其它光电探测器.ppt

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1、光电信号检测,第七章 成像探测器及技术,一、电荷耦合器件CCD电荷存储应用：信息存储和处理、光学图像信号转变为电子图像数据。,CCD是由金属氧化物半导体（简称MOS）构成的密排器件。这种MOS结构，一般是在p型（或n型）Si单晶的衬底上生长一层100200nm的SiO2层，再在SiO2层上沉积具有一定形状的金属电极（称做栅极），一般是金属铝。,1.MOS电容的热平衡态特性a）当栅电压VG0时，这时在p型半导体中将有均匀的空穴分布（多数载流子）。此时表面的存在对半导体内电子运动没有影响，半导体中的水平能量线一直延伸到表面，并与表面垂直。金属的费米能级EFM与p型材料费米能级EFP处于同一水平。,

2、Ec：导带底Ev：价带顶Ep：费米能级Ei：半导体在本征导电 情况下的费米能级Eis：表面费米能级,b）当金属栅极上施加负电压，VG0，这个电场将排斥电子而吸引空穴，也就是接近表面的电子能量增大，表面处能带向上弯曲。于是越接近界面，空穴的浓度越大，即多子空穴将积聚在界面上，所以这一表面层，叫做“积累层”。,c）当金属栅极上施加正电压，VG0，金属费米能级EFM相对半导体费米能级EFP下降eVG。这时靠近栅极下面的空穴立刻被正电场推向远离栅极的一边，表面处能带向下弯曲。在绝缘体SiO2和半导体的界面附近形成一个缺乏空穴电荷的“耗尽层”。,d）当MOS电容栅极上正电压进一步提高时，表面处能带相对于

3、体内将进一步向下弯曲。表面处的费米能级会高于中间能级Ei，这意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度，形成与原来p型半导体相反的一层（电子成为多数载流子），称为“反型层”。,如果外界不注入少子（电子）或不引入各种激发，则反型层中电子来源主要是耗尽区内热激发的电子空穴对。对于经过良好处理的半导体，这种激发过程是很慢的，约0.110s，称为热弛豫时间。热弛豫时间取决于CCD的结构及工艺条件。反型层的出现在SiO2和p型半导体之间建立了导电沟导。因为反型层电荷是负的，因此常称为n沟导CCD。,2.MOS电容的非平衡态特性在栅极加压后t0的瞬间，空穴将被从界面处推开，在界面处将形成耗尽层。但是将不会立即形成

4、反型层，因为热激发的电子空穴对的形成需要一定时间。加压后t0时，耗尽层的宽度最大，势阱最深，这时MOS电容最具有存贮电荷的能力。一旦出现电子就能进入势阱。,反型层电子出现后，耗尽区缩小，势阱变浅，存贮电荷的能力减小。当 t 大于热弛豫时间，不可能再存贮新的电荷。因此CCD要贮存有用的信号电荷（不论是输入的或光激发的），都要求信号电荷的存贮时间小于热激发电子的存储时间。CCD是一种非平衡态器件。,二、CCD的信号传输1.电荷耦合原理栅极上的电压越高，表面势越高，势阱越深；若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。若MOS电容紧密排列，控制栅极电压可以实现信号电荷的传输。,2.电荷传

5、输为了实现信号电荷的定向转移，在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电容为一单元的无限循环结构，每一单元称为一位，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称为相线。以三相二位n沟道CCD为例,3.电荷注入根据CCD的不同用途有两种不同的电荷注入：用作信息存贮或处理时，通过输入端注入与信号成正比的电荷；用作拍摄光学图像时，通过光电转换把照度分布转换成电荷分布注入到每一位的势阱中。,三、电荷耦合器件CCD的转移效率电荷转移效率是CCD性能好坏的一个重要参数。它表征在一个势阱中被转移了的电荷量与总电荷量之比。通常，直接用的不是转移效率，而是转移损失率，即q(t)：在t时

6、刻留在该电极下单位面积上的电荷量；q0：在零时刻注入到该电极下单位面积上的总电荷量电荷转移效率决定着信号电荷在没有被严重畸变和衰减以前所能转移的次数。例如，有一个CCD器件，原始注入的电荷量为q0，经多次转移后剩下的有效电荷量为qn，则根据转移效率的定义,计算例：若要求转移效率qnq090，则经过n次转移后的总损失率为0.1。设转移次数n990，则每次平均转移损失率为99.99。影响转移效率的因素主要有两个：电荷从一个势阱传输到下一个势阱需要一定的时间；对于表面沟道CCD而言，SiO2与硅界面态对电荷的捕获作用，即陷阱效应。,为了减小陷阱效应，所用的办法叫肥零技术。即设法不让势阱工作于空阱和充

7、满两种状态，而是随着电荷包的传递，人为地注入少量电荷，使势阱不空。这样使表面状态总能有电子填充。实现办法可用输入二极管注入（电注入）或用均匀背景光照射（光注入）。肥零技术能起到改善作用，但是不能全部补偿。肥零技术会给器件带来减小动态范围的后果，因而要求背景电荷通常不超过满阱电荷的1030。,四、电荷耦合CCD成像器件CCD成像器件有线阵和面阵两种。对面阵探测器来讲，目前可以做到10241024，20482048，甚至81766132像元的器件。,1、线阵列CCD成像器件,单沟道线型CCD 双沟道线阵CCD,转移次数多、效率低、调制传递函数MTF较差，只适用于像敏单元较少的成像器件。,转移次数少

8、一半，它的总转移效率大大提高，故一般高于256位的线阵CCD都为双沟道的。,2、面阵CCD,按一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成二维面阵 CCD。根据转移方式不同，面阵CCD通常有全帧转移、帧转移、行间转移等转移方式。,全帧转移CCD,利用CCD进行光电转换，同时将光电荷转移至水平移位寄存器内的CCD,光敏面积占总面积的比例很大。,全帧转移CCD,帧转移面阵CCD,帧转移面阵CCD的特点是结构简单，光敏单元的尺寸较小，模传递函数MTF较高，但光敏面积占总面积的比例小。转移速度较快。,帧转移面阵CCD,行间转移型CCD,它的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元

9、被遮光的读出寄存器及沟阻隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转移控制栅。每一像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器单元。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。,行间转移型CCD,红外焦平面器件：用硅做成的CCD成像器件在可见光及很近的红外波段能工作得非常好。然而对于大部分红外区域，硅几乎是透明的，在红外区必须发展相应的成像器件。但是，发展红外焦平面器件遇到一些特殊困难：1）红外背景辐射高，使得被观察的物体辐射与背景辐射的对比度非常低，要求探测器具有高度均匀性；2）为了贮存较强的背景辐射所产生的载流子，CCD就必须有足够的电荷存贮能力；3）红外探测器的阻抗必须很高，否则在与CCD耦合时会使注入效率下

10、降；4）红外材料往往禁带宽度小，热激发严重，热弛豫时间短，所以必须在高频下使用，这对转换效率和光敏面积分时间部存在不利影响；5）材料禁带宽度小，击穿电压也低。,根据红外焦平面器件信号电荷的读出及处理的不同分为混合式和单片式两种结构。混合式红外焦平面阵列器件是由红外探测器与硅CCD信息处理器二部分通过镶嵌技术与互连电路组合起来，其关键技术就在于探测器与CCD之间的镶嵌技术与互连电路。单片式焦平面阵列器件，通常选择具有合适光谱响应的本征红外探测器材料，如InSb、HgCdTe、PbSnTe等，在其上面作出光敏元及电荷读出结构。,五、电荷耦合CCD成像器件的性能参数1）分辨率CCD的分辨率与像素数、

11、每个像元的尺寸和像元之间的间距有关；当像素数一定时，转移损失率对空间分辨率的影响很大；若光生载流子产生在离耗尽层较远的地方时，产生横向扩散，引起像素之间相互干扰，造成空间分辨率降低。2）暗电流 暗电流主要由耗尽区的热激发载流子，以及Si和SiO2界面态的复合等原因造成，暗电流使势阱慢慢地被填满，减小了动态范围。尤其是暗电流在整个成像区不均匀时，使像面严重畸变。,3）灵敏度灵敏度主要由CCD器件响应度和各种噪声因素共同决定。由于CCD结构复杂，噪声源也较多，主要有:光子噪声;暗电流噪声;表面捕获噪声;“肥零”噪声;输出电路噪声等。,4）动态范围动态范围是指对于光照度有较大变化时，器件仍能线性响应

12、。它的上限是由电荷最大存贮容量决定，下限仍是噪声所限制。5）光谱响应CCD器件的光谱响应与所用材料有关。通常用Si材料制做的CCD，其光谱响应曲线与硅光电二极管相同。,六、微透镜技术,微型透镜技术的主要优点为：微透镜阵列覆盖CCD的全部表面，它能将入射的全部光线会聚在光电二极管(像素)上，这样，入射光将得到接近100的利用；使用微透镜技术可缩小光电二极管(像素)的尺寸，从而提高图像传感器的灵敏度；光电二极管(像素)的尺寸缩小了，噪声也随着降低了；光电二极管(像素)尺寸的缩小，结电容会减小，促使响应速度的提高；光电二极管(像素)的尺寸缩小，可以有更大空间用于布置电子元器件和传输沟道等，促使CCD

13、整体性能的提高。,七、电子倍增CCD（EMCCD）,采用具有雪崩放大功能的移位寄存器可实现102 103 数量级的电荷放大可实现单光子计数等效输出噪声小于一个电子,72 多元及多色探测器件,随着红外技术的发展，单元探测器满足不了红外系统提高作用距离、响应速度及扩大视场和简化光机扫描结构的要求，红外探测器必然由单元向多元方向发展。双色和多色探测器能同时对双波段和多波段的辐射信息进行处理，已在搜索、跟踪、制导系统等军事上和地球资源勘查、预警、测温和森林防火等方面得到广泛应用。,一、多色探测器多色探测器又称为多波段探测器，它是将两个以上光谱响应不同的探测器构成叠层结构或并列结构。在叠层结构中通常将短

14、波元件放在长波元件的上面，中间用透明的环氧树脂粘合，或采用同质结异质结的双层结构。,二、多元探测方式用多个光电探测器与光学系统组成探测头对目标进行探测的方式称为多元探测方式。与单元探测（系统只采用一个探测器）方式相比，它的特点是并行处理、快速。所用的多个探测器可以集成在同一芯片上，如四象限探测器、多色探测器等，也可以用多个分立探测器件。双元探测法是采用两个光电探测器与光学系统组成探测头，它的特点是结构简单。通常把两个探测器接成电桥方式或差动方式以自动减去背景光能作用下光电探测器输出的光电流。或者用两个光电探测器分别形成双通道、经后续电路适当处理以消除与目标信号无关的一些直流（不变的）光能量的影

15、响。,三、四象限探测器把四个性能完全相同的探测器按照直角坐标要求排列成四个象限做在同一芯片上，中间有十字形沟道隔开，即四象限探测器。四象限探测器象限之间的间隔称为“死区”，般要求“死区”作得很窄。若“死区”太宽，而入射光斑较小时，就无法判别光斑的位置；“死区”作得过分狭窄，可能引起信号之间的相互串扰，同时工艺上也不易达到，所以实际制作时，必须要兼顾这两个方面。,此外，四象限探侧器在实际工作时要求四个探测器分别配接四个前置放大器。由于四个探测器的响应特性（D*，Rv等）不可能作到绝对一致。为了正常工作，除尽量选择一致性好的器件外，要求配接的放大器要能起到补偿和均衡的作用。,激光射出的光束用倒置望

16、远系统进行扩束，射出接近平行的光束投向四象限管，形成一圆形亮斑。光电池AC、BD两两接成电桥，当光束准直时，亮斑中心与四象限管十字沟道中心重合，此时电桥输出信号为零。若亮斑沿上下左右有偏移时，两对电桥就相应于光斑偏离方向而输出X、Y的信号。哪个探测器被照亮斑的面积大，输出信号也大。这种准直仪可用于各种建筑施工场合作为测量基准线。,应用一：激光准直,应用二：目标二维方向定位被照射的目标对光脉冲发生漫反射，反射回来的光由光电接收系统接收。四象限探测器位置因略有离焦，于是接收到目标的像为一圆形光斑。当光学系统光轴对准目标时，圆形光斑中心与四象限管中心重合。四个器件因受照的光斑面积相同，输出相等的脉冲

17、电压。经过后面的处理电路以后，没有误差信号输出。,当目标相对光轴在x、y方向有任何偏移时，目标像的圆形光斑的位置就在四象限管上相应地有偏移，四个探测器因受照光斑面积不同而得到不同的光能量，从而输出脉冲电压的幅度也不同。四象限探测器可作为二维方向上目标的方位定向，用于军事目标的探测或工业中的定向探测。,73 光机扫描探测技术,用一个或多个探测器作接收器，用光学系统或光学零件作机械扫描运动，按照一定方式对目标进行顺序分解和瞬间取样，最终获取所需的目标信息，这种方式称为光机扫描成像。这种成像方式的主要特点是可获取较大的视场范围和动态范围，但是扫描速度较慢。利用单元探测器，采用光学机械的方法使探测器的

18、瞬时视场沿整个物面进行扫描，这种利用机械传动光学元件扫描的方法叫做光学机械扫描探测，简称光机扫描探测。,1.物扫描方式所谓物扫描是指行扫部件与帧扫部件均在物方对平行光束进行扫描由旋转反射镜鼓对入射平行光束作行扫，再由摆动平面反射镜对镜鼓出射平行光束作帧扫的组合方式。决定此种结构基本尺寸大小的主要因素是光束宽度D和视场角。,2.伪物扫描方式所谓伪物扫描是在物扫描机构之前加装一套前置望远镜组合而成的系统，如图示。对前置望远镜，有扫描系统小型化提高扫描速度结构较复杂像差校正难度大,3.折射棱镜帧扫描、反射镜鼓行扫描方式折射棱镜的扫描效率高于摆镜的扫描效率，所以这种方案的总扫描效率比前述两种方案有所提高。但由于棱镜引入像差，则对像差校正增加了系统设计的困难。,4.双折射棱镜扫描方式帧扫描与行扫描分别各采用一个折射棱镜作为扫描器。光束经第一棱镜（帧扫）折射后很靠近光轴，因此第二棱镜（行扫）做得很窄，减轻了重量，这有利于高速扫描。但这种系统的像差修正难度相当大，光学部件的加工工艺要求也很高。很典型的产品如瑞典AGA公司的AGA-780、AGA-782热像仪均是采用这种扫描方式。,小 结,小 结,