光电检测技术讲义稿2.pdf

光电检测技术 赵 斌 机械学院 仪器系 2 6 光电成像器件光电成像器件 光电图像传感器光电图像传感器 光电图像传感器概述光电图像传感器概述 光电成像原理与电视制式光电成像原理与电视制式 变像管和像增强器 像管 变像管和像增强器 像管 真空摄像管真空摄像管 电荷耦合器件 电荷耦合器件 CCD 互补金属氧化物半导体 互补金属氧化物半导体 CMOS 光电图像传感器概述光电图像传感器概述 1934年 年 Vladimir Kosma Zworykin 研制出光电摄像管 研制出光电摄像管 Iconoscope 一 光电图像传感器发展历史一 光电图像传感器发展历史一 光电图像传感器发展历史一 光电图像传感器发展历史 用于室内外的用于室内外的 广播电视摄像 灵广播电视摄像 灵 敏度很低 信噪比敏度很低 信噪比 很低 需要高于很低 需要高于 10000lx的照度才能的照度才能 获得较为清晰的图获得较为清晰的图 像 应用受到限制 像 应用受到限制 Vladimir Vladimir KosmaKosma ZworykinZworykin 18891889 19821982 1923年 Vladimir Kosma July 29 O S July 17 1888 July 29 1982 was a Russian American inventor engineer and pioneer of television technology Zworykin invented a television transmitting and receiving system employing cathode ray tubes He played a role in the practical development of television from the early thirties including charge storage type tubes infrared image tubes and the electron microscope Vladimir K Zworykin s patent 1923 Philips Iconoscope tube 1930 The first Philips Iconoscope tube early 1930 s To the right the complete experimental camera for 180 TV lines displayed in the Philips laboratory Boris Rosing Boris Lvovich Rosing Russian 1869 1933 was a Russian scientist and inventor in the field of television 1 Born to a family of Swedish descent Rosing first envisioned a Television system using the CRT on the receiving side in 1907 Rosing filed a patent application in Germany on November 26 1907 and on the improved version of his system on March 2 1911 He followed up with a demonstration of which a report was published in the Scientific American with diagrams and full description of the invention s operation Rosing s invention expanded on the designs of Paul Nipkow and his mechanical system of rotating lenses and mirrors Accordingly Rosing s system employed a mechanical camera device but used very early cathode ray tube developed in Germany by Karl Ferdinand Braun as a receiver The system was primitive but it was definitely one of the first experimental demonstrations where the cathode ray tube was employed for the purposes of television According to the generally established view V K Zworykin was a pupil of Rosing and assisted him in some of his laboratory work Rosing continued his television research until 1931 when he was exiled as a counter revolutionary to Kotlas without right to work but in 1932 was moved to Archangelsk where took up physics department of Forestry Institute Rosing died in exile in 1933 of cerebral haemorrhage Vidicon video camera tube Philo Taylor Farnsworth 1906 1971 1947年 超正析像管 年 超正析像管 Imaige Orthicon 灵敏度有所提高 灵敏度有所提高 但是最低照度仍要求在但是最低照度仍要求在2000lx以上 以上 1954年 高灵敏视像管 年 高灵敏视像管 Vidicon 基本具有了成本低 体积小 结构简单的特点 基本具有了成本低 体积小 结构简单的特点 使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展 使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展 1965年 氧化铅视像管年 氧化铅视像管 PlumbiconPlumbicon 取代超正析像管 发展了彩色电视摄像机 取代超正析像管 发展了彩色电视摄像机 诞生诞生1英寸 英寸 1 2英寸 英寸 1 3英寸 英寸 8mm 靶面的彩色摄像机 靶面的彩色摄像机 抗强光的能力低 余辉效应影响了采样速率 抗强光的能力低 余辉效应影响了采样速率 1970年 电荷耦合器件 CCD 1970年 电荷耦合器件 CCD 美国贝尔电话实验室 使图像传感器从真空电子束扫描方式美国贝尔电话实验室 使图像传感器从真空电子束扫描方式 发展成为固体自扫描输出方式 发展成为固体自扫描输出方式 1976年 硒靶管年 硒靶管 SaticonSaticon 和硅靶管 和硅靶管 SiticonSiticon 灵敏度更高 成本更低 灵敏度更高 成本更低 The huge 4 5 EEV 9224 Image Orthicon with in front a 2 3 Vidicon tube 4 1 2 B W Image Orth 3 B W Image Orth 1 Color Plumbicon 3 4 Color Plumbicon www pharis http members chello nl h dijkstra 19 page4 html 19701970年年 美美国国贝贝尔尔电电话话实实验验室室发发现现的的电电荷荷耦耦合合器器件件 C CCDCD 的的原原理理 使图使图像传像传感器感器的发的发展进展进入了入了一个一个全新全新的阶的阶段 使图像传感器从真空段 使图像传感器从真空 电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式 电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式 具有固体器件的所有优点 具有固体器件的所有优点 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 即线性失真 即CCD图像传感器的输出信号能够不失真地将光学图像传感器的输出信号能够不失真地将光学 图像转换成视频电视图像 图像转换成视频电视图像 体积 重量 功耗和制造成本是电子束摄像管无法达到的 体积 重量 功耗和制造成本是电子束摄像管无法达到的 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 像传感器的新时代 CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品 图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品 CCD图像传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题 图像传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题 主要应用 主要应用 广播电视 工业电视 医用电视 广播电视 工业电视 医用电视 军用电视 微光与红外电视技术军用电视 微光与红外电视技术 机器视觉 机器视觉 公安刑侦 公安刑侦 交通指挥 交通指挥 安全监控 安全监控 扫描型 间接成像 图像传感器件工作原理 扫描型 间接成像 图像传感器件工作原理 通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像转通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像转 换成一维时序信号 视频信号 输出来 视频信号通过信号放大换成一维时序信号 视频信号 输出来 视频信号通过信号放大 和同步控制等处理后 通过相应的显示设备 如监视器 还原成和同步控制等处理后 通过相应的显示设备 如监视器 还原成 二维光学图像信号 或者将视频信号经二维光学图像信号 或者将视频信号经A D转换为具有某种规范转换为具有某种规范 制式 的数字信号 经数字传输后 通过显示设备 如数字电 制式 的数字信号 经数字传输后 通过显示设备 如数字电 视 还原成二维光学图像 视 还原成二维光学图像 典型器件 真空摄像管 电子束扫描 典型器件 真空摄像管 电子束扫描 CCD 固体自扫描 固体自扫描 主要应用 广播电视主要应用 广播电视 非扫描型 直视型 直接成像 非扫描型 直视型 直接成像 非扫描型 直视型 直接成像 非扫描型 直视型 直接成像 图像传感器工作原理图像传感器工作原理图像传感器工作原理图像传感器工作原理 景物经物镜成像在光电阴极上 光电阴极将光学图像转变成电景物经物镜成像在光电阴极上 光电阴极将光学图像转变成电 子图像 再经电子透镜增强并聚焦在荧光屏上 引起荧光材料发光 子图像 再经电子透镜增强并聚焦在荧光屏上 引起荧光材料发光 荧光屏上每点的亮度与光电阴极上对应点的光强度成正比 于是在荧光屏上每点的亮度与光电阴极上对应点的光强度成正比 于是在 荧光屏上成了可见的景物图像 由此可见 直接成像器件包括图像荧光屏上成了可见的景物图像 由此可见 直接成像器件包括图像 转换 像增强及显示三部分 转换 像增强及显示三部分 典型器件 变像管 像增强器典型器件 变像管 像增强器 主要应用 夜视技术 检测测量主要应用 夜视技术 检测测量 直接成像器件和间接成像器件的主要区别 直接成像器件内部没有扫描机构 不能输出 视频信号 而是直接成像在荧光屏上 使用 时就跟使用望远镜去观察远处景物一样 观 察者必须通过它来直接面对景物 光电成像原理与电视制式光电成像原理与电视制式 一 光电成像原理一 光电成像原理 光电成像系统由两部分构成 摄像系统光电成像系统由两部分构成 摄像系统 摄像机摄像机 与图像显示系统 与图像显示系统 摄像系统由光学成像系统 成像物镜 光电变换系统 同步扫描摄像系统由光学成像系统 成像物镜 光电变换系统 同步扫描 和图像编码等部分构成 输出全电视视频信号 和图像编码等部分构成 输出全电视视频信号 光电成像原理 光电成像原理 光学物镜将景物成像到光电成像器件的像敏面上形成光学物镜将景物成像到光电成像器件的像敏面上形成 二维光学图像 经光电成像器件将二维光学图像转变成二二维光学图像 经光电成像器件将二维光学图像转变成二 维电气图像 超正析像管为电子图像 视像管为电阻图像维电气图像 超正析像管为电子图像 视像管为电阻图像 或电势图像 面阵或电势图像 面阵CCD为电荷图像 然后进行图像分为电荷图像 然后进行图像分 割 并按照一定的规则将所分割的电气图像经扫描 真空割 并按照一定的规则将所分割的电气图像经扫描 真空 器件为电子束扫描 面阵器件为电子束扫描 面阵CCD采用转移脉冲方式将电荷包采用转移脉冲方式将电荷包 像素信号 输出 像素信号 输出 CMOS图像传感器采用顺序开通行 图像传感器采用顺序开通行 列开关的方式 转变成一维时序信号 视频信号 将视列开关的方式 转变成一维时序信号 视频信号 将视 频信号送入监视器 控制显像管电子枪的强度 显像管电频信号送入监视器 控制显像管电子枪的强度 显像管电 子枪与摄像管的电子枪作同步扫描 可将摄像管摄取的图子枪与摄像管的电子枪作同步扫描 可将摄像管摄取的图 像显示出来像显示出来 二 电视制式二 电视制式 电视的图像发送与接收系统中 图像的采集 摄像机 与电视的图像发送与接收系统中 图像的采集 摄像机 与 图像显示器必需遵守同样的分割规则才能获得理想的图像传输 图像显示器必需遵守同样的分割规则才能获得理想的图像传输 这个规则被称为电视制式 这个规则被称为电视制式 目前 正在应用中的电视制式一般有三种 目前 正在应用中的电视制式一般有三种 NTSC制 制 National Television System Committee 简称 简称N制 制 正交平衡调幅制 正交平衡调幅制 它是它是1952年由美国国家电视标准委员会指定的彩色电视广播年由美国国家电视标准委员会指定的彩色电视广播 标准 它采用正交平衡调幅的技术方式 故也称为正交平衡调幅标准 它采用正交平衡调幅的技术方式 故也称为正交平衡调幅 制 美国 加拿大等大部分西半球国家以及中国的台湾 日本 制 美国 加拿大等大部分西半球国家以及中国的台湾 日本 韩国 菲律宾等均采用这种制式 由于出道最早 它的缺点是传韩国 菲律宾等均采用这种制式 由于出道最早 它的缺点是传 送过程中容易出现色调失真送过程中容易出现色调失真 偏色偏色 PAL制 制 Phase Alternation Line 正交平衡调幅逐行倒相制 正交平衡调幅逐行倒相制 它是西德在1962年指定的彩色电视广播标准 它采用逐行倒 相正交平衡调幅的技术方法 克服了NTSC制相位敏感造成色彩 失真的缺点 西德 英国等一些西欧国家 新加坡 中国大陆及 香港 澳大利亚 新西兰等国家采用这种制式 PAL制式中根据 不同的参数细节 又可以进一步划分为G I D等制式 其中 PAL D制是我国大陆采用的制式制是我国大陆采用的制式 SECAM制式 制式 S quential Couleur M moire 行轮换调频制 行轮换调频制 SECAM是法文的缩写 意为顺序传送彩色信号与存储恢复彩 色信号制 是由法国在1956年提出 1966年制定的一种新的彩色 电视制式 它也克服了NTSC制式相位失真的缺点 但采用时间 分隔法来传送两个色差信号 使用SECAM制的国家主要集中在法 国 东欧和中东一带 1 电视图像的宽高比 电视图像的宽高比 图像宽度 高度之比 一般为图像宽度 高度之比 一般为4 3 2 帧频与场频 帧频与场频 帧频为每秒钟电视屏幕变化的数目 一般场频为帧频为每秒钟电视屏幕变化的数目 一般场频为50赫兹 帧频赫兹 帧频 为为25赫兹 在电视中采用隔行扫描的方式 赫兹 在电视中采用隔行扫描的方式 3 扫描行数与行频 扫描行数与行频 帧频与场频确定后 电视扫描系统中还需要确定的参数是每场帧频与场频确定后 电视扫描系统中还需要确定的参数是每场 扫描的行数 或电子束扫描一行所需要的时间 又称为行周期 扫描的行数 或电子束扫描一行所需要的时间 又称为行周期 行周期的倒数称为行频 行周期的倒数称为行频 我国现行电视制式 我国现行电视制式 PAL制式 的主要参数为 制式 的主要参数为 宽高比宽高比 4 3 场频 场频fv 50 Hz 行频 行频fl 15 625 Hz 场周期场周期T 20ms 其中场正程扫描时间为其中场正程扫描时间为18 4ms 逆程扫描时间为 逆程扫描时间为1 6ms 行周期为行周期为64 s 其中行正程扫描时间为其中行正程扫描时间为52 s 逆程扫描时间为 逆程扫描时间为12 s 4 扫描方式扫描方式 1 逐行扫描 逐行扫描 显像管的电子枪装有水平与垂直两个方向的偏转线圈 线圈中显像管的电子枪装有水平与垂直两个方向的偏转线圈 线圈中 分别流过锯齿波电流 电子束在偏转线圈形成的磁场作用下同时进分别流过锯齿波电流 电子束在偏转线圈形成的磁场作用下同时进 行水平方向和垂直方向的偏转 完成对显像管荧光屏的扫描 行水平方向和垂直方向的偏转 完成对显像管荧光屏的扫描 场正程时间场正程时间场正程时间场正程时间 场逆程时间场逆程时间场逆程时间场逆程时间 场周期场周期场周期场周期 行正程时间行正程时间行正程时间行正程时间 行逆程时间行逆程时间行逆程时间行逆程时间 2 隔行扫描 隔行扫描 根据人眼对图像分辨能力 扫描的水平行数至少应大于根据人眼对图像分辨能力 扫描的水平行数至少应大于 600行 这对于逐行扫描方式 行扫描频率必须大于行 这对于逐行扫描方式 行扫描频率必须大于29000Hz 才能保证人眼视觉对图像的最低要求 才能保证人眼视觉对图像的最低要求 这样高的行扫描频率 无论对摄像系统还是对显示系统都这样高的行扫描频率 无论对摄像系统还是对显示系统都 提出了更高的要求 为了降低行扫描频率 又能保证人眼视觉提出了更高的要求 为了降低行扫描频率 又能保证人眼视觉 对图像分辨率及闪耀感的要求 早在对图像分辨率及闪耀感的要求 早在20世纪初 人们就提出了世纪初 人们就提出了 隔行扫描分解图像和显示图像的方法 隔行扫描分解图像和显示图像的方法 要求隔行扫描必须满足下面两个要求 要求隔行扫描必须满足下面两个要求 第一 要求下一帧图像的扫描起始点应与上一帧起始点相第一 要求下一帧图像的扫描起始点应与上一帧起始点相 同 确保各帧扫描光栅重叠 同 确保各帧扫描光栅重叠 第二 要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌 确保获得最高第二 要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌 确保获得最高 的清晰度 的清晰度 从第一条要求考虑 每帧扫描的行数应为整数 若在各场从第一条要求考虑 每帧扫描的行数应为整数 若在各场 扫描电流都一样的情况下 要满足第二条要求 每帧均应为奇扫描电流都一样的情况下 要满足第二条要求 每帧均应为奇 数 那末 每场的扫描行数就要出现半行的情况 数 那末 每场的扫描行数就要出现半行的情况 目前 我国现行的目前 我国现行的 隔行扫描电视制式隔行扫描电视制式 就是每帧扫描行数就是每帧扫描行数 为为625行 一帧由二行 一帧由二 场构成 每场扫描场构成 每场扫描 行数为行数为312 5行 行 隔行扫描是将一幅画面分成相间的两部分处隔行扫描是将一幅画面分成相间的两部分处理和传输 最后叠加成完整图像理和传输 最后叠加成完整图像 显示 由于视觉暂留效应 人眼将会看到显示 由于视觉暂留效应 人眼将会看到平滑的运动而不是闪动的半帧半帧的图平滑的运动而不是闪动的半帧半帧的图 像 其优点是只要原来一半的频率资源就像 其优点是只要原来一半的频率资源就可以获得比较稳定的图像 缺点是图像可以获得比较稳定的图像 缺点是图像 垂直分辨率降低一半 并且出现闪烁 扭垂直分辨率降低一半 并且出现闪烁 扭曲等现象 当屏幕的内容是横条纹时 曲等现象 当屏幕的内容是横条纹时 这种闪烁特别容易被注意到 长期观看容易伤害视力 这种闪烁特别容易被注意到 长期观看容易伤害视力 逐行扫描是每一场都显示整幅图像画面 采逐行扫描是每一场都显示整幅图像画面 采用这种技术处理的图像 画面清用这种技术处理的图像 画面清 晰度 稳定性比隔行扫描有飞跃性的提高晰度 稳定性比隔行扫描有飞跃性的提高 整体画面细腻逼真 动态失真小 长 整体画面细腻逼真 动态失真小 长 期观看不易产生视力疲劳 期观看不易产生视力疲劳 数字高清电视的数字高清电视的720p 1080i和和1080p是由美国电影电视工程师协会确定的高是由美国电影电视工程师协会确定的高 清标准格式 清标准格式 i 表示隔行 表示隔行 P 表示逐行表示逐行 其中其中1080p被称为目前数字电视的顶被称为目前数字电视的顶 级显示格式 这种格式的电视在逐行扫描下能够达到级显示格式 这种格式的电视在逐行扫描下能够达到1920 1080的分辨率 但只的分辨率 但只 有接收了高清电视频道信号 才能发挥其性能 有接收了高清电视频道信号 才能发挥其性能 变像管和像增强器 像管 变像管和像增强器 像管 非扫描型 直视型 非扫描型 直视型 变像管是一种能把各种不可见光变像管是一种能把各种不可见光 红外 紫外和 红外 紫外和X射线 辐射图像射线 辐射图像 转化成可见光图像的真空光电成像器件 转化成可见光图像的真空光电成像器件 像增强器能把微弱的辐射图像增强到可使人眼直接观察的真空光电像增强器能把微弱的辐射图像增强到可使人眼直接观察的真空光电 成像器件 也称为微光管 微光像增强器 成像器件 也称为微光管 微光像增强器 统称为像管 都具有光谱变换和图像增强的功能 统称为像管 都具有光谱变换和图像增强的功能 An image intensifier tube is a vacuum tube device for increasing the intensity of available light in an optical system to allow use under low light conditions such as at night to facilitate visual imaging of low light processes such as fluorescence of materials to X rays or gamma rays or for conversion of non visible light sources such as near infrared or short wave infrared to visible 明朗夏天采光良好的室内照度大致在明朗夏天采光良好的室内照度大致在100至至 500lx之间之间 太阳直射时的地面照度可以达到太阳直射时的地面照度可以达到10万万lx 满月在天顶时的地面照度大约是满月在天顶时的地面照度大约是0 2lx 夜间无月时的地面照度只有夜间无月时的地面照度只有10 4lx数量级数量级 像增强器件的工作条件是环境照度低于10像增强器件的工作条件是环境照度低于10 1 1lx lx 一 变像管结构和工作原理变像管结构和工作原理 红外 紫外或X射线红外 紫外或X射线 光电阴极 荧光屏 真空管 像管有三个基本部分 像管有三个基本部分 二是电子光学部分 即电子透镜 有电聚焦和磁聚焦两 种形式 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行加速 三是电光变换部分 即荧光屏 它可以使打到它上面的 电子图象变成可见光 一是光电变换部分 即光电阴极 它可以使不可见光图 象或亮度很低的光学图象 变成光电子发射图象 三 常用变像管常用变像管 1 红外变像管红外变像管 采用采用采用采用AgAg OO CsCs光电阴极 将红外辐射转变为可见光光电阴极 将红外辐射转变为可见光光电阴极 将红外辐射转变为可见光光电阴极 将红外辐射转变为可见光 成本低廉 制造容易 多应用于军事 公安等方面 成本低廉 制造容易 多应用于军事 公安等方面 成本低廉 制造容易 多应用于军事 公安等方面 成本低廉 制造容易 多应用于军事 公安等方面 供夜间侦察用 在民用方面 可用于暗室管理 物理供夜间侦察用 在民用方面 可用于暗室管理 物理供夜间侦察用 在民用方面 可用于暗室管理 物理供夜间侦察用 在民用方面 可用于暗室管理 物理 实验 激光器校淮和夜间观察生物活动等 实验 激光器校淮和夜间观察生物活动等 实验 激光器校淮和夜间观察生物活动等 实验 激光器校淮和夜间观察生物活动等 2 紫外变像管紫外变像管 紫外线指纹图像提取 紫外观察照相系统 利用短 波紫外线反射原理 经过紫外变像管或者其他的紫外 线成像装置 例如紫外CCD 将紫外线图像转换成 可见光图像 可对各种非渗透光滑客体表面的指纹 在未经粉末 染色 502熏显等常规处理的条件下 直接提取指纹图像 紫外线其他物证图像提取 根据不同物质对紫外线 吸收和反射性质的不同 紫外线成像法还经常被用于 血迹 精斑 咬痕 火炸药残留物等物证的图像提取 工作 紫外线也可以用作特殊物质的真伪鉴定 例如票据等 指纹图像紫外观察系统的优点 在光滑 非渗透客 体表面不用做任何化学及物理处理直接观察 搜索 发现 提取指纹 而且对于环境要求很低 无需暗室 环境 甚至在阳光下也能获得良好的指纹图像 全套 系统也可采用电池供电 便于现场使用 实时搜索 实时观察 实时拍摄 即 时存储 主要技术指标 1 相机类型 数字单反相机 2 波长响应范围 200nm 380nm 780nm 1100nm 3 像素 1010万像素改造 4 取景模式 光学取景 实时取景 5 影像感应器大小 22 2 14 8mm 6 影像类型 JPEG RAM 7 曝光模式 P AV TV M 8 镜头接环 佳能EF接环 9 存储介质 CF卡 10 感光度 相当于ISO100 1600 11 LED显示屏 3 0吋 12 介面 USB2 0 高速 13 机身尺寸 宽 高 厚 145 5 107 8 73 5mm 14 视频输出 NTSC PAL 15 电脑控制拍摄 EOS Utility2 2 16 定时 间隔拍摄 定时拍摄 0秒 至55分59秒之间 定时间隔拍摄 0秒至55分59秒之间 17 B门曝光 5秒至99分59秒之间 18 工作环境温度 0 40 3 X射线变像管射线变像管 四 常用像增强器常用像增强器 1 级联式像增强器级联式像增强器 由几个分立的单级像增强器组合而成 三级级联式像由几个分立的单级像增强器组合而成 三级级联式像由几个分立的单级像增强器组合而成 三级级联式像由几个分立的单级像增强器组合而成 三级级联式像 增强器属第一代像增强器增强器属第一代像增强器增强器属第一代像增强器增强器属第一代像增强器 这种3管式的图象增强管 亮度增益可达105 2 微通道板 微通道板 MCP 像增强器 像增强器 利用微通道的二次电子倍增原理 实现单级高增益图利用微通道的二次电子倍增原理 实现单级高增益图利用微通道的二次电子倍增原理 实现单级高增益图利用微通道的二次电子倍增原理 实现单级高增益图 像增强 属第二代像增强器像增强 属第二代像增强器像增强 属第二代像增强器像增强 属第二代像增强器 一般直流电压为一般直流电压为10kV的微通道板 可得到的微通道板 可得到105 106 的电子增益 整管很短 体积很小 便于与其它光电的电子增益 整管很短 体积很小 便于与其它光电 器件配用 器件配用 3 负电子亲和势光电阴极和第三代像增强器负电子亲和势光电阴极和第三代像增强器 第二代像增强器的微通道结构配以负电子亲和势光电第二代像增强器的微通道结构配以负电子亲和势光电第二代像增强器的微通道结构配以负电子亲和势光电第二代像增强器的微通道结构配以负电子亲和势光电 阴极 即为第三代像增强器阴极 即为第三代像增强器阴极 即为第三代像增强器阴极 即为第三代像增强器 19981998年 美国利顿公司年 美国利顿公司年 美国利顿公司年 美国利顿公司 Litton Industries Inc Litton Industries Inc 4 无离子障膜微通道板像增强器和第四代像增强器无离子障膜微通道板像增强器和第四代像增强器 电荷耦合器件 电荷耦合器件 CCD Charge Coupled Devices CCD 线阵CCD 面阵CCD 电荷耦合器件 CCD 电荷耦合器件 CCD Charge Coupled Devices Charge Coupled Devices MOS电容电容阵列阵列 在同一半导体衬底制成 上面生在同一半导体衬底制成 上面生 长均匀 连续的氧化层 在氧化层表面排列互相绝缘而且长均匀 连续的氧化层 在氧化层表面排列互相绝缘而且 距离极小的金属化电极 距离极小的金属化电极 Metal Oxide Semiconductor CCD的结构 二 线阵CCD图像传感器 1 电荷存储电荷存储 图图 a 在栅极在栅极G施加电压施加电压UG之前之前p型半导体中空穴的分布是均匀的 型半导体中空穴的分布是均匀的 图图 b 当栅极施加正电压当栅极施加正电压UG 此 此时时UG小于等于小于等于p型半导体的阈值电压型半导体的阈值电压Uth p 型半导体中的空穴将开始被排斥 产生所示耗尽区 型半导体中的空穴将开始被排斥 产生所示耗尽区 图图 c 电压继续增加 耗尽区将继续向半导体体内延伸 耗尽区的深度与电压继续增加 耗尽区将继续向半导体体内延伸 耗尽区的深度与UG成正成正 比 比 UG大于大于Uth后 此时半导体与绝缘体界面上的表面势后 此时半导体与绝缘体界面上的表面势 s很高 吸引到表面很高 吸引到表面 的电子浓度迅速增大 在表面形成一层极的电子浓度迅速增大 在表面形成一层极薄但电荷浓度很高的电子导电层 因为薄但电荷浓度很高的电子导电层 因为 其载流子和体内导电类型相反 因而称为反型层 其载流子和体内导电类型相反 因而称为反型层 热平衡态 饱和 当足够多的热电子汇热平衡态 饱和 当足够多的热电子汇集到表面时 势阱被电子逐渐填满时 集到表面时 势阱被电子逐渐填满时 此时耗尽层深度基本上不再随着外加栅压此时耗尽层深度基本上不再随着外加栅压的增加而增加 界面处电子浓度将等于的增加而增加 界面处电子浓度将等于 衬底空穴浓度 称此时的状态为衬底空穴浓度 称此时的状态为 强反型强反型 MOS电容达到了热平衡 电容达到了热平衡 非平衡态 如果不是逐渐增加栅压 而是加阶梯电压非平衡态 如果不是逐渐增加栅压 而是加阶梯电压UG Uth 则由于 则由于UG足够足够 大 界面处能带下弯到进入反型层 此时大 界面处能带下弯到进入反型层 此时 表面层虽是反型层 但电子尚未产 表面层虽是反型层 但电子尚未产 生 实质是空的电子势阱 此时半导体处于生 实质是空的电子势阱 此时半导体处于 非平衡态非平衡态 耗尽层的深度将超过热 耗尽层的深度将超过热 平衡态时的宽度 因此称为平衡态时的宽度 因此称为 深耗尽深耗尽 饱和状态下不存在有用的势阱 饱和状态下不存在有用的势阱 CCD必须工作在非热平衡的瞬态条件下 或者必须工作在非热平衡的瞬态条件下 或者 说要求信息电荷的存储时间小于热弛豫时间说要求信息电荷的存储时间小于热弛豫时间 从给栅极加电压的瞬间至达到饱 从给栅极加电压的瞬间至达到饱 和状态的时间 一般为和状态的时间 一般为1秒到几秒 好的硅材料可以做到数十秒 秒到几秒 好的硅材料可以做到数十秒 用半导体物理中的用半导体物理中的 势阱势阱 概念来描述 概念来描述 电子所以被加有栅极电压的电子所以被加有栅极电压的MOS结构吸引到半导体与氧化结构吸引到半导体与氧化 层的交界面处 是因为那里的势能最低 层的交界面处 是因为那里的势能最低 2 电荷耦合2 电荷耦合 传输或转移传输或转移 CCD器件每一单元 每一像素 称为一位 有器件每一单元 每一像素 称为一位 有256位 位 1024位 位 2160位等线阵位等线阵CCD CCD一位中含的一位中含的MOS电电 容个数即为容个数即为CCD的相数 通常有二相 三相 四相等几的相数 通常有二相 三相 四相等几 种结构 它们施加的时钟脉冲也分为二相 三相 四相 种结构 它们施加的时钟脉冲也分为二相 三相 四相 二相脉冲的两路脉冲相位相差二相脉冲的两路脉冲相位相差1800 三相及四相脉冲的 三相及四相脉冲的 相位差分别为相位差分别为1200 900 当这种时序脉冲加到 当这种时序脉冲加到CCD驱驱 动电路上循环时 将实现信号电荷的定向转移及耦合 动电路上循环时 将实现信号电荷的定向转移及耦合 三相表面沟道三相表面沟道CCD t t t 1 2 3 三相三相CCD驱动脉冲波形图驱动脉冲波形图 图所示TCD1206的相邻两像元 每一位含MOS电容2个 不对称势阱 每一位下两个 1 2 t t1时 t t2时 t t3时 t t4时 1 2 t1t2 t3 TCD1206二相驱动波形 1 2相位差1800 t4 at t1时 时 1电极处于高电平 而 电极处于高电平 而 2电极处于低电平 由于电极处于低电平 由于 1电极上栅压大于开启电压 故在 电极上栅压大于开启电压 故在 1下形成势阱 假设此时光下形成势阱 假设此时光 敏二极管接收光照 它每一位 每一像元 的电荷都从对应的敏二极管接收光照 它每一位 每一像元 的电荷都从对应的 1电极下放入势阱 电极下放入势阱 b t t2时 时 1电极上栅压小于 电极上栅压小于 2电极上栅压 故 电极上栅压 故 1电极下势阱电极下势阱 变浅 势阱变深 电荷更多流向 变浅 势阱变深 电荷更多流向 2电极下 电极下 由于势阱的不对称 由于势阱的不对称 性 性 左浅右深左浅右深 电荷只能朝右转移 电荷只能朝右转移 c t t3时 时 2电极处于高电平 而 电极处于高电平 而 1电极处于低电平 故电荷电极处于低电平 故电荷 聚集到 聚集到 2电极下 实现了电荷从 电极下 实现了电荷从 1电极下到 电极下到 2电极下的转移 电极下的转移 d 同理可知 同理可知 t t4时时 电荷包从上一位的 电荷包从上一位的 1电极下转移到下一位电极下转移到下一位 的 的 1电极下 因此 时钟脉冲经过一个周期 电荷包在电极下 因此 时钟脉冲经过一个周期 电荷包在CCD上移上移 动一位 动一位 3 信号的注入 输入 信号的注入 输入 当光照到当光照到CCD时 在栅极附近的耗尽区吸收光子时 在栅极附近的耗尽区吸收光子 产生电子产生电子 空穴对 在栅极电压的作用下 多数载流子空穴对 在栅极电压的作用下 多数载流子 空穴 流入衬底 少数载流子 电子 被收集在势 空穴 流入衬底 少数载流子 电子 被收集在势 阱中 存储起来 这样能量高于半导体禁带的光子 阱中 存储起来 这样能量高于半导体禁带的光子 可以用来建立正比于光强的存储电荷 可以用来建立正比于光强的存储电荷 常见方式有 常见方式有 正面照射和背面照射方式 正面照射和背面照射方式 Qin qNeoAtc 为材料的量子效率 为材料的量子效率 q为电子电荷量 为电子电荷量 Neo为入射光的光子流速 为入射光的光子流速 A为光敏单元的受光面积 为光敏单元的受光面积 tc为光的注入时间 为光的注入时间 4 电荷的检测 输出 4 电荷的检测 输出 CCD输出结构是将输出结构是将CCD传输和处理的信号电荷变换为传输和处理的信号电荷变换为 电流或电压输出 电流或电压输出 电荷输出结构有多种形式 如电流输出结构 浮置扩散电荷输出结构有多种形式 如电流输出结构 浮置扩散 输出结构 浮置栅输出结构等 输出结构 浮置栅输出结构等 浮置扩散放大器属于电压输出方式 目前采用较多 浮置扩散放大器属于电压输出方式 目前采用较多 注 注 浮置扩散浮置扩散 是指在是指在p型硅衬底表面用型硅衬底表面用V族杂质扩散族杂质扩散 形成小块的形成小块的n 区域 当扩散区不被偏置 即处于浮置 区域 当扩散区不被偏置 即处于浮置 状态工作时 称作状态工作时 称作 浮置扩散区浮置扩散区 浮置扩散放大器输出 浮置扩散放大器输出 FDA Floating Diffusion Amplifier 3VOG R R VRD T2 A C RL Vout VDD T3 T1 MOSFET 场效应管 场效应管 漏极漏极 栅极栅极 源极源极 直流偏置 直流偏置 输出栅 器件内部 总打开 输出栅 器件内部 总打开 复位脉冲 复位脉冲 R 放大管放大管T1 源跟随器 源跟随器 复位管复位管T2 工作在开关状态 工作在开关状态 输出二极管输出二极管T3 浮置扩散区 浮置扩散区 A点的等效电容点的等效电容C由由T3管的管的 结电容加上结电容加上T1管的栅电容管的栅电容 构成 它构成一个电荷积构成 它构成一个电荷积 分器 此电荷积分器随分器 此电荷积分器随T2 管的开与关 处于选通和管的开与关 处于选通和 关闭状态 称为选通电荷关闭状态 称为选通电荷 积分器积分器 以单沟道为例以单沟道为例 在与在与CCD同一芯片上集成了同一芯片上集成了 两个两个MOSFET 即复位管 即复位管T2 和放大管和放大管T3 6 几种常用的几种常用的CCD驱动方法驱动方法 CCD驱动时序产生方法多种多样 常用的方法有 这种方法用数字门电路及时序电路搭成CCD驱动时序电 路 一般由振荡器 单稳态触发器 计数器等组成 可 用标准逻辑器件搭成或可编程逻辑器件制成 特点是驱 动频率高 但逻辑设计比较复杂 1 直接数字电路驱动方法直接数字电路驱动方法 2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件CPLD 驱动频率和积分时间可以调节 3 单片机驱动方法单片机驱动方法 单片机产生CCD驱动时序的方法 主要依靠程序编 制 直接由单片机I O口输出驱动时序信号 时序信号是 由程序指令间的延时产生 这种方法的特点是调节时序 灵活方便 编程简单 但通常具有驱动频率低的缺点 如果使用指令周期很短单片机 高速单片机 则可以 克服这一缺点 在EPROM中事先存放驱动CCD的所有时序信号数 据 并由计数电路产生EPROM的地址使之输出相应的 驱动时序 这种方法结构简明 与单片机驱动方法相 似 4 EPROM驱动方法驱动方法 5 专用 专用IC驱动方法驱动方法 利用专用集成电路产生CCD驱动时序 集成度高 功 能强 使用方便 在大批量生产中 驱动摄像机等视频领 域首选此法 但在工业测量中又显得灵活性不好 可用可 编程逻辑器件法代替 专用IC驱动方法 7 线型CCD摄像器件的两种基本形式7 线型CCD摄像器件的两种基本形式 一个完整的一个完整的CCD器件由光敏元 转移栅 移位器件由光敏元 转移栅 移位 寄存器及一些辅助输入 输出电路组成 寄存器及一些辅助输入 输出电路组成 CCD工作工作 时 在设定的积分时间内 光敏元对光信号进行取时 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 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 处理设备中 可对信号再现或进行存储处理 1 单沟道线阵单沟道线阵CCD N N 1N 2 321 光敏区光敏区 转移区转移区 1 2 电荷进入 电荷进入 1 电荷从 电荷从 2进入进入T3 1 2 G0 S P sh RG VRD VOD T2 T3 T1 C RL 加 加 R脉冲脉冲 注 对双路输出 另一路的电荷从 注 对双路输出 另一路的电荷从 2进入进入T3 同一个 同一个 转移区转移区 移位寄存器移位寄存器 遮光遮光 转移栅 转移栅 入射光入射光 转移效率问题转移效率问题 2 双沟道线阵双沟道线阵CCD 它具有两列CCD模拟移位寄存器A与B 分列在像敏阵列的两边 六 面阵六 面阵CCD 1 帧转移面阵帧转移面阵CCD 1 由成像区由成像区 像敏区像敏区 暂存区和水平读出 暂存区和水平读出 寄存器等三部分构成 这三部分都是寄存器等三部分构成 这三部分都是 CCD结构 在暂存区和水平区光屏蔽 结构 在暂存区和水平区光屏蔽 光敏区与暂存区的列数和位数相等 且光敏区与暂存区的列数和位数相等 且 每一列相互衔接 场正程期间 成像区每一列相互衔接 场正程期间 成像区 收集电荷 当光积分时间到后 进入场收集电荷 当光积分时间到后 进入场 逆程 信号转到暂存区 暂存区与水平逆程 信号转到暂存区 暂存区与水平 区按行周期工作 一行一行的向下平区按行周期工作 一行一行的向下平 移 直至输出整场图像信号 移 直至输出整场图像信号 全帧读出型 帧转移型 行间转移型和帧行转移型全帧读出型 帧转移型 行间转移型和帧行转移型 2 2 行间转移型面阵行间转移型面阵行间转移型面阵行间转移型面阵CCDCCD interline interline 光敏区与转移区相间排列 它的结构相当光敏区与转移区相间排列 它的结构相当 于将若干个单沟道传输的线阵于将若干个单沟道传输的线阵CCD图像传图像传 感器按垂直方向并排 再在垂直阵列的尽感器按垂直方向并排 再在垂直阵列的尽 头设置一条水平头设置一条水平CCD 水平 水平CCD的每一位的每一位 与垂直列与垂直列CCD一一对应 相互衔接 在器一一对应 相互衔接 在器 件工作时 每当水平件工作时 每当水平CCD驱动一行信息读驱动一行信息读 完 就进入行消隐 在行消隐期间 垂直完 就进入行消隐 在行消隐期间 垂直 CCD向上传输一次 即向水平向上传输一次 即向水平CCD转移一转移一 行信号电荷 然后水平行信号电荷 然后水平CCD又开始新的一又开始新的一 行信号读出 以此循环 直至将整个一场行信号读出 以此循环 直至将整个一场 信号读完 进入场消隐 在场消隐期间 信号读完 进入场消隐 在场消隐期间 又将新的一场光信号电荷从光敏区转移到又将新的一场光信号电荷从光敏区转移到 各自对应的垂直各自对应的垂直CCD中 然后 又开始新中 然后 又开始新 一场信号的逐行读出 一场信号的逐行读出 TCD1209D为DIP22封装形式的双列直插型器件 外形尺寸为 器件的外形尺寸为总长41 6mm 宽10 16mm 高7 7mm 光敏单元 2048 总长为28 672mm 光敏单元距离器件表面玻璃为1 72mm 表面玻璃的厚度为0 7 0 1 mm 1 1 TCD1209DTCD1209D的外形尺寸的外形尺寸的外形尺寸的外形尺寸 1 单沟道线阵单沟道线阵CCD器件器件TCD1209D 2 TCD1209D的基本结构的基本结构 TCDl209D为典型的二相单沟道型线阵CCD图像传感 器 其基本结构 工作原理及驱动电路等都具有典型性 3 TCD1209D的驱动电路的驱动电路 TCD1209D的驱动器应产 生SH CR1 CR2 RS CP等5路 脉冲 其中转移脉冲的周期