2025/9/13Ch8固體成像器件原理及應用光電成像原理與技術2025/9/13CCD的物理基礎與電荷存儲原理

CCD的結構

CCD特性及其分析

CCD成像原理

增強型CCD

特種CCD

CCD的應用

CMOS成像器件及其應用2025/9/13CCD的物理基礎與電荷存儲原理

CCD的結構

CCD特性及其分析

CCD成像原理

增強型CCD

特種CCD

CCD的應用

CMOS成像器件及其應用2025/9/13增強型（微光）電荷耦合成像器件光學耦合的像增強型CCD（ICCD)電子轟擊CCD(EBCCD）電子倍增CCD（EMCCD）延遲積分CCD（TDI陣列）2025/9/13增強型（微光）電荷耦合成像器件光學耦合的像增強型CCD（ICCD)電子轟擊CCD(EBCCD）電子倍增CCD（EMCCD）延遲積分CCD（TDI陣列）2025/9/13IntensifiedCCD兩個環(huán)節(jié):像管實現(xiàn)圖像增強

CCD實現(xiàn)電視成像;光學耦合的像增強型CCD（ICCD)2025/9/13IntensifiedCCD兩個環(huán)節(jié):像管實現(xiàn)圖像增強

CCD實現(xiàn)電視成像;兩種耦合方式光學耦合的像增強型CCD（ICCD)2025/9/13像增強器CCD攝像頭中繼透鏡物鏡IntensifiedCCD兩個環(huán)節(jié):像管實現(xiàn)圖像增強

CCD實現(xiàn)電視成像;兩種耦合方式光學耦合光學耦合的像增強型CCD（ICCD)2025/9/13像增強器CCD攝像頭中繼透鏡物鏡像增強器CCD攝像頭光纖(錐)面板物鏡光錐或光纖面板耦合IntensifiedCCD兩個環(huán)節(jié):像管實現(xiàn)圖像增強

CCD實現(xiàn)電視成像;兩種耦合方式光學耦合光纖（錐）面板耦合光學耦合的像增強型CCD（ICCD)2025/9/13像增強器CCD攝像頭中繼透鏡物鏡像增強器CCD攝像頭光纖(錐)面板物鏡光錐或光纖面板耦合IntensifiedCCD兩個環(huán)節(jié):像管實現(xiàn)圖像增強

CCD實現(xiàn)電視成像;兩種耦合方式光學耦合光纖（錐）面板耦合光錐的優(yōu)勢－變放大率光學耦合的像增強型CCD（ICCD)2025/9/13IntensifiedCCD兩個環(huán)節(jié):像管實現(xiàn)圖像增強

CCD實現(xiàn)電視成像;兩種耦合方式光學耦合光纖（錐）面板耦合光錐的優(yōu)勢－變放大率光學耦合的像增強型CCD（ICCD)圖片來自北方夜視技術股份有限公司2025/9/13光錐耦合ICCD結構示意圖IntensifiedCCD兩個環(huán)節(jié):像管實現(xiàn)圖像增強

CCD實現(xiàn)電視成像;兩種耦合方式光學耦合光纖（錐）面板耦合光錐的優(yōu)勢－變放大率光學耦合的像增強型CCD（ICCD)圖片來自北方夜視技術股份有限公司圖片來自普赫光電2025/9/13光學耦合的像增強型CCD（ICCD)X光透射成像系統(tǒng)典型結構2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)提高了CCD的靈敏度2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)提高了CCD的靈敏度提供了利用普通CCD在紫外、X光波段成像的可能2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)提高了CCD的靈敏度提供了利用普通CCD在紫外、X光波段成像的可能提供了可選通成像的可能2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)提高了CCD的靈敏度提供了利用普通CCD在紫外、X光波段成像的可能提供了可選通成像的可能實現(xiàn)了微光圖像、紫外成像的視頻化，并為其進一步數(shù)字化提供了可能2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)提高了CCD的靈敏度提供了利用普通CCD在紫外、X光波段成像的可能提供了可選通成像的可能實現(xiàn)了微光圖像、紫外成像的視頻化，并為其進一步數(shù)字化提供了可能攝像器件不再是全固體的了！2025/9/13光學耦合的像增強CCD（ICCD)提高了CCD的靈敏度提供了利用普通CCD在紫外、X光波段成像的可能提供了可選通成像的可能實現(xiàn)了微光圖像、紫外成像的視頻化，并為其進一步數(shù)字化提供了可能攝像器件不再是全固體的了！攝像器件的外形尺寸、體積重量明顯加大！2025/9/13增強型（微光）電荷耦合成像器件光學耦合的像增強型CCD（ICCD)電子轟擊CCD(EBCCD）電子倍增CCD（EMCCD）延遲積分CCD（TDI陣列）2025/9/13增強型（微光）電荷耦合成像器件光學耦合的像增強型CCD（ICCD)電子轟擊CCD(EBCCD）電子倍增CCD（EMCCD）延遲積分CCD（TDI陣列）2025/9/13關于BCCD技術2025/9/13關于BCCD技術BCCD通過背面照明來收集電荷，成像光子不需要通過多晶硅門電極進入CCD，克服了前照明CCD的性能限制。2025/9/13關于BCCD技術BCCD通過背面照明來收集電荷，成像光子不需要通過多晶硅門電極進入CCD，克服了前照明CCD的性能限制。量子效率高：在可見區(qū)內(nèi)可達90%，約為GaAs光陰極量子效率的500%。2025/9/13關于BCCD技術BCCD通過背面照明來收集電荷，成像光子不需要通過多晶硅門電極進入CCD，克服了前照明CCD的性能限制。量子效率高：在可見區(qū)內(nèi)可達90%，約為GaAs光陰極量子效率的500%。成像分辨力高－成像過程:光子

電子,成像環(huán)節(jié)少；2025/9/13關于BCCD技術BCCD通過背面照明來收集電荷，成像光子不需要通過多晶硅門電極進入CCD，克服了前照明CCD的性能限制。量子效率高：在可見區(qū)內(nèi)可達90%，約為GaAs光陰極量子效率的500%。成像分辨力高－成像過程:光子

電子,成像環(huán)節(jié)少；寬光譜響應：2025/9/13關于BCCD技術BCCD通過背面照明來收集電荷，成像光子不需要通過多晶硅門電極進入CCD，克服了前照明CCD的性能限制。量子效率高：在可見區(qū)內(nèi)可達90%，約為GaAs光陰極量子效率的500%。成像分辨力高－成像過程:光子

電子,成像環(huán)節(jié)少；寬光譜響應：在850~1000nm內(nèi)仍有很好的響應，而GaAs光陰極在900~1000nm內(nèi)幾乎無響應。2025/9/13關于BCCD技術BCCD通過背面照明來收集電荷，成像光子不需要通過多晶硅門電極進入CCD，克服了前照明CCD的性能限制。量子效率高：在可見區(qū)內(nèi)可達90%，約為GaAs光陰極量子效率的500%。成像分辨力高－成像過程:光子

電子,成像環(huán)節(jié)少；寬光譜響應：在850~1000nm內(nèi)仍有很好的響應，而GaAs光陰極在900~1000nm內(nèi)幾乎無響應。在紫外和軟X射線區(qū)域也接收成像輻射，帶有抗反射涂層的背照明CCD在200nm波長處具有接近50%的量子效率，而前照明CCD的電極則吸收了幾乎所有的紫外光。2025/9/13行間轉移CCD可以使用背照明技術嗎？2025/9/13行間轉移CCD可以使用背照明技術嗎？2025/9/13電子轟擊CCD（EBCCD）ElectronbombardmentCCD成像過程:光子

光電子

電子,用背照明CCD替換了像管中的熒光屏！也可理解為用背照明CCD替換了硅增強靶攝像管中的硅靶！圖片來自上海光學儀器廠圖片來自HAMAMATSU2025/9/13高增益：管電壓為10kV時，增益為2000～3000，足以削弱或抵消CCD芯片上的噪聲源(300個電子)；單級EBCCD像管的閾值照度值約為5×10-5lx,為使它能與帶MCP的二代管的ICCD競爭，可在EBCCD前耦合一代管，變成像增強I-EBCCD，使輸入照度降到(5~10)×10-6lx。CCD光陰極電子轟擊CCD（EBCCD）2025/9/13俄羅斯“Electron”公司與“Geosphera”公司合建EBCCD像管生產(chǎn)線,已有系列靜電倒像管商品。美國“ScientificImagingTechnologies(SITe)”公司用各類BCCD構成近貼型EBCCD。并成功地應用于夜視電視攝像，皮秒條紋相機以及高能物理光纖探測器。國內(nèi)南京電子器件研究所也制成了實物EBCCD（如圖）電子轟擊CCD（EBCCD）圖片來自南京電子器件研究所2025/9/13電子轟擊CCD（EBCCD）2025/9/13高靈敏度，高增益，低暗電流電子轟擊CCD（EBCCD）2025/9/13高靈敏度，高增益，低暗電流結構較ICCD緊湊電子轟擊CCD（EBCCD）2025/9/13高靈敏度，高增益，低暗電流結構較ICCD緊湊工作壽命短！電子轟擊CCD（EBCCD）2025/9/13高靈敏度，高增益，低暗電流結構較ICCD緊湊工作壽命短！CCD在高速電子轟擊下會產(chǎn)生輻射損傷，從而導致暗電流、漏電流增加，轉移效率下降。電子轟擊CCD（EBCCD）2025/9/13高靈敏度，高增益，低暗電流結構較ICCD緊湊工作壽命短！CCD在高速電子轟擊下會產(chǎn)生輻射損傷，從而導致暗電流、漏電流增加，轉移效率下降。攝像器件依然離不開真空環(huán)節(jié)！電子轟擊CCD（EBCCD）2025/9/13ICCD、BCCD和EBCCD的比較在一般的低光照條件下，BCCD的性能優(yōu)于ICCD，鑒于郊外環(huán)境或鄉(xiāng)村有月光等通常均是低光照環(huán)境，BCCD可能勝任大多數(shù)應用；光線再弱下去……2025/9/13ICCD、BCCD和EBCCD的比較在一般的低光照條件下，BCCD的性能優(yōu)于ICCD，鑒于郊外環(huán)境或鄉(xiāng)村有月光等通常均是低光照環(huán)境，BCCD可能勝任大多數(shù)應用；光線再弱下去……2025/9/13ICCD、BCCD和EBCCD的比較512×512元近貼式和1024×1024元倒像式EBCCD由于理想的增益機構及極好的MTF特性，能圓滿解決1×10-5lx以下的微光成像問題，無論是高光照或低光照條件下，性能已全面超過ICCD。2025/9/13增強型（微光）電荷耦合成像器件光學耦合的像增強型CCD（ICCD)電子轟擊CCD(EBCCD）電子倍增CCD（EMCCD）延遲積分CCD（TDICCD）2025/9/13增強型（微光）電荷耦合成像器件光學耦合的像增強型CCD（ICCD)電子轟擊CCD(EBCCD）電子倍增CCD（EMCCD）延遲積分CCD（TDICCD）2025/9/13電子倍增CCD(EMCCD)EMCCD

倍增原理示意圖電子倍增

CCD(ElectronMultiplyingCCD)芯片的轉移寄存器和輸出放大器之間具有一個特殊的增益寄存器。2025/9/13電子倍增CCD(EMCCD)EMCCD

倍增原理示意圖沒有增益寄存器時——就是幀場轉移CCD(FTCCD)沒有增益電壓變化時——就是加長水平移位寄存器的幀場轉移CCD(FTCCD)有了增益電壓控制時——就是成了電子倍增CCD(EMCCD)2025/9/13電離效應倍增電子示意圖增益寄存器的結構和一般的CCD類似，只是電子轉移第二階段的勢阱被一對電極取代，第一個電極上為固定值電壓，第二個電極按標準時鐘頻率加上一個高電壓(40V~50V)。通過兩個電極之間高電壓差形成對待轉移信號電子的沖擊電離形成了新的電子。由于大幅提高了輸出信號的強度，使得CCD器件固有的讀出噪聲對于系統(tǒng)的影響減小。電子倍增CCD(EMCCD)2025/9/13EMCCD，GenII（二代像增強器），GenIII（三代像增強器），ICCD量子效率示意圖2025/9/13EMCCD拍攝的彩色圖像！2025/9/13EMCCD拍攝的彩色圖像！圖片來自UnitedVisionSolutions圖片來自先鋒科技股份有限公司2025/9/13增強型（微光）電荷耦合成像器件光學耦合的像增強型CCD（ICCD)電子轟擊CCD(EBCCD）電子倍增CCD（EMCCD）延遲積分CCD（TDICCD）2025/9/13增強型（微光）電荷耦合成像器件光學耦合的像增強型CCD（ICCD)電子轟擊CCD(EBCCD）電子倍增CCD（EMCCD）延遲積分CCD（TDICCD）2025/9/13時間延遲－積分（TDI陣列）問題的提出線陣CCD要攝取二維平面圖像，攝像機與景物之間必須相對運動；運動速度v0和攝像機的積分時間ti決定著攝像系統(tǒng)在運動方向的最小可分辨尺寸dg(積分時間內(nèi)攝像機通過光學系統(tǒng)在物平面上的投影）。dg

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ti信號的幅值與積分時間成正比!垂直分辨力與積分時間成反比!2025/9/13時間延遲－積分（TDI陣列）問題的提出線陣CCD要攝取二維平面圖像，攝像機與景物之間必須相對運動；運動速度v0和攝像機的積分時間ti決定著攝像系統(tǒng)在運動方向的最小可分辨尺寸dg(積分時間內(nèi)攝像機通過光學系統(tǒng)在物平面上的投影）。dg

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ti信號的幅值與積分時間成正比!垂直分辨力與積分時間成反比!2025/9/13時間延遲－積分（TDI陣列）問題的提出線陣CCD要攝取二維平面圖像，攝像機與景物之間必須相對運動；運動速度v0和攝像機的積分時間ti決定著攝像系統(tǒng)在運動方向的最小可分辨尺寸dg(積分時間內(nèi)攝像機通過光學系統(tǒng)在物平面上的投影）。dg

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ti信號的幅值與積分時間成正比!垂直分辨力與積分時間成反比!2025/9/13時間延遲－積分（TDI陣列）問題的提出線陣CCD要攝取二維平面圖像，攝像機與景物之間必須相對運動；運動速度v0和攝像機的積分時間ti決定著攝像系統(tǒng)在運動方向的最小可分辨尺寸dg(積分時間內(nèi)攝像機通過光學系統(tǒng)在物平面上的投影）。dg

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ti信號的幅值與積分時間成正比!垂直分辨力與積分時間成反比!顯然，分辨力與信號幅值的乘積與積分時間無關。2025/9/13時間延遲－積分（TDI陣列）解決方案:使用面陣CCD，采用延遲－積分的方式，即可提高信號強度，又不影響分辨力。設該列陣為M行N列，沿列方向同景物相對運動，只要延遲時間和掃描速度一致，就可以把M行從同一景物單元接收到像敏元的信號積累起來，相當于對每一列來講，每個像敏元的信號電荷量都增大了M倍，因此靈敏度提高了M倍，而幾何分辨力不變。2025/9/13時間延遲－積分（TDI陣列）對于TDI模式應考慮兩個效應：同步性：電荷包的平均轉移速度要等于物在像平面的運動速度。分立電荷運動：像越過CCD各像元的速度是連續(xù)均勻的，CCD元件是分立的，電荷轉移也是分立的，通過對MTF的計算，按照采樣定理，可以導出，1，2，3，4相器件中，4相器件中電荷的運動更接近于連續(xù)。2025/9/13CCD的物理基礎與電荷存儲原理

CCD的結構

CCD特性及其分析

CCD成像原理

增強型CCD

特種CCD

CCD的應用

CMOS成像器件及其應用2025/9/13CCD的物理基礎與電荷存儲原理

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CCD特性及其分析

CCD成像原理

增強型CCD