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1、光成像技术第1页，共19页，编辑于2022年，星期四一、电荷耦合摄像器件一、电荷耦合摄像器件CCD（重点）（重点）*特点：以电荷作为信号，工作过程即电荷产生、特点：以电荷作为信号，工作过程即电荷产生、存储、传输和检测过程。电荷由光敏元用光注入存储、传输和检测过程。电荷由光敏元用光注入法产生。法产生。1电荷耦合器件的基本原理电荷耦合器件的基本原理（1）电荷存储）电荷存储*MOS电容器存储电荷：当栅电压电容器存储电荷：当栅电压VG大于开启电大于开启电压，形成电子势阱，可存储电子压，形成电子势阱，可存储电子为减少暗电为减少暗电流，必须工作在瞬态和深度耗尽状态流，必须工作在瞬态和深度耗尽状态（图（图5
2、-2）第2页，共19页，编辑于2022年，星期四（2 2）电荷转移）电荷转移*类似移位寄存器类似移位寄存器*三相与两相：三相与两相：*三相三相CCD（图（图5-35-3）由三个栅为一组的间隔紧密由三个栅为一组的间隔紧密的结构组成的阵列，三个栅加入适当的不同电压，的结构组成的阵列，三个栅加入适当的不同电压，经一个时钟周期，电荷包将转移三个电极位置，经一个时钟周期，电荷包将转移三个电极位置，*两相两相CCD（图（图5-4）阶梯氧化层两相结构阶梯氧化层两相结构阶梯氧化层两相结构阶梯氧化层两相结构外外围电路简化围电路简化*表面沟道与体内沟道：表面沟道与体内沟道：表面沟道与体内沟道：表面沟道与体内沟道：
3、*表面沟道表面沟道CCD（SCCD）转移沟道在界面转移沟道在界面转移沟道在界面转移沟道在界面工艺简工艺简工艺简工艺简单，动态范围大，转移速度和转移效率低，不宜作长线阵及单，动态范围大，转移速度和转移效率低，不宜作长线阵及单，动态范围大，转移速度和转移效率低，不宜作长线阵及单，动态范围大，转移速度和转移效率低，不宜作长线阵及大面阵器件，工作频率小于大面阵器件，工作频率小于大面阵器件，工作频率小于大面阵器件，工作频率小于10MHz。*体内沟道（埋沟道）体内沟道（埋沟道）CCDCCD（BCCDBCCD）转移效率转移效率99.999%99.999%以上，工作频率大于以上，工作频率大于以上，工作频率大于
4、以上，工作频率大于100 MHz100 MHz。第3页，共19页，编辑于2022年，星期四（3）电荷检测）电荷检测*电荷输出结构形式：电荷输出结构形式：电流输出式电流输出式浮置浮置扩散输出式扩散输出式应用最广泛应用最广泛（图（图5-5）组成：输出栅、浮置扩散区、复位栅、组成：输出栅、浮置扩散区、复位栅、复位漏、输出场效应管复位漏、输出场效应管浮置栅输出浮置栅输出*CCD输出信号的特点：信号电压是在浮置电平基输出信号的特点：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础上的负电压，每个电荷包的输出占有一定的时间长度间长度T，在输出信号中叠加有复位其间的高电，在输出信号中叠加有
5、复位其间的高电平脉冲平脉冲输出信号处理采用取样技术输出信号处理采用取样技术第4页，共19页，编辑于2022年，星期四2电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件CCD的工作原理的工作原理*组成：光敏元组成：光敏元光子电子转换光子电子转换 分为：结构分为：结构 光电二极管结构（光电二极管结构（）无干涉效应、反射损失、短波段吸收损无干涉效应、反射损失、短波段吸收损失，灵敏度和光谱响应好失，灵敏度和光谱响应好普遍采用普遍采用 电荷注入电路电荷注入电路转移栅转移栅位于光敏区和之间，控制光敏位于光敏区和之间，控制光敏元势阱中的信号电荷向中转移元势阱中的信号电荷向中转移 （模拟移位寄存器）（模拟移位寄存器）信号读出
6、电路信号读出电路第5页，共19页，编辑于2022年，星期四（1）线阵）线阵）线阵）线阵CCDCCD（图（图5-65-6）*单沟道传输和双沟道传输：单沟道传输和双沟道传输：单沟道传输和双沟道传输：单沟道传输和双沟道传输：*单沟道传输单沟道传输单沟道传输单沟道传输*双沟道传输双沟道传输双沟道传输双沟道传输转移次数减半，转移效率倍增，光敏元转移次数减半，转移效率倍增，光敏元间距减半，但两路输出有不对称间距减半，但两路输出有不对称*两相线阵两相线阵（图、图）（图、图）（图、图）（图、图）（）面阵（）面阵（）面阵（）面阵*行间转移结构（行间转移结构（ILTCCDILTCCD）与帧转移结构（）与帧转移结构
7、（FTCCDFTCCD）*行间转移结构行间转移结构行间转移结构行间转移结构（图）（图）（图）（图）光敏区与转移区垂直光敏区与转移区垂直相间排列，垂直阵列尽头是水平读出区相间排列，垂直阵列尽头是水平读出区转移次数少转移次数少转移次数少转移次数少*帧转移结构帧转移结构帧转移结构帧转移结构（图）（图）组成：光敏区、存储组成：光敏区、存储组成：光敏区、存储组成：光敏区、存储区、水平读出区区、水平读出区区、水平读出区区、水平读出区光敏区占空因子高光敏区占空因子高第6页，共19页，编辑于2022年，星期四（）彩色（）彩色*三片式三片式三片式三片式分色棱镜分三基色分色棱镜分三基色分色棱镜分三基色分色棱镜分三
8、基色成像质量好成像质量好（图（图）*单片式单片式滤色器阵列（两种制作方法）（两种排列形式：滤色器阵列（两种制作方法）（两种排列形式：行间排列优于拜尔方式）行间排列优于拜尔方式）（图）（图）结构简单，结构简单，结构简单，结构简单，价低价低价低价低3 3电荷耦合摄像器件的特性参数电荷耦合摄像器件的特性参数电荷耦合摄像器件的特性参数电荷耦合摄像器件的特性参数（）转移效率（）转移效率*转移一次：转移一次：，转移，转移，转移，转移n次：次：n，例：，例：，例：，例：=0.999,n=1024,=0.999,n=1024,则则n=0.13n=0.13限制器件的最长位数，限制器件的最长位数，限制器件的最长位
9、数，限制器件的最长位数，SCCD的的约约约约0.9999,BCCD0.9999,BCCD的的的的约约0.999990.99999（）不均匀度（）不均匀度（）不均匀度（）不均匀度器件越大规模，光敏元响应的不均匀性器件越大规模，光敏元响应的不均匀性器件越大规模，光敏元响应的不均匀性器件越大规模，光敏元响应的不均匀性影响越大影响越大影响越大影响越大（）暗电流（）暗电流（）暗电流（）暗电流（A）限制器件的低频限）限制器件的低频限）限制器件的低频限）限制器件的低频限 （B B）引起固定图像噪声）引起固定图像噪声）引起固定图像噪声）引起固定图像噪声第7页，共19页，编辑于2022年，星期四（）灵敏度（响应
10、度）（）灵敏度（响应度）（）光谱响应（）光谱响应*峰值波长，截止波长，光谱响应范围峰值波长，截止波长，光谱响应范围（）噪声（）噪声（A）散粒噪声）散粒噪声（B）转移噪声）转移噪声（C）热噪声）热噪声*SCCD大于大于BCCD（）分辨率（）分辨率对物像明暗细节的分辨能力对物像明暗细节的分辨能力调制传递函数调制传递函数MTF（）动态范围与线性度（）动态范围与线性度103-104第8页，共19页，编辑于2022年，星期四4CCD的应用的应用优点：优点：CCD集光电转换、电荷存储、电荷转移和集光电转换、电荷存储、电荷转移和自扫描等功能于一体，具有体积小、重量轻、耐自扫描等功能于一体，具有体积小、重量轻
11、、耐冲击、寿命长、工作电压低、启动快、无失真、冲击、寿命长、工作电压低、启动快、无失真、拖影小、灵敏度高、噪声低、动态范围大、抗电拖影小、灵敏度高、噪声低、动态范围大、抗电磁干扰等。磁干扰等。应用：应用：线阵：（线阵：（1）航天航空遥感成像）航天航空遥感成像 （2）文字阅读与图像识别）文字阅读与图像识别 （3）图形轮廓测绘系统）图形轮廓测绘系统 （4）计算机图像输入系统）计算机图像输入系统第9页，共19页，编辑于2022年，星期四面阵：（面阵：（1）广播电视）广播电视 （2）遥感系统）遥感系统 （3）天文学应用（空间望远镜、陆基望远镜）天文学应用（空间望远镜、陆基望远镜）（4）水下应用）水下应
12、用 （5）医学应用（近红外乳腺诊断分析、显微）医学应用（近红外乳腺诊断分析、显微图像分析、医用内窥镜、五官科应用、数字化图像分析、医用内窥镜、五官科应用、数字化X射线摄像）射线摄像）（6）工业检测与机器人视觉）工业检测与机器人视觉 （7）监控系统）监控系统 （8）军用（遥感、跟踪、侦察、导弹、微光）军用（遥感、跟踪、侦察、导弹、微光夜视）夜视）第10页，共19页，编辑于2022年，星期四二、摄像器件二、摄像器件*特点特点特点特点可将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理可将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理可将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理可将光电摄像器件阵列、驱动和控
13、制电路、信号处理电路、电路、电路、电路、ADC、全数字接口电路等完全集成在一起实现单芯片、全数字接口电路等完全集成在一起实现单芯片、全数字接口电路等完全集成在一起实现单芯片、全数字接口电路等完全集成在一起实现单芯片成像系统；用标准逻辑电源电压，低耗。成像系统；用标准逻辑电源电压，低耗。成像系统；用标准逻辑电源电压，低耗。成像系统；用标准逻辑电源电压，低耗。1 1CMOS像素结构像素结构分为：无源像素型和有源像素型分为：无源像素型和有源像素型分为：无源像素型和有源像素型分为：无源像素型和有源像素型（图（图（图（图5-13）（1 1）无源像素型（）无源像素型（）无源像素型（）无源像素型（PPS）由
14、光电二极管和开关管组成由光电二极管和开关管组成*优点：结构简单，像素填充率高，量子效率高优点：结构简单，像素填充率高，量子效率高*缺点：读出噪声高并随读出速率增大而增大缺点：读出噪声高并随读出速率增大而增大（2 2）有源像素型（）有源像素型（）有源像素型（）有源像素型（APSAPS）像元内有有源放大器，但像素像元内有有源放大器，但像素像元内有有源放大器，但像素像元内有有源放大器，但像素填充率低填充率低填充率低填充率低*光电二极管型有源像素（光电二极管型有源像素（PP-APS）中低性能的应用中低性能的应用中低性能的应用中低性能的应用*光栅型有源像素（光栅型有源像素（PG-APSPG-APS）高质
15、量高质量高质量高质量有前途有前途有前途有前途第11页，共19页，编辑于2022年，星期四2 2CMOS摄像器件的总体结构摄像器件的总体结构摄像器件的总体结构摄像器件的总体结构（图（图5-14）组成：像素（光敏单元）阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、组成：像素（光敏单元）阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、模拟信号处理器（定时和控制电路、模拟信号处理器（ASPASP）、）、ADCADC3 3CMOSCMOS与与与与CCD器件的比较器件的比较*CCDCCD优点：灵敏度高、噪声低、像素面积小优点：灵敏度高、噪声低、像素面积小优点：灵敏度高、噪声低、像素面积小优点：灵敏度高、噪声低、像素面积小*
16、CCDCCD缺点：光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集缺点：光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集缺点：光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集缺点：光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，不易处理模拟和数字功能（如：成，不易处理模拟和数字功能（如：成，不易处理模拟和数字功能（如：成，不易处理模拟和数字功能（如：ADC，精密放大器，存储，精密放大器，存储，精密放大器，存储，精密放大器，存储器，运算单元）；器，运算单元）；器，运算单元）；器，运算单元）；CCD阵列驱动脉冲复杂，需较高电压，不阵列驱动脉冲复杂，需较高电压，不能与能与VLSIVLSI技术兼容，制造成本高；技
17、术兼容，制造成本高；*CMOSCMOS优点：集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、优点：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、制造成本低动态范围宽、抗辐射、制造成本低*CMOSCMOS像素面积和分辨率已有改进像素面积和分辨率已有改进*CMOSCMOS信噪比和灵敏度有待改进信噪比和灵敏度有待改进*应用：中低档摄像机、数码相机应用：中低档摄像机、数码相机应用：中低档摄像机、数码相机应用：中低档摄像机、数码相机第12页，共19页，编辑于2022年，星期四三、电荷注入器件（三、电荷注入器件（CID）*光敏单元结构与光敏单元结构与CCD相似，信号电荷读出方式相似，信号电荷读出
18、方式与与CMOS相似相似*CID优点：优点：（1）有外延结构，模糊现象低，无拖影；）有外延结构，模糊现象低，无拖影；（2）整个有效面都是光敏面，减少暗电流；）整个有效面都是光敏面，减少暗电流；（3）工作灵活）工作灵活可非破坏性读出可非破坏性读出（4）设计灵活）设计灵活可实现随机读取可实现随机读取*CID缺点：缺点：（1）光谱响应范围小；）光谱响应范围小；（2）输出噪声大）输出噪声大第13页，共19页，编辑于2022年，星期四四、红外焦平面器件（四、红外焦平面器件（IRFPA）CCD等技术引入红外波段等技术引入红外波段*任何物体都有红外线辐射，红外检测可应用于夜视、测温等任何物体都有红外线辐射，
19、红外检测可应用于夜视、测温等任何物体都有红外线辐射，红外检测可应用于夜视、测温等任何物体都有红外线辐射，红外检测可应用于夜视、测温等*红外波段的三个大气窗口红外波段的三个大气窗口红外波段的三个大气窗口红外波段的三个大气窗口:1-3m:1-3m，3-5m3-5m，8-14m8-14m波段波段波段波段*分类：按结构分：单片式，混合式分类：按结构分：单片式，混合式分类：按结构分：单片式，混合式分类：按结构分：单片式，混合式 按扫描方式分：扫描型，凝视型按扫描方式分：扫描型，凝视型按扫描方式分：扫描型，凝视型按扫描方式分：扫描型，凝视型 按读出电路分：按读出电路分：按读出电路分：按读出电路分：CCDC
20、CD、MOSFETMOSFET、CIDCID 按制冷方式分：制冷型（探测器灵敏度受温度影响大，低温性能按制冷方式分：制冷型（探测器灵敏度受温度影响大，低温性能按制冷方式分：制冷型（探测器灵敏度受温度影响大，低温性能按制冷方式分：制冷型（探测器灵敏度受温度影响大，低温性能好），非制冷型好），非制冷型好），非制冷型好），非制冷型 按响应波段和材料分：按响应波段和材料分：按响应波段和材料分：按响应波段和材料分：1-3m1-3m（HgCdTeHgCdTe），），），），3-5m(HgCdTe,3-5m(HgCdTe,InSb,PtSi)InSb,PtSi)，8-14m8-14m波段波段波段波段(HgC
21、dTe)(HgCdTe)*典型的典型的典型的典型的IRFPAIRFPA：（1 1）InSb IRFPAInSb IRFPA（2 2）HgCdTe IRFPAHgCdTe IRFPA（3 3）硅肖特基势垒）硅肖特基势垒）硅肖特基势垒）硅肖特基势垒IRFPAIRFPA（4 4）非制冷）非制冷）非制冷）非制冷IRFPAIRFPA（5 5）多量子阱）多量子阱）多量子阱）多量子阱(MQW)IRFPA(MQW)IRFPA第14页，共19页，编辑于2022年，星期四五、微光像增强器件五、微光像增强器件*分为：电真空类型的增像管和微光分为：电真空类型的增像管和微光CCD摄像器摄像器件件1微光像增强器微光像增强
22、器*组成：带光电阴极层（光敏面）的输入窗、带组成：带光电阴极层（光敏面）的输入窗、带荧光粉层（发光面）的输出窗、电子光学成像系荧光粉层（发光面）的输出窗、电子光学成像系统、高真空管壳统、高真空管壳（图（图5-49）2微光微光CCD摄像器件摄像器件1带像增强器的带像增强器的CCD器件器件（图（图5-56）2薄型、背向照明薄型、背向照明CCD器件器件（图（图5-57）3电子轰击型电子轰击型CCD器件器件（图（图5-58）第15页，共19页，编辑于2022年，星期四六、纤维光学成像器件六、纤维光学成像器件*优点：（优点：（1）不必电光）不必电光-光电转换，简化系统，光电转换，简化系统，减少体积，提高
23、传输速度，减少失真；减少体积，提高传输速度，减少失真；（2）抗电磁干扰）抗电磁干扰 （3）特殊图像效果）特殊图像效果*应用：医学内窥镜、摄像器件（光纤面板）、应用：医学内窥镜、摄像器件（光纤面板）、复印技术、快速照片传递、过程监控、系统内部复印技术、快速照片传递、过程监控、系统内部结构变化观察、军用光学系统结构变化观察、军用光学系统第16页，共19页，编辑于2022年，星期四七、光电成像系统的基本结构原理七、光电成像系统的基本结构原理*三种扫描方式：三种扫描方式：1光机扫描方式光机扫描方式*多元探测器的三种扫描方式多元探测器的三种扫描方式多元探测器的三种扫描方式多元探测器的三种扫描方式（图（图
24、5-19）2电子束扫描方式电子束扫描方式电真空类摄像管电真空类摄像管电真空类摄像管电真空类摄像管3 3固体自扫描方式固体自扫描方式固体自扫描方式固体自扫描方式面阵固体摄像器件面阵固体摄像器件*线阵固体摄像器件是光机扫描和固体自扫描结合线阵固体摄像器件是光机扫描和固体自扫描结合*光电成像系统的基本技术参数：光电成像系统的基本技术参数：（1）通光口径）通光口径）通光口径）通光口径D D和焦距和焦距和焦距和焦距f f （2 2）瞬时视场角）瞬时视场角、（3 3）观察视场角）观察视场角WHWH、WVWV （4）帧时和帧速）帧时和帧速）帧时和帧速）帧时和帧速（5）扫描效率）扫描效率（6）滞留时间）滞留时间第17页，共19页，编辑于2022年，星期四小专题CCD、CMOS、CID的特点、应用发展动向、市场需求情况第18页，共19页，编辑于2022年，星期四第19页，共19页，编辑于2022年，星期四