光电检测技术7

2020 4 19 1 第五章光电成像器件 2 5 1概述 光电成像器件的类型 3 5 1概述 光电成像器件的基本特性1 光谱特性外光电效应摄像管 光阴极材料内光电效应摄像器件 视像管和CCD 靶和硅材料热释电摄像管 取决于材料的热释电效应器件的光谱响应与景物的辐射光谱匹配 第五章光电成像器件 4 5 1概述 第五章光电成像器件 光电成像器件的基本特性2 转换特性定义 光电成像器件的输出物理量与对应的输入物理量的比值关系主要参量 灵敏度 转换系数 亮度增益不同的像管采用不同的度量方法变像管 转换系数C像增强管 亮度转换增益GL摄像管 电流灵敏度S3 分辨率定义 器件能够分辨图像中明暗细节的能力极限分辨率 人眼能分辨的最细线条数调制传递函数MTF 输出调制度与输入调制度之比T f 5 5 2光电成像原理 光电成像原理 电视制式 宽高比 帧频 场频 行频 PAL NTSC SECAM 6 摄像管 摄制图像 存贮和处理 即将光学图像转变成适于处理和传递的时间序列的一维电信号 具体分为以下四个过程 1 光学图像转变成电荷 电位 图像 2 对电荷图像进行存贮和积累 3 对电信号进行放大和增强 4 对存贮电荷图像的各个像素进行序扫描 输出与输入信息成比例的一维电信号 7 5 3真空摄像管 外光电效应摄像管 光电发射型 析像管 分流管 二次电子导电摄像管等内光电效应摄像管 光电导型 氧化铅摄像管硅靶摄像管硫化铅摄像管碲化锌镉靶像管硫化锑视像管 8 其它视像管的靶结构 硅靶结构 碲化锌镉靶结构 9 5 3真空摄像管 摄像管的性能参数1 光电转换特性信号电压与入射照度关系为 为灰度系数 为1时适于彩色摄像2 光谱响应PbO管接近人眼的光谱响应 适于彩色摄像 硅靶范围宽 适于近红外摄像3 时间响应特性 惰性 随入射照度增加而下降4 输出信噪比 取决于光阴极 倍增极及前置放大器噪声5 动态范围 最高入射照度与最低入射照度之比 取决于暗电流及饱和电流6 图像传递特性 用输出信号电流的调制度来表示的图像调制度 10 光电发射型摄像管 二次电子导电摄象管 SEC SEC管是60年代初出现的一种高灵敏度摄象管 适于微光摄象 5 3真空摄像管 11 硅增强靶摄象管 SIT 5 3真空摄像管 12 CCD的特点 信号为电荷 而非电压或电流CCD工作过程 如何实现信号电荷的产生 存储 传输和检测CCD类型 表面沟道CCD SCCD 电荷包存储在半导体与绝缘体之间 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 并在半导体内传输CCD应用的分类 1 在电子计算机或数字系统中进行信息存贮与处理2 摄像装置 5 4电荷耦合器件 CCD 13 5 4电荷耦合器件 CCD 1 电荷存储CCD基本单元 MOS结构栅极上施加较高电压时 电极下面将形成一层电荷浓度很高的反型层 存储电荷 电荷浓度与表面势关系可用势阱深度来描述 14 5 4电荷耦合器件 CCD 2 电荷耦合电荷转移 相邻势阱深度的规则变化CCD结构决定工作相数 除三相外 还有二相的 四相的CCDN型CCD比P型CCD工作频率高得多 15 5 4电荷耦合器件 CCD 3 电荷的注入和检测电荷的注入光注入 正面注入和背面注入电注入 对信号电压或电流进行采样后转换为信号电荷电流注入法 N 和P构成注入二极管 输入栅上加正偏压电压注入法 输入栅上加选通脉冲 16 5 4电荷耦合器件 CCD 电荷的检测转移中无电容耦合 输出中不可避免电流输出 Qs IDdt浮置扩散放大器输出前置放大器与CCD集成浮置栅放大器输出放大管与浮置栅相连 17 5 4电荷耦合器件 CCD 4 CCD的特性参数转移效率 和转移损失率 每次转换后 到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率转移后势阱中残留电荷与原电荷之比称转移损失率转移效率取决于界面态对电荷的俘获能力n次转移前后电荷之间的关系工作频率工作频率下限取决于少数载流子的寿命工作频率上限取决于电荷自身的转移时间N沟道CCD比P沟道CCD工作频率高 18 5 CCD摄像器件 ICCD 功能 把二维光学图像信号转变为一维时序的视频信号输出的摄像或像敏器件CCD摄象器件类型 线阵列和面阵列图像照度信号在驱动脉冲作用下顺序输出二维图像采用扫描方法来实现 5 4电荷耦合器件 CCD 19 5CCD摄像器件 工作原理1 线型CCD摄象器件单沟道线型ICCD只有一列移位寄存器 光敏列与移位寄存器是分开的双沟道线型ICCD两列移位寄存器同时工作 效率大大提高2 面阵ICCD光敏单元及移位寄存器按一定方式排列成二维阵列类型 帧转移型 隔列转移和线转移型 5 4电荷耦合器件CCD 三相单沟道线型ICCD p 行扫描电压 转移栅 20 5CCD摄像器件 帧转移面阵ICCD由成像区 光敏区 暂存区 遮光 水平读出寄存器当光敏区的某一相电极加有适当偏压时 成像到光敏区的光学图像变换成光积分电极下的电荷包图像光积分结束后 时钟脉冲使信号电荷迅速转换到存储区中水平读出寄存器逐场读出 5 4电荷耦合器件CCD 21 5CCD摄像器件 隔列转移型面阵ICCD像敏单元呈二维排列 每列像敏单元被遮光的读出寄存器及沟阻隔开 像敏单元与读出寄存器间有转移控制栅光积分期间 光生电荷存储在像敏单元的势阱里光积分结束后 转移栅电位由低变高 光生电荷经转移栅同时转移到对应的读出寄存器转移结束后 光敏单元与读出寄存器又被隔开线转移型面阵ICCD采用线寻址 无存储区 5 4电荷耦合器件CCD 22 5CCD摄像器件 5 4电荷耦合器件CCD ICCD的基本特性参数1 光电转换特性电荷由少子产生 输出电压与照度有良好的线性关系2 光谱响应硅衬底范围为0 4 1 15 m3 动态范围由最大电荷存储量与噪声电荷量之比决定4 暗电流判断摄像器件好坏的重要标准5 分辨力 23 ICCD主要特性 1 体积小 重量轻 耗电少 启动快 寿命长2 光谱相应范围宽3 灵敏度高4 暗电流小 监测噪音低5 动态响应范围宽6 分辨率高7 与微光像增强器级联 低照度下可采集信号8 有抗过度曝光性能 24 CCD应用 用于测量 25 微光电视中的应用 3 图像识别 26 1 像管 变像管和像增强管 的工作原理 5 5变像管和像增强管 2 几种典型的像管结构3 变像管4 像增强器 27 性能参数 灵敏度放大率和畸变亮度转换增益鉴别率暗背景亮度观察灵敏度 28 磁聚焦型象管的基本结构 29 电聚焦型象管的基本结构 30 级联式图像增强管 31 微通道板式图象增强管 32 作业 1 说明真空摄像管的种类和工作原理2 说明信号电荷在CCD器件中产生 存储和传输过程3 CCD器件为电流输出方式时 其输出电流与信号电荷的关系是什么 4 用CCD测量装置测量宏观物体的外形尺寸 设被测物最大范围为3m