1、光電圖像傳感器光電圖像傳感器光電圖像傳感器概述光電圖像傳感器概述攝像原理與電視制式攝像原理與電視制式電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）3.5.1 光電圖像傳感器概述光電圖像傳感器概述光電圖像傳感器：光電圖像傳感器：完成圖像信息光電變換的功能器件完成圖像信息光電變換的功能器件。光電圖像傳感器的發展歷史悠久，種類很多。光電圖像傳感器的發展歷史悠久，種類很多。1934年：研制出年：研制出光電攝像管（光電攝像管（Iconoscope） 。 用于室內外的廣播電用于室內外的廣播電視攝像。靈敏度很低，信視攝像。靈敏度很低，信噪比很低，需要高于噪比很低，需要高于10000lx的照度才能獲得的照度才能獲得較為

2、清晰的圖像，應用受較為清晰的圖像，應用受到限制。到限制。Philo Taylor Farnsworth 1906-1971The complete experimental camera for 180 TV lines displayed in the Philips laboratory http:/members.chello.nl/h.dijkstra19/page4.htmlThe first Philips Iconoscope tube early 1930s.1947年：年：超正析像管（超正析像管（Imaige Orthicon） 靈敏度有所提高，靈敏度有所提高， 但是最低照度

3、仍要求在但是最低照度仍要求在2000lx以上。以上。 1954年：年：高靈敏視像管（高靈敏視像管（Vidicon） 基本具有了成本低，體積小，結構簡單的特點，基本具有了成本低，體積小，結構簡單的特點， 使廣播電視事業和工業電視事業有了更大的發展。使廣播電視事業和工業電視事業有了更大的發展。1965年：年：氧化鉛視像管氧化鉛視像管 取代超正析像管，發展了彩色電視攝像機。取代超正析像管，發展了彩色電視攝像機。 誕生誕生1英寸，英寸，1/2英寸，英寸，1/3英寸（英寸（8mm）靶面的彩色攝像機。）靶面的彩色攝像機。 抗強光的能力低，余輝效應影響了采樣速率。抗強光的能力低，余輝效應影響了采樣速率。19

4、76年：年：硒靶管硒靶管和硅靶管和硅靶管 靈敏度更高，成本更低。靈敏度更高，成本更低。The huge 4,5 EEV 9224 Image Orthicon 2/3 Vidicon tube. 4 1/2 B&W Image Orth3 B&W Image Orth1 Color Plumbicon3/4 Color Plumbicon www.pharis- http:/members.chello.nl/h.dijkstra19/page4.html19701970年：美國貝爾電話實驗室發現的電荷耦合器件（年：美國貝爾電話實驗室發現的電荷耦合器件（CCDCCD）的原理使圖

5、像）的原理使圖像傳感器的發展進入了一個全新的階段，使圖像傳感器傳感器的發展進入了一個全新的階段，使圖像傳感器從從真空電子束掃描真空電子束掃描方式方式發展成為發展成為固體自掃描輸出固體自掃描輸出方式。方式。具有固體器件的所有優點；具有固體器件的所有優點；自掃描輸出方式自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成消除了電子束掃描造成的圖像光電轉換的非線性失真，即的圖像光電轉換的非線性失真，即CCD圖像傳感器的輸出信號能夠不失真地將光圖像傳感器的輸出信號能夠不失真地將光學圖像轉換成視頻電視圖像；學圖像轉換成視頻電視圖像；體積、重量、功耗和制造成本是電子束體積、重量、功耗和制造成本是電子束攝像管無法達到的；攝像

6、管無法達到的；CCD圖像傳感器的誕生和發展使人們進圖像傳感器的誕生和發展使人們進入了更為廣泛應用圖像傳感器的新時代。入了更為廣泛應用圖像傳感器的新時代。高錕高錕光纖之父光纖之父 博伊爾博伊爾&史密斯史密斯發明發明CCD圖像傳感器圖像傳感器 2009年諾貝爾獎物理學獎得主年諾貝爾獎物理學獎得主Fig.1貝爾實驗室貝爾實驗室George Smith和和Willard Boyle將可視電話和半導體將可視電話和半導體存儲技術結合發明了存儲技術結合發明了CCD原型原型Fig.2 現代現代CCD芯片外觀芯片外觀二、光電成像器件的類型二、光電成像器件的類型光電成像器件（成像原理）光電成像器件（成像原

7、理）掃描型掃描型非掃描型非掃描型真空電子束掃描真空電子束掃描固體自掃描：固體自掃描：CCD，CMOS，CID光電型光電型熱電型：熱釋電攝像管熱電型：熱釋電攝像管光電發射式攝像管光電發射式攝像管光電導式攝像管光電導式攝像管變像管（完變像管（完成圖像光譜成圖像光譜變換）變換）紅外變像管紅外變像管紫外變像管紫外變像管X射線變像管射線變像管像增強管（圖像像增強管（圖像強度的變換）強度的變換）串聯式串聯式級聯式級聯式微通道板式微通道板式負電子親和勢陰極負電子親和勢陰極主要由像敏主要由像敏面、電子透面、電子透鏡顯像面鏡顯像面構成構成選通式變像管選通式變像管X射線增強器射線增強器pn結型結型內光電內光電外光

8、電：外光電：掃描型掃描型( (間接成像、攝像型間接成像、攝像型) )圖像傳感器件工作原理：圖像傳感器件工作原理： 通過通過電子束掃描電子束掃描或數字電路的或數字電路的自掃描方式自掃描方式將將二維光學圖像二維光學圖像轉換成轉換成一維時序信號（一維時序信號（視頻信號視頻信號），視頻信號再通過信號放大，視頻信號再通過信號放大和同步控制等處理后（和同步控制等處理后（或者將視頻信號經或者將視頻信號經A/D轉換為具有某種規轉換為具有某種規范（制式）的數字信號）范（制式）的數字信號），通過相應的顯示設備（如監視器），通過相應的顯示設備（如監視器）還原成二維光學圖像還原成二維光學圖像信號。信號。典型器件：真空

9、攝像管（電子束掃描），典型器件：真空攝像管（電子束掃描），CCD（固體自掃描）（固體自掃描）主要應用：廣播電視主要應用：廣播電視輸出一維視頻信號輸出一維視頻信號攝像頭攝像頭電電子子束束掃掃描描固固體體自自掃掃描描 景物經物鏡成像在光電陰極上，光電陰極將光學圖像轉變成電景物經物鏡成像在光電陰極上，光電陰極將光學圖像轉變成電子圖像，再經電子透鏡增強并聚焦在熒光屏上，引起熒光材料發光。子圖像，再經電子透鏡增強并聚焦在熒光屏上，引起熒光材料發光。熒光屏上每點的亮度與光電陰極上對應點的光強度成正比，于是在熒光屏上每點的亮度與光電陰極上對應點的光強度成正比，于是在熒光屏上成了可見的景物圖像。熒光屏上成了可

10、見的景物圖像。典型器件：變像管、像增強器典型器件：變像管、像增強器主要應用：夜視技術、檢測測量主要應用：夜視技術、檢測測量三、光電成像器件的基本特性三、光電成像器件的基本特性1、光譜響應、光譜響應1）多堿氧化物光陰極像）多堿氧化物光陰極像管，屬于外光電效應攝像管，屬于外光電效應攝像管，光譜響應由光陰極材管，光譜響應由光陰極材料決定；料決定；2）氧化鉛攝像管，光譜）氧化鉛攝像管，光譜響應由基于內光電效應靶響應由基于內光電效應靶材料決定；材料決定；3）CCD攝像器件，光譜攝像器件，光譜響應由硅材料決定；響應由硅材料決定；另熱釋電攝像管基于材料另熱釋電攝像管基于材料的熱釋電效應，光譜響應的熱釋電效應

11、，光譜響應特性近似直線。特性近似直線。2、轉換特性（光電成像器件的輸出量與對應輸入量的比值關系）、轉換特性（光電成像器件的輸出量與對應輸入量的比值關系）變像管變像管：轉換系數：轉換系數C表示表示evC光通量光通量輻通量輻通量像增強管像增強管：亮度轉換增益：亮度轉換增益GL來表示來表示vvLEMG vvLMvvLELG(lm/W)光出射度光出射度光照度光照度無量綱無量綱亮度亮度（cd/lm）攝像器件攝像器件：靈敏度：靈敏度S表示表示eEIS eISvEIS vIS電視系統電視系統：光電導材料的：光電導材料的值來表示值來表示vEAIlnlnln視像管的信視像管的信號電流號電流常數常數視像管靶面視像

12、管靶面照度照度1，弱光信號被提高，弱光信號被提高灰度系數灰度系數3、分辨率（表示能夠分辯圖像中明暗細節的能力）、分辨率（表示能夠分辯圖像中明暗細節的能力）iMMfT0)(MTF隨頻率增加而衰減，一般將隨頻率增加而衰減，一般將MTF值為值為10所所對應的線數定為攝像管的極限分辨率。對應的線數定為攝像管的極限分辨率。調制傳遞函數（客觀）：調制傳遞函數（客觀）：簡稱簡稱MTF，輸出調制度與輸，輸出調制度與輸入調制度之比。入調制度之比。極限分辨率（主觀）：人眼極限分辨率（主觀）：人眼觀察分辨專門測試卡成像在靶觀察分辨專門測試卡成像在靶面上且在熒光屏上顯示出的最面上且在熒光屏上顯示出的最細線條數。細線條

13、數。3.5.2 攝像原理與電視制式攝像原理與電視制式 二維光學圖像二維光學圖像二維電氣圖像二維電氣圖像一維視頻信號一維視頻信號二維光學圖象二維光學圖象光學物鏡將景物成像到光電成像器件的像敏面上形成二維光學圖像，光學物鏡將景物成像到光電成像器件的像敏面上形成二維光學圖像，經光電成像器件將二維光學圖像轉變成二維電氣圖像，經光電成像器件將二維光學圖像轉變成二維電氣圖像，然后進行然后進行圖圖像分割像分割，并按照一定的規則將所分割的電氣圖像經，并按照一定的規則將所分割的電氣圖像經掃描掃描轉變成一維轉變成一維時序信號時序信號（視頻信號）（視頻信號），將視頻信號（或通過收發天線）送入監視，將視頻信號（或通過

14、收發天線）送入監視器，顯像管電子槍將視頻信號作同步掃描，可將光電成像器件攝取器，顯像管電子槍將視頻信號作同步掃描，可將光電成像器件攝取的圖像顯示出來。的圖像顯示出來。掃掃 描描電信號電信號光電圖像光電圖像按一定規律按一定規律依次將圖像中的每一像素的依次將圖像中的每一像素的電（電荷）電（電荷）信號信號讀出的過程，稱為讀出的過程，稱為掃描掃描。 圖像的分割與象素圖像的分割與象素二、電視基本知識二、電視基本知識 電視的圖像發送與接收系統中，圖像的采集（攝像機）與電視的圖像發送與接收系統中，圖像的采集（攝像機）與圖像顯示器必需遵守同樣的圖像顯示器必需遵守同樣的分割規則分割規則才能獲得理想的圖像傳輸。才

15、能獲得理想的圖像傳輸。這個規則被稱為電視制式。這個規則被稱為電視制式。 目前，正在應用中的電視制式一般有三種。目前，正在應用中的電視制式一般有三種。 NTSC制（制（National Television System Committee ，簡稱，簡稱N制）制）正交平衡調幅制正交平衡調幅制 它是它是1952年由美國國家電視標準委員會指定的彩色電視廣播年由美國國家電視標準委員會指定的彩色電視廣播標準，它采用正交平衡調幅的技術方式，故也稱為正交平衡調幅標準，它采用正交平衡調幅的技術方式，故也稱為正交平衡調幅制。制。美國、加拿大等大部分西半球國家以及中國的臺灣、日本、美國、加拿大等大部分西半球國家以

16、及中國的臺灣、日本、韓國、菲律賓韓國、菲律賓等均采用這種制式。由于出道最早，它的缺點是傳等均采用這種制式。由于出道最早，它的缺點是傳送過程中容易出現色調失真送過程中容易出現色調失真(偏色偏色)。 1、電視制式、電視制式PAL制制 （Phase Alternation Line ）正交平衡調幅逐行倒相制）正交平衡調幅逐行倒相制 它是西德在它是西德在1962年指定的彩色電視廣播標準，它采用逐行倒年指定的彩色電視廣播標準，它采用逐行倒相正交平衡調幅的技術方法，克服了相正交平衡調幅的技術方法，克服了NTSC制相位敏感造成色彩制相位敏感造成色彩失真的缺點。失真的缺點。德、英等一些西歐國家，新加坡、中國大

17、陸及香港，德、英等一些西歐國家，新加坡、中國大陸及香港，澳大利亞、新西蘭等澳大利亞、新西蘭等國家采用這種制式。國家采用這種制式。PAL制式中根據不同的制式中根據不同的參數細節，又可以進一步劃分為參數細節，又可以進一步劃分為G、I、D等制式，其中等制式，其中PALD制是我國大陸采用的制式。制是我國大陸采用的制式。 SECAM制式（制式（Squential Couleur Mmoire）行輪換調頻制）行輪換調頻制 SECAM是法文的縮寫，意為順序傳送彩色信號與存儲恢復彩是法文的縮寫，意為順序傳送彩色信號與存儲恢復彩色信號制，是由法國在色信號制，是由法國在1956年提出，年提出，1966年制定的一種

18、新的彩色年制定的一種新的彩色電視制式。它也克服了電視制式。它也克服了NTSC制式相位失真的缺點，但采用時間制式相位失真的缺點，但采用時間分隔法來傳送兩個色差信號。使用分隔法來傳送兩個色差信號。使用SECAM制的國家主要集中在制的國家主要集中在法國、東歐和中東法國、東歐和中東一帶。一帶。 （1）電視圖像的）電視圖像的寬高比寬高比：標清電視標清電視4：3，高清電視，高清電視16：9(電影電影)（2）幀、行、場幀、行、場：幀：幀：電視畫面，電視畫面，每秒鐘變化的畫面數目為每秒鐘變化的畫面數目為幀頻幀頻。行：掃描點從左掃到右稱為一行。行：掃描點從左掃到右稱為一行。電子束電子束掃描一行所需要的時間稱為掃

19、描一行所需要的時間稱為行周期（含行行周期（含行逆程）逆程）。行周期的倒數稱為。行周期的倒數稱為行頻行頻。 場：電子槍對整個屏幕進行的行掃描稱為場：電子槍對整個屏幕進行的行掃描稱為一場。所需時間為一場。所需時間為場周期（含回掃線）場周期（含回掃線）。每秒掃描次數稱為每秒掃描次數稱為場頻，場頻，又稱為又稱為“垂直掃垂直掃描頻率描頻率”或或“刷新率刷新率”。HW2、電視基本常識、電視基本常識（4） 掃描方式掃描方式 場頻（場頻（50赫茲）幀頻（赫茲）幀頻（50赫茲）赫茲）逐行掃描方式逐行掃描方式根據視人眼覺時間特根據視人眼覺時間特性，性，無閃爍無閃爍顯示活動顯示活動圖象要高于圖象要高于4848次次/

20、 /秒秒刷新速率刷新速率 幀頻：幀頻：50Hz 行數：行數：625行頻：行頻：h5062531250Hzf 降低行頻降低行頻閃爍感？閃爍感？隔行掃描方式隔行掃描方式（b）隔行掃描方式）隔行掃描方式根據視覺時間特性，無閃爍地顯示活根據視覺時間特性，無閃爍地顯示活動圖象要高于動圖象要高于4848次次/ /秒秒的刷新速率的刷新速率 場頻：場頻： 50Hz50Hz幀頻：幀頻：25Hz25Hz 無閃爍無閃爍降低行頻降低行頻隔行分解圖像分場顯示圖像隔行分解圖像分場顯示圖像場頻（場頻（50赫茲）赫茲）2幀頻（幀頻（25赫茲）赫茲）隔行掃描必須滿足下面兩個要求：隔行掃描必須滿足下面兩個要求： 第一，要求下一幀

21、圖像的掃描起始點應與上一幀起始點相第一，要求下一幀圖像的掃描起始點應與上一幀起始點相同，確保各幀掃描光柵重疊；同，確保各幀掃描光柵重疊； 第二，要求相鄰兩場光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最高第二，要求相鄰兩場光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最高的清晰度。的清晰度。 從第一條要求考慮，每幀掃描的行數應為整數，若在各場從第一條要求考慮，每幀掃描的行數應為整數，若在各場掃描電流都一樣的情況下，要滿足第二條要求，每幀均應為奇掃描電流都一樣的情況下，要滿足第二條要求，每幀均應為奇數。那末，每場的掃描行數就要出現半行的情況。數。那末，每場的掃描行數就要出現半行的情況。目前，我國現行的目前，我國現行的隔行掃描電視

22、制式隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數就是每幀掃描行數為為625行，一幀由二行，一幀由二場構成，每場掃描場構成，每場掃描行數為行數為312.5行。行。我國現行電視制式（我國現行電視制式（PAL制式）的主要參數為：制式）的主要參數為：寬高比寬高比=4/3；場頻；場頻fv=50 Hz；行頻；行頻fl=15 625 Hz；場周期場周期T=20ms， 其中場正程掃描時間為其中場正程掃描時間為18.4ms，逆程掃描時間為，逆程掃描時間為1.6ms。行周期為行周期為64s， 其中行正程掃描時間為其中行正程掃描時間為52s，逆程掃描時間為，逆程掃描時間為12s。 隔行掃描隔行掃描是將一幅畫面分成相間的兩部分處

23、理和傳輸，最后疊加成是將一幅畫面分成相間的兩部分處理和傳輸，最后疊加成完整圖像顯示，由于視覺暫留效應，人眼將會看到平滑的運動而不完整圖像顯示，由于視覺暫留效應，人眼將會看到平滑的運動而不是閃動的半幀半幀的圖像。其優點是只要原來一半的頻率資源就可是閃動的半幀半幀的圖像。其優點是只要原來一半的頻率資源就可以獲得比較穩定的圖像，缺點是以獲得比較穩定的圖像，缺點是圖像垂直分辨率降低一半圖像垂直分辨率降低一半，并且出，并且出現閃爍、扭曲等現象，當屏幕的內容是橫條紋時，這種閃爍特別容現閃爍、扭曲等現象，當屏幕的內容是橫條紋時，這種閃爍特別容易被注意到，長期觀看容易傷害視力。易被注意到，長期觀看容易傷害視力

24、。逐行掃描逐行掃描是每一場都顯示整幅圖像畫面，采用這種技術處理的圖像，是每一場都顯示整幅圖像畫面，采用這種技術處理的圖像，畫面清晰度、穩定性比隔行掃描有飛躍性的提高，整體畫面細膩逼畫面清晰度、穩定性比隔行掃描有飛躍性的提高，整體畫面細膩逼真，動態失真小，長期觀看不易產生視力疲勞。真，動態失真小，長期觀看不易產生視力疲勞。一般用一般用“i”表示隔行，表示隔行，“P”表示逐行表示逐行 480i480p1080i720p 數字高清電視的數字高清電視的720p、1080i和和1080p是由美國電影電視工程師是由美國電影電視工程師協會確定的高清標準格式，其中協會確定的高清標準格式，其中1080p被稱為目

25、前數字電視的頂級被稱為目前數字電視的頂級顯示格式，這種格式的電視在逐行掃描下能夠達到顯示格式，這種格式的電視在逐行掃描下能夠達到19201080的分的分辨率。辨率。 目前世界上只有目前世界上只有60英寸英寸以上的顯示屏才能夠顯示出以上的顯示屏才能夠顯示出19201080的信號。目前市場上出現的所謂的信號。目前市場上出現的所謂1080p高清數字電視并不能真正給高清數字電視并不能真正給消費者帶來消費者帶來19201080的圖像，這些彩電只是能夠接收和處理的圖像，這些彩電只是能夠接收和處理19201080格式的信號而已，由于目前電視信號根本無法達到如此格式的信號而已，由于目前電視信號根本無法達到如此

26、高的標準，高的標準，1080p對于普通用戶基本沒有什么實際價值，只是廠家對于普通用戶基本沒有什么實際價值，只是廠家的一種市場宣傳噱頭。的一種市場宣傳噱頭。 3.5.3 變像管和像增強器（像管）變像管和像增強器（像管）（非掃描型，直視型）（非掃描型，直視型）環境照度低于環境照度低于10-1lx滿月在天頂時的地面照度大約是滿月在天頂時的地面照度大約是0.2lx夜間無月時的地面照度大約夜間無月時的地面照度大約10-4lx數量級數量級象管的結構原理示意圖象管的結構原理示意圖 三個基本部分：三個基本部分： 光電變換部分光電變換部分電子光學部分電子光學部分 電光變換部分電光變換部分像管有三個基本部分：像管

27、有三個基本部分： 二是二是電子光學部分電子光學部分，即電子透鏡，有電聚焦和磁聚焦兩，即電子透鏡，有電聚焦和磁聚焦兩種形式，它可以使光電陰極發射出來的光電子圖象，在種形式，它可以使光電陰極發射出來的光電子圖象，在保持相對分布不變的情況下進行加速。保持相對分布不變的情況下進行加速。三是三是電光變換部分電光變換部分，即熒光屏，它可以使打到它上面的，即熒光屏，它可以使打到它上面的電子圖象變成可見光電子圖象變成可見光一是一是光電變換部分光電變換部分，即光電陰極，它可以使不可見光圖，即光電陰極，它可以使不可見光圖象或亮度很低的光學圖象，變成光電子發射圖象。象或亮度很低的光學圖象，變成光電子發射圖象。 亮度

28、增益是指熒光屏的光出射度和入射至光電陰亮度增益是指熒光屏的光出射度和入射至光電陰極面上的照度之比極面上的照度之比 指當像管受微弱光照時，在熒光屏上產生同暗背景指當像管受微弱光照時，在熒光屏上產生同暗背景相同的亮度時，光電陰極面上的所需的輸入照度值相同的亮度時，光電陰極面上的所需的輸入照度值. 當標準測試板通過像管后，在熒光屏的每毫米長度當標準測試板通過像管后，在熒光屏的每毫米長度上用目測法能分辨得開的黑白相間等寬距條紋的對數上用目測法能分辨得開的黑白相間等寬距條紋的對數（即（即“空間頻率空間頻率”數），單位是每毫米線對數。數），單位是每毫米線對數。 直接變像直接變像（依光波長改變光電陰極材料）

29、（依光波長改變光電陰極材料）近紅外光像近紅外光像1.15m紫外光像紫外光像Uth，則由于，則由于UG足夠大，足夠大，界面處能帶下彎到進入反型層，此時，表面層雖是反型層，但電子尚未產生，實界面處能帶下彎到進入反型層，此時，表面層雖是反型層，但電子尚未產生，實質是空的電子勢阱，此時半導體處于質是空的電子勢阱，此時半導體處于“非平衡態非平衡態”，耗盡層的深度將超過熱平衡，耗盡層的深度將超過熱平衡態時的寬度，因此稱為態時的寬度，因此稱為“深耗盡深耗盡”。飽和狀態下不存在有用的勢阱，飽和狀態下不存在有用的勢阱，CCD必須工作在非熱平衡的瞬態條件下，或者必須工作在非熱平衡的瞬態條件下，或者說要求信息電荷的

30、存儲時間小于說要求信息電荷的存儲時間小于熱弛豫時間熱弛豫時間（從給柵極加電壓的瞬間至達到飽（從給柵極加電壓的瞬間至達到飽和狀態的時間，一般為和狀態的時間，一般為1秒到幾秒，好的硅材料可以做到數十秒）。秒到幾秒，好的硅材料可以做到數十秒）。 圖為在摻雜為圖為在摻雜為1021 cm-3，氧化層厚度分別為，氧化層厚度分別為0.1m、0.3m、0.4m和和0.6m情況下，不存在反型層電荷時情況下，不存在反型層電荷時 ，表面勢，表面勢(半導體與絕半導體與絕緣體界面上的電勢緣體界面上的電勢)s與柵極電壓與柵極電壓UG的關系曲線。的關系曲線。ls隨柵極電壓隨柵極電壓UG的增加而增加；的增加而增加；l氧化層的

31、厚度越薄曲線的直線性越氧化層的厚度越薄曲線的直線性越好；好；l在同樣的柵極電壓在同樣的柵極電壓UG作用下，不作用下，不同厚度的氧化層有著不同的表面勢。同厚度的氧化層有著不同的表面勢。l表面勢表面勢s表征了耗盡區的深度表征了耗盡區的深度（勢阱的深度）（勢阱的深度） 。 圖為柵極電壓圖為柵極電壓UG不變的不變的情況下，表面勢情況下，表面勢s與反型層與反型層電荷密度電荷密度Qinv之間的關系。之間的關系。由圖可以看出，表面勢由圖可以看出，表面勢s隨隨反型層電荷密度反型層電荷密度Qinv的增加而的增加而線性減小。線性減小。 CCD器件每一單元（每一像素）稱為一位，有器件每一單元（每一像素）稱為一位，有

32、256位、位、1024位、位、2160位等線陣位等線陣CCD。CCD一位中含的一位中含的MOS電電容個數即為容個數即為CCD的相數，通常有二相、三相、四相等幾的相數，通常有二相、三相、四相等幾種結構，它們施加的時鐘脈沖也分為二相、三相、四相。種結構，它們施加的時鐘脈沖也分為二相、三相、四相。二相脈沖的兩路脈沖相位相差二相脈沖的兩路脈沖相位相差1800；三相及四相脈沖的；三相及四相脈沖的相位差分別為相位差分別為1200、900 。當這種時序脈沖加到。當這種時序脈沖加到CCD驅驅動電路上循環時，將實現信號電荷的定向轉移及耦合。動電路上循環時，將實現信號電荷的定向轉移及耦合。 三相表面溝道三相表面溝

33、道CCDttt123三相三相CCD驅動脈沖波形圖驅動脈沖波形圖70Charge Transfer in a CCD 1.In the following few slides, the implementation of the conveyor belts as actual electronicstructures is explained. The charge is moved along these conveyor belts by modulating the voltages on the electrodespositioned on the surface of the C

34、CD. In the following illustrations, electrodes colour coded redare held at a positive potential, those coloured black are held at a negative potential.12371123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5VTime-slice shown in diagram123Charge Transfer in a CCD 2.72123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123Charge Transfer in a CCD 3.7

35、3123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123Charge Transfer in a CCD 4.74123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123Charge Transfer in a CCD 5.75123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123Charge Transfer in a CCD 6.76123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123Charge Transfer in a CCD 7.Charge packet from subsequent pixel entersfrom left as first pixe

36、l exits to the right.77123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123Charge Transfer in a CCD 8.圖所示TCD1206的相鄰兩像元，每一位含MOS電容2個 不對稱勢阱每一位下兩個12 t=t1時 t=t2時 t=t3時 t=t4時12t1t2t3TCD1206二相驅動波形（1、2相位差1800）t4at=t1時時 ，1電極處于高電平，而電極處于高電平，而2電極處于低電平。由于電極處于低電平。由于1電極上柵壓大于開啟電壓，故在電極上柵壓大于開啟電壓，故在1下形成勢阱，假設此時光下形成勢阱，假設此時光敏二極管接收光照，它每一位（每一像元

37、）的電荷都從對應的敏二極管接收光照，它每一位（每一像元）的電荷都從對應的1電極下放入勢阱。電極下放入勢阱。 b t=t2時時 ，1電極上柵壓小于電極上柵壓小于2電極上柵壓，故電極上柵壓，故1電極下勢阱電極下勢阱變淺，勢阱變深，電荷更多流向變淺，勢阱變深，電荷更多流向2電極下。電極下。（由于勢阱的不對稱（由于勢阱的不對稱性，性，“左淺右深左淺右深”，電荷只能朝右轉移，電荷只能朝右轉移 c t=t3時時 ，2電極處于高電平，而電極處于高電平，而1電極處于低電平，故電荷聚電極處于低電平，故電荷聚集到集到2電極下，實現了電荷從電極下，實現了電荷從1電極下到電極下到2電極下的轉移。電極下的轉移。 d 同

38、理可知，同理可知，t=t4時時 ，電荷包從上一位的，電荷包從上一位的1電極下轉移到下一位電極下轉移到下一位的的1電極下。因此，時鐘脈沖經過一個周期，電荷包在電極下。因此，時鐘脈沖經過一個周期，電荷包在CCD上移上移動一位。動一位。 3、電荷（信號）的注入（輸入）、電荷（信號）的注入（輸入）CCD的電荷注入方式有光注入和電信號注入兩種。的電荷注入方式有光注入和電信號注入兩種。CCD用于信號處理、數據貯存時，輸入信號電荷是用于信號處理、數據貯存時，輸入信號電荷是電注入的；用于攝象時，輸入信號電荷則是用光載電注入的；用于攝象時，輸入信號電荷則是用光載流子注入的。流子注入的。 當光照到當光照到CCD時

39、，在柵時，在柵極附近的耗盡區吸收光子極附近的耗盡區吸收光子產生電子產生電子-空穴對，在柵極空穴對，在柵極電壓的作用下，多數載流電壓的作用下，多數載流子（空穴）流入襯底，少子（空穴）流入襯底，少數載流子（電子）被收集數載流子（電子）被收集在勢阱中，存儲起來。這在勢阱中，存儲起來。這樣能量高于半導體禁帶的樣能量高于半導體禁帶的光子，可以用來建立正比光子，可以用來建立正比于光強的存儲電荷。于光強的存儲電荷。（1）光注入的方式常見的有：）光注入的方式常見的有：正面照射和背面照射方式。正面照射和背面照射方式。背面照射時量子效背面照射時量子效率可達率可達80% 以上以上正面入射時正面入射時40左右左右 注

40、入的電荷數注入的電荷數Qin=qNeoAtc為材料的量子效率；為材料的量子效率；q為電子電荷量；為電子電荷量； Neo為入射光的光子流速；為入射光的光子流速；A為光敏單元的受光面積；為光敏單元的受光面積；tc為光的注入時間。為光的注入時間。 CCD輸出結構是將輸出結構是將CCD傳輸和處理的信號電荷變換為傳輸和處理的信號電荷變換為電流或電壓輸出。電流或電壓輸出。 電荷輸出結構有多種形式，如電流輸出結構、浮置擴散電荷輸出結構有多種形式，如電流輸出結構、浮置擴散輸出結構、浮置柵輸出結構等。輸出結構、浮置柵輸出結構等。浮置擴散放大器屬于電壓輸出方式，目前采用較多。浮置擴散放大器屬于電壓輸出方式，目前采

41、用較多。注：注：“浮置擴散浮置擴散”是指在是指在p型硅襯底表面用型硅襯底表面用V族雜質擴族雜質擴散形成小塊的散形成小塊的n區域，當擴散區不被偏置，即處于浮區域，當擴散區不被偏置，即處于浮置狀態工作時，稱作置狀態工作時，稱作“浮置擴散區浮置擴散區”。（1）浮置擴散放大器輸出（）浮置擴散放大器輸出（FDA Floating Diffusion Amplifier）3VOGR RVRDT2ACRLVoutVDDT3T1MOSFET（場效應管）（場效應管）漏極漏極柵極柵極源極源極（直流偏置）（直流偏置）輸出柵（器件內部，總打開）輸出柵（器件內部，總打開）（復位脈沖（復位脈沖R）放大管放大管T1：源跟隨

42、器源跟隨器復位管復位管T2：工作在開關狀態工作在開關狀態輸出二極管輸出二極管T3：浮置擴散區浮置擴散區A點的等效電容點的等效電容C由由T3管的管的結電容加上結電容加上T1管的柵電容管的柵電容構成，它構成一個電荷積構成，它構成一個電荷積分器。此電荷積分器隨分器。此電荷積分器隨T2管的開與關，處于選通和管的開與關，處于選通和關閉狀態，稱為選通電荷關閉狀態，稱為選通電荷積分器積分器 。以單溝道為例以單溝道為例等效于在等效于在CCD同一芯片上集同一芯片上集成了兩個成了兩個MOSFET，即復位，即復位管管T2和放大管和放大管T3。 電壓輸出工作原理為：電壓輸出工作原理為： T2管柵極在復位脈沖管柵極在復

43、位脈沖R（在（在3 高電平中間）的作用下導高電平中間）的作用下導通，使通，使FD區和區和RD區導通，將區導通，將FD區剩余電荷包區剩余電荷包Q通過通過T2管的溝道抽走。當復位脈管的溝道抽走。當復位脈沖沖R結束，結束，T2管關閉后，管關閉后， A點具有一定的浮置電位（此積分器無放電回路，所點具有一定的浮置電位（此積分器無放電回路，所以以A點電位一直維持在點電位一直維持在VRD值？）值？） 。之后，。之后， 3為低電位，為低電位， 其下的電荷包通過其下的電荷包通過OG (VOG為一定值的正電壓，總打開，在電極下形成耗盡層，使為一定值的正電壓，總打開，在電極下形成耗盡層，使3與與T3之間建立導之間建

44、立導電溝道電溝道)下的溝道轉移到下的溝道轉移到FD區，此時區，此時A點電位變化為點電位變化為V2。V2浮置電平的解釋Albert J. P. TheuwissenSolid-state imaging with charge-coupled devices - 1995 - - 388 頁式中式中gm為電導，為電導，RL為負載電阻，故為負載電阻，故T1管源極輸出電壓變化為：管源極輸出電壓變化為： CQRgRgVLmLmout1由于由于MOS管管T1的電壓增益為的電壓增益為 LmLmvRgRgA1CQV2因為是因為是N溝道，信息電荷為電子，故加負號溝道，信息電荷為電子，故加負號 A點電位變化為點

45、電位變化為V2如為雙溝道，如為雙溝道，在每個時鐘脈沖周期內，隨著時鐘脈沖在每個時鐘脈沖周期內，隨著時鐘脈沖1或或2的下降過程，就有一個電荷的下降過程，就有一個電荷包從包從CCD轉移到輸出二極管轉移到輸出二極管T3的的N區，即轉移到電荷積分器上，引起區，即轉移到電荷積分器上，引起A點電點電位變化。位變化。12G0RGVRDT2ACRLVoutVODT3T1MOSFET（場效應管）（場效應管）漏極漏極柵極柵極源極源極（直流偏置）（直流偏置）輸出柵（器件內部，總打開）輸出柵（器件內部，總打開）注：注：. 對二相對二相CCD，只有，只有1、2電極電極 ；.2下電荷耦下電荷耦合進合進T3 。（復位脈沖（

46、復位脈沖R）21RVout包括檢測二極管、偏置電阻包括檢測二極管、偏置電阻R R、源極輸出放大器和復位場效應管。、源極輸出放大器和復位場效應管。I Id d的大小與電荷的變化量成正比，的大小與電荷的變化量成正比，A A點電位變化。點電位變化。復位場效應管：放掉剩余的電荷復位場效應管：放掉剩余的電荷 Q Qs s= =I Id dd dt t（2）電流輸出電流輸出由反向偏置二極管收由反向偏置二極管收集信號電荷來控制集信號電荷來控制A點電位的變化。由于點電位的變化。由于二極管反向偏置，形二極管反向偏置，形成一個深陷落信號電成一個深陷落信號電荷的勢阱，轉移到荷的勢阱，轉移到CR2電極下的電荷包電極下

47、的電荷包越過輸出柵極，流入越過輸出柵極，流入到深勢阱中。到深勢阱中。5. 幾種常用的幾種常用的CCD驅動方法驅動方法 用數字門電路及時序電路搭成用數字門電路及時序電路搭成CCD驅動時序電路。一般驅動時序電路。一般由振蕩器、單穩態觸發器、計數器等組成。可用標準邏輯器由振蕩器、單穩態觸發器、計數器等組成。可用標準邏輯器件搭成或可編程邏輯器件制成。特點是驅動頻率高，但邏輯件搭成或可編程邏輯器件制成。特點是驅動頻率高，但邏輯設計比較復雜。設計比較復雜。 （1） 直接數字電路驅動方法直接數字電路驅動方法 （2）可編程邏輯器件可編程邏輯器件CPLD驅動頻率和積分時間可以調節驅動頻率和積分時間可以調節（3）

48、 單片機驅動方法單片機驅動方法 單片機產生單片機產生CCD驅動時序的方法，主要依靠程序編制，直接驅動時序的方法，主要依靠程序編制，直接由單片機由單片機I/O口輸出驅動時序信號。時序信號是由程序指令間的延口輸出驅動時序信號。時序信號是由程序指令間的延時產生。這種方法的特點是調節時序靈活方便、編程簡單，但通時產生。這種方法的特點是調節時序靈活方便、編程簡單，但通常具有驅動頻率低的缺點。如果使用指令周期很短單片機（高速常具有驅動頻率低的缺點。如果使用指令周期很短單片機（高速單片機），則可以克服這一缺點。單片機），則可以克服這一缺點。 在在EPROM中事先存放驅動中事先存放驅動CCD的所有時序信號數據

49、，并由的所有時序信號數據，并由計數電路產生計數電路產生EPROM的地址使之輸出相應的驅動時序。這種方的地址使之輸出相應的驅動時序。這種方法結構簡明，與單片機驅動方法相似。法結構簡明，與單片機驅動方法相似。 （4） EPROM驅動方法驅動方法（5）專用）專用IC驅動方法驅動方法 利用專用集成電路產生利用專用集成電路產生CCD驅動時序，集成度高、功能強、驅動時序，集成度高、功能強、使用方便。在大批量生產中，驅動攝像機等視頻領域首選此法，使用方便。在大批量生產中，驅動攝像機等視頻領域首選此法，但在工業測量中又顯得靈活性不好。可用可編程邏輯器件法代替但在工業測量中又顯得靈活性不好。可用可編程邏輯器件法

50、代替“專用專用IC驅動方法驅動方法”。 (1) 單溝道線陣單溝道線陣CCD NN-1N-2321光敏區光敏區轉移區轉移區1 2電荷進入電荷進入1電荷從電荷從2進入進入T31 2G0SPshRGVRDVODT2T3T1CRL加加R脈沖脈沖注：對雙路輸出，另一路的電荷從注：對雙路輸出，另一路的電荷從2進入進入T3（同一個）（同一個）轉移區轉移區移位寄存器移位寄存器(遮光遮光)（轉移柵）（轉移柵）入射光入射光轉移效率問題轉移效率問題21RVoutPt1 t2 t3 t4轉移準備轉移準備轉移結束轉移結束有效積分時間有效積分時間SH轉移轉移光敏元與轉移區分開光敏元與轉移區分開 ，光積分期間收集電子，結束

51、后由轉移柵將電荷轉移至移光積分期間收集電子，結束后由轉移柵將電荷轉移至移位寄存器，開始下一任積分周期，同時在轉移時鐘的作用下輸出電荷包。位寄存器，開始下一任積分周期，同時在轉移時鐘的作用下輸出電荷包。2） 轉移轉移 就是將N個光信號電荷包并行轉移并行轉移到所對應的各位CCD中，t處于高電平。3）傳輸）傳輸 N個信號電荷在二相脈沖1 、2驅動下依次沿CCD串行輸出。1） 積分積分 在有效積分時間里，光柵P處于高電平， 每個光敏元下形成勢阱，光生電子被積累到勢阱中，形成一個電信號“圖象”。(2) 雙溝道線陣雙溝道線陣CCD 它具有兩列它具有兩列CCD模擬移位寄存器模擬移位寄存器A與與B，分列在像敏

52、陣列的兩邊。單、雙數光，分列在像敏陣列的兩邊。單、雙數光敏元件中的信號電荷分別轉移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖敏元件中的信號電荷分別轉移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動，在輸出端的作用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出交替合并輸出，這樣就形成了原來光敏信，這樣就形成了原來光敏信號電荷的順序。號電荷的順序。 1. 幀轉移（幀轉移（Frame-Transfer） 面陣面陣CCD 1 由成像區由成像區(像敏區像敏區)、暫存區和水平讀出寄存器等三部分構成。、暫存區和水平讀出寄存器等三部分構成。這三部分都這三部分都是是CCD結構，在暫存區和水平區光屏蔽。

53、結構，在暫存區和水平區光屏蔽。水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 成像區成像區 暫存區暫存區 成像區成像區 暫存區暫存區 場正程期間：場正程期間： 場逆程期間：場逆程期間： 光學圖像光學圖像電荷包圖像電荷包圖像電荷包圖像電荷包圖像場正程期間，成像區收集電荷，場正程期間，成像區收集電荷，當光積分時間到后，進入場逆當光積分時間到后，進入場逆程，信號轉到暫存區。暫存區程，信號轉到暫存區。暫存區與水平區按行周期工作，一行與水平區按行周期工作，一行一行的向下平移，直至輸出整一行的向下平移，直至輸出整場圖像信號。場圖像信號。光電科學與工程學院光電科學與工程學院College Of Optoelectric S

54、cience and Engineering 暫存區暫存區 場正程期間：場正程期間： 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆程期間 行正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像光電科學與工程學院光電科學與工程學院College Of Optoelectric Science and Engineering 暫存區暫存區 場正程期間：場正程期間： 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆程期間 暫存區的信號電荷暫存區的信號電荷產生一行平移產生一行平移行正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像光電科學與工程學院光電科學與工程學院College Of Optoelectric Scien

55、ce and Engineering 暫存區暫存區 場正程期間：場正程期間： 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆程期間 行正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像水平讀出寄存器輸水平讀出寄存器輸出一行視頻信號出一行視頻信號 光電科學與工程學院光電科學與工程學院College Of Optoelectric Science and Engineering 暫存區暫存區 場正程期間：場正程期間： 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆程期間 暫存區的信號電荷暫存區的信號電荷產生一行平移產生一行平移行正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像光電科學與工程學院光電科學與工程學院Co

56、llege Of Optoelectric Science and Engineering 暫存區暫存區 場正程期間：場正程期間： 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆程期間 行正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像水平讀出寄存器輸水平讀出寄存器輸出一行視頻信號出一行視頻信號 光電科學與工程學院光電科學與工程學院College Of Optoelectric Science and Engineering 暫存區暫存區 場正程期間：場正程期間： 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆程期間 行正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像暫存區的信號電荷暫存區的信號電荷產生一行平

57、移產生一行平移光電科學與工程學院光電科學與工程學院College Of Optoelectric Science and Engineering 暫存區暫存區 場正程結束時場正程結束時 水平讀出水平讀出 寄存器寄存器 行逆程期間行逆程期間 行正程期間行正程期間 電荷包圖像電荷包圖像水平讀出寄存器輸水平讀出寄存器輸出一行視頻信號出一行視頻信號 特點：特點：（1）光敏區與轉移區垂直相間排列。）光敏區與轉移區垂直相間排列。FF低。低。（2）水平）水平CCD每一位與垂直列每一位與垂直列CCD一一對應、一一對應、相互銜接。相互銜接。（3）速度快，電荷轉移期間可同時拍照。）速度快，電荷轉移期間可同時拍照。

58、15張張/s。（4）成本低。占據）成本低。占據86以上市場。以上市場。行消隱期間：垂直行消隱期間：垂直CCD向水平向水平CCD轉移一行信轉移一行信號電荷；號電荷；行正程期間：水平行正程期間：水平CCD讀出一行信號。讀出一行信號。以此循環，直至將整個一場信號讀完，進入場消以此循環，直至將整個一場信號讀完，進入場消隱。在場消隱期間，又將新的一場光信號電荷從隱。在場消隱期間，又將新的一場光信號電荷從光敏區轉移到各自對應的垂直光敏區轉移到各自對應的垂直CCD中。然后，中。然后，又開始新一場信號的逐行讀出。是用得最多的一又開始新一場信號的逐行讀出。是用得最多的一種結構形式。種結構形式。線線陣陣CCD器件

59、器件:直接將接收到的一維光信息轉換成時序的電信直接將接收到的一維光信息轉換成時序的電信號，獲得一維的圖像信號。號，獲得一維的圖像信號。面陣面陣CCD器件器件是二維的圖像傳感器，是二維的圖像傳感器，直接將二維圖像轉變為視頻信號輸出。直接將二維圖像轉變為視頻信號輸出。若用線陣若用線陣CCD獲得二維圖像，必須使用線陣獲得二維圖像，必須使用線陣CCD與二維圖像與二維圖像做相對的掃描運動做相對的掃描運動如何用線陣如何用線陣CCD獲得二維圖像信號？獲得二維圖像信號？)0()(1)0()()0(QtQQtQQ)0()(QtQ電荷轉移效率為: 電荷轉移損失率為: 電荷轉移效率與損失率的關系為: 1N個電極轉移

60、后所剩余的電量為留下來的電荷原電荷注：如果注：如果0.99，經，經24次轉移后為次轉移后為22，而經過，而經過192次轉移后為次轉移后為85；如果如果0.9999，經，經24次轉移后為次轉移后為0.2，而經過，而經過192次轉移后為次轉移后為2。所以要提高轉移效率。所以要提高轉移效率。)1)(0()(nQnQ驅動頻率的下限驅動頻率的下限 在信號電荷的轉移過程中，注入電荷從一個電極轉移到另一在信號電荷的轉移過程中，注入電荷從一個電極轉移到另一個電極所用時間須小于光生載流子的平均壽命，對于二相來講，個電極所用時間須小于光生載流子的平均壽命，對于二相來講，周期為周期為T212121ffTt 載流子的平均壽命與器件的工作溫