光电检测技术 第六章

电荷耦合器件
（2）工作频率ƒ
CCD器件是工作在不平衡状态，所以驱动脉冲频 率的选择显然十分重要：频率太低，热激发少数载 流子过多，它的加入降低了输出信号的信噪比；频 率太高，又会降低总转移效率，减小了输出信号的 幅值，同样降低信噪比。
为驱动脉冲工作频率下限，即与少数载流子 的寿命τ有关 1 f 为工作频率的上限，与信号电荷从一个 3t 电极转移到另一个电极的转移时间应大于或等 于 t2
SIT管结构原理示意图
6.3
电荷耦合器件
电荷耦合器件 (Charge Coupled Devices, 简 称 CCD) 是 贝 尔 实 验 室 的 W.S.Boyle 和 G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、 信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能, 且集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展 , 是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件 , 广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、 军事和消费领域。
电荷耦合器件
工作原理 （2）电荷耦合
t3 时 刻 ,φ1 变 为 低 电 平,φ2 为高电平 , 这样电极 ①下面的势阱完全被撤除而 成为阱壁 , 电荷转移到电极 ②下的势阱内。由于电极③ 下仍是阱壁 , 所以不能继续 前进 , 这样便完成了电荷由 电极1下转移到电极2下的一 次转移,如图(e)所示。
电荷耦合器件
1
2
3
t1 t2 t3 t4 t5
图3
三个时钟脉冲的时序
电荷耦合器件
1 2 3
1 2 3 1 2 3 1 2 3
t1
t2
t3
t4
t5
图4
完成一次转移的过程
电荷耦合器件
•
CCD也可在输入端用电形式输入被转移的 电荷,或用以补偿器件在转移过程中的电荷损 失 ,从而提高转移效率。电荷输入的多少 , 可 用改变二极管偏置电压,即改变Gi来控制。 • CCD输出经由输出二极管。输出二极管加反向 偏压的大小由输出栅控制电压G0来控制。
电荷耦合器件
（2）电荷耦合（图示电荷耦合过程）
Gi Go 输入 1 N＋ 1 2 62 P型衬底 63 64 2 3 1 2 3 1 SiO2 N＋ 2 3 1 2 3 1 2
1 2 3
3
输出
图2
CCD芯片的构造
图 2 中所示为 64 位 CCD 结构。每个光敏元（像素） 对应有三个相邻的转移栅电极 1 、 2 、 3, 所有电极彼 此间离得足够近,以保证使硅表面的耗尽区和电荷的 势阱耦合及电荷转移。所有的1电极相连并施加时钟 脉冲φ1,所有的2、3也是如此,并施加时钟脉冲φ2、 φ3。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭 ,如图3所示。
真空摄像管
(2)硅靶视像管 由于硅靶的量子效率高，在0.35～1.1m的光谱 范围内能有效地工作，因此它是光谱响应最宽的一 种视像管，可用于近红外电视
硅靶结构与工作原理
真空摄像管
光电发射式摄像管
光电发射式摄像管在结构 上和工作原理上与视像管都不 相同，它带有移像部分，将光 电转换和信号存储分开。图像 的光电转换由光电阴极完成， 存储靶进行光电信号的存储， 通过电子束扫描拾取信号。 增强硅靶摄像管简称 “SIT”(Silicon Intensifled Target)管，它是在硅靶视像 管的基础上发明的。
真空摄像管
(1)光导摄像管的结构 在真空管的前屏幕上设置有光电导膜和透明导电 膜的阵列小单元。由电子枪射出的电子经电子透镜聚 焦成电子束射向光电导膜。通过电子束扫描,读取储存 在光导电子靶面上的由于入射光的激励所产生的电子 图像。
透明导电膜电极 半导体 电子射束 电子透镜 电子射束 偏转线圈 (a ) 入射光 C (b ) 电子枪 输出电压 RL UL U 电源 R
光电成像器件的基本特性
分辨率
–分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细节 的能力。分辨率常用二种方式来描述：一种 –为极限分辨率；另一种为调制传递函数。分 辨率有时也称为鉴别率或解像力等。
6.2 真空摄像管
真空摄像管的种类很多。按其光敏 面光电材料的光电效应来分，可分为外 光电效应与内光电效应两大类。
真空摄像管
基本原理来自百度文库
真空摄像管
性能参数 摄像管的光电转换特性 光谱响应 时间响应特性 输出信噪比 动态范围 图像传递特性
真空摄像管
光导摄像管 光导摄像管出现于 20 世纪 60 年代 , 以后性能得到 很大改善 , 广泛应用于电视摄像等方面。作为摄像装 置,必须有三个功能 :把图像的像素图转换为相应电荷 图的功能，把电荷图暂存器起来的功能和把各个像素 依次读出的功能。光导摄像管就具备这三个功能。
第6章
光电成像器件概述
掌握内容 掌握光电成像器件的基本分类，工作原理及特性参数 掌握电荷耦合器件（CCD）的工作原理，主要性能及 使用要点 理解内容 自扫描光电二极管阵列的工作原理，主要性能及使用 要点 了解内容 了解真空摄像管的基本工作原理和特性
第6章
主要内容
6.1光电成像器件概述 6.2真空摄像管
电荷耦合器件
工作原理 （2）电荷耦合
三相电荷的转移过程
电荷耦合器件
工作原理
（2）电荷耦合 转移栅实行转移的 工作原理是 ,t1 时刻φ1 是高电平 , 于是在电极 ①下形成势阱 , 并将少 数载流子(电子 )吸引至 聚集在 Si-SiO2 界面处 , 而电极②、③却因为加 的是低电平 , 形象地称 为垒起阱壁。如图（ a ）
6.3电荷耦合器件
6.4自扫描光电二极管阵列
第6章
光电成像器件
光电成像器件是指能输出图像信息的一类器件， 它包括真空成像器件和固体成像器件两大类。 真空成像器件根据管内有无扫描机构粗略地分为 像管和摄像管，像管的主要功能是能把不可见光（红 外或紫外）图像或微弱光图像通过电子光学透镜直接 转换成可见光图像，如变像管、像增强器、X射线像 增强器等。摄像管是一种把可见光或不可见光（红外、 紫外或X射线等）图像通过电子束扫描后转换成相应 的电信号，通过显示器件再成像的光电成像器件。 固体成像器件不象真空摄像器件那样需用电子束 在高真空度的管内进行扫描，只要通过某些特殊结构 或电路（即自扫描形式）读出电信号，然后通过显示 器件再成像。
QIP qne 0 AT0
ne 0为入射光的光子流速 荷量； 率；A为光敏单元的受光面积； T0为光注入时间。
光照射到光敏元上,会产生电子-空穴对（光生电荷）,电子被吸引 存储在势阱中。入射光强则光生电荷多,弱则光生电荷少,无光照 的光敏元则无光生电荷。这样就在转移栅实行转移前,把光的强弱 变成与其成比例的电荷的数量,实现了光电转换。若停止光照,电 荷在一定时间内也不会损失,可实现对光照的记忆。
图1 光导摄像管的结构和等效电路
真空摄像管
图 1(b) 示出了原理性的等效电路。 R 与 C 并联电路代表光 电导膜的像素小单元,并假定为射束的撞击面积。工作时,用电 子束逐点扫描像素小单元 , 把各小单元均充至电源电压 V, 然后 中断。在光的照射下,由于光电导效应,R会变小,C则会放电,电 压降低。

这时少数载流子被收集到较深的势阱中。光照愈强，产生的电
子 - 空穴对愈多，势阱中收集的电子也愈多，反之亦然。就是 说，势阱中收集的电子电荷的多少反映了光的强弱，从而可以
反映图像的明暗程度，这样就实现了光信号与电信号之间的转
换。
电荷耦合器件
电荷的注入（光注入） 光注入电荷QIP为
为材料的量子效率；q为电子电
散粒噪声、转移噪声及热噪声。
电荷耦合器件
电荷耦合摄像器件（ICCD）
电荷耦合器件的一个重要应用是作为摄像 器件，电荷耦合摄像器件可分为一维（线阵）的 和二维（面阵）两种，它们的功能都能把二维光 学图像信号转变成一维视频信号输出。它们的原 理是：首先用光学成像系统（光学镜头）将被摄 的景物图像成像在CCD的光敏面（光敏区）上， 在每一个光敏单元（MOS电容器）的势阱中贮存 与图像照度成正比的光生信号电荷一定完成了光 电转换和电荷的积累。然后，转移到CCD的移位 寄存器中，在驱动脉冲的作用下有顺序的转移和 输出，成为视频信号。
6.1 光电成像器件概述
光电成像器件概述 光电成像器件的类型
光电发射式摄像管 光电型 光电导式摄像管 真空电子束扫描型 光热型:热释电摄像管 扫描型 电荷耦合器件（CCD） 固体自扫描型 自扫描光电二极管阵列（SSPD） 电荷注入器件（CID） 光电成像器件 红外变像管 变像管 紫外变像管 X射线变像管 非扫描型 串联式像增强管 像增强管 级联式像增强管 微通道板式像增强管 负电子亲和势阴极像增强管
电荷耦合器件 电荷的检测（输出方式）
– 电流输出 – 浮置扩散放大器输出 – 浮置栅放大器输出
电荷耦合器件
特性参数 （1）转移效率η，转移损失率ε 设原有的信号电荷量为Q0，转移到下一个 电极下的信号电荷量为Q1，其比值
Q1 100% Q0
(6-21)
称为转移效率。 没有被转移的电荷量设为 Q ' ，则与原信 号电荷Q0之比 Q' 100% (6-22) Q0 称为转移损失率。
电荷耦合器件
工作原理
CCD是按一定规律排列的MOS（金属—氧化 物—半导体）电容器组成的阵列。在P型或N型硅衬 底上生长一层很薄（约1200）的二氧化硅,再在二 氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极 （栅极）,形成规则的MOS电容器阵列，再加上两 端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。 CCD以电荷作为信号。CCD的工作过程的主 要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
电荷耦合器件
工作原理 （2）电荷耦合
t2 时 刻 ,φ1 的 高 电 平 有 所 下 降 ,φ2 变 为 高 电 平 , 而 φ3仍是低电平。这样在电极 ②下面势阱最深 , 且和电极 1 下面势阱交迭 , 因此储存在 电极①下面势阱中的电荷逐 渐扩散漂移到电极②下的势 阱区。由于电极③上的高电 平无变化 , 所以仍高筑势垒 , 势阱里的电荷不能往电极③ 下扩散和漂移 。如 图（ b ） （c）(d)所示。
光电成像器件概述 成像原理
图6-2 光导电视摄像管
图6-3 图像各部分顺序传送过程
光电成像器件的基本特性 光谱响应 光谱响应取决于光电转换材料的光谱响应， 其短波限有时受窗口材料的吸收特性影响。
光电成像器件的基本特性
转换特性 –转换特性通常被定义为光电成像器件的输 出物理量与对应物理量的比值关系。转换特 性的参量有灵敏度（或响应度）、转换系数 及亮度增益等。
电压降低的多少与光强成比例 , 实现把图像的像素图转换 为相应的电荷图 , 并把电荷图暂存起来。当用电子束再次逐点 扫描时,如图1(b)所示形成闭合电路,(电子束)所放出的电荷量使 C充电。充电电流大小与小单元电压降低的程度成正比。充电 电流流过负载电阻 RL,从而输出与强弱程度不同的光成正比的 电压信号。根据这样的工作原理来扫描二维的光电膜表面 , 就 可获得二维图像信号 ,完成各个像素信号的依次读出。电子束 的偏转有电磁方式和静电方式两种。为使电子加速必须外加 300~600V的电压。
h 2
fL
1 3
电荷耦合器件
（3）电荷贮存容量 表示在电极下的势阱中能容纳的电荷量 。
Q Cox V A
如果SiO2氧化层的厚度为d，则每一个电极下 的势阱中，最大电荷贮存容量 ：
N max Cox V A V 0 s A q d
电荷耦合器件
（4）CCD的噪声
电荷耦合器件
工作原理 （1）电荷存储
CCD的基本结构是MOS结构，它是一种工作在非稳态的器件。以P 型衬底MOS结构为例，若在栅极上加正电压,衬底接地,则带正电 的空穴被排斥离开Si-SiO2界面,带负电的电子被吸引到紧靠SiSiO2界面。当电压高到一定值,形成对电子而言的所谓势阱,电子 一旦进入就不能复出。电压愈高,产生的势阱愈深。可见MOS电 容器具有存储电荷的功能。
电荷耦合器件
（3）电荷的注入和检测（输入和输出）
CCD 的输入实际上是对光信号或电信号进行电荷取样，并 把取样的电荷存储于 CCD 的势阱中，然后在时钟脉冲的作用下， 把这些电荷转移到 CCD 的输出端。信号的输入有光注入和电注 入两种方式。 CCD 作摄像光敏器件时，其信号电荷由光注入产 生。器件受光照射时，光被半导体吸收，产生电子 - 空穴对，