第6章-光电成像系统 PPT课件
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光电成像物理基础 光电成像课件
光电成像原理 12
复合模型
0 .5
M T F e y ef M K 1T 2 s 1 P I 1 F 0 f2 1 2 X 1 e 2 N fe 2 M o p tf
其中， Ff11expf2 f0 2
Mopt f exp 22e2 f 2 e 02 Csphd3 2
光电成像原理 13
图像探测理论与图像探测方程
图像信号与图像噪声
— 图像是以辐射量子数分布再现的景物。辐射量 子数差异表示图像的亮暗，构成图像信号。
设光电成像系统接收到来自景物两个相邻像元的辐射
量子数分别为 n 1 和 n 2
图像信号
S n1 n2
Байду номын сангаас图像噪声
N n1 n2
光电成像原理 14
图像信噪比
光电成像物理基础
人眼视觉及图像探测 光学系统成像模型 光电探测物理效应
光电成像原理 1
光电成像原理
光电成像原理
人眼的视觉特性
— 视觉适应、灵敏度、分辨力与调制传递函数等
一、人眼的视觉适应与光谱响应
➢ 人眼观察的视场亮度范围
1 0 5 c d/m 2~ 1 0 4 c d/m 2
➢ 当视场亮度发生突变时，人眼要稳定到突变后的正常视 觉状态需要经历一定时间，这种特性称为适应。分为明 暗适应和色彩适应。
➢ 方程取“=”时，代表图像探测的临界情况，表明了理 想光电成像系统的极限探测灵敏阈。
图像探测灵敏阈
——选定光电成像系统的接收孔径、量子效率、 有效积分时间，用可探测图像细节的最小张角(分 辨力)与最低辐射亮度关系曲线，表示光电成像系 统的图像探测特性。
光电成像原理 18
光电成像原理 19
➢ 图中斜线上标注的数字是图像对比度 ➢ 斜线表示了理想的光电成像系统的图像探测极限，斜线
复合模型
0 .5
M T F e y ef M K 1T 2 s 1 P I 1 F 0 f2 1 2 X 1 e 2 N fe 2 M o p tf
其中， Ff11expf2 f0 2
Mopt f exp 22e2 f 2 e 02 Csphd3 2
光电成像原理 13
图像探测理论与图像探测方程
图像信号与图像噪声
— 图像是以辐射量子数分布再现的景物。辐射量 子数差异表示图像的亮暗，构成图像信号。
设光电成像系统接收到来自景物两个相邻像元的辐射
量子数分别为 n 1 和 n 2
图像信号
S n1 n2
Байду номын сангаас图像噪声
N n1 n2
光电成像原理 14
图像信噪比
光电成像物理基础
人眼视觉及图像探测 光学系统成像模型 光电探测物理效应
光电成像原理 1
光电成像原理
光电成像原理
人眼的视觉特性
— 视觉适应、灵敏度、分辨力与调制传递函数等
一、人眼的视觉适应与光谱响应
➢ 人眼观察的视场亮度范围
1 0 5 c d/m 2~ 1 0 4 c d/m 2
➢ 当视场亮度发生突变时，人眼要稳定到突变后的正常视 觉状态需要经历一定时间，这种特性称为适应。分为明 暗适应和色彩适应。
➢ 方程取“=”时，代表图像探测的临界情况，表明了理 想光电成像系统的极限探测灵敏阈。
图像探测灵敏阈
——选定光电成像系统的接收孔径、量子效率、 有效积分时间，用可探测图像细节的最小张角(分 辨力)与最低辐射亮度关系曲线，表示光电成像系 统的图像探测特性。
光电成像原理 18
光电成像原理 19
➢ 图中斜线上标注的数字是图像对比度 ➢ 斜线表示了理想的光电成像系统的图像探测极限，斜线
光电成像系统原理26页PPT
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
光电成像系统 - 20161124
2.1 电荷耦合摄像器件
• •
•
CCD（Charge Coupled Device）,是70 30多年来， CCD技术已广泛的应用于
其中，CCD技术在影像传感中的应用最为广
年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。 信号处理、数字存储及影像传感等领域。
泛，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、
最富有成果的领域之一。
目前，前两种用得较多，我们这里主要分析
CCD一种。
2 固体摄像器件分类及性能
CCD图像传感器的优势
CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为 广泛应用图像传感器的新时代。
具有固体器件所有 优点；自扫描输出 方式消除了电子束 扫描造成的图像光 电转换的非线性失 真，体积、重量、 功耗和制造成本是 电子束摄像管无法 达到的。
（1）当向栅极施加一定较小的正向电压时， P型硅中的空穴被排斥，产生耗尽区。
（2）当栅极的正向电压大于半导体的域值电压时，
半导体与绝缘体界面上的电势变高，以致于将 半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成 有一定宽度的可存储电子的势阱。
2.1 电荷耦合摄像器件
3、电荷转移
通过按照一定的时序在电极上施加高低电压，使 电荷在相邻的势阱间进行转移。 通常把CCD的电极分为几组，每一组称为一相， 并施加同样的时钟脉冲。 按相数可分为：二相CCD、三相CCD、四相CCD 等。
1 光电成像概述
三、光电成像系统基本组成的框图
光源 光 信 号 传输介质 背 景 噪 声 光 信 号 光学系统 (信号分析器) 背 景 噪 声 光 信 号 光电摄像器件 (信号变换器) 噪 声 信 号 显示器 噪 声 信 号 人眼
物体 (信号源)
其中光电摄（成）像器件是光电成像系 统的核心。
光电成像技术第六章直视型光电成像系统与
曼金折反射镜。
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1 夜视成像物镜
包沃斯-卡塞格伦系统
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1 夜视成像物镜
·包沃斯-卡塞格伦系统：
由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜和校 正透镜中间，接收器造成中心挡光，为此 开展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正 透镜的中心局部镀上铝或银等反射层作次 镜用，将焦点引到主反射镜之外。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
2.
红外滤光片是一种光学滤波器，主要滤除光源 辐射中的可见光成分。对红外滤光片的根本要求 是： 在红外波段光能损失应尽可能地小，而对其 他波段的辐射应尽量全部吸收或反射；光谱透射 比与光阴极光谱灵敏度曲线红外局部相匹配；热 稳定性好，防潮性和机械性能好，耐光源工作时
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1 夜视成像物镜
· 格里高里系统：
由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜 位于主镜焦距之外，椭球面的一个焦 点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦 点为整个系统的焦点。系统对无穷远 轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的
主镜和次镜都采用球面镜，而用参加
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施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
3.
(1)
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根
据热辐射原理制成，用电流加热灯丝使之到达
白炽而发光。白炽灯工作在白热状态，要求灯
丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光
(单位为lm/W)。充气白炽灯比
真空白炽灯有更高的工作温度和发光效率，但
也只有10～20 lm/W，在～的近红外辐射光谱
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1 夜视成像物镜
包沃斯-卡塞格伦系统
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1 夜视成像物镜
·包沃斯-卡塞格伦系统：
由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜和校 正透镜中间，接收器造成中心挡光，为此 开展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正 透镜的中心局部镀上铝或银等反射层作次 镜用，将焦点引到主反射镜之外。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
2.
红外滤光片是一种光学滤波器，主要滤除光源 辐射中的可见光成分。对红外滤光片的根本要求 是： 在红外波段光能损失应尽可能地小，而对其 他波段的辐射应尽量全部吸收或反射；光谱透射 比与光阴极光谱灵敏度曲线红外局部相匹配；热 稳定性好，防潮性和机械性能好，耐光源工作时
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1 夜视成像物镜
· 格里高里系统：
由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜 位于主镜焦距之外，椭球面的一个焦 点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦 点为整个系统的焦点。系统对无穷远 轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的
主镜和次镜都采用球面镜，而用参加
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施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
3.
(1)
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根
据热辐射原理制成，用电流加热灯丝使之到达
白炽而发光。白炽灯工作在白热状态，要求灯
丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光
(单位为lm/W)。充气白炽灯比
真空白炽灯有更高的工作温度和发光效率，但
也只有10～20 lm/W，在～的近红外辐射光谱
光电成像系统原理
例
三相电极结构及电荷转移
1 1 2 2 33
一级 二级
1
2
3
4
5
6 P—Si t＝t1
三相电极结构
1
t＝t2
2 3
o t1 t2 t3 t4 (a ) 脉冲波形 t
(b )
t＝t3
t＝t4
电荷转移
表面沟道器件的特点： 工艺简单，动态范围大，但信号电荷的转 移受表面态的影响，转移速度和转移效率底，
光电成（摄）像系统的核心——光电成（摄） 像器件
例1：电视摄像管
例2：像素
3 固体摄像器件
固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空 间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为
按时序串行输出的电信号—— 视频信号。其视频信号
能再现入射的光辐射图像。 固体摄像器件分类 电荷耦合器件（Charge Coupled Device—CCD） 自扫描光电二极管阵列（MOS）
光电成像原理
§0
光电成像概述
可见光光电成像系统
一、光电成像系统的分类
光电成像系统 (按对应的光 波长范围)
紫外光光电成像系统 红外光光电成像系统 X光光电成像系统
二、光电成像系统基本组成的框图
光源 光 光 光 信 信 信 信 信 号 号 号 号 光学系统 号 光电摄像器 件 物体 质 器) 显示器 人眼 (信 号 源 ) 传输介 (信 号 分析 器) (信号变换 背 噪 噪 背 声 声 景 景 噪 噪 声 声
工作频率一般在10MHz以下。
体内沟道（或埋沟CCD） BCCD（Bulk or Buried ChannelCCD） 用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势 能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的 转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件 的转移效率高达99.999％以上，工作频率可高达 100MHz，且能做成大规模器件.
光电成像系统讲解
同电子束摄像管相比，优点：
① 全固体化、体积小、重量轻、工作电压和功耗都 很低，耐冲击性好、可靠性高、寿命长； ②基本不保留残像（电子束摄像管有15%-20%的残 像），无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰； ③红外敏感性。 SSPD 光谱响应范围： 0.25-1.1um； CCD可做成红外敏感型；CID：2-5um； ④像元的几何尺寸精度高（优于1um)，因而可用于 非接触式精密尺寸测量系统； ⑤视频信号与微机接口容易。
使彩色摄像机的发展产生了一个飞跃。 1976年，灵敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶管。 1970 年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器件（ CCD ） 原理，从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶 段——CCD固体摄像器件的发展阶段。
2、光电成像系统要研究的问题
光电成像涉及到一系列复杂的信号传递过程。有四个方面 的问题需要研究：
0、光电成像概述
1、光电成像Байду номын сангаас件的发展
近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进
行光学图像处理与图像测量已成为现代光学仪器、
现代测控技术的重要发展方向。它广泛应用于遥感、
遥测技术、图形图像测量技术和监控工程等，成为 现代科学技术的重要组成部分。
什么叫成像？图像是由空间变化的光强信息所组成， 图像传感器或探测器必须能感受空间不同位置的光强 变化，这个过程叫成像。
一、固体摄像器件
固体摄像器件，又称固体像探测器。 （solid state imaging sensor,SSIS） 主要功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光 强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行 输出的电信号——视频信号。其视频信号能再现入射 的光辐射图像。 主要分类： • 电荷耦合器件，CCD,噪声低； • 自扫描光电二极管阵列，SSPD ,灵敏度和响应度好； • 电荷耦合光电二极管阵列， CCPD,兼具二者优点； • 电荷注入器件（Charge Injection Device，CID）
光电成像原理PPT
(z) ——轴上电位分布
已知轴上电位分布，可唯一地完全决定空间电位分布。
二、近轴区电场对电子的作用力：
近轴情况： V (z, r) (z) 1 (z)r2
4
场强分量：
Er
V r
1 (z)r
2
Ez
V z
(z)
电场对电子在两个方向上的作用力：
电子运动的近轴（高斯）轨迹方程：
r 1 r 1 r 0
性质
24
1. 若轴上电位分布 (z) 已知，就可求得整个近轴空间的轨迹。
2. 不含荷质比，由零电位的同一点发出的电子，不 论其质量与电量如何，在近轴场内轨迹相同。
高斯光学：研究高斯轨迹理想成像规律的理论。
高斯光学理想成像性质:
2. 轴外点的理想聚焦成像：
r(z0 ) 0
r(zi ) r(z0 )r1(zi ) r(z0 )r2 (zi ) r(z0 )r1(zi ) Ar1(zi ) 常数
由物平面上轴外同一物点 P0 发出的电子， 不论其初始斜率如何，都会聚在同一点 Pi
r
P0
A r(z0 ) r1(z0 )
(
z0
)
1,
r2 (z0 ) 0,
r1(z0 ) 0离对称轴单位距离的平行入射的电子轨迹 r2(z0 ) 1轴上发出与轴成 45o角入射的电子轨迹
A r(z0 ), B r (z0 )
电子近轴轨迹的表达式:
r r(z0 )r1(z) r(z0 )r2(z)
r r(z0 )r1(z) r(z0 )r2(z)
(z) 0 : Fr 0 径向力方向背离对称轴，电子受到发散作用。
第6章 光电成像系统讲诉
1. 电荷耦合器件的基本原理
(1) 电荷产生
光辐射
1. 电荷耦合器件的基本原理
(2) 电荷存储
构成CCD的基本单元是MOS电容器，MOS电容器能够存储电荷。
表面势 开启电压 耗尽层 深度耗尽状态
1. 电荷耦合器件的基本原理
(2) 电荷存储
表面势 势阱
1. 电荷耦合器件的基本原理
(2) 电荷存储
n 即总效率为：Qn / Q0
n
由于CCD中的信号电荷包大都要经历成百上千次的转移，即使值几乎 接近l．但其总效率往往很低，如二相1024位器件，当=0.999时，总效率 不到0.13，所以，一定的值，限定了器件的最长位数。 在达到同样高的总效率下，埋沟CCD可以研制的位数比表面沟道大得多。
所谓“浮置扩散”’是指在p型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的n区域，
1. 电荷耦合器件的基本原理
(4) 电荷检测
电荷包输出过程： t1时刻 FD区电位变化量：VA t2时刻 t3时刻 t4时刻 t5时刻
QFD C
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
将CCD电荷存储、电荷转移的概念与半导体的光电性质相结合，导致了 CCD 摄像器件的出现。
第5章 光电成像系统
本章内容 • 电荷耦合摄像器件(CCD器件)
• CCD器件的性能参数
• CCD器件的应用
1
• 电荷耦合摄像器件(CCD器件)
光源
光 信 号 传输介质
光 信 号 光学系统 (信号分析器)
光 信 号 光电摄像器件 (信号变换器)
信 号 显示器 噪 声
信 号 人眼 噪 声
物体 (信号源)
(b)双沟道传输结构
2. 电荷耦合摄像器件的工作原理
《光电成像》幻灯片
❖ 电子光学局部，即电子透镜，它可以使光电 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，进展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
荧光屏
E
F 象散
Q 清晰 B C 象散
场曲
❖ 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严密排 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 端输入的光根本无损失地传到另一端,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。
❖ 构造： 在单级第一代像增强器中，加上一块 微通道板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。
❖ 这种构造的优缺点是：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
U
❖ 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。 ❖ 这种构造的优缺点是：体积小，重量轻；但分 辨率和像质差。
《光电显示成像基础》PPT课件
2. 亮度 - cd/m2 (0.03~50000 cd/m2; 室内显示器70cd/m2, 室外显示器-300cd/m2)
精选PPT
24
第一章 光电显示成像基础
3. 亮度均匀性 - 在不同区域亮度的一致性
(100%*亮度/平均亮度）
精选PPT
25
第一章 光电显示成像基础
4. 对比度和灰度
受环境光照影响
精选PPT
3
第一章 光电显示成像基础
第一章 光电显示成像基础
第一节 光电显示技术概述 第二节 显示参量与人眼的视觉因素 第三节 显示器件的主要性能
精选PPT
4
第一章 光电显示成像基础
第一节 光电显示技术概述
1.1 研究显示技术的意义
显示？ 对信息的表示
目前限定为基于光电子手段产生的视觉效果
人由感觉器官从外界获得信息：
分辨力特性由什么决定？
精选PPT
33
第一章 光电显示成像基础
7. 发光颜色 用发射光谱或色度坐标表示。
实验一：给出CRT和LCD显示器的光谱和色坐标、 色域
精选PPT
34
第一章 光电显示成像基础
8. 余辉时间
来源于CRT显示器荧光粉的发光特点：指荧光粉的 发光从电子轰击停止后开始减小到电子轰击时稳定 亮度的1/10所经历的时间。决定于荧光粉的性质。 一般CRT荧光粉的余辉时间从几百纳秒到几十秒。
的自由移动，如；自由行走、旋转等，沉浸感极强，在VR效果的观察设备
中，头盔显示器的沉浸感优于显示器的虚拟现实观察效果，逊于虚拟三维
投影显示和观察效果，在投影式虚拟现实系统中，头盔显示器作为系统功
能和设备的一种补充和辅助。
3DVR-三维数字视频录像机
精选PPT
24
第一章 光电显示成像基础
3. 亮度均匀性 - 在不同区域亮度的一致性
(100%*亮度/平均亮度）
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第一章 光电显示成像基础
4. 对比度和灰度
受环境光照影响
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3
第一章 光电显示成像基础
第一章 光电显示成像基础
第一节 光电显示技术概述 第二节 显示参量与人眼的视觉因素 第三节 显示器件的主要性能
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4
第一章 光电显示成像基础
第一节 光电显示技术概述
1.1 研究显示技术的意义
显示？ 对信息的表示
目前限定为基于光电子手段产生的视觉效果
人由感觉器官从外界获得信息：
分辨力特性由什么决定？
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第一章 光电显示成像基础
7. 发光颜色 用发射光谱或色度坐标表示。
实验一：给出CRT和LCD显示器的光谱和色坐标、 色域
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34
第一章 光电显示成像基础
8. 余辉时间
来源于CRT显示器荧光粉的发光特点：指荧光粉的 发光从电子轰击停止后开始减小到电子轰击时稳定 亮度的1/10所经历的时间。决定于荧光粉的性质。 一般CRT荧光粉的余辉时间从几百纳秒到几十秒。
的自由移动，如；自由行走、旋转等，沉浸感极强，在VR效果的观察设备
中，头盔显示器的沉浸感优于显示器的虚拟现实观察效果，逊于虚拟三维
投影显示和观察效果，在投影式虚拟现实系统中，头盔显示器作为系统功
能和设备的一种补充和辅助。
3DVR-三维数字视频录像机
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4、信息传递速率方面—— 成像特性、噪声 信息传递问题，决定能被传递的信息量大小。
§6.1 光电成像概述
三、光电成像系统基本组成的框图
光源 光
光
信
信
号
号
光
信
信
信
号
号
号
物体 (信号源)
传输介质
光学系统 (信号分析器)
光电摄像器件 (信号变换器)
显示器
人眼
背
背ห้องสมุดไป่ตู้
噪
噪
景
景
声
声
噪
噪
声
声
其中光电摄（成）像器件是光电成像系 统的核心。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
固体摄像器件的功能： 光学图像 转换
电信号
把入射到传感器光敏面上按空间分布 的光强信息（可见光、红外辐射等），转 换为按时序串行输出的电信号—— 视频信 号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
固体摄像器件主要有三大类： 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即CID）
评委会赞扬博伊尔与史密斯1969年第一次成功地发明了数字成像
技术，工作于贝尔实验室的他们设计了一种影像传感器，可以将光在
短时间内转化为像素，为摄影技术带来“革命化”变革。“没有CCD，
数码相机的发展将更为缓慢。没有CCD，我们就不会看到哈勃太空望
远镜拍摄的令人诧异的图片，也不会看到我们的邻居火星上的红色沙
漠图像。”评委会说。
12
§6.2 固体摄像器件分类及性能
CCD发展史
1969年，由美国的贝尔研究室所开发出来的。同年，日本的SONY公司也 开始研究CCD。 1973年1月，SONY中研所发表第一个以96个图素并以线性感知的二次元 影像传感器〝8H*8V (64图素) FT方式三相CCD〞。 1974年6月，彩色影像用的FT方式32H*64V CCD研究成功了。 1976年8月，完成实验室第一支摄影机的开发。 1980年，SONY 发表全世界第一个商品化的CCD摄影机 (编号XC-1) 。 1981年，发表了28万个图素的 CCD (电子式稳定摄影机MABIKA)。 1983年，19万个图素的IT方式CCD量产成功。 1984年，发表了低污点高分辨率的CCD。 1987年，1/2 inch 25万图素的 CCD，在市面上销售。 同年，发表2/3 inch 38万图素的CCD，且在市面上销售。 1990年7月，诞生了全世界第一台 V8。
半导体 S
图6.3 CCD的结构简图
6.2.1 电荷耦合摄像器件
１）ＣＣＤ的输入部分 （１）电注入：当ＣＣＤ用于信息存储或信息处理时，通
§6.2 固体摄像器件分类及性能
2009年诺贝尔奖物理学奖得主
Fig.1贝尔实验室George Smith和Willard Boyle将可视 电话和半导体存储技术结合 发明了CCD原型
§6.2 固体摄像器件分类及性能
瑞典皇家科学院6日宣布，美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯因 发明电荷耦合器件（CCD）图像传感器而与“光纤之父”高锟一同获 得2009年诺贝尔物理学奖。
（2）MOS结构部分： a. 以P型或N型硅半导体为衬底。 （本文以 P型硅为例） b. 在衬底上生长一层厚度为零点几个微米
的 二氧化硅层。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
c. 然后按一定的次序沉淀N个金属电极或 多晶硅电极，作为栅极。（栅极间的间距 为2.5个微米，中心距离为15-20个微米） 于是，每个电极与其下方的二氧化硅和 半导体之间就构成了一个 金属-氧化物-半 导体（Metal - Oxide - Semiconductor ）结 构, 即MOS结构。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
CCD的特点: 以电荷作为信号。
CCD的基本功能: 电荷存储和电荷转移。
CCD工作过程: 信号电荷的产生、存储、传
输和检测的过程。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
一、电荷耦合器件的基本原理
1、CCD的基本结构：
（1）输入部分： 输入二极管（ID / Input diaode）、 输入栅（IG / Input Grid）
6.2.1 电荷耦合摄像器件
(3) 输出部分：将电荷信号转换为电压或电流信 号
输出栅（OG/ Output diaode） 输出二极管 （OD / Output Grid）
6.2.1 电荷耦合摄像器件
输入栅
输入二 极管
栅极 P- Si / N – Si
输出栅 输出二极管 金属 M 氧化物 O
§6.1 光电成像概述
二、光电成像系统要研究的问题
光电成像涉及到一系列复杂的信号传递过 程。
有四个方面的问题需要研究： 1、能量方面——物体、光学系统和接收器的 光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标 的问题 。
§6.1 光电成像概述
2、成像特性——能分辨的光信号在空间和时 间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它 的光谱分辨率 。 3、噪声方面——决定接收到的信号不稳定的 程度或可靠性。
目前，前两种用得较多，我们这里主要分析 CCD一种。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
CCD图像传感器的优势
CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为 广泛应用图像传感器的新时代。
具有固体器件所有 优点；自扫描输出 方式消除了电子束 扫描造成的图像光 电转换的非线性失 真，体积、重量、 功耗和制造成本是 电子束摄像管无法 达到的。
第6章-光电成像系统 PPT课件
第6 章 光电成像 系统
§ 6.1 光电成第像6概章述 光电成像 §6.2 固体摄像系器统件分类及性能
§ 6.3 红外成像技术
§ 6.4 光学成像系统和光学传递函数
§6.1 光电成像概述
一、光电成像系统的分类：
按照光电成像系统对应的光波长范围分类： 可见光光电成像系统； 紫外光光电成像系统； 红外光光电成像系统； X光 光电成像系统。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
• CCD（Charge Coupled Device）,是 70年代初发展起来的新型半导体光电成像 器件。 • 30多年来， CCD技术已广泛的应用于 信号处理、数字存储及影像传感等领域。
• 其中，CCD技术在影像传感中的应用最为广 泛，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、 最富有成果的领域之一。
§6.1 光电成像概述
三、光电成像系统基本组成的框图
光源 光
光
信
信
号
号
光
信
信
信
号
号
号
物体 (信号源)
传输介质
光学系统 (信号分析器)
光电摄像器件 (信号变换器)
显示器
人眼
背
背ห้องสมุดไป่ตู้
噪
噪
景
景
声
声
噪
噪
声
声
其中光电摄（成）像器件是光电成像系 统的核心。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
固体摄像器件的功能： 光学图像 转换
电信号
把入射到传感器光敏面上按空间分布 的光强信息（可见光、红外辐射等），转 换为按时序串行输出的电信号—— 视频信 号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
固体摄像器件主要有三大类： 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即CID）
评委会赞扬博伊尔与史密斯1969年第一次成功地发明了数字成像
技术，工作于贝尔实验室的他们设计了一种影像传感器，可以将光在
短时间内转化为像素，为摄影技术带来“革命化”变革。“没有CCD，
数码相机的发展将更为缓慢。没有CCD，我们就不会看到哈勃太空望
远镜拍摄的令人诧异的图片，也不会看到我们的邻居火星上的红色沙
漠图像。”评委会说。
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§6.2 固体摄像器件分类及性能
CCD发展史
1969年，由美国的贝尔研究室所开发出来的。同年，日本的SONY公司也 开始研究CCD。 1973年1月，SONY中研所发表第一个以96个图素并以线性感知的二次元 影像传感器〝8H*8V (64图素) FT方式三相CCD〞。 1974年6月，彩色影像用的FT方式32H*64V CCD研究成功了。 1976年8月，完成实验室第一支摄影机的开发。 1980年，SONY 发表全世界第一个商品化的CCD摄影机 (编号XC-1) 。 1981年，发表了28万个图素的 CCD (电子式稳定摄影机MABIKA)。 1983年，19万个图素的IT方式CCD量产成功。 1984年，发表了低污点高分辨率的CCD。 1987年，1/2 inch 25万图素的 CCD，在市面上销售。 同年，发表2/3 inch 38万图素的CCD，且在市面上销售。 1990年7月，诞生了全世界第一台 V8。
半导体 S
图6.3 CCD的结构简图
6.2.1 电荷耦合摄像器件
１）ＣＣＤ的输入部分 （１）电注入：当ＣＣＤ用于信息存储或信息处理时，通
§6.2 固体摄像器件分类及性能
2009年诺贝尔奖物理学奖得主
Fig.1贝尔实验室George Smith和Willard Boyle将可视 电话和半导体存储技术结合 发明了CCD原型
§6.2 固体摄像器件分类及性能
瑞典皇家科学院6日宣布，美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯因 发明电荷耦合器件（CCD）图像传感器而与“光纤之父”高锟一同获 得2009年诺贝尔物理学奖。
（2）MOS结构部分： a. 以P型或N型硅半导体为衬底。 （本文以 P型硅为例） b. 在衬底上生长一层厚度为零点几个微米
的 二氧化硅层。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
c. 然后按一定的次序沉淀N个金属电极或 多晶硅电极，作为栅极。（栅极间的间距 为2.5个微米，中心距离为15-20个微米） 于是，每个电极与其下方的二氧化硅和 半导体之间就构成了一个 金属-氧化物-半 导体（Metal - Oxide - Semiconductor ）结 构, 即MOS结构。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
CCD的特点: 以电荷作为信号。
CCD的基本功能: 电荷存储和电荷转移。
CCD工作过程: 信号电荷的产生、存储、传
输和检测的过程。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
一、电荷耦合器件的基本原理
1、CCD的基本结构：
（1）输入部分： 输入二极管（ID / Input diaode）、 输入栅（IG / Input Grid）
6.2.1 电荷耦合摄像器件
(3) 输出部分：将电荷信号转换为电压或电流信 号
输出栅（OG/ Output diaode） 输出二极管 （OD / Output Grid）
6.2.1 电荷耦合摄像器件
输入栅
输入二 极管
栅极 P- Si / N – Si
输出栅 输出二极管 金属 M 氧化物 O
§6.1 光电成像概述
二、光电成像系统要研究的问题
光电成像涉及到一系列复杂的信号传递过 程。
有四个方面的问题需要研究： 1、能量方面——物体、光学系统和接收器的 光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标 的问题 。
§6.1 光电成像概述
2、成像特性——能分辨的光信号在空间和时 间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它 的光谱分辨率 。 3、噪声方面——决定接收到的信号不稳定的 程度或可靠性。
目前，前两种用得较多，我们这里主要分析 CCD一种。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
CCD图像传感器的优势
CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为 广泛应用图像传感器的新时代。
具有固体器件所有 优点；自扫描输出 方式消除了电子束 扫描造成的图像光 电转换的非线性失 真，体积、重量、 功耗和制造成本是 电子束摄像管无法 达到的。
第6章-光电成像系统 PPT课件
第6 章 光电成像 系统
§ 6.1 光电成第像6概章述 光电成像 §6.2 固体摄像系器统件分类及性能
§ 6.3 红外成像技术
§ 6.4 光学成像系统和光学传递函数
§6.1 光电成像概述
一、光电成像系统的分类：
按照光电成像系统对应的光波长范围分类： 可见光光电成像系统； 紫外光光电成像系统； 红外光光电成像系统； X光 光电成像系统。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
• CCD（Charge Coupled Device）,是 70年代初发展起来的新型半导体光电成像 器件。 • 30多年来， CCD技术已广泛的应用于 信号处理、数字存储及影像传感等领域。
• 其中，CCD技术在影像传感中的应用最为广 泛，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、 最富有成果的领域之一。