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1、第四章光电成像器件 概述 光电成像器件是指能够输出图象信息的一类器件 其功能大致可归为以下两类 1 使不可见光图象 红外 紫外 变为可见光图象2 使光学图象变为电视信号光学图像的实质 一特定光强度的空间分布 光电成像器件的发展 近年来 利用光电成像器件构成图像传感器进行光学图像处理与图像测量已成为现代光学仪器 现代测控技术的重要发展方向 它广泛应用于遥感 遥测技术 图形图像测量技术和监控工程等 成为现代科学技术的重要组成部分 1934年研制出光电像管 应用于广播电视摄像 它的灵敏度相当低 要达到现在图像信噪比的要求 需要不低于10000lx的照度 这是它的应用范围受到很大限制 1947年超正析
2、摄像管面世 使最低照度降至2000lx 1954年灵敏度较高的视像管投入市场 其成本低 体积小 灵敏度和分辨率都较高 但不适用于高速场合和彩色应用 1965年 氧化铅管成功代替正析摄像管 广泛应用于彩色电视摄像机 它使彩色电视广播摄像机的发展产生了一个飞跃 1976年前后 又相继出现灵敏度更高 成本更低的硒像管和硅靶管 1970年 美国贝尔实验室发表电荷耦合器件 CCD 原理 从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶段 CCD固体摄像器件的发展阶段 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
3、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 变像管像管 把不可见光图像变成可 无扫描 见光图像的真空光电管 图像增强器分类真空 把极低亮度光学图像变为光电器件足够亮度图像的真空光电管 光电成光电导式摄像管 视像管 无移区 像器件摄像管二次电子导电 电子束光电发射式摄像管 SEC 扫描 摄像管 有移像区 硅增强靶摄像管 SIT 固体成像器件 CCD CMOS 摄像器件分类 超正析像管 惰性小噪声大 视像管 电场和长磁场聚焦 网电极保证
4、电子束垂直上靶 固体摄像器件 无须扫描和聚焦 按像素移位 光谱响应宽 功耗低 可集成处理电路 有电荷耦合 CCD 和CMOS摄像器件 它是发展方向 光谱特性 本章目录 4 1摄像管4 2摄像器件的性能参数4 3电荷耦合器件4 4CMOS图像传感器4 5图像增强器 4 1摄像管 可分为两大类 光电发射型摄像管 微光摄像 利用外光电效应包括二次电子摄像管硅靶摄像管 光电导型视像管 利用内光电效应按光电导靶结构分为光电导 注入 型 硫化锑PN结 阻挡 型 氧化铅管 硅靶管 异质结管 摄像管是能够输出视频信号的真空光电管 光电发射型摄像管 光电导型视像管 视像管基本结构 光电靶完成光电转换 信号存储电
5、子枪完成信号扫描输出 特点 增益和灵敏度高 特点 结构简单 体积小 使用方便 氧化铅视像管结构与工作原理 管子结构 氧化铅PIN靶 PIN光电靶 反向偏置 扫描面形成正电位图像电子枪 发射电子束 按电视制式扫描正电位图像 输出视频信号 像素 组成图像的最小单元 摄像管像素大小由电子束截面积决定 在电子束扫描某一像素的瞬间 该像素与电源正极和阴极结成通路 这个像素的光电流由P N 流过负载RL 产生负极性图像信号输出 同时 扫描电子束使P层电位降至阴极电位 图像擦除 4 2摄像器件的性能参数 一 灵敏度S在2856K色温标准光源单位光功率照射下 由器件输出信号电流大小来衡量 单位 A lm mA
6、 W 实际常用能产生正常电视图像所需最低光照度Lmin来表征 二 光电转换特性 特性 1IP与L成线性关系 是最理想情况 1低照度下灵敏度相对增加 1图像对比度提高 关于伽玛 校正电路 三 分辨率能够分辨图像中明暗细节的能力有两种表示方法 极限分辨率 用在图像 光栅 范围内能分辨的等宽黑白线条数表示 如 水平800线 垂直500线 也用 线对 mm表示 调制传递函数MTF 能客观地测试器件对不同空间频率信号的传递能力 调制度M 调制传递函数MTF MTF随着测试卡线条空间频率的增加而降低 四 惰性指输出信号的变化相对于光照度的变化有一定的滞后影响摄像管惰性的原因是靶面光电导张驰过程和电容电荷释
7、放惰性 五 视频信噪比 S N 六 动态范围Lmax Lmin 10n 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大类 电荷耦合器件 ChargeCoupledDevice 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 ChargeInjectionDevice 即CID 4 3电荷耦合器件 CCD图像传感器主要特点 固体化摄像器件很高的空间分辨率很高的光电灵敏度和大的动态范围光敏元间距位置精确 可获得很高的定位和测量精
8、度信号与微机接口容易 CCD ChargeCoupledDevices 电荷耦合器件 CCD CCD类型 表面沟道CCD SCCD 电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面 并沿界面传输 体沟道CCD BCCD 电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内 并在半导体体内沿一定方向传输 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 下面以表面沟道CCD为例介绍CCD基本原理 CCD全称电荷耦合器件 它具备光电转换 信息存贮和传输等功能 具有集成
9、度高 功耗小 分辨力高 动态范围大等优点 CCD图像传感器被广泛应用于生活 天文 医疗 电视 传真 通信以及工业检测和自动控制系统 MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片 CCD光敏元显微照片 CCD读出移位寄存器的数据面显微照片 彩色CCD显微照片 放大7000倍 一个完整的CCD器件由光敏元 转移栅 移位寄存器及一些辅助输入 输出电路组成 CCD工作时 在设定的积分时间内 光敏元对光信号进行取样 将光的强弱转换为各光敏元的电荷量 取样结束后 各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下 转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中 移位寄存器在驱动时钟的作用下 将信号电荷顺次转移到输出端 输出信号可接到
10、示波器 图象显示器或其他信号存储 处理设备中 可对信号再现或进行存储处理 一 CCD的结构与基本工作原理 双列两相线阵CCD结构 光敏区 光敏二极管阵列 每个光敏元是一个像素 转移栅 MOS电容构成 蔽光 控制光生电荷向移位寄存器转移 移位寄存器 MOS电容构成 蔽光 控制光生电荷扫描移向输出端 输出端 将光生电荷包转换为视频信号输出 在Al电极上加驱动信号 MOS阵列使光生电荷包自扫描输出 输出端 输出栅OG 浮置扩散放大器 输出二极管复位管T1输出管T2 它是在P型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为1000A 1500A的SiO2 再在SiO2表面蒸镀一金属层 多晶硅或金属 在衬底
11、和金属电极间加上1个偏置电压 就构成1个MOS电容器 CCD是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的 每个像元就是一个MOS电容器 大多为光敏二极管 如图所示 按电极的排列形式分 线阵 面阵按电极形状分 平板式 台阶式按Si片的导电类型分 N型 P型下面以P Si为衬底 平板式电极 线阵CCD为例 电荷耦合原理 工作过程 电荷的产生 存储 传输 检测 电荷存储 电荷产生 当电极上加有正偏压 对于N型Si衬底则加负偏压 它形成的电场穿过SiO2薄层排斥P型Si中的多数载流子 空穴 于是在电极下形成一个耗尽层 即得到一个储存少数载流子 电子 的势阱 所加偏压越大 势阱就越深 势阱深度可用半导体表面相
12、对于半导体内的电势差来表征 即表面势 势阱的深浅还与势阱内是否存储电荷有关 产生存储电荷的方法有电注入 光注入 热注入等方法 进一步说明 栅电极G 氧化层 P型半导体 耗尽区浅势阱 反型层深势阱 uG uth uG uth MOS晶体管的开启电压 uG 0 电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态 当栅极G施加正偏压UG之前 UG 0 P型半导体中的空穴 多数载流子 的分布是均匀的 当栅极电压加正向偏压 UGUth时 半导体与绝缘体界面上的电势 表面势 S 变得如此之高 以至于将半导体体内的电子 少数载流子 吸引到表面 形成电荷浓度极高的极薄反型层 反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储电荷的功
13、能 S UG P型硅杂质浓度Nd 1021m 3 反型层电荷QINV 0 1 0V1 4VUth 2 2V3 0V dox 0 1um 0 3 0 4 0 6 表面势与栅极电压的关系 S QINV dox 0 1um dox 0 2um UG 15V UG 10V 表面势与反型层电荷密度的关系 曲线的直线特性好 说明两者有着良好的反比例线性关系 可以 势阱 的概念来解释 u0 10V 10V UG 5V UG 10V UG 15V 空势阱 填充1 3势阱 全满势阱 电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低的氧化层与半导体的交界面处 MOS电容存储信号电荷的容量为 Q Cox UG A 注意
14、 热平衡状态的形成当电极上加正电压时 在时刻t 0时 由于电极下的势阱还没有收集少数载流子 电子 所以在SiO2 Si的界面处还没有形成反型层 此时 P型Si的表面势最大 所形成的耗尽层宽度最宽 即势阱最深 如图 a 所示 随着时间的增加 由于热激发所产生的电子 空穴对 空穴被耗尽区电场驱到衬底 而电子被吸引到Si表面形成了反型层 在反型层对外电场的屏蔽下 使表面势减小 同时降低了耗尽层的宽度 如图 b 随着时间的继续增加 当足够数目的电子汇集在表面时 势阱中存储的电子足以使势阱的深度变为零 表面势就不再变化了 达到饱和状态 热平衡状态 此时离开表面的扩散电流和流向表面的漂移电流达到动态平衡
15、达到热平衡所需要的时间称为热驰豫时间 在室温下 热驰豫时间为1S 几S 与其结构和工艺有关 如图 c 在饱和状态下并不存在有用的势阱 CCD要存储有用的信号电荷 则要求信号电荷的存储时间远远于小于热驰豫时间 即CCD是在非平衡状态下工作的 趁MOS电容器刚加上电压 还没达到平衡状态以前进行光注入 让一束光线投射到MOS电容器上时 光子穿过透明电极及氧化层 进入P型Si衬底 衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带 光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子 空穴对 电子 空穴对在外加电场的作用下 分别向电极的两端移动 这就是信号电荷 这些信号电荷储存在由电极形成的 势阱 中 如图所示 收集在势
16、阱中的 电荷包 的大小与入射光的照度成正比 当CCD用作拍摄光学图像时 把按照度分布的光学图像通过光电转换成为电荷分布 注入到每一位深势阱中 在热驰豫过程终结前较长时间 势阱中热电子的成分远远小于光生电子 所以势阱中积存的电荷量代表了入射光强度信息 电荷转移 电荷耦合 由MOS结构的工作原理可知 CCD存储信号是通过电极上加电压来实现的 CCD传输信号电荷是通过电极上加不同的电压来实现的 依靠CCD本身各电极下势阱形状的变化使电荷转移 当电极3所加偏压增到15V时 电极3下的势阱将比电极2下的势阱更深 于是电极2下存储的电荷将沿界面移向电极3下的势阱 外加在栅级上的电压愈高 表面势越高 势阱越深 浅势阱至深势阱交替改变栅级电压 使势阱形状变化 完成电荷转移 电荷转移过程 信息输出过程 自扫描 通常电极结构按所加脉冲电压的相数分为二相系统 三相系统和四相系统 三相CCD的电荷转移 三相CCD结构 假定开始有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的势阱里 其他电极上均加有大于阈值的较低电压 例如2V 设a图为零时刻 经过一段时间后 各电极的电压发生变化 第二个电极仍保持10V 第三个电
