第四章 光电成像器件

⑵ 调制传递函数MTF：能客观地测 试器件对不同空间频率信号的传递能力
Amax Amin Am 调制度M： M Amax Amin A0 Mo MTF 100% 调制传递函数MTF： Mi
MTF随着测试卡线条空间频率的增加而降低。
四.惰性 指输出信号的变化相对于光
照度的变化有一定的滞后 影响摄像管惰性的原因是靶面光电导 张驰过程和电容电荷释放惰性。

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 Injection Device，即CID）
4.3 电荷耦合器件
CCD(Charge Coupled Devices)
CCD图像传感器主要特点：
五.视频信噪比（S/N） Sm S ( ) 20lg (dB) N id
六.动态范围
Lmax : Lmin = 10 : 1
n
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，而视 频信号能再现入射的光辐射图像 固体摄像器件主要有三大类：
硅增强靶摄像管 (SIT)
固体成像器件(CCD、CMOS)

摄像器件分类：
光电像管 Iconoscope
外光电效应型 电子管 内光电导效应型 (电阻率随光
超光电像管 super Iconoscope 正析像管Orthicon 超正析像管 super Orthicon 视像管 Vidcon 氧化铅管 Plumbicon 硒砷锑管Saticon 硅靶管
Xd
+
Xd
热平衡
t=0
（a）
t=t1
（ b）
t=t2
（c）


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。如图（b）。 随着时间的继续增加，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）。
特点：增益和 灵敏度高
特点：结构简单、 体积小、使用方便
光电发射型摄像管
光电导型视像管
视像管基本结构 ： 光电靶 完成光电转换、信号存储 电子枪 完成信号扫描输出
氧化铅视像管结构与工作原理
管子结构
氧化铅PIN靶
PIN光电靶 ：反向偏臵，扫描面形成正电位图像
电子枪 ： 发射电子束，按电视制式扫描正电 位图像，输出视频信号
进一步说明：
栅电极G
氧化层
P型半导体
耗尽区 浅势阱
反型层 深势阱
uG=0
uG<uth（MOS晶体管的开启电压）
uG>uth
电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态

当栅极G施加正偏压UG之前（UG=0），P型半 导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的； 当栅极电压加正向偏压（UG<Uth）后，空穴被 排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区进 一步向半导体内延伸；当UG>Uth时，半导体与 绝缘体界面上的电势（表面势ФS）变得如此之 高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子） 吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层， 反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储 电荷的功能。
像素：组成图像的 最小单元。摄像管 像素大小由电子束 截面积决定。
在电子束扫描某一像素的瞬间，该像 素与电源正极和阴极结成通路。这个像素 的光电流由P→N，流过负载RL,产生负极 性图像信号输出。同时，扫描电子束使P 层电位降至阴极电位（图像擦除）。
4.2 摄像器件的性能参数
一.灵敏度S
在2856K色温标准光源单位光功率 照射下,由器件输出信号电流大小来 衡量。单位:μA/lm；mA/W。实际 常用能产生正常电视图像所需最低 光照度Lmin来表征。
电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低 的氧化层与半导体的交界面处。
u0 10V 10V
UG=5V UG=10V UG=15V
空势阱
填充1/3势阱
全满势阱
MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=Cox•UG•A

注意：热平衡状态的形成 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。
输出二极管 浮臵扩散放大器： 复位管T1 输出管T2
CCD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，
15~20 m
2.5 m Al电极 （栅极） SiO2 P（N）Si
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1000A～ 1500A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。
1934年研制出光电像管，应用于广播电视摄
像。它的灵敏度相当低，要达到现在图像信噪 比的要求，需要不低于10000 lx的照度，这是 它的应用范围受到很大限制。 1947 年超正析摄像管面世，使最低照度降至 2000 lx。 1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成 本低，体积小，灵敏度和分辨率都较高，但不 适用于高速场合和彩色应用。
固体化摄像器件 很高的空间分辨率 很高的光电灵敏度和大的动态范围 光敏元间距位臵精确,可获得很高的 定位和测量精度 信号与微机接口容易
电荷耦合器件（CCD）
CCD类型： 表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导体与 绝缘体之间的界面，并沿界面传输； 体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导体表 面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传 输——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。 下面以表面沟道CCD为例介绍CCD基本原理
彩色CCD显微照片（放大7000倍）
一、CCD的结构与基本工作原理
一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器 及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD工作时，在设定的积 分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光 敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱 动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存 器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出 信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中， 可对信号再现或进行存储处理。
反型层电荷 QINV=0
P型硅杂质浓度 Nd=1021m-3
ФS
1.0V
1.4V
Uth= 2.2V 3.0V
UG 表面势与栅极电压的关系
ФS
UG=15V
dox=0.1um dox=0.2um
UG=10V
曲线的直线 特性好，说 明两者有着 良好的反比 例线性关系。 可以“势阱” 的概念来解 释。
QINV 表面势与反型层电荷密度的关系
双列两相线阵CCD结构
光敏区:光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。
转移栅:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷向移位寄存器转移。
移位寄存器:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷扫描移向输出端。
输出端:将光生电荷包转换为视频信号输出。
在Al电极上加驱动信号，MOS阵列使光生电荷包 自扫描输出。
输出端：输出栅OG；
光电成像器件是光电成像Байду номын сангаас统的核心
像管 (无扫描)
分类
真空 光电器件
变像管 (把不可见光图像变成可 见光图像的真空光电管) 图像增强器 (把极低亮度光学图像变为 足够亮度图像的真空光电管)
光电成 像器件
摄像管 (电子束 扫描)
光电导式摄像管(视像管,无移区)
光电发射式 摄像管 (有移像区) 二次电子导电 摄像管(SEC)
CCD全称电荷耦合器件，它具备
光电转换、信息存贮和传输等功能，
具有集成度高、功耗小、分辨力高、
动态范围大等优点。 CCD图像传感器
被广泛应用于生活、天文、医疗、电
视、传真、通信以及工业检测和自动
控制系统。
MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片
CCD光敏元显微照片
CCD读出移位寄存器 的数据面显微照片




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 P（N）Si 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： 工作过程：电荷的产生、存储、传输＆检测。
二．
1. •
•
•
电荷存储（电荷产生） 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，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。

信 号 出
超正析像管
光谱特性
视像管构造图 CCD摄像器件
本章目录
摄像管 4.2 摄像器件的性能参数 4.3 电荷耦合器件 4.4 CMOS图像传感器 4.5 图像增强器
4.1
4.1 摄像管
摄像管是能够输出视频信 号的真空光电管
可分为两大类： *光电发射型摄像管（微光摄像）：利用外光电效应 包括 二次电子摄像管 硅靶摄像管 *光电导型视像管： 利用内光电效应 按光电导靶结构分为 光电导（注入）型：硫化锑 PN结（阻挡）型：氧化铅管、硅靶管、 异质结管

成像转换过程有四个方面的问题需要研究：
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 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 噪声方面——决定接收到的信号不稳定的程度或 可靠性 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
二.光电转换特性－γ特性
I P kL

γ＝ 1
IP 与L 成线性关系， 是最理想情况。 γ＜1 低照度下灵敏度相对 增加。 γ＞1 图像对比度提高。 * 关于伽玛γ校正电路
三.分辨率 能够分辨图像中明暗细节的能力
有两种表示方法: ⑴ 极限分辨率：用在图像（光栅）范 围内能分辨的等宽黑白线条数表示（如：水 平800线、垂直500线）；也用～线对/mm表示。
第四章 光电成像器件
概述：
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。
光电成像器件的发展 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。
像素等效电路
量变化) MOS摄像器件 固体摄像器件 CCD摄像器件 析像管原理
入 射 光 光 电 面 二次电子
信 号 出
C
RL +E
光导管原理
信 号 出 入 射 光 光导靶 信号出 电子束
倍增器
光 电 子
电子枪
超正析像管：惰性小噪声大。 视像管：电场和长磁场聚焦； 网电极保证电子束垂直上靶。 固体摄像器件：无须扫描和 聚焦(按像素移位)，光谱响应 宽，功耗低，可集成处理电路。 有电荷耦合 (CCD)和CMOS 摄像器件，它是发展方向。
1965 年，氧化铅管成功代替正析摄像管，
广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩色电视 广播摄像机的发展产生了一个飞跃。 1976 年前后，又相继出现灵敏度更高，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。