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1、第5章 光电成像系统,光电成像系统的基本组成,成像转换过程有四个方面的问题需要研究：,能量方面物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题 成像特性能分辨的光信号在空间和时间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率 噪声方面决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性 信息传递速率方面,成像特性、噪声信息传递问题，决定能被传递的信息量大小,光电成像器件是光电成像系统的核心,1 固体摄像器件,固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号 视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像,固体摄像器件主要有三
2、大类：,电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injection Device，即CID）,一、电荷耦合摄像器件,贝尔实验室的W. S. Boyle，G. E. Smith在探索磁泡器件的电模拟工作中，在1969年秋构思了电荷耦合器件的原理,W. S. Boyle, G. E. Smith. Charge coupled semiconductor devices. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 587-593.,G. F. Amelio, M. F.
3、 Tompsett, G. E. Smith. Experiment verification of the Charge coupled device concept. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 593-600.,他们首先提出的一种器件结构是采用相同的电极和三相时钟系统，为隔离各个电荷包，最少需要三相时钟,紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器可用来存储和转移电荷，按适当的次序对这些电极加上脉冲，它们就会产生携带一包一包少数载流子的运动势阱,电荷耦合器件（CCD）特点以电荷作为信号 CCD的基本功能电荷存储和电荷转移 CCD工作过程信号电荷的产生、存储、
4、传输和检测的过程,1 电荷耦合器件的基本原理 表面沟道器件，即SCCD（Surface Channel CCD）转移沟道在界面的CCD器件,体内沟道（或埋沟道CCD），即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达99.999以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件,以表面沟道CCD为例介绍CCD基本原理,电荷存储,构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器 电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态,电荷转移,
5、电荷检测,以浮置扩散输出为例,信号电压是在浮置电平基础上的负电压； 每个电荷包的输出占有一定的时间长度To； 在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲； 对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。,CCD输出信号的特点：,2 电荷耦合摄像器件的工作原理,按结构可分为线阵CCD和面阵CCD 按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD 可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD,CCD的电荷存储、转移的概念,半导体的光电性质,CCD摄像器件,256256,128128,积分 空间积分 时间积分,线阵CCD,线阵CCD可分为
6、双沟道传输与单沟道传输两种结构,面阵CCD,常见的面阵CCD摄像器件有两种： 行间转移结构与帧转移结构,帧转移结构,彩色CCD,目前主要有三片式和单片式两种,三片式CCD,拜尔方式滤色器,行间排列的滤色器,二、电荷耦合摄像器件的特性参数,电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有 部分的电荷转移过去，余下 部分没有被转移，称转移损失率,1 转移效率,一个电荷量为Qo的电荷包，经过n次转移后的输出电荷量应为：,总效率为：,2 不均匀度(非均匀性),光敏元的不均匀 CCD的不均匀,本节讨论光敏元的不均匀性，认为CCD是近似均匀的，即每次转移的效率是一样的。 光敏元响应的不均匀是工艺过程及材料不均匀性引起的
7、，大规模器件的均匀性问题严重,定义光敏元响应的均方根偏差对平均响应的比值为CCD的不均匀度 ：, 第n 个光敏元原始响应的等效电压, 平均原始响应等效电压,N 线列CCD的总位数,3 暗电流 CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流 暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发 由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，CCD中暗电流密度的分布是不均匀的,P是CCD的相数,暗电流的危害有两个方面： 限制器件的低频限 引起固定图像噪声,4 灵敏度（响应度） 在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流）,5 光谱响应,CCD的光谱响应是指等能量相对光谱响应，
8、最大响应值归一化为100%所对应的波长，称峰值波长，通常将10%（或更低）的响应点所对应的波长称截止波长。有长波端的截止波长与短波端的截止波长，两截止波长之间所包括的波长范围称光谱响应范围。,6 噪声 散粒噪声、转移噪声和热噪声,7 分辨率,分辨率是摄像器件最重要的参数之一，它是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力，测试时用专门的测试卡 目前国际上一般用（调制传递函数）来表示分辨率 像元分辨率,8 动态范围与线性度,动态范围 线性度是指在动态范围内，输出信号与曝光量的关系是否成直线关系,图像传感器尺寸,三、CMOS摄像器件,采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、
9、模数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统 Camera-On-A-Chip,1 CMOS像素结构,无源像素型（PPS） 有源像素型（APS）,无源像素结构,无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。,有源像素结构,光电二极管型有源像素（PPAPS）,大多数中低性能的应用,光栅型有源像素结构（PGAPS）,成像质量较高,CMOS有源像素传感器的功耗比较小。但与无源像素结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系数典型值为20%-3
10、0%。在CMOS上制作微透镜阵列，可以等效提高填充系数。,2 CMOS摄像器件的总体结构,外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元，行像素内的信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。行选通单元可以对像素阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息,3 CMOS与CCD器件的比较,CCD摄像器件 灵敏度高、噪声低、像素面积小 难与驱动电路及信号处理电路单片集
11、成，需要使用相对高的工作电压，制造成本比较高,CMOS摄像器件 集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低 需进一步提高器件的信噪比和灵敏度,Eric R. Fossum. CMOS Image Sensors: Electronic Camera-On-A -Chip. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONIC DEVICES, 1997, 44(10): 1689-1698,四、红外焦平面器件,红外焦平面器件（Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA）,1. IRFPA的工作条件,IRFPA通常工作于13m、3
12、5m和812m的红外波段并多数探测300K背景中的目标 典型的红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为0.1K的目标 随波长的变长，背景辐射的光子密度增加,用普朗克定律计算的各个红外波段300K背景的光谱辐射光子密度,通常光子密度高于1013cm2s的背景称为高背景条件，因此35m或812m波段的室温背景为高背景条件。 辐射对比度背景温度变化1K所引起光子通量变化与整个光子通量的比值，它随波长增长而减小。 IRFPA工作条件：高背景、低对比度,2 IRFPA的分类,按照结构可分为单片式和混合式 按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型 按照读出电路可分为CCD、MOSFET和CID等类型
13、按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型,13m波段 代表材料HgCdTe碲镉汞 35m波段 代表材料HgCdTe、InSb锑化铟、 PtSi硅化铂 812m 波段 代表材料HgCdTe,按照响应波段与材料可分为,3. IRFPA的结构,IRFPA由红外光敏部分和信号处理部分组成 红外光敏部分材料的红外光谱响应 信号处理部分有利于电荷的存储与转移 目前没有能同时很好地满足二者要求的材料IRFPA结构多样性,单片式IRFPA,单片式IRFPA主要有三种类型 非本征硅单片式IRFPA 要求制冷，工作于814m的器件要制冷到1530K，工作于35m波段的器件要制冷到4065K； 量子效率低，通常为5%30
14、%； 由于掺杂浓度的不均匀，使器件的响应度均匀性较差,本征单片式IRFPA,将红外光敏部分与转移部分同作在一块窄禁带宽度的本征半导体材料上。目前受重视的材料是HgCdTe 量子效率较高。 转移效率低（0.9） 响应均匀性差 窄禁带材料的隧道效应限制了外加电压的幅度，表面势不大，存储容量较小,肖特基势垒单片式IRFPA,基于肖特基势垒的光电子发射效应，在同一硅衬底上制作可响应红外辐射的肖特基势垒阵列及信号转移部分。目前受重视的材料是PtSi 光激发过程取决于金属中的吸收，响应度均匀性较好 采用的硅衬底可制成高性能的CCD转移机构 量子效率比较低，需要制冷,混合式IRFPA,混合式IRFPA的探测
15、器阵列采用窄禁带本征半导体材料制作，电荷转移部分用硅材料 直接注入方式是将探测器阵列与转移部分直接用导线相连 间接注入方式是通过缓冲级（有源网络）进行连接,探测器阵列与转移部分的连接大多采用倒装式,4 典型的IRFPA,InSb IRFPA InSb是一种比较成熟的中波红外探测器材料。InSb IRFPA是在InSb光伏型探测器基础上，采用多元器件工艺制成焦平面阵列，然后与信号处理电路进行混合集成。 采用前光照结构的132、1128、1256、1512的线列IRFPA和背光照结构的5862、128128、256256、640480、10241024的面阵IRFPA,HgCdTe IRFPA,H
16、gCdTe材料是目前最重要的红外探测器材料，研制与发展HgCdTe IRFPA是目前的主攻方向 通常HgCdTe IRFPA是由HgCdTe光伏探测器阵列和CCD或MOSFET读出电路通过铟柱互连而组成混合式结构 HgCdTe IRFPA的像素目前可作到1818m2,用于空间成像光谱仪的10241024短波(12.5m) HgCdTe IRFPA 用于战术导弹寻的器和战略预警、监视系统的640480的中波(35m ) HgCdTe IRFPA 应用十分广泛的长波(812m) HgCdTe IRFPA 目前4N系列（4288、4480、4960）的扫描型和6464、128128、640480凝视型的HgCdTe IRFPA已批量生产,硅肖特基势垒IRFPA,硅肖特基势垒IRFPA目前已被广泛应用于近红外与
