第6章-光电成像系统

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。
光电子技术基础
第6 章 光电成像系统
厚德博学
求实创新
第6 章 光电成像系统
第6 章 光电成像系统
§ 6.1 光电成像概述 §6.2 固体摄像器件分类及性能
§ 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。
§6.1 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。 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。
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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。
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） （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
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
输出栅
输出二极管 金属 M 氧化物 O
P- Si / N – Si
6.2.1 电荷耦合摄像器件
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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。
§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。 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。
半导体 S
图6.3 CCD的结构简图
§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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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）
§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 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。
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。