《光电成像》PPT课件.ppt

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1、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。,第四章 光电成像器件,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 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),4.1 像管的工作原理与结构,一、像管的种类,变像管(把不可见

2、光（红外、紫外、X射 像管 线）图像变成可见光图像的真(无扫描)空光电管)图像增强器（微光管）(把极微弱的光学图像变为人眼 可直接观察图像的真空光电管)直接显示型图像的显示与前几章的光电器件的区别在于对光强的探测是二维的。,真空成像器件,二、像管结构和工作原理：光电变换部分电子光学部分电光变换部分,光电变换部分，即光电阴极，利用外光电效应。光敏面采用光电发射型材料。发射的电子流分布正比于入射的辐射通量分布，使不可见的或亮度很低的辐射图像，转换成光电子发射图像。常用光电阴极有：银氧铯光电阴极单碱和多碱光电阴极紫外光电阴极负电子亲和势光电阴极：灵敏度高、响应波长范围宽,电子光学部分，即电子透镜，它

3、可以使光电阴极发射出来的光电子图象在保持相对分布不变的情况下，进行加速并聚焦成像在荧光屏上。困难：使各物点所发射的电子完全落在对应的各像点上。非聚焦型（近贴式像管）静电系统 静电聚焦型 聚焦型 电磁聚焦型,1、非聚焦型像管（近贴型）由光电阴极和荧光屏构成，两者平行且距离很近光电子在电场的作用下以抛物线轨迹向荧光屏投射。由于均匀电场只有加速投射作用，没有聚焦成像作用，所以从光电阴极一点发出的不同初速的电子，不能在荧光屏上形成点像，而是一个弥散圆斑，分辨率较低。,2、静电聚焦型像管几个圆筒形的电极可形成对光电子聚焦和加速的电场，使电子在荧光屏上呈倒立的象。当各电极电压之比保持不变时，电子轨迹也基本

4、不变，因此，各电极电压多用电阻链分压的办法供给。,静电聚焦型象管结构示意图,3、电磁聚焦型像管特点：若光电子有偏离于管轴的速度分量，磁场会使它呈螺旋状前进。电子每旋一圈所需的时间与初速度无关，不管起初是沿什么方向发射，最终都可以被会聚于一点。,电磁聚焦型象管结构示意图,分辨率高，但体积和重量大，使用不方便。,电光变换部分，即荧光屏，它可以使电子图象变成可见光图像高能电子轰击荧光屏，发出可见光。荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激 发光。不同用途的像管，荧光体的种类不同，荧光颜色也不同，为避免光反馈和增加荧光面的光输出，蒸镀铝膜。,4.1.1 变像管,1、红外变像管红外辐射图像被光学物镜成像后位于光

5、电阴极的前方，该辐射图像相当于对光电阴极有一辐射通量，光电阴极将其变成与其亮度成正比的电子图像，经静电聚焦后轰击荧光屏，在转成光学图像。,真空成像器件,红外变像管的应用,2、光纤面板变像管成像器件讲究像质。光阴极面积一般较大，是一种宽电子束聚焦的电子光学系统，所以象散和场曲比较严重，特别在光阴极是平面的情况，通常要求光电阴极是球面。光阴极是球面，而一般输入的光学图像是平面。,利用光学纤维面板可以使像散和场曲减到最小。,光纤面板由直径为几微米的细玻璃丝紧密排列后熔压成块，然后切割、磨制、抛光，一端磨成平面，另一端磨成曲面。图像入射到光纤面板平面端,由于光纤能将一端输入的光基本无损失地传到另一端,

6、所以每根光纤传输图像的一个像元到光阴极曲面的相应点,激发出光电子束,经聚焦和加速后,轰击曲面荧光屏,发出的可见光图像再经每一根光纤传输到光纤面板的平面端。光纤越细，光纤面板的图像分辨率越高。,将光电阴极及荧光屏连同光纤面板一起制成球面型，使聚焦面与荧光屏重合，从而改善了像质。荧光屏上的像借助于平凹形的光纤平板展开成平面像。,3、紫外变像管紫外变像管的窗口材料为石英玻璃，光电发射材料为Sb-Cs阴极。它可以使波长大于200nm的紫外光变成光电子。紫外变象管与光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学等方面的研究。,4.1.2 像增强器,像增强器利用了像管功能中增强亮度、光学成像两个功能。像增强器与变

7、像管的异同点一、第一代微光像增强器结构示意如下图：注意：级间耦合和光谱匹配,真空成像器件,二、第二代微光像增强器 微通道板像增强器1、微通道板的原理和特性：通道电子倍增器：微通道板MCP(Micro Channel Plate)是利用电子在通道内的二次倍增来实现增强亮度的。,2、微通道板像增强器（1）近贴式MCP像增强器 近贴式MCP像增强器又称为平面型或薄片型像增强器。它是把MCP平行放置在光电阴极和荧光屏之间，三者相互靠得很近，故称双近贴式。这种结构的优缺点是：体积小，重量轻；但分辨率和像质差。,(2)倒像式MCP像增强器（静电聚焦式MCP像增器）结构：在单级第一代像增强器中，加上一块微通

8、道板MCP，MCP与光电阴极之间是静电透镜，与荧光屏之间是近贴均匀场。这种结构的优缺点是：分辨率高，像质好；但噪声较大。静电聚焦式MCP像增器,三、第三代像增强器 负电子亲和势像增强器第二代像增强器+负电子亲和势光电阴极=第三代像增强器同时起到光谱变换和微光增强的作用优点：在可见光和近红外区都有较高的灵敏度和量子效率,四、X射线像增强器实质是一种变像管，将不可见的X射线图像转换成可见光图像，并使图像亮度增强。结构：输入转换屏、光电阴极、电子光学系统和输出荧光屏。常用于医疗诊断和工业探伤等。,4.2 摄像管,一、摄像管 摄制图像、存贮和处理，即将按空间光强分布的光学图像转变成适于处理和传递的时间

9、序列的一维电信号(视频信号)。像管和摄像管的区别：二、摄像管的分类（按光电变换的形式）：,真空成像器件,1.外光电变换型（光电发射型）微光摄像 包括 二次电子摄像管 硅靶摄像管 特点：增益和灵敏度高2.内光电变换型（光电导型）视像管 按光电导靶结构分为 光电导（注入）型：硫化锑管 PN结（阻挡）型：氧化铅管、硅靶管、异质结管 特点：结构简单、体积小、使用方便,光电发射型 光电导型,三、摄像管的结构和工作原理从原理角度对摄像管的一般要求:图像传送方式任何一幅图像可以分割成许多小像点(像素或像元)。像素越小，单位面积上的像素数目越多，图像就越清晰。把像点的平均亮度作为像素的图像信息，然后经过光电转

10、换元件变为电信号，再经过传送出来。,一幅图像约分成四十多万个像素，显然不可能用四十多万条信道同时传送。实际上是把图像上各个像素的信息按一定顺序转变成电信号，并依次传送出去。这样就可以把图像随空间、时间的变化转换成电信号随时间的变化。在电视中利用电子束扫描过程，将图像亮度的空间分布转换为按时间顺序传送的电信号。行扫描水平扫描，场扫描垂直扫描。,在我国电视制式中，一幅图像分成625行，每秒传送25幅图像，即帧频为25Hz，一帧分成两场，采用隔行扫描的方式，第一场传送奇数行，第二场传送偶数行，场频50Hz。帧频与场频：电影画面重复频率不得低于每秒48次。电影采用每秒投影24幅画面，两幅之间用遮光伐挡

11、一次。电视场采用隔行扫描，奇数场/偶数场，两场合为一帧。即场频50Hz，帧频25Hz。PAL制式，每帧画面625行，行正程52us，行逆程12us。NTSC制式60Hz.,从原理角度对摄像管的基本要求:要能将图像按空间位置顺序划分成像素，并作光电转换；像素元素要多，尺寸要小（m）；信息的转换和传输速度要快；要有高灵敏度和宽的动态范围；可靠、方便。,摄像管的基本功能：光电变换光电信息存储(以电荷的形式存储而呈现电位差）信号阅读部分扫描输出技术难点：像元探测器的制作（数量多、尺寸小）连线扫描（快速顺序接通）,具体分为以下四个过程：光学图像转变成电荷（电位）图像；对电荷图像进行存贮和积累；对电信号进

12、行放大和增强；对存贮电荷图像的各个像素进行顺序扫描，输出与输入信息成比例的一维电信号。,4.2.1 光电导型摄像管（视象管）视象管的结构：光电导靶和电子束扫描 区构成,真空成像器件,各部分的作用：（）光电导靶：利用光电导效应将光学图像转化成电位图像;完成光电变换和光电信息的积累和储存;,原理：当光学图像投射到光电导靶上时,因各像素照度不同,则导致电导率的差异,从而在靶上产生电势的起伏(电位图像)。随着光的连续入射，靶上的电势也随之积累，然后通过电子扫描（相当于开关换接作用），产生视频信号输出。,（）信号阅读部分：从靶面取出信号的任务是由阅读部分来完成的。阅读部分包括电子束发射系统（电子枪）和电

13、子束聚焦扫描系统。电子枪产生热电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面。电子束的产生：热阴极发射出来的电子在阳极膜孔处会聚并通过阳极膜孔后再发散开来。电子束的聚焦：阳极膜孔发散出来的电子束在靶面上会聚成一点，有电聚焦和磁聚焦两种方式。,电子束的偏转：电子束能够扫描到靶上任何一处，充分阅读每一个像素信息。电子束垂直上靶：当电子束上靶与靶面上积累的正电荷中和后才能使其转变成视频信号输出，那么电子束能否上靶，不仅与电子的速度大小有关，而且与其速度的方向有关。由靶网和调制电极附近的校正线圈来完成。利用扫描电子束，解决了多像元的连线和顺序接通问题。扫描电子束的焦斑即是像元的大小1525

14、m。,几点说明：电荷存储：把一帧时间间隔内的光信息变为电荷信息存储起来。是摄像器件成为实用器件的重要理论依据，提高了灵敏度。若用电子束直接扫描光电阴极，灵敏度低，因为光电阴极无光积分能力。慢电子扫描：指扫描电子束中的电子上靶时速度很慢，而不是指扫描速度很慢。因为当上靶的速度很大时，会使扫描面产生二次电子发射，会造成扫描面带正电，致使二次电子返回靶面，落在相邻的像素上，使电势起伏降低，输出信号减弱，显示有阴影。,.几种常见的视象管：硅靶管当电子束扫描时PN结反偏置，有光照时光生电子通过信号板入地，光生空穴积累到P型岛。如果光照是均匀的，靶的扫描面电位只是均匀地升高。如果光照不均匀，是一幅光学图象

15、，则扫描面上各P型岛的电势分布，将正比于入射光学图象的亮度分布。,扫描电子束具有地的电位,是大量微小光电二极管的列阵。用极薄的N型硅片的一面经抛光、氧化而形成一层绝缘良好的SiO2膜，用光刻技术在膜上刻出一个个圆孔，通过窗孔将硼扩散入硅基片，于是就形成一个个P型岛。每一个P型岛与N型基片构成一个PN结光电二极管，而每个光电二极管被SiO2膜隔开，形成一个单独的像素。这样N型硅片的一面为N+层，而另一面则为P型岛阵列，构成硅靶。优点：不易损坏、寿命长、灵敏度高，对近红外 敏感、惰性小。缺点：靶面有斑点疵病（材料的缺陷、工艺 等）、分辨率不高，暗电流大。,氧化铅靶摄象管 结构和工作过程与硅靶类似。

16、,具有PIN光电二极管结构。工作时N层与靶压正极相连，光电二极管处于反向偏置，靶压几乎全加在耗尽层（I）上，在耗尽层内形成很强的电场。当耗尽层内出现光生载流子时，在强电场作用下它们几乎全部参与导电，所以提高了光电转换效率。另一方面，由于处于反偏，使其暗电流明显下降。优点：灵敏度高，暗电流小，光电特性近似线 性，惰性小。缺点：材料和工艺异常复杂。,异质结靶摄像管,分辨率高，暗电流小，量子效率高,光谱响应宽，动态范围大，信号电流大，暗电流 小，分辨率高，惰 性小,灵敏度比硅靶高，晕光现象小，工艺简单，成本便宜,光电发射型摄像管：二次电子导电摄象管（SEC）SEC管是60年代初出现的一种高灵敏度摄象

17、管，适于微光摄象。,真空成像器件,结构：光电阴极、移像区、存储靶、电子束扫描,光电阴极：与真空光电管和PMT所用材料相同，决定了管子的光谱响应特性。移像区（加速电场）：把图像的光电转换和信号存储分开，目的在于增强光电子能量，从而在靶上产生更多的电荷，以获得增益，提高灵敏度。,二次电子传导靶：光照下发射电子采用低密度的次级电子发射性能良好的材料组成。低密度（1-2%）纤维结构中98-99%的空间是真空，次级电子逸出的较大。,低密层的工作原理：低能电子束扫描低密度层，使表面为阴极电位，这样在低密度层中建立了电场。入射的光电子以610K的能量轰击靶面，在透过支撑层和信号板时将损失2Kev能量，其余的

18、能量用以激发KCl中的电子。,设入射的光电子电荷为qp，在光电子激发下释放出的自由二次电子电荷为qn，其中qs电荷被信号板所收集，有qr电荷将在到达信号板前与发射的二次电子所产生的正电荷中心相复合。所以到达信号板的总电荷qs=qn-qr。到达信号板的电子将引起靶的局部放电，所以当移像部分把光图像成像于靶上时，在KCl层的右侧留下与之对应的正电荷图像。,因为KCl膜的电阻率很高，正离子的迁移速度很小，所以图像可以维持很长时间，直到扫描电子束将其抹平，使之恢复阴极电位，同时产生的信号电流由信号板输出，在负载电阻上产生视频电压信号。总结：二次电子在靶电场作用下流向信号板，而在靶上留下一个正电荷图像，

19、被扫描时经电子束补充恢复到阴极电位，而在外电路产生脉冲电流，形成图像的视频信号。,信号读出方式：直接读出方式：电子束直接上靶而取得信号。返束读取方式：电子束接触到靶面时，对于电势高的像素，上靶的电子多，返回的电子少，这样返回的电子就荷载了图像信息。散射电子束读取方式：散射电流的大小与像素电势高低成正比。,硅增强靶摄象管（SIT）像增强器+普通硅靶=增强型硅靶,摄像管的发展方向 在今后一段时间内，摄像器件主要朝着高灵敏、高分辨率、低功耗、低成本和小型化方向发展。要实现上述功能，采用CMOS工艺是关键。,固体成像器件：CCD（电荷耦合器件）、SSPD（自扫描光电二极管列阵）、CMOS（互补性金属氧

20、化物半导体元件）CCD有面阵和线阵之分：面阵是把CCD像素排成1个平面的器件；线阵是把CCD像素排成1直线的器件。,4.3 固体成像器件,4.3.1 电荷耦合器件,Charge-Coupled Devices(CCD)，是一种金属-氧化物-半导体结构（MOS结构），1970年由贝尔实验室首先研制出来。它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，然后通过A/D转换器芯片将电信号转换成数字信号，数字信号经过压缩处理经USB接口传到电脑上就形成所采集的图像。CCD器件的突出特点就是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件(以电流或电压作为信号)。,金属-氧化物-半导体结构(MOS结构)CC

21、D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，,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1000A1500A的SiO2，再在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅或金属)，在衬底和金属电极间加上1个偏置电压，就构成1个MOS电容器。,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。,电荷耦合原理电荷存储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，

22、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。,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

23、。如图（b）。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。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

24、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。光生电荷存储的CCDCID CID构成的摄像机ICCD,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

25、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,（a）初始状态；(b)电荷由电极向电极转移；(c)电荷在、电极下均匀分布；(d)电荷继续由电极向电极转移；(e)电荷完全转移到电极；(f)3相交叠

26、脉冲。,假设电荷最初存储在电极(加有10V电压)下面的势阱中，如图(a)所示，加在CCD所有电极上的电压，通常都要保持在高于某一临界值电压Vth，Vth称为CCD阈值电压，设Vth=2V。所以每个电极下面都有一定深度的势阱。显然，电极下面的势阱最深。如果逐渐将电极的电压由2V增加到10V，这时，、两个电极下面的势阱具有同样的深度，并合并在一起，原先存储在电极下面的电荷就要在两个电极下面均匀分布，如图(b)和(c)所示。然后再逐渐将电极下面的电压降到2V，使其势阱深度降低，如图中(d)和(e)所示，这时电荷全部转移到电极下面的势阱中，此过程就是电荷从电极到电极的转移过程。如果电极有许多个，可将其

27、电极按照1、4、7，2、5、8和3、6、9的顺序分别连在一起，加上一定时序的驱动脉冲，如图(f)所示，即可完成电荷从左向右转移的过程。用3相时钟驱动的CCD称为3相CCD。,为了更好地传输电荷，要求耗尽层交叠，使邻近电极的表面电势光滑地过渡，为此要求电极紧密地排列，一般铝电极之间的间隙约为2.5m，给制造工艺带来困难，容易产生电极短路。以上是单层金属化电极结构。目前均采用三相多晶硅交叠栅结构，通过光刻、热氧化、沉积，电极间隙只是氧化层的厚度，只有几百毫 m。二相CCD的电荷转移,总结：P沟道型CCD原理,金属-氧化物-半导体结构（MOS)在外加电场作用下，半导体中空穴被推离界面，形成表面势井；

28、光照产生的电子填充势井，使势井变浅。势井变化率与光生载流子成正比。势井中的电子在交替变化的电位作用下耦合到下一个势井中，顺序移出。,电荷耦合器件的组成及其工作原理CCD器件主要由3部分组成:信号输入部分电荷转移部分信号输出部分信号输入部分作用：将信号电荷引入到CCD的第一个转移 栅下的势阱中。方法：电注入、光注入,电注入：通过输入二极管和输入栅注入与信号成正比的电荷。即：给输入栅施加适当的电压，在其下面半导体表面形成一个耗尽层。这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施加更高的电压，则在它下面形成一个更深的耗尽层，受输入信号调制的电荷包就会从输入二极管经过深耗尽层流入第一转移栅下的势阱中，完成输入过程

29、。场效应管输入、注入二极管输入、电势平衡法输入。是CCD器件不可缺少的电路。,光注入：摄像器件采取的唯一注入方法。光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收产生电子-空穴对，多数载流子进入耗尽层底部，通过接地消失，少数载流子被收集到势阱中成为信号电荷。当输入栅开启后，第一个转移栅上加以时钟电压时，这些代表光信号的少数载流子就会进入到转移栅下的势阱中，完成光注入过程。,信号转移部分原理：电荷总是要向最小位能方向移动。只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断向前运动。三相时钟两相时钟,信号输出部分作用:将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号 电荷引出。方法：电流输出：最简单的输出电路，通过二

30、极管检出，二极管处于反向偏置，产生一个尖峰脉冲。电路简单,但噪声较大。,浮置扩散放大器（FDA）输出：也称电压输出，抗噪性能比电流输出好。以上两种直接与信号电荷的转移沟道相连接，均为破坏性的一次性读出。浮置栅极放大器输出：非破坏性读出方式。当信号电荷传输到浮置栅下面的沟道时，在浮置栅上感应为镜象电荷，以控制栅极电位，达到信号的检测与放大的目的。栅极电容较小，可以得到比较大的输出信号。输出电路和输入电路决定了器件的信噪比和动态范围。,4.3.2 电荷耦合器件的分类,CCD按结构分为两大类：线阵和面阵线阵CCD 只摄取一行图像信息，适用于运动物体的摄像，可以做传真、遥感、文字或图像信息的判别、工件

31、尺寸的自动检测等。,最简单的线阵CCD,由于传输过程中继续光照而产生电荷，使信号电荷发生重叠，在显示器中出现模糊现象。所以CCD摄像器件中有必要把摄像区和传输区（移位寄存器）互相分开，并且在时间上保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间小于摄像时间。,单排结构CCD,在光积分期间，摄像区光敏元件处于深势阱状态，使光信号积累，当积分周期完成后，给转移栅加一脉冲电压，抬高积分区电子的势能，使积分区积累的电荷包迅速地转移到和它平行设置的CCD中去，然后由后者把电荷包顺序地转移到输出端变为视频信号。,注意：为使电荷包在转移期 间不产生寄生光积 分，担任传输作用的 CCD要采用没有光敏 效应的器件。只适用

32、于光敏单元较少的摄像器件。,双排结构CCD,把光积分区相间地分成两个部分，两列移位寄存器分别在光敏区的两边。当转移栅开启时，其奇、偶光敏单元势阱内所积累的信号电荷分别移入两列移位寄存器中，然后串行输出，最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。,双排结构比单排结构的转移次数少了一半，因此大大提高了传输效率，一般在大于256位的一维CCD中采用。,面阵CCD 同时摄取一帧图像，适用于电视摄像。按照光敏区和暂存区的不同排列，二维CCD可分为两种结构：帧传输型（FTCCD）Full-Transfer CCD,由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。

33、其优点是结构较简单并容易增加像素数，缺点是CCD尺寸较大，易产生垂直拖影。,行间转移型(ILTCCD)Interline-transfer CCD,行间转移性CCD是目前CCD的主流产品，它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特点是在1个单片上，价格低，并容易获得良好的摄影特性。,结构类似于单通道线阵CCID，只是所有转移栅连在一起构成垂直移位寄存器，又增加了水平移位寄存器。,光积分期间，光生电荷存储在光敏元的势阱中，此时转移栅是低电位，将光敏元与读出器隔离。当光积分结束时，转移栅电位变高，其下出现势阱，并与读出器中处于高电位的元的势阱相连，电荷就流入该读出元。然后转移栅电位又变低，光敏元开

34、始下一次积分，读出器将信息输往水平读出器。各列读出器输出一个元的电荷包信息，水平读出器经放大输出一行信息。,3.帧行间转移性CCD是第一种和第二种的复合型，结构复杂，但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门等优点。,4.3.3 CCD摄像机分类,按接收光谱分，CCD摄像机可分为可见光CCD、红外CCD、X射线CCD和紫外光CCD。可见光CCD 可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD。,“微光”指夜间或低照度下微弱的、甚至能量低到不能引起人视觉的光。微光摄影技术的实质是在物镜与目镜（或显示器）之间放置一个微光像增强器。通过能量转换和信号处理后，在输出端变成具有适当亮度、对比度和清晰度的可

35、见的目标图像。,红外CCD（IRCCD）用红外探测器列阵代替可见光CCD的光敏元部分，就构成焦平面红外阵列（IRCCD）。根据敏感材料的不同，常用的红外焦平面阵列有：PbS和PbSe阵列、PtSi阵列、InSb阵列、HgCdTe阵列、GaAs/AlGaAs阵列、掺杂硅阵列和热释电探测器阵列等。,X射线CCDCCD对X射线的感光度比X射线胶片要高200-1000倍；两类直接用微光CCD像机摄取X射线图像用转换材料，即在每个光敏元上装上带隔离层的碘化铯晶体，它是一种能把X射线转换成可见光的高效转换材料，由于X射线不会直接照射到光敏元阵列上，因而可以延长器件使用寿命。,紫外CCD困难：正面CCD较厚

36、的栅氧化层（50-100m）强烈吸收紫外辐射，使直接探测效率极低。办法：减薄背照CCD来探测，但减薄后的硅表面会形成天然的氧化层，影响性能。措施：1、“背堆积”技术减小界面态作用；2、涂覆荧光物质，把紫外光转换成 可见光。发展：进展缓慢，还在开发之中。,4.4 CMOS,互补性氧化金属半导体 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor)CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带电）和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像CMOS影像传感器的优点：电源消耗量比CCD低，

37、仅为CCD的1/8到1/10；与周边电路的整合性高，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator或DSP等)集成到传感器芯片中，使体积大幅缩小；采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，还可以节省外围芯片的成本；,CMOS影像传感器唯一的缺点：良品率低。CMOS感光原件通常被用于单反数码相机。而那些制作工艺差的CMOS感光原件则被用于廉价DC和摄像头等设备。可以说CMOS感光原件占领着高端和低端数码相机，而CCD则是中端的代表，因此中端DC普遍采用CCD感光原件。CCD在影像品质等方面均优于CMOS，而CMOS则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD

38、与CMOS传感器技术的进步，两者的差异将逐渐减小，新一代的CCD传感器一直在功耗上作改进，而CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足。相信不断改进的CCD与CMOS传感器将为我们带来更加美好的数码影像世界。,成像器件要求,掌握光电成像器件的类型。掌握光学图像的本质。掌握像管(变像管和图像增强器)的结构与工作原理。掌握对摄像器件的基本要求。掌握光电导型摄像管(视像管)的结构和工作过程。掌握光电发射型(SEC)摄像管的结构和工作原理，比较与光电导型摄像管的不同之处。,掌握CCD的基本原理（电荷存储、电荷转移）。掌握CCD摄像器件的结构和特点。熟悉CCD器件的分类。了解CCD器件的发展状况。,