第四章光电成像器件.ppt

知识回顾 可擦重写光盘 写 读 擦激光脉冲与其效应的相变过程 知识回顾 可擦重写光盘 磁光介质的写 读 擦原理示意图 知识回顾 持续光谱烧孔光存储示意图 知识回顾 电子俘获材料的能级分布 知识回顾 第四章光电成像器件 光电成像器件是能够输出图像信息的一类器件 摄像器件 使光学图像变成视频信号 摄像管 电荷耦合器件 CMOS图像传感器像管 使光学图像增强或改变光谱 像增强器 变像管 摄像头 一 光电成像器件的类型 光电成像器件 成像原理 扫描型 非扫描型 真空电子束扫描 固体自扫描 CCD 光电型 热电型 热释电摄像管 光电发射式摄像管 光电导式摄像管 变像管 完成图像光谱变换 红外变像管 紫外变像管 X射线变像管 像增强管 图像强度的变换 串联式 级联式 微通道板式 负电子亲和势阴极 常由像敏面 电子透镜 显像面构成 二 光电成像器件的基本特性 P261 1 光谱响应 相对灵敏度 波长 1 2 3 1 多碱氧化物光阴极像管 属于外光电效应摄像管 光谱响应由光阴极材料决定 2 氧化铅摄像管 属于内光电效应的摄像管 光谱响应由靶材料决定 3 CCD摄像器件 光谱响应由硅材料决定 另热释电摄像管基于材料的热释电效应 光谱响应特性近似直线 2 转换特性 光电成像器件的输出量与对应的输入量的比值关系 变像管 转换系数C表示 光通量 辐通量 像增强管 亮度转换增益GL来表示 lm W 光出射度 光照度 无量纲 亮度 cd lm 摄像器件 灵敏度S表示 电视系统 光电导材料的 值来表示 视像管的信号电流 常数 视像管靶面照度 1 强光信号被压缩 1 光信号无变化 1 弱光信号被提高 灰度系数 3 分辨率 表示能够分辩图像中明暗细节的能力 极限分辨率 主观 人眼观察分辩专门测试卡成像在靶面上且在荧光屏上显示出的最细线条数 调制传递函数 客观 简称MTF 输出调制度与输入调制度之比 MTF随频率增加而衰减 一般将MTF值为10 所对应的线数定为摄像管的极限分辨率 光电成像原理 同步扫描 视频信号 景物 光学成像 光电变换 图像分割 传送 同步扫描 视频解调 图像再现 摄像部分 显像部分 光电成像系统原理方框图 三 光电成像原理与电视摄像制式 三 光电成像原理与电视摄像制式 光学成像 光学物镜将景物所反射出来的光成像到光电成像器件的像敏面上形成二维光学图像 光电变换 光学成像器件将二维光学图像转变成二维 电气 图像的工作 图像分割 电气 图像的电气量在二维空间的分布与光学图像的光强分布保持着线性对应关系 组成一幅图像的最小单元称作像素 像素单元的大小或一幅图像所含像素数决定了图像的清晰度 像素数愈多 或像素几何尺寸愈小 反映图像的细节愈强 图像愈清晰 图像质量愈高 这就是图像分割 景物 光学成像 光电变换 图像分割 同步扫描 视频信号摄像部分 三 光电成像原理与电视摄像制式 同步扫描 按着一定的规律将所分割的电气图像转变成一维时序信号 即将电气图像从左向右 又从上向下的规律输出即为扫描 视频信号 由于监视器的显象管几乎都是利用电子束扫描荧光屏 便可在显象管上获得可供观察的图像 三 光电成像原理与电视摄像制式 摄像头 二维光学图像 一维时序电信号 还原二维光学图像 传输和接收规则 电视制式 按照电视制式输出的一维时序电信号称为视频信号 摄像是将空间分布的光学图像信号转换为一维时间变化的视频信号的过程 完成这一过程的功能器件称为摄像器件 1 扫描 光电图像 将光电图像分割为很多细小的单元 称为像素 图像的分割与象素 1 扫描 电信号 光电图像 按一定规律依次将图像中的每一像素的电 电荷 信号读出的过程 称为扫描 图像的分割与象素 一帧 一行 从左向右的扫描称为行扫描 扫描点从起始点出发再次回到该点 输出的全部图像信息称为一帧 1 扫描 行 帧 一场 从上向下的扫描称为场扫描 正程和逆程 1 扫描 隔行扫描方式 逐行扫描方式 1 扫描 两种扫描方式 逐行扫描方式 根据人眼视觉时间特性 无闪烁显示活动图象要高于48次 秒刷新速率 帧频 50Hz 行数 625 行频 降低行频 隔行扫描方式 1 扫描 两种扫描方式 隔行扫描方式 一帧分为两场 奇数场 偶数场 1 3 5 2 4 6 隔行扫描方式 根据视觉时间特性 无闪烁地显示活动图象要高于48次 秒的刷新速率 场频 50Hz 帧频 25Hz 无闪烁 降低行频 隔行扫描方式 逐行扫描方式 高清晰成像测量系统 工业民用电视系统 1 扫描 两种扫描方式 我国电视标准 P270 我国电视标准采用PAL制 场频fv 50Hz 帧频fZ 25Hz 隔行扫描 每帧625行 场周期TV 20ms 行周期TH 64 s 视频信号带宽BW 6MHz 四 电真空摄像管结构原理 光电转换 信号存储 光电导式 热释电摄像管 1 三个基本功能 光像 电子枪 利用电子枪发射出来的电子束依次扫描靶面各像素 将靶面的电荷 或电势 图像有序地转变成视频信号输出 这就完成了扫描输出的功能 a 光电发射式摄象管b 光电导式摄象管 分类 光电摄像器件的工作过程 1 光电转换 光学图像投射到器件光敏面上 以象素为单元分别进行光电转换 形成电量的潜像 2 光电信号的存储 每个象素在扫描周期内对转换的电量进行存储 3 扫描 扫描线按一定轨迹逐点采集转换后的电量 形成输出信号 1 光电发射体 光电阴极光照下光电阴极产生与光通量成正比的光电子流 既可利用光电子流进行放大处理作为信号输出 也可以利用以光电子发射而提高的光电阴极电位作输出 1 光电变换部分 2 光电导体光照时靶的电导率升高 正电荷顺电场方向移动而积累 电位升高 升高量与光照相对应 工作原理 光电子发射 导体内有电流 移走的电子数或留下的正电荷数 发射的电子数或留下的正电荷数 信号 光电转换介质 变换方式 光电变换部分 管子结构 氧化铅PIN靶 PIN光电靶 反向偏置 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 视象管的基本结构 光导靶和电子枪 1 光导靶由光窗 信号板和靶组成 靶面的轴向电阻小 横向电阻大 有利于保持光电转换形成电量的潜象 并在扫描周期内实现积分存储 氧化铅靶 靶的成象面一边为N PbO 扫描面一边为P PbO 两者之间夹着一层 相对 很厚的本征氧化铅I PbO 因而具有PIN结构 每个象元 象素 有序的转化为视频电信号 帧图像可分成四十多万个像元 每个像元可用一个电阻和电容c来等效 电容c起存储信息的作用 电阻R随着光照度的增大而变小 无光照时R为暗电阻R0 光照后变为Rc E 是与照度有关的变量 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 光电导靶 视象管 光进入到每个PN结区将产生电子 空穴对 它们被结的内电场分离以后 光生的电子通过信号板等外电路入地 光生的空穴则被积累于P型岛上 如果光照是均匀的 靶的扫描面电位只是均匀地升高 如果光照不均匀 是一幅光学图象 则扫描面上各P型岛的电势分布 将正比于入射光学图象的亮度分布 亮度高的点 所对应的P型岛的电势也高 硅靶 灯丝 热阴极 控制栅极 各加速电极和聚焦电极 靶网电极和管外的聚焦线圈 偏转线圈 校正线圈等 它的作用是产生电子 并使它聚焦成很细的电子射线 按着一定的轨迹扫描靶面 电子枪 扫描输出信号 电子枪的作用是产生热电子 并使它聚焦成很细的电子射线 按着一定的轨迹扫描靶面 逐点地采集这些转换后的电量形成串行输出信号 2 电子束扫描输出 电真空摄像管由于其重量和体积的限制 其研究与发展已经告一段落 它正逐步被固体摄像器件所代替 知识回顾 光像 电子枪 利用电子枪发射出来的电子束依次扫描靶面各像素 将靶面的电荷 或电势 图像有序地转变成视频信号输出 这就完成了扫描输出的功能 知识回顾 靶的成象面一边为N PbO 扫描面一边为P PbO 两者之间夹着一层 相对 很厚的本征氧化铅I PbO 因而具有PIN结构 知识回顾 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 3电荷耦合器件 CCD图像传感器主要特点 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置精确 具有高的定位和测量精度信号与微机接口容易 CCD ChargeCoupledDevices 主要内容 一 CCD的结构与工作原理 二 CCD的主要特性参数 三 CCD摄像器件 CCD 电荷存储 电荷转移 电荷注入 电荷输出 一 CCD的结构与工作原理 特点 以电荷作为信号 基本功能 电荷的存贮和转移 一 CCD的结构与工作原理 为什么称为电荷耦合器件 电荷 器件中的信息是以电荷形式出现的 不同于其他探测器的 电流 或 电压 耦合 器件内部信息的传递是通过势阱的藕合完成的 完全不同于电子枪的 扫描输出 形式 CCD光敏元显微照片 CCD读出移位寄存器的数据面显微照片 彩色CCD显微照片 放大7000倍 一 CCD的结构与工作原理 1CCD的单元结构 栅极电压Vg 0 p型半导体中均匀的空穴 多数载流子 分布 半导体中能量线延伸到表面并与表面垂直 栅极电压Vg 0 电场排斥电子吸引空穴 使表面电子能量增大 表面处能带向上弯曲 越接近表面空穴浓度越大 形成空穴积累层 栅极电压Vg 0 电场排斥空穴吸引电子 越接近表面空穴浓度越小 形成空穴耗尽层 栅极电压Vg 0 电场排斥空穴吸引电子 越接近表面空穴浓度越小 电子浓度甚至超过空穴浓度 形成反型层 半导体表面与衬底的电压 常称为表面势 用VG表示 外加电压越大 对应有越大的表面电势 能带弯曲的越厉害 相应的能量越低 储存电子的能力越大 通常称其为势阱 注入电子形成电荷包 表面势与势阱 势阱 施加正电压 空穴耗尽区 栅极正向电压增加时 势阱变深 改变UG 调节势阱深度 2 电荷的存储 耗尽区对于带负电的电子来讲是一个势能很低的区域 若注入电子 电场则吸引它到电极下的耗尽区 表面处构成了对 于电子的 陷阱 称之为表面势阱 势阱积累电子的容量取决于势阱的 深度 而表面势的大小近似与栅压VG成正比 MOS电容具有存储电荷的能力 当势阱中填满了电子 势阱中的电子不再增加了 便达到稳态 热平衡状态 因此信号电荷的储存必须在达到稳态之前完成 反型层的出现在SiO2衬底之间建立了导电机构 n型衬底 栅极加负电压 反型层是正电荷 称为p沟道 p型衬底 栅极加正电压 反型层是负电荷 称为n沟道 4信号电荷包的传输 1 通过控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅 使信号电荷包由势阱浅的位置流向势阱深的位置 2 必须使MOS电容阵列的排列足够紧密 以致相邻MOS电容的势阱相互沟通 即相互耦合 3 栅极脉冲电压必须严格满足位相时序要求 保证信号转移按确定方向进行 CCD中电荷包的转移 将电荷包从一个势阱转入相邻的深势阱 基本思想 调节势阱深度 利用势阱耦合 电荷包转移 MOS上三个相邻电极 每隔两个所有电极接在一起 由3个相位差120 时钟脉冲驱动 三相CCD中电荷包的转移过程 t1时刻 1为高电平 2 3为低电平 1电极下形成深势阱 储存电荷形成电荷包 t2 t3时刻 1电压线性减小 1电极下势阱变浅 2为高电平 2电极下形成深势阱 信号电荷从1电极向2电极转移 直到t3时刻 信号电荷全部转到2电极下 重复上述过程 信息电荷从2电极转移到3电极 到t5时刻 信号电荷全部转移到3电极下 经过一个时钟周期 信号电荷包向右转移一级 t6时刻信号电荷全部转移4电极下 依次类推 信号电荷依次由1 2 3 4 N向右转移直至输出 移位寄存器 电子 被吸入势阱 产生电子 空穴对 空穴 栅极电压排斥 2 信号电荷的注入 光注入 电注入 光注入 产生电子 空穴对 势阱内吸收的光电子数量与入射光势阱附近的光强成正比 一个势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个电荷包 光照射到光敏元上时 会产光生电子 空穴对 光生电子将被吸入势阱存储起来 空穴则被排斥到半导体的底侧 通常在半导体硅片上制有成千上万个相互独立的MOS光敏单元 如果在金属电极上加上正电压 则在半导体硅片上就形成成千上万的个相互独立的势阱 如果此时照射在这些光敏单元上是一副明暗起伏的图像 那么这些光敏元就会产生出一幅与光照强度相对应的光电荷图像 1 光注入当光照射CCD硅片时 在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对 其多数载流子被栅极电压排开 少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷 它有可分为正面照射式 背面照射式 其光注入电荷 材料的量子效率 入射光的光子流速率 光敏电压的受光面积 光注入时间 U U 势垒 P Si 背面照射式光注入 2 电注入 CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样 将信号电压或电流转换为信号电荷 电流注入法 ID uIN uID N IG P ID为源极 IG为栅极 而 2 为漏极 当它工作在饱和区时 输入栅下沟道电流为 经过Tc时间注入后 其信号电荷量为 ID IG 2 3 1 N P Si 电压注入法 与电流注入法类似 但输入栅极IG加与 2同位相的选通脉冲 在选通脉冲作用下 电荷被注入到第一个转移栅极 2下的势阱里 直到阱的电位与N 区的电位相等时 注入电荷才停止 往下一级转移前 由于选通脉冲的终止 IG的势垒把 2 N 的势阱分开 电荷注入量与时钟脉冲频率无关 由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化 直流偏置的输出栅极OG用来使漏扩散 时钟脉冲之间退耦 由于二极管反向偏置 形成一个深陷落信号电荷的势阱 转移到 2电极下的电荷包越过输出栅极 流入到深势阱中 UD RD Rg A 放大 P Si N 2 电荷的检测 1 电流输出 2 电荷的检测 1 电流输出 浮置扩散 T1 复位管 T2 放大管 Rg UDD 2 浮置扩散放大器输出 复位管在 2下的势阱未形成前 在RG端加复位脉冲 使复位管导通 把浮置扩散区剩余电荷抽走 复位到UDD 而当电荷到来时 复位管截止 由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管栅极电位变化 2 浮置扩散放大器输出 3 浮置栅放大器输出 如下图 浮栅 T2 UDD 1 3 2 3 T2的栅极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接 而是与沟道上面的浮置栅相连 当信号电荷转移到浮置栅下面的沟道时 在浮置栅上感应出镜像电荷 以此来控制T2的栅极电位 3 浮置栅放大器输出 如下图 习题讲解 光电倍增管的供电电路种类很多 可以根据应用的情况设计出各具特色的供电电路 本节介绍最常用的电阻分压式供电电路 习题讲解 考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应 各级的电子流按放大倍率分布 其中 阳极电流Ia最大 因此 电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等 但是 当流过分压电阻的电流IR远远大于Ia时 即IR Ia时 流过各分压电阻Ri的电流近似相等 工程上常设计IR大于等于10倍的Ia电流 IR 10Ia 选择的太大将使分压电阻功率损耗加大 倍增管温度升高导致性能的降低 以至于温升太高而无法工作 习题讲解 R Ubb IR 各分压电阻Ri为 而R1应为 第一级和阴极距离较远 最后一级电流容易饱和 R1 1 5Ri 选定电流后 可以计算出电阻链分压器的总阻值R 习题讲解 电源电压 极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数 或管子的增益G 因此 根据增益G的要求可以设计出极间供电电压UDD与电源电压Ubb 由 可以计算出UDD与Ubb 习题讲解 末极的并联电容 习题讲解 习题讲解 末极的并联电容 当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时 末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化 引起光电倍增管增益的起伏 将破坏信息的变换 在末3极并联3个电容C1 C2与C3 通过电容的充放电过程使末3级电压稳定 电容C1 C2与C3的计算公式为 式中N为倍增极数 Iam为阳极峰值电流 为脉冲的持续时间 UDD为极间电压 L为增益稳定度的百分数 习题讲解 电源电压的稳定度 可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度的关系 对锑化铯倍增极 习题讲解 由于光电倍增管的输出信号Uo GSk vRL 因此 输出信号的稳定度与增益的稳定度有关 对银镁合金倍增极 在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级 例如 当要求输出电压稳定度为1 时 则要求电源电压稳定度应高于0 1 知识回顾 1CCD的单元结构 知识回顾 栅极电压Vg 0 电场排斥空穴吸引电子 越接近表面空穴浓度越小 形成空穴耗尽层 栅极电压Vg 0 电场排斥空穴吸引电子 越接近表面空穴浓度越小 电子浓度甚至超过空穴浓度 形成反型层 知识回顾 半导体表面与衬底的电压 常称为表面势 用VG表示 外加电压越大 对应有越大的表面电势 能带弯曲的越厉害 相应的能量越低 储存电子的能力越大 通常称其为势阱 注入电子形成电荷包 表面势与势阱 知识回顾 电荷包转移 知识回顾 电子 被吸入势阱 产生电子 空穴对 空穴 栅极电压排斥 光注入 产生电子 空穴对 材料的量子效率 入射光的光子流速率 光敏电压的受光面积 光注入时间 知识回顾 由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化 直流偏置的输出栅极OG用来使漏扩散 时钟脉冲之间退耦 由于二极管反向偏置 形成一个深陷落信号电荷的势阱 转移到 2电极下的电荷包越过输出栅极 流入到深势阱中 UD RD Rg A 放大 P Si N 2 电荷的检测 1 电流输出 二 CCD的分类 表面沟道电荷耦合器件 SCCD 信号电荷存储在半导体与绝缘体之间的界面 并沿界面传输 体内沟道或埋沟道电荷耦合器件 BCCD 信号电荷存储在离半导体表面一定深度的体内 并在半导体内部沿一定方向传输 按电荷转移的沟道分 按光敏元的排列分 线阵CCD 面阵CCD 1 转移效率 损耗率 6 暗电流 4 光谱响应特性 3 光电转换特性 5 分辨率 2 工作频率 7 动态范围 三 CCD的特性参数 三 CCD的特性参数 转移效率 当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时 若Q1为转移的电荷量 Q0为原始电荷 转移损失率 表示残留于原势阱中的电量Q与原电量Q0之比定义为转移损耗 若CCD有n个栅极板时 则总转移效率为 1转移效率和转移损失率 1 所以表面沟道CCD在使用时 为了减少损耗 提高转移效率 常采用偏置电荷技术 即在接收信息电荷之前 就先给每个势阱都输入一定量的背景电荷 使表面态填满 提高转移效率的方法 预先输入一定的背景电荷 零信号也有一定电荷 胖零 fatzero 技术 2 采取体内沟道的传输形式 有效避免了表面态俘获 提高了转移效率和速度 2工作频率 a 工作频率的下限f下 取决于非平衡载流子的平均寿命 c 电荷包在相邻两电极之间的转移时间t t c 三相CCD 二相CCD b 工作频率的上限f上 三相CCD 电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间 在低照度下 CCD的输出电压与照度有良好的线性关系 照度超过1001x以后 输出有饱和现象 3光电特性 4光谱特性 44万 768 576 100万 1024 1024 200万 1600 1200 600万 2832 2128 CCD光谱响应与光敏面结构 光束入射角及各层介质的折射率 厚度 消光系数等多个因素有关 5分辨率 实际中 CCD器件的分辨率一般用像素数表示 像素越多 则分辨率越高 四 CCD摄像器件 2048 2048面阵CCD 5000像元线阵CCD 1 三相单沟道线阵CCD 2 双沟道线阵CCD 3 面阵CCD摄像器件 1 三相单沟道线阵CCD 放大器 结构 转移栅 光敏区 CCD移位寄存器 1线阵列CCD摄象器件 放大器 工作过程 光敏区 转移栅 移位寄存器 1 三相单沟道线阵CCD 工作过程 三相时钟脉冲 视频信号输出 1 三相单沟道线阵CCD 光敏区 转移栅 移位寄存器 放大器 特点 单沟道传输的特点是结构简单 但电荷包转移所经过的极板数多 传输效率低 1 三相单沟道线阵CCD 2 双沟道线阵CCD 特点 双通道传输的特点是结构复杂一些 但电荷包转移所经过的极板数只是单侧传输的一半 所以损耗小 传输效率高 2面阵列CCD摄象器件 帧转移面阵CCD 成像区 暂存区 水平读出寄存器 2面阵列CCD摄象器件 1 结构 成像区 暂存区 场正程期间 场逆程期间 光学图像 电荷包图像 电荷包图像 2 工作过程 暂存区 场正程期间 水平读出寄存器 行逆程期间 行正程期间 电荷包图像 暂存区 场正程期间 水平读出寄存器 行逆程期间 暂存区的信号电荷产生一行平移 行正程期间 电荷包图像 暂存区 场正程期间 水平读出寄存器 行逆程期间 行正程期间 电荷包图像 水平读出寄存器输出一行视频信号 暂存区 场正程期间 水平读出寄存器 行逆程期间 暂存区的信号电荷产生一行平移 行正程期间 电荷包图像 暂存区 场正程期间 水平读出寄存器 行逆程期间 行正程期间 电荷包图像 水平读出寄存器输出一行视频信号 暂存区 场正程期间 水平读出寄存器 行逆程期间 行正程期间 电荷包图像 暂存区的信号电荷产生一行平移 暂存区 场正程结束时 水平读出寄存器 行逆程期间 行正程期间 电荷包图像 水平读出寄存器输出一行视频信号 工作过程 面阵CCD摄像器件 小结 成像区 暂存区 水平读出寄存器 场正程 场逆程 结构 图像 电