01QQ轉(zhuǎn)移損失率：表示殘留于原勢阱中的電量Q與原電量Q0之比定義為轉(zhuǎn)移損耗1若CCD有n個柵極板時，則總轉(zhuǎn)移效率為nnnQQ)1 (00100QQQQQ1 轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率 1）所以表面溝道CCD在使用時，為了減少損耗，提高轉(zhuǎn)移效率，常采用偏置電荷技術(shù)，即在接收信息電荷之前，就先給每個勢阱都輸入一定量的背景電荷，使表面態(tài)填滿。時鐘頻率過高表面態(tài)對電子俘獲的原因%100 預(yù)先輸入一定的背景電荷，零信號也有一定電荷“胖零（fat zero）”技術(shù)。2）采取體內(nèi)溝道的傳輸形式，有效避免了表面態(tài)俘獲，提高了轉(zhuǎn)移效率和速

32、度。2 工作頻率（a）工作頻率的下限f下 -取決于非平衡載流子的平均壽命c 電荷包在相鄰兩電極之間的轉(zhuǎn)移時間t tc三相CCD： 二相CCD ： （b）工作頻率的上限f上 cfTt31,3下cfTt21,2下三相CCD g31f電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極的固有時間 gc3131 f 在低照度下，CCD的輸出電壓與照度有良好的線性關(guān)系。照度超過1001x以后，輸出有飽和現(xiàn)象。3光電特性4光譜特性 n44萬（768*576）、100萬（1024*1024）、200萬（1600*1200）、600萬（2832*2128）CCD光譜響應(yīng)與光敏面結(jié)構(gòu)、光束入射角及各層介質(zhì)的折射率、厚度、消光系數(shù)等多

33、個因素有關(guān)。 5分辨率：實際中，CCD器件的分辨率一般用像素數(shù)表示，像素越多，則分辨率越高。 2048 2048 面陣CCD5000像元線陣CCD1. 三相單溝道線陣CCD 2. 雙溝道線陣CCD（1) 三相單溝道線陣CCD 放大器結(jié) 構(gòu)：轉(zhuǎn)移柵光敏區(qū)CCD移位寄存器1 線陣列CCD攝象器件 放大器工作過程：光 敏 區(qū)轉(zhuǎn) 移 柵 移 位 寄 存 器（1) 三相單溝道線陣CCD 工作過程：三相時鐘脈沖視頻信號輸出 （1) 三相單溝道線陣CCD 光 敏 區(qū)轉(zhuǎn) 移 柵 移 位 寄 存 器放大器 特點是結(jié)構(gòu)簡單，但電荷包轉(zhuǎn)移所經(jīng)過的極板數(shù)多，。（1) 三相單溝道線陣CCD (2) 雙溝道線陣CCD 特

34、點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，但電荷包轉(zhuǎn)移所經(jīng)過的極板數(shù)只是單側(cè)傳輸?shù)囊话?，所以損耗小，。2 面陣列CCD攝象器件 幀轉(zhuǎn)移面陣CCD 成像區(qū) 暫存區(qū) 水平讀出 寄存器 2 面陣列CCD攝象器件 1)結(jié)構(gòu)成像區(qū) 暫存區(qū) 場正程期間： 場逆程期間： 光學(xué)圖像電荷包圖像電荷包圖像2)工作過程 暫存區(qū) 場正程期間： 水平讀出 寄存器 行逆程期間 行正程期間 電荷包圖像 暫存區(qū) 場正程期間： 水平讀出 寄存器 行逆程期間 暫存區(qū)的信號電荷產(chǎn)生一行平移行正程期間 電荷包圖像 暫存區(qū) 場正程期間： 水平讀出 寄存器 行逆程期間 行正程期間 電荷包圖像水平讀出寄存器輸出一行視頻信號 暫存區(qū) 場正程期間： 水平讀出 寄存器

35、 行逆程期間 暫存區(qū)的信號電荷產(chǎn)生一行平移行正程期間 電荷包圖像 暫存區(qū) 場正程期間： 水平讀出 寄存器 行逆程期間 行正程期間 電荷包圖像水平讀出寄存器輸出一行視頻信號 暫存區(qū) 場正程期間： 水平讀出 寄存器 行逆程期間 行正程期間 電荷包圖像暫存區(qū)的信號電荷產(chǎn)生一行平移 暫存區(qū) 場正程結(jié)束時 水平讀出 寄存器 行逆程期間 行正程期間 電荷包圖像水平讀出寄存器輸出一行視頻信號 工作過程： 面陣面陣CCDCCD攝像器件攝像器件 （小結(jié)）（小結(jié)） 成像區(qū) 暫存區(qū) 水平讀出 寄存器 場正程場逆程結(jié)構(gòu)： 圖 像 電 荷成像區(qū)暫存區(qū) 場正程行逆程行正程電荷平移輸出信號 光敏區(qū)存儲區(qū)讀出寄存器3 CCD

36、3 CCD的特點的特點l體積小，功耗低，可靠性高，壽命長。體積小，功耗低，可靠性高，壽命長。l空間分辨率高，可以獲得很高的定位精度和測量精度?？臻g分辨率高，可以獲得很高的定位精度和測量精度。l光電靈敏度高，動態(tài)范圍大，紅外敏感性強，信噪比光電靈敏度高，動態(tài)范圍大，紅外敏感性強，信噪比高高 。l高速掃描，基本上不保留殘象高速掃描，基本上不保留殘象(電子束攝象管有電子束攝象管有1520的殘象的殘象)l集成度高集成度高l非接觸測量。非接觸測量。l無像元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。無像元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。l有數(shù)字掃描能力。像素位置信息準(zhǔn)確、像元的位置可有數(shù)字掃描能力。像素位置信息準(zhǔn)確、像元的位置可由數(shù)字代碼確定，便于與計算機結(jié)合接口。由數(shù)字代碼確定，便于與計算機結(jié)合接口?；パa金屬氧化物場效應(yīng)管7.3.2 CMOS圖像傳感器圖像傳感器Complementary Metal Oxide Semiconductor 簡稱 CMOS特點：成品率高、價格低廉，像質(zhì)量？ C