第五章光電成象系統(tǒng)本章內(nèi)容：§5.1固體攝像器件

§5.2光電成像原理

§5.3～§5.5紅外成像

§5.6微光像增強(qiáng)器件

§5.7纖維光學(xué)成象器件本章要求：1了解光電成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，明確光電成

像器件在其中的作用;2掌握CCD固體攝像器件結(jié)構(gòu)和工作原

理（線陣、面陣）.成像器件成像器件光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心。光電成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

:

光(強(qiáng),可見(jiàn))物體(信號(hào)源)傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)(信號(hào)分析器)攝像器件(信號(hào)變換器)顯示器人眼光源光信號(hào)光信號(hào)光信號(hào)噪聲噪聲噪聲噪聲像管(增像管,變像管)

光纖成像器件

電信號(hào)光光(弱,不可見(jiàn))(強(qiáng),可見(jiàn))光信號(hào)攝像器件的功能：

把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息（可見(jiàn)光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)——視頻信號(hào)。而視頻信號(hào)經(jīng)顯示器件能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。攝像器件真空攝像器件(如視象管)固體攝像器件電荷耦合器件（CCD）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（CMOS）電荷注入器件（CID）一、電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件的基本單元是CCD（ChargeCoupledDevice）。CCD是以電荷作為信號(hào),具有光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)存儲(chǔ)和信號(hào)傳輸（自掃描）的功能，在圖象傳感，信息處理和信息存貯等方面應(yīng)用廣泛，因而發(fā)展非常迅速。面陣CCD線陣CCD

1CCD單元結(jié)構(gòu)：由多個(gè)像素組成線陣或面陣,金屬柵極是分立的，氧化物與半導(dǎo)體是連續(xù)的。PMOS結(jié)構(gòu)單元－像素（1）電荷產(chǎn)生

入射光（圖象）照在感光面上，由于光電效應(yīng)，產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電荷分布（在時(shí)間和空間的分布均與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)），這就是光學(xué)圖象變成電荷圖象的過(guò)程。

2CCD的基本原理：（2）電荷存儲(chǔ)CCD的存儲(chǔ)單元是MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器。基本名詞：勢(shì)阱

勢(shì)阱

施加正電壓

空穴耗盡區(qū)電子的“陷阱”

基本名詞：勢(shì)阱柵極正向電壓增加時(shí)，勢(shì)阱變深。－－改變UG，調(diào)節(jié)勢(shì)阱深度存儲(chǔ)原理:

在金屬電極(柵極)加電壓

VG>0（P型襯底Si接地），

SiO2-Si界面的電勢(shì)增加，

電子在該處的電勢(shì)能較低，形象地說(shuō)，在表面處形成了電子的勢(shì)阱，可用來(lái)存儲(chǔ)電子。。

VG越大，表面勢(shì)越高，電子勢(shì)阱越深，能容納的電子就越多。

（3）電荷轉(zhuǎn)移以三相表面溝道CCD為例（P163）

在t1時(shí)刻，1高電位，2、3低電位。1電極的勢(shì)阱最深，電荷被存儲(chǔ)其中。在t2時(shí)刻，1、2高電位，3低電位．1、2兩個(gè)勢(shì)阱的空阱深度相同，電荷從1向2轉(zhuǎn)移。在t3時(shí)刻，2仍為高電位，3仍為低電位，而1由高變低。1勢(shì)阱變淺，剩余電荷繼續(xù)向2勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。在t4時(shí)刻，2仍為高電位，3仍為低電位，1完全變成低電位。2下面的勢(shì)阱最深，信號(hào)電荷全部轉(zhuǎn)移到2下面的勢(shì)阱中。電荷轉(zhuǎn)移示意圖

基本思想：－－調(diào)節(jié)勢(shì)阱深度－－利用勢(shì)阱耦合勢(shì)阱耦合規(guī)律:當(dāng)1完全變成低電位時(shí)，電荷包向右移至2(高電位)當(dāng)2完全變成低電位時(shí)，電荷包向右移至3(高電位)當(dāng)3完全變成低電位時(shí),電荷包向右移至下一位的1(高電位)三相時(shí)鐘脈沖依次延遲，電荷包不斷前移，一個(gè)時(shí)鐘周期T電荷移動(dòng)三個(gè)電極（稱為一位）——工作過(guò)程相當(dāng)于一個(gè)位移寄存器。電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)態(tài)示意圖三相時(shí)鐘脈沖電壓按組（相）加到CCD各電極上

多采用“浮置擴(kuò)散輸出”結(jié)構(gòu)：包括輸出柵OG、浮置擴(kuò)散區(qū)FD、復(fù)位柵R、復(fù)位漏RD、輸出場(chǎng)效應(yīng)管T.“浮置擴(kuò)散”是P型襯底上擴(kuò)散出一小塊的N+區(qū)，當(dāng)擴(kuò)散區(qū)不被偏置，即處于浮置工作狀態(tài)（即具有一定浮置電位）。（4）電荷檢測(cè)R

VOG為一定值的正電壓，在OG電扳下形成耗盡層，使3與FD之間建立導(dǎo)電N溝道。VRD為正十幾伏的直流偏置電壓，所以在RD的下面存在較深的勢(shì)阱。在t1時(shí)刻，3為高電位，電荷包存儲(chǔ)在3電極下面。電荷包的輸出過(guò)程如下:

R在t2時(shí)刻，復(fù)位柵R加正復(fù)位脈沖R，使FD區(qū)與RD區(qū)溝通，因RD的下面存在較深的勢(shì)阱，則FD區(qū)的電荷被RD區(qū)抽走。在t3時(shí)刻，復(fù)位正脈沖過(guò)去,FD區(qū)與RD區(qū)呈夾斷狀態(tài)，F(xiàn)D區(qū)具有一定的浮置電位。R

在t4~t5時(shí)刻，3轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢唬?下面的電荷包通過(guò)OG下的溝道轉(zhuǎn)移到FD區(qū)。

FD區(qū)(即A點(diǎn))的電位變化量為：VA=QFD/C，

QFD是信號(hào)電荷包的大小，C是與FD區(qū)有關(guān)的總電容(包括輸出管T的輸入電容、分布電容等)。

R3每變化一周期，電荷包就輸出一個(gè)，A點(diǎn)的電位就變化一次，從負(fù)載上就獲得一個(gè)電壓脈沖輸出。CCD輸出信號(hào)的特點(diǎn)是：信號(hào)電壓是在浮置電平基礎(chǔ)上的負(fù)電壓；每個(gè)電荷包的輸出占有一定的時(shí)間長(zhǎng)度T；在輸出信號(hào)中疊加有復(fù)位期間的高電平脈沖。R3電荷耦合攝像器件的工作原理（1）線陣CCD攝像器件線陣CCD適用于逐行圖像信息的攝取,如掃描儀,光譜測(cè)量、工件尺寸的自動(dòng)檢測(cè),物體輪廓的動(dòng)態(tài)測(cè)量等。按結(jié)構(gòu)——線陣CCD、面陣CCD。按光譜——可見(jiàn)光CCD、紅外CCD、X光CCD、紫外CCD黑白CCD、彩色CCD和微光CCD

移位寄存器與感光單元并行排列，兩者間通過(guò)轉(zhuǎn)移柵連接。轉(zhuǎn)移柵是用來(lái)控制光敏元?jiǎng)葳逯械男盘?hào)電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移。

（a）單溝道傳輸結(jié)構(gòu)線陣CCD可分為單溝道傳輸與雙溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)。爆光柵極VG轉(zhuǎn)移柵VD

123濾波放大單溝道線陣CCD移位寄存器光圖象MOS電容（b）雙溝道傳輸結(jié)構(gòu)

位移寄存器按奇、偶序號(hào)分別排在感光單元兩側(cè)。兩側(cè)均有轉(zhuǎn)移柵把轉(zhuǎn)移寄存器與感光單元連接起來(lái)。雙溝道CCD的光敏元件的尺寸可以比單溝道CCD的小一半，所以雙溝道CCD的空間分辨率比單溝道高一倍.雙溝道線陣CCDVGVD123濾波放大VD123延時(shí)線陣CCD器件工作過(guò)程：(以兩相單溝道線陣CCD為例)(1)N個(gè)光敏單元始終進(jìn)行光積分;

轉(zhuǎn)移柵VD=高電平時(shí)，1=高電平，光敏區(qū)和1下的勢(shì)阱接通，N個(gè)光信號(hào)電荷包并行轉(zhuǎn)移到所對(duì)應(yīng)的那位CCD中。爆光柵極VG轉(zhuǎn)移柵VD12濾波放大移位寄存器光圖象(2)轉(zhuǎn)移柵VD=低電平，將光敏區(qū)和1電極下的勢(shì)阱隔斷，進(jìn)行下一行積分;N個(gè)電荷包在時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下沿著CCD串行傳輸，每一個(gè)1周期，各信號(hào)電荷包向輸出端方向轉(zhuǎn)移一位，N個(gè)驅(qū)動(dòng)周期后，一行的N個(gè)信號(hào)電荷包全部讀完。得一行的輸出信號(hào)。爆光柵極VG轉(zhuǎn)移柵VD12濾波放大移位寄存器光圖象(3)轉(zhuǎn)移柵VD=高電平，將光敏區(qū)N個(gè)信號(hào)電荷包并行轉(zhuǎn)移到CCD中，開(kāi)始新一行信號(hào)傳輸和讀取，周而復(fù)始。爆光柵極VG轉(zhuǎn)移柵VD12濾波放大移位寄存器光圖象

行間傳輸結(jié)構(gòu)CCD中，光敏CCD列與暫存CCD列交替排列，一列光敏元和一列暫存CCD夾一個(gè)垂直轉(zhuǎn)移柵(未畫(huà)出)，組成一組。多個(gè)組水平排列，組間由高阻溝道隔開(kāi)。垂直CCD和水平CCD間也夾一個(gè)水平轉(zhuǎn)移柵(未畫(huà)出)。

(a)行間傳輸結(jié)構(gòu)CCD（2）面陣CCD攝像器件

面陣CCD為二維成像器件。常見(jiàn)的面陣CCD攝像器件有兩種：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)與幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)。行間傳輸工作過(guò)程：②曝光結(jié)束后，垂直轉(zhuǎn)移柵加電壓,光敏CCD中電荷包并列轉(zhuǎn)移到各垂直CCD①光敏柵加電壓,光敏列CCD曝光,形成二維電荷圖象③開(kāi)始新的曝光，同時(shí)，水

平轉(zhuǎn)移柵加壓，將垂直CCD

中的電荷包逐行轉(zhuǎn)移進(jìn)入水平CCD。④水平輸出CCD以高頻率輸出各行信號(hào),當(dāng)把垂直CCD中所有電荷包輸出后,結(jié)束CCD曝光,返回②,不斷重復(fù).應(yīng)用：電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間短，圖像串?dāng)_小，可用于高速圖象攝取，如電視圖像攝取。（b）幀傳輸結(jié)構(gòu)幀傳輸結(jié)構(gòu)分為三部分:光敏區(qū)、暫存區(qū)和水平讀出區(qū)。兩相幀傳輸結(jié)構(gòu)CCD(遮光區(qū))②光敏區(qū)和暫存區(qū)相同頻

率的脈沖驅(qū)動(dòng)下，電荷包并行地從光敏區(qū)全部移入移進(jìn)暫存區(qū)中。幀傳輸工作過(guò)程：①光敏柵加電壓,光敏區(qū)CCD曝光，形成二維電荷圖象。③

開(kāi)始新的曝光。同時(shí)，行輸出柵加電壓，控制暫存區(qū)中的電荷逐行輸出到水平行CCD.④水平行CCD以較高的頻率順序把各行電荷包輸出到放大器，當(dāng)把暫存區(qū)中所有電荷包輸出后,結(jié)束光敏區(qū)CCD曝光,返回②,不斷重復(fù).(遮光區(qū))應(yīng)用：幀轉(zhuǎn)移時(shí)間較長(zhǎng)，信號(hào)串?dāng)_較嚴(yán)重。只用于慢變化圖象攝取，如工業(yè)電視。

是傳統(tǒng)的彩色攝像方式，用分色棱鏡將入射光分成紅(R)綠(G)藍(lán)(B)三基色。然后由配置在后面的CCD器件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。三片式CCD成像質(zhì)量好，主要用于電視臺(tái)等高質(zhì)量的攝像機(jī)。

目前主要有三片式和單片式兩種.

（3）彩色CCD攝像器件采用先分色，再合成的辦法，實(shí)現(xiàn)彩色攝像。

三片式彩色

CCD:拜爾(Bayer)濾色器：奇數(shù)場(chǎng)只有R、G信號(hào)，而偶數(shù)場(chǎng)有G、B信號(hào)，重現(xiàn)的彩色圖像會(huì)引起黃、藍(lán)閃爍。單片式彩色CCD:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格較低，是目前工業(yè)、家用攝像機(jī)中占統(tǒng)治地位的彩色攝像器件。單片式彩色CCD的關(guān)鍵是濾色器陣列。

濾色單元與CCD光敏單元對(duì)應(yīng).行間排列濾色器:

紅、綠、藍(lán)色在各行都有。二、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)1.轉(zhuǎn)移效率

電荷量為Q0的電荷包

，經(jīng)過(guò)n個(gè)MOS電容(n次轉(zhuǎn)移)后的輸出電荷量為Qn,總效率為：

為電荷包從一個(gè)柵轉(zhuǎn)移到下一個(gè)柵時(shí)的轉(zhuǎn)移百分比.

爆光柵極VG轉(zhuǎn)移柵VD12濾波放大移位寄存器光圖象為電荷包轉(zhuǎn)移百分比.

如:二相1024位器件，當(dāng)=0.999時(shí)，總效率

總效率太低時(shí)，CCD就失去了實(shí)用價(jià)值。一定的值，限定了器件的最長(zhǎng)位數(shù)。爆光柵極VG轉(zhuǎn)移柵VD12濾波放大移位寄存器光圖象2.不均勻度

包括光敏元的不均勻與CCD的不均勻，是由于工藝過(guò)程及材料不均勻引起，越是大規(guī)模的器件，均勻性問(wèn)題越是突出，這往往是成品率下降的重要原因。3.暗電流CCD成像器件在既無(wú)光注入又無(wú)電注入情況下的輸出信號(hào)稱暗信號(hào)，即暗電流。暗電流的起因在于耗盡區(qū)的熱激發(fā)。4.靈敏度（響應(yīng)度）

指在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量引起的輸出信號(hào)電壓（或電流）。單位為V/(J/m2)注：曝光量是指光強(qiáng)與光照時(shí)間之積，單位為[w/m2]s=J/m25.光譜響應(yīng)CCD的光譜響應(yīng)是指等能量相對(duì)光譜響應(yīng)S（峰值波長(zhǎng)max處S=100%，兩側(cè)截止波長(zhǎng)處S=10%，兩截止波長(zhǎng)之差稱光譜響應(yīng)范圍），與光敏元的材料有關(guān)。

線性度:

指在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號(hào)與曝光量的關(guān)系是否成直線關(guān)系。通常在弱信號(hào)及接近滿阱信號(hào)時(shí)，線性比較差，在動(dòng)態(tài)范圍的中間區(qū)域，則為是直線關(guān)系。

7.動(dòng)態(tài)范圍與線性度

動(dòng)態(tài)范圍＝

6.噪聲CCD的噪