5.固体摄像器件

3.像增强型CCD:
像增强型微光CCD是将微光像增强器和CCD耦合器 件， a.光纤光锥耦合方式－－ICCD b.中继透镜耦合CCD c.电子轰击CCD－－EBCCD 特点： ICCD结构简单、耦合效率高、调试方便； 分辨率受光纤锥的限制，不会太高；中继透镜耦合 CCD分辨率好，但耦合效率低； EBCCD结构简单、耦 合效率高、暗电流小，因电子轰击形成CCD辐射损伤 ，寿命短、工艺难度高。
1.IRFPA的结构：
按结构IRFPA分为单片式和混合式，根据工作波段在1～3µm波段（ HgCdTe），3～5µm波段（HgCdTe、InSd和PtSi），8～12µm波段（ HgCdTe）。 （1）单片式IRFPA
单片式主要由三种类型： a.非本征单片IRFPA：光敏部分做在P型非本征材料上，转移 部分做在Si衬底上，二者要经过渡层耦合。 工作时需要制冷；量子效率低；均匀性差。 b.本征半导体IRFPA：光敏部分和转移部分制作在同一块窄禁 带本征半导体上，原理和结构与普通CCD相似。 优点：量子效率高；结构简单。 缺点：转移效率低（η＝0.9），响应均匀性差；外加电压低 ，存储容量小。
电荷的存储
CCD是利用电容存储电荷的功能来存储电荷的，所 以CCD的基本单元是MOS（金属－氧化物－半导体）电 容器，结构和原理如图
电荷包的转移：
表面沟道器件CCD（Surface Channal CCD－SCCD）和体内 沟道CCD（Buried Channal CCD－BCCD）
电荷的检测
性能比较
1. 灵敏度差异：CMOS传感器的每个象素前置放大器和感 光二极管构成，象素的感光区域小于象素本身的面积； 2. 成本差异： 3.成品率差异： 3.成品率差异：CCD采用电荷传递的方式，只要其中有 一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送， 控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多。 4. 分辨率差异： CCD优于CMOS。 5. 噪声差异：放大器差异引起噪声增加，影响图像品质 6. 功耗差异：CMOS传感器比CCD传感器功耗小得多。
ICCD（光学耦合）结构示意图
EBCCD（电子束耦合）结构示意图
红外焦平面器件将CCD的概念和技术引入红外波段形成的新型 的红外探测器件，主要用于红外成像、红外搜索与跟踪系统，导 弹寻的器、空间监视和红外对抗。 IRFPA的工作波段在1～3µm、 3～5µm、8～12µm的红外谱区。 µ µ µ 在300K背景条件下的工作，探测300K背景中温度变化0.1K的目标 。
电荷检测的结构主要有“电流输出”结构、“浮置扩散输 出”结构和“浮置栅输出”结构，以“浮置扩散输出”结构为 例介绍电荷检测的结构和原理
CCD摄像器件分为线阵器件和面阵器件，面阵器 件又有黑白CCD和彩色CCD（单片CCD）摄像器件。 线阵CCD： 线阵器件分为双沟道传输和单沟道传输结构和原 理如图
工作频率
a.工作频率下限由少数载流子的平均寿命τ决定： f > 1/(3τ) b.工作频率上限与电荷在两个的电极之间的转移时间t的关系 f ≤ 1/(3t) 驱动脉冲频率 f 与转移损失率 ε 间的关系如下图
光谱响应： CCD的光谱响应是指等能量相对光谱响应。最大 响应值归一化为100％所对应的波长，定义为峰值 波长。响应为峰值处的10％的波长定义为截止波 长。两个截止波长间的光谱称为响应光谱范围。 Si衬底CCD的响应光谱范围在0.4～1.1µm，峰值约 在0.7µm左右。 动态范围和线性度：
பைடு நூலகம் CMOS器件和摄像机
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器， 两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像 转换为数字数据，主要差异是数字数据传送的方式不同。 如图所示，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数 据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由 传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个 象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的 方式将数据输出。 造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据 在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行 放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声， 因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。
c.肖特基势垒单片式IRFPA：金属和半导体接触会形成肖特基势
垒，在满足WM>WS的条件下，由于电子的扩散界面附近形成内建电 场，若金属中电子吸收光能，动能增加，在内建电场的作用下越过 界面势垒进入半导体，形成信号电荷。Si衬底可以制成高性能的 CCD转移机构。 优点：响应均匀性好，转移效率高。 缺点：量子效率低。
1. 简述CCD的工作原理---电荷存储、转移和 信号检测。 2. 单片式和三片式彩色CCD摄像机在结构和 性能上有什么不同，简述单片彩色CCD 的彩色显示原理。 3. CCD和CMOS器件的结构和工作方式有何 区别？
电视摄像器件
一.类型
1.真空电视摄像管： （1）视像管类（Plumbicon、Newvicon和Saticon） （2）超正摄像管（Image Orthicon） （3）反束视像管（RBV）－高分辨摄像 （4）硅靶摄像管（Si-Vidicon） （5）像增强硅靶摄像管（SIT）－微光摄像 2.固体摄像器件： CCD、CMOS、ICCD、EBCCD
微光CCD
能够在10-1～10-4微弱光景物照度下正常摄像的CCD 称为微光CCD。微光CCD有两类：单片式微光CCD和像 增强型CCD。
1.单片式微光CCD：
由于热噪声，普通CCD要求靶上照度在0.1Lx以上， 要满足微光摄像，需制冷。 CCD在－196℃时，等效背 景可降至10个电子/像元以下，相当于输入的靶面照度 为10－3lx。该CCD可在10－3～10－2lx 照度工作。这类微 光CCD结构复杂，价格昂贵。 Watt902K系列可在10－2照度下正常工作。 2. TDICCD：改变曝光时间提高探测效果和降低噪声
转移效率 η 和转移损失率 ε ：
η=
式中 ε =
Q ( 0) − Q ( t ) Q ( 0)
= 1−
Q ( 0)
Q (t )
Q ( 0)
Q (t )
= 1− ε
定义为转移损失率，若转移n次后，转
移出去的电荷Q（n）应为
Q(n)＝Q(0)η n
总的转移效率为
Q (n) Q ( 0) = ηn
若η ＝0.9999，1024位器件，两相CCD转移效率约为80％；三 相CCD约为73%。 BCCD的转移效率可达η ＝0.99999。
光敏元满阱电荷容量 动态范围= 等效噪声信号电荷
CCD的动态范围在103～104间。 CCD在弱光信号和强光信号（近饱和）情况线性度较差，在中间部 分非线性度几乎为零。
暗电流：
包括a.衬底的本征跃迁，b.少数载流子在中性区的扩散 ，c.SiO2表面和SiO2－Si界面处的暗电流。 分辨率（MTF）：
不均匀度：
§ 7.4 CCD摄像机类型
全色CCD（黑白） 彩色CCD 三片式彩色 单片式彩色 中继镜耦合 增强器耦合 光纤锥耦合 TDICCD 高速CCD 红外CCD EBCCD
可见光
微光CCD
变像素（变视场）型 多路同步扫描型
其
他
X射线CCD 紫外CCD
彩色CCD
彩色CCD摄像机目前主要有三片式和单片式两种。 单片式彩色CCD的关键是滤色器阵列。滤色器阵列的制作有 两种：滤色器阵列与CCD器件组合；直接将滤色器阵列制作CCD上 。滤色器单元与CCD光敏单元对应。图所示是两种常用的滤色器 形式，拜尔山方式和行间排列方式滤色器。
用可分辨的电视线表示，与像元的尺寸和像元中心距成反比，
极限分辨率 (电视线) =
光敏区的尺寸 像元中心距
考虑噪声影响，传递损失等因素，实际的分辨率小得多。
灵敏度：
在入射光谱范围内，单位入射光功率下输出信号电参量（电压或 电流）的比值。与光敏材料、光敏元的占空比、电极结构有关。使 用中常用CCD器件的可成像最低照度来衡量。
CMOS的特点
(1)系统集成。CMOS 图像传感器集成各种信号和图像处理模块,如 运放器、模/ 数(ADC) 转换、彩色处理和数据压缩电路、标准TV 和计算机I/ O 接口,输出数字信号,是高集成度数字成像系统。 (2) 低功耗。CMOS 图像传感器只需单一电压供电,静态功耗几乎为 零, 功耗为CCD 的1/ 8 。 (3) 成像速度快。CCD 采用电荷包转移的方式输出信号,CMOS 图像 传感器在每个像素扫描的基础上同时进行信号放大。CMOS传感器对 于高帧摄像机非常有用，高帧速度能达到400到100000帧/秒. (4) 响应范围宽。在890～980nm 范围内其灵敏度比CCD图像传感芯 片的要高, 1～3μm 敏感的CMOS图像传感芯片。 (5) 抗辐射性强。 (6) 成本低。CMOS 制造成本低,结构简单,成品率高。
CMOS 传感器的结构
CCD 传感器的结构
CMOS的应用 当今DC使用的传感器主要是CCD和CMOS两种。 CMOS又分高 端CMOS和低端CMOS。高端CMOS主要用在专业单反相机上，其成 象质量非常优秀,要比CCD好。如佳能的最高端的1670万象素单 反相机就是采用的高端全幅CMOS传感器,其价格要六万多元， 还有佳能的350D等一些单反相机也是采用的高端CMOS传感器。 而低端的CMOS传感器则主要用在一般摄象头上和诸如爱普泰克 网E拍等最低端DV上。因此佳能350D肯定比尼康D50性能要好。 鉴于此，采用高端CMOS传感器的DC要比采用CCD的DC要好，而 采用低端CMOS传感器的DC要比采用CCD的DC要差。
（2）混合式IRFPA
光敏阵列采用窄禁带本征材料制作，转移部分用Si材料。将两部 分组合构成混合IRFPA，两部分电学连接分直接连接和间接连接。 直接连接方式－用导线直接连接。结构简单，易于制作，器件 功耗低。 间接连接方式－通过缓冲级（有源网络）连接，缓冲级有信号放 大、阻抗变换、点位转换等作用。改善匹配性能；但增加了功耗和 芯片尺寸，工艺复杂。
X射线CCD
型式：直接对X射线感光－针对低能X射线目标（光子能量
<10KeV－软X射线）－射线损伤使CCD的寿命较短。 采用转换晶体－将X射线图像转换成可见光图像－CCD ； 主要的转换材料：CsI和NaI晶体； 特点：吸收系数大、效率高、射线对CCD无损伤；缺 点是结构复杂、制作难度大、分辨率低。 紫外CCD 紫外CCD的光谱范围：380－200 nm， 方式：直接对紫外响应的CCD－减薄和紫外增透涂层与转换 材料形成的组合CCD
从原理说，同样位数或长度，单沟道结构的转移次数是 双沟道的两倍，转移效率低得多；换言之，在满足一定的转 移效率条件下，前者的转移长度比后者短多。在使用上表现 为要麽靶面小，要麽分辨率低。
面阵CCD：
面阵CCD有行间转移结构、帧转移结构面阵CCD， 结构如图，两种结构的CCD各有优点：前者转移次数少 ，后者的光敏区占空比大。线转移型面阵CCD间有前两 种结构的优点，但电路复杂。
2.典型的IRFPA
A.InSb IRFPA 光伏效应器件，混合式结构。有前照线阵（最长1X512）和背照面阵（ 最大1024X1024）器件；工作波段3～5µm。 B.HgCdTe IRFPA 光伏效应器件，混合式结构。有工作在短红外(1～2.5µm)波段、中红 外波段和长波(8～14µm)的器件。 C.Si肖特基势垒IRFPA 近红外和中红外的热成像器件，面阵器件大1968X1968，像素可做到 17X17 µm2。 D.非致冷的IRFPA 1979年出现100X100铌酸锶钡器件，现研究重点是氧化钒、Si、多晶和 非晶硅。 E.多量子阱（MQW）IRFPA 特点：材料稳定性好、抗辐射能力强、均匀性好。