CCD图像感器第4讲

1、1色光混合色光混合（加色混合）：色光混合（加色混合）： 指不同的色光或色料的反射光，同时或指不同的色光或色料的反射光，同时或在极短的时间内刺激了视网膜，从而产生在极短的时间内刺激了视网膜，从而产生了另一种新色调的混合形式。了另一种新色调的混合形式。红、绿、蓝三种色光以不同比例混合，基本上可以产生自然界中全部的色彩。而这三种色光本身各自独立，即其中任何一种色光都不能由其余两种色光混合产生。所以将红、绿、蓝称为色光三原色。22.规定国际照明委员会（国际照明委员会（CIE）1931年推荐年推荐色光三原色：色光三原色：名称 符号 波长 色相红光 R 700nm 大红略带黄色；绿光 G 546.1nm

2、比较鲜嫩的绿色蓝紫光 B 435.8nm 略带红味 杨赫姆霍兹三色理论 在视网膜上有三种形式的椎体细胞受到光的刺激就产生红、绿、蓝三种色觉 存在的问题： 1. 不能解释色盲成对出现，如红色盲和绿色盲 2. 不能解释全色盲虽然不能感受颜色，但却能感受黑白色（非色彩、灰色） 3. 红绿色盲按此理论是不能感觉黄色，事实上却能感受3赫林学说的四色理论 视网膜上有三种化学物质，由于他们的破坏或再合成产生六种不同的色觉和规律4四色理论的优缺点 成功之处： 1. 视网膜上缺少某一种对立的光化学物质如红绿色盲缺少红绿物质 全色盲是缺少红绿、黄蓝两种光化学物质而仅仅存在黑白光化学物质所致 存在的问题： 1. 无

3、法解释红、绿、蓝三种颜色能够配合出所有色彩的规律 2. 始终没有得到解剖学的实验证实5阶段学说 颜色视觉的过程是分阶段的，包括三原感受、四色传导和中输处理三个阶段6格拉斯曼颜色混合定律（图像传感格拉斯曼颜色混合定律（图像传感器相关）器相关） 1）人的视觉只能分辨颜色的三种变化：色调、明度、饱和度。 2）混合光的亮度等于组成混合色的各颜色光亮度总和。 LL1L27离开圆周后就不是最饱和的颜色8 3）补色律和中间色律补色律和中间色律由两个色光的混合匹配中，其中一色光连续变化，则混合色外貌也连续变化。由此可推出中间色律和补色律。补色律：每一种彩色都有一个相应的补色。如果某一颜色与其补色以适当比例混合

4、，便产生白色或灰色。如果按其他比例混合，便产生近似比重大颜色成分的非饱和色。 中间色律：任两色（非补色）相混合，产生中间色光，色相取决于两光的相对数量，饱和度取决于两者在色调顺序上的远近。91色光加色法：色光加色法： 由两种或两种以上色光混合呈现另一种色光效由两种或两种以上色光混合呈现另一种色光效果的方法。果的方法。2色彩变化规律：色彩变化规律： 等量等量混合：混合： R+G=Y（红光绿光黄光）（红光绿光黄光） R+B=M（红光蓝紫光品红光）（红光蓝紫光品红光） G+B=C（绿光蓝紫光青光）（绿光蓝紫光青光） R+G+B=W（红光绿光蓝紫光白光）（红光绿光蓝紫光白光） BlueBlueGree

5、nCyanRedYellowMagentaWhite10不不等量混合：等量混合： 遵循质量中心定律，混合的结果偏向于相对含量遵循质量中心定律，混合的结果偏向于相对含量比较高的一方。比较高的一方。 R光+G光 =橙色光 （R光G光） =黄绿光 （R光G光）明度=明度1+明度2色相红绿蓝青品黄3色光加色法的特点：（1）色光相加，越加越亮（2）互补律：两种色光相加，呈现白色光，这两种色光为互补色。11色光加色法类型色光直接混合光源在发射光波的过程中直接混合。又称为视觉器官以外的色光混合。视觉器官以外的色光混合。色光间接混合在视觉器官内进行，又称为色光反射混合。色光反射混合。包括：色光的静态混合包括：

6、色光的静态混合 色光的动态混合色光的动态混合12静态静态混合混合 又称为并列混合或空间混合又称为并列混合或空间混合定义：在一个平面上有不同的色块，当这些色块的面积很小或距离观察者很近时，它们的反射光就能投射到人眼视网膜的同一部位，从而产生新色调。发生条件： 视角1（色点小或观察距离足够远）应用： 彩色液晶显示屏、彩色显像管的荧光屏13动态动态混合混合又称为相继混合或时间混合又称为相继混合或时间混合 定义：定义：当不同的色彩以一定速度交替呈现在眼前时，在人们的眼睛里就会产生不同的色彩混合现象。发生条件： 视觉残留（1/10s）应用： 顺序制彩色电视的色彩基础。144）代替律：）代替律： 视觉效果

7、相同的颜色混合后视觉效果相似。 若颜色A 颜色B、颜色C 颜色D， 则： AC BD 物理意义：视觉上相似的颜色可以互相代替 成立范围：650nm540nm颜色匹配实验把两种颜色调节到视觉上相同或相等的过程叫作颜色匹配颜色匹配。15光亮调节光亮调节三基色光源三基色光源白屏幕白屏幕黑色挡板黑色挡板颜色匹配实验16 rgbc1718每一颗像素，所以能显示不同色彩，就是透过里面组成的三原色子像素，透过各自发出不同亮度而合成。 举例来说，若要显示蓝色，就只让蓝色子像素发光，其余两种不发光；若要显示白色，则同时让3 颗像素发光。第二章 光源 光源的分类：自然光源、电光源（是否可光源的分类：自然光源、电光

8、源（是否可以人为改变其发光特性）以人为改变其发光特性） 钨丝灯钨丝灯 气体放电灯气体放电灯 金属蒸汽灯金属蒸汽灯 半导体发光二极管半导体发光二极管 激光光源激光光源19 2.5 半导体发光二极管光源半导体发光二极管光源 1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。进十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。 2.5.1 发光二极管的发光机理 发光二极管（即LED）是一种注入电致发光器件，它由P型和 N型半导体组合而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光两种。 20一、一

9、、PN结及形成结及形成一块单晶半导体中一块单晶半导体中 ，P 型半导体和型半导体和N型半导体的型半导体的交交界面附近的过渡区称为界面附近的过渡区称为PN结。结。P型半导体（型半导体（P指指positive，带正电的）：由单晶硅带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的通过特殊工艺掺入少量的三价元素三价元素组成，会在半导组成，会在半导体内部形成带体内部形成带正电的空穴正电的空穴。N型半导体（型半导体（N指指negative，带负电的）：由单晶硅带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的通过特殊工艺掺入少量的五价元素五价元素组成，会在半导组成，会在半导体内部形成带体内部形成带负电的自由电子负电的自

10、由电子。21PN结的形成：结的形成：两种运动：两种运动：扩散（浓度差）扩散（浓度差）漂移（电场力）漂移（电场力）两种载流子的两种两种载流子的两种运动运动动态平衡动态平衡时形时形成成PN结结22 浓度差浓度差 多子扩散多子扩散 空间电荷区空间电荷区 ( (杂质离子杂质离子) ) 内电场内电场 促少子促少子 阻多子阻多子 漂移漂移 扩散扩散 动态平衡时动态平衡时PN结正偏结正偏(U(UP PUUN N ) )时时 导通导通PN结反偏结反偏(U(UP PUUN N ) )时时 截止截止2324是一种固态的半导体器件，它可是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。以直接把电转化为光。LED的心脏

11、是一个半导体的晶片，的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。起来。二、二、LED（Light Emitting Diode）发光二极管发光二极管25LED发光的原理：发光的原理：半导体晶片由两部分组成，一部分是半导体晶片由两部分组成，一部分是P型型半导体，在它里面半导体，在它里面空穴空穴占主导地位，另占主导地位，另一端是一端是N型半导体，在这边主要是型半导体，在这边主要是电子电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个但这两种

12、半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向会被推向P区，在区，在P区里区里电子跟空穴复合电子跟空穴复合，然后就会以光，然后就会以光子的形式发出能量。子的形式发出能量。光的波长也就是光的颜色，是由形成光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。结的材料决定的。2627三、光电二极管三、光电二极管（Photo-Diode）将光信号变成电信号的半导体器件。将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个它的核心部分也是一个PN结，结，PN结面积比普通二极管大一些，结面积比普通二极管大

13、一些，电极面积尽量小些，而且电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于结的结深很浅，一般小于1微米。微米。 光电二极管是在反向电压作用之下工作的。当有光照时，光电二极管是在反向电压作用之下工作的。当有光照时，携带能量的光子进入携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为空穴对，称为光生载流子。光生载流子。 28光生载流子在反向电压作用下参加漂移运动，光生载流子在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向使反向电流明显变大，光的强度越大

14、，反向电流也越大。这种特性称为电流也越大。这种特性称为“光电导光电导”。光。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。着光的变化而相应变化。光电二极管和普通二极管的异同：光电二极管和普通二极管的异同：一样具有一个一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换

15、。2930四、四、太阳能光伏电池（太阳能光伏电池（PV）光生伏特效应，简称光伏效应。光生伏特效应，简称光伏效应。指光照使不均匀半导体或半导指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。产生电位差的现象。31光伏效应的两个过程：光伏效应的两个过程：一、由光子（光波）转化为一、由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量电子、光能量转化为电能量的过程的过程二、是形成电压过程。二、是形成电压过程。有了电压，如果两者之间连有了电压，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。通，就会形成电流的回路。 32太阳能光伏电池实质上太阳能光伏电池实质上是一个是一个大

16、面积的大面积的PN结，结，当光照射到当光照射到PN结的一个结的一个面，发生光伏发电过程，面，发生光伏发电过程，在在PN结电场的作用下，结电场的作用下，最后建立一个与光照度最后建立一个与光照度有关的电动势，通过电有关的电动势，通过电路控制达到用户的要求。路控制达到用户的要求。33五、总结五、总结相同：相同：1、LED、PV、PD的核心原件都是的核心原件都是PN结结2、使用的材料都是半导体材料，以单晶硅（或锗）为原料、使用的材料都是半导体材料，以单晶硅（或锗）为原料不同：不同：在利用在利用PN结的基础上，通过不同的条件产生不同的现象结的基础上，通过不同的条件产生不同的现象LED通过外加电场促使电子

17、和空穴复合，辐射通过外加电场促使电子和空穴复合，辐射发光发光PD利用利用PN结反向电压下的特性结反向电压下的特性PV通过光照利用通过光照利用PN结特性把光能转换为电能结特性把光能转换为电能34 1. PN结注入发光结注入发光 PN结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带如图2-15 所示。当加正偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要发生在p区。352. 异质结注入发光异质结注入发光 为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图2-16a表示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时小区的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就不断向n区

18、扩散。 对n区电子，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，禁带宽的p区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区（图2-16b）。例如，禁带宽EG2=1.32eV 的p-GaAs与禁带宽EG10.7eV p-GaAs与禁带宽EG10.7eV的n-GaSb组成异质结后，n-GaAs的空穴注入n-GaAs区复合发光。 由于n区所发射的光子能量hv比EG2 小得多，它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去。362.5.2 发光强度电流特性在正向配置电压的作用下流过发光二极管PN节的正向电流If使注入到PN结内的载流子在P区复合而发光，其发光强度IV为nIIvv式中v为发光二极管的发光效率。 图2-17所示为GaP（红色）发光二极管发光强度与电流密度If的关系曲线 37可以看出，发光二极管发光强度基本与流过的电流If成正比。说明可以通过控制电流If对LED发出的光强IV进行控制。 由于发光二极管的正向伏安特性曲线在发光区呈现为I=I0exp（qU/nkT）指数形式，并且1n2较小，通常可以略，求出发光强度Iv与发光二极管两端电压U的关系为 ：)/exp()/exp(0vvvvvkTqUIkTqUIIInn(2-4) 38色温 一个光源之色温被定义为与其具有相同光色之“标准黑体” 本身之绝对温度值，。标准黑体之温度越高,其辐射出之光线光