《光电子成像技术》-3

3.1引言“固体光电子成像器件”是指基于半导体内光电效应(光生伏特或光电导效应)、或光热效应(热敏、热偶或热释电效应)或电荷储存传输效应，完成光电转换、处理、提供视频信号输出的成像器件。其功能是：它能把输入到其光敏面上的景物辐射或反射图像，转换为各像元上与之入射光子数成比例的光生电荷(光电压、光电导、光电子)信号，并在一定电视制式驱动信号控制下，经扫描、拾取、处理和输出为视频信号，并交由末端显示器，显示为可见光图像。下一页返回3.1引言固体光电子成像器件的典型结构分单元结构、线阵结构、面阵(焦平面)结构三种；光谱响应范围分红外波段，可见光波段和短波辐射(X线及Y线)三个波段，其光谱响应的长波限lf(pm)，由探测器所用半导体材料的禁带宽度Eg(eV)决定，且lf=1.24/Eg，其短波限由窗口衬底材料的短波吸收限决定。固体光电子成像器件材料有半导体单晶材料、多晶材料、化合物材料以及超晶格量子阱材料等，其中，后两者的禁带宽度可以通过组分改变来进行设计调整。常见的半导体探测器材料的名称、工作温度、禁带宽度和长波限见表3-1(a)和表3-1(b)。上一页下一页返回3.1引言固体光电子成像器件和系统在海、陆、空、天等军用观察、瞄准、测距、跟踪、制导、告警、公安，及工业、农业、医疗、卫生、科研、教学、娱乐等领域里有广泛使用价值和广阔的发展前景。它们的理论和技术，是在军民两用需求牵引和快速进步的光电子/微电子技术推动下，不断发展和更新换代的，其光谱响应范围、探测灵敏度、时间及空间分辨率、信噪比、造价、寿命及可靠性等性能，直接影响着它们在宽光谱、多环境、大动态条件下使用的有效性及其广度和深度。本章将在列举固体光电子成像器件分类和功能参数的基础上，分别介绍固体红外成像器件、可见光、紫外、X射线及短波辐射成像器件的工作原理、典型结构、发展水平和应用领域。上一页下一页返回3.1引言本章要点：固体光电子成像器件分类及性能CCD、CMOS成像器件系列单元、线阵、面阵红外探测成像器件紫外、X线、Y线等短波辐射固体成像器件上一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能3.2.1固体光电子成像器件分类1.按照器件结构形式分类(1)单元探测器——借助物镜及垂直/水平二维光机扫描机构组成的光学成像系统，把景物辐射(或反射)的二维分布，传递到器件的输入光敏面上，进而光电转换成与输入光子数强度成比例的时序视频信号，最终显示为可见光图像；(2)线阵列探测器——借助物镜及载体沿前进方向的运动(Y扫描)与一维光机水平X方向扫描机构组成的光学成像系统，把景物辐射(或反射)的二维分布，传递到器件的输入光敏面上，进而光电转换成与输入光子数强度成比例的时序视频信号，最终显示为可见光图像；下一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能(3)面阵列探测器——无须任何光机扫描机构，直接通过物镜成像系统，把景物辐射(或反射)的二维分布，以物面到像面点一点对应的方式，实时传递到器件的输入光敏面上，进而光电转换成与输入光子数强度成比例的时序视频信号，最终显示为供人眼“凝视”的可见光图像。上一页下一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能2.按照器件光谱响应范围分类(1)红外成像器件是固体光电子成像器件的主流产品，发展迅速，水平最高，难度最大。其光谱响应波段分别对应三个“红外大气窗口”，需要采用不同材料、或相同材料不同组分的探测器材料：1~3μm(HgCdTe)；3~5μm(HgCdTe，InSb，PtSi)和8~12μm(HgCdTe，GaAs/GaAlAs)多量子阱，以及同一芯片、多波段响应的多色探测器等。上一页下一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能按其器件内扫描制式的复杂程度，又可将红外成像器件进一步分类为：①第一代红外探测器(200元以下线列阵红外器件，温度分辨率30~150mK)。单元含SPRITE及4N系列红外探测器，必须与高精度一维或二维光机扫描器一起，共同捕捉景物图像。扫描机构复杂，成本昂贵，借助提高帧频改进图像质量有一定难度。上一页下一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能②第二代红外探测器(1000元红外焦平面器件，温度分辨率30~150mK)。红外焦平面阵列(IRFPA)集探测器制造技术和大规模集成电路技术于一体，同一芯片内一并实现辐射探测和多路传输读出等双重功能，无须光机扫描机构，实现凝视成像；红外整机的体积和重量减小，成本降低，但器件的制造技术难度加大，造价较高。③第三代红外探测器(敏感元106以上红外焦平面，温度分辨率1~50mK，至少为双色，可自适应帧频)。④第四代红外探测器(带复杂信号处理的智能化焦平面，预计温度分辨率0.5~15mK)。上一页下一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能(2)可见光电荷耦合器件(CCD)系列有以下几种。①CCD：如数码相机中的感光芯片，它是由m×n个MOS(金属一氧化物一半导体)像元组成的面阵可见光探测器，光谱响应范围0.4~1.3μm；工作原理基于硅芯片上MOS单元的光生电荷(e)数量正比于入射的光子数，并按照一定的内部行、场扫描机制，使光生电荷耦合传输，输出为模拟视频信号。它需靠外围图像采集卡，A/D转换处理，输送给监视器，以显示所摄图像。上一页下一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能②CMOS成像器件(互补型金属一氧化物一半导体成像器件)：它是在CMOS大规模集成电路工艺与CCD探测器工艺相结合的基础上，把光电转换、行场驱动、信号存取、时钟定位、增益调整、A/D转换、线性激励等多重功能，集成在同一个芯片上，输出为数字视频信号，与计算机可通过USH(U盘)串行接口直接相连，借助适当软件让监视器显示出所摄图像。上一页下一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能③EMCCD(雪崩电子倍增式微光CCD)：一种全固态微光电视成像器件，它与普通CCD的主要区别是：CCD信号被读出前，不直接交由外置预放器放大，而是先经过芯片内部配置的半导体电子雪崩区放大后，再交由外部读出信号处理显示。这样，便大大减小了读出噪声，加之适当的半导体制冷措施，可使器件工作于微光(10-3lx)条件下，读出噪声达到10e/像元，电视分辨率200行以上。④ICCD(像增强式Image-itensified-CCD)：是把微光像增强器(ImageIntensifier)通过光纤元件或中继透镜，与CCD耦合为一体，制成为目前最常见的微光视频成像器件，它无须制冷，最低工作照度可达10-4lx以下，电视分辨率600行以上。ICCD结构及性能详见第四章“真空光电子成像器件”。上一页下一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能⑤EHCCD(电子轰击式Electron-anbardment-CCD)：这是把CCD芯片代替微光像增强器中的荧光屏，做成全真空式微光电视视频器件，它借助光阴极产生的光电子，从外置高压电源获得高能量，轰击背照明CCD，以高电子能量换取更多的电荷数量转换(1电子/3.5eV)，完成几乎无附加噪声的电子放大，这是目前读出噪声最低(≤0.07电子/像元)、灵敏度最高的微光电视成像器件，最低工作照度可达10-6lx以下，电视分辨率600行以上。EHCCD结构及性能详见第四章“真空光电子成像器件”。上一页下一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能(3)短波辐射固体光电子成像器件。用禁带宽度比较宽的半导体材料，可以做成对紫外线、X线、甚至Y线敏感的全固态阵列式探测器。结构形式可以为线阵或面阵，扫描制式与上述制式基本相同。这类器件包括：①紫外探测成像器件，利用如表3-1(b)所列的宽带半导体单晶或二元、三元(组分可调)化合物半导体材料，制成光导型、光伏型或光电二极管阵列探测器，可用作紫外或日盲紫外探测成像器件。上一页下一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能②X线成像板(ImagePlate)，它在X线激励下可以产生荧光，使感光胶片“曝光”，进而通过显影定影，显示为光图像。其他类型的固体面阵X线检测器还有：存储磷光屏(StoragePhosphorPlate，SPP)、闪烁晶体加光电二极管阵列、闪烁晶体加CCD，以及非晶硒检测器等。它们是目前计算机X线成像系统、大面积安检系统和非接触探伤系统的常用核心器件。上一页下一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能③Y线成像器件，利用一些高原子序数半导体材料对Y线光子的强吸收特性，直接经过光电转换和信号储存，变为可探测的电流、电压或电荷空间分布信号；或者先通过闪烁晶体(NaI：TI)，把Y线光子转换为荧光，再进行可见光探测成像，最后再现为二维可见光图像。这种器件可用来进行核医学探测成像(PET一正电子发射形体层分析机)和深空Y线成像探测。属于这类探测器的有：锉漂移Si(或Ge)探测器、高纯锗(HpGe)探测器和蹄化福(CdTe)探测器等。上一页下一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能④短波位敏探测器，利用上述雪崩光电二极管阵列成像原理，制成4×4~64×64~128×128阵列式位敏探测器PSD(PositionSensitiveDetector)，并按照一定物理模型和算法，实时计算确定目标点坐标(X，Y)位置。这类器件已成功用于战术激光制导导弹系统中，作为高精度的位敏探测器。综上所述，可以把固体光电子成像器件的光谱响应分类、结构形式及工作原理汇总于表3-2中。上一页下一页返回3.2.2固体光电子成像器件性能参数以上三类固体光电子成像器件的共同特点是：它们都是阵列式结构(单元、线阵和面阵)：都有各自不同光谱响应的辐射传感器(完成光电转换功能)：都有一定光机或芯片内扫描机制(完成对像面(x，y)寻址及其光电信号拾取传输)；都有信号处理输出、提供显示的电子控制单元等。因此。这三类探测器具有大体上相同或相似的性能评价参数。关于这些参数的名称、定义、表达式及其度量单位等详见表3-3。上一页返回3.2固体光电子成像器件

分类及性能3.3.1概述1.功能及分类由第二章可知，任何绝对温度T不为零的物体(景物)均可向外辐射电磁波，且具有灰体特性的景物的面辐射度R=εσT4，这里，ε是灰体的辐射系数，且ε≤1，，是斯蒂芬一玻耳兹曼常数。可见，景物各点温度和辐射系数的不同，会形成一固有的辐射强度空间分布(简称景物热分布)。人们常见的景物或要探测的目标的热辐射均分布在红外波段。所以，那些能通过自身的光电变换作用，探测到上述红外景物热分布，并经信号放大、处理以提供监视器显示为可见光图像的器件，统称为红外探测器件。下一页返回3.3红外探测成像器件红外探测器分热探测器和红外光子探测器两大类：(1)红外热探测器。如热敏电阻、热电偶或热释电探测器等器件，它们的成像单元吸收了红外线后，自身的温度会上升，导致其与温度有关的物理参数(电压或电流等)发生相应变化，这些变化经过一系列信号放大、处理，可显示为可见光图像。它们具有无选择性的光谱响应特性；这类器件多应用于非制冷热像系统中。(2)红外光子探测器。它们基于输入光子与半导体内部的电子相互作用后、发生光电导或光伏效应，引起的电压或电流信号经扫描处理最终显示成像的原理。它们具有选择性光谱响应。目前，在热成像系统中，主要采用红外光子探测器，因为它无论在灵敏度、响应速度等方面，都优于热探测器。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件红外探测器多为窄带半导体材料，常温下热噪声很大，故需用专用微型制冷器方能正常工作。热成像系统中常用的微型制冷器有杜瓦瓶、气体节流式制冷器、斯特林循环制冷器和半导体制冷器等。红外探测器本身一般不能直接产生可供监视器显示的图像信号，除面阵凝视型红外探测器外，均需要配置高精度二维或一维光机扫描机构。对单元红外探测器，需要另外配置光机水平扫描器(行扫)和垂直扫描器(场扫)；对线阵列红外探测器，可省掉一维扫描器；对面阵列红外探测器，可完全省掉光机扫描机构。可见，红外探测器结构上的不断改进，对红外热成像系统结构的简化和可靠工作，具有重要意义。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件2.应用背景“红外成像”和“微光成像”是军用夜视装备的两大技术支柱，二者各有特色，相互竞争又相互补充。红外成像仪视距远，天候影响小，识别伪装能力强，其缺点是通常结构复杂，造价昂贵，补给困难(需制冷)；微光测视仪视距较近，但体积小、质量轻、造价低、成像清晰，层次丰富，符合人眼习惯。从长远前景看，二者缺一不可，在尽力满足用户的需要中，不断更新换代。红外热成像技术在军事和国民经济其他各领域里，具有广泛的实用价值。军事战略应用：洲际弹道导弹的探测、识别和跟踪，高能束拦截武器的瞄准，拦截导弹的制导和大气层内外核爆炸的探测等。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件军事战术应用：侦察、观瞄、火控、跟踪、制导等，如枪(炮)用红外夜间瞄准具和机载、舰载前视红外系统等。工业应用：炉壁、炉料热分布、铁水、钢水液面检测，石油管漏油/漏热检查、高压供电元器件检查及集成电路热故障分析等。科研应用：对研究对象和过程的热分析，如飞机和航天器工作状态热分布测定和航空航天模型风洞试验热分析等。医疗应用：对癌症和各种病变的普查和早期诊断，以及中医穴位诊断等。其他应用：森林防火、空海救援、污染监测和资源勘探等。本章仅就各类红外探测成像器件的工作原理、典型结构和性能评价作概括介绍。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件3.3.2红外成像器件原理结构1.红外热成像系统原理前面业已提到，景物温度和辐射系数的二维分布构成了它们固有的热场分布。通常，人体温度35℃，辐射峰值波长在9.4μm附近。有些军用目标，如坦克和飞机，在静止或未发动状态时的表皮温度与其环境温度相近；发动起来后或日照时间足长时，其表面温度分布随其发动机功率、飞机喷口位置、受日照部位、体内结构及散热条件的具体情况的不同而千差万别。对坦克，T=400~500K；对喷气式飞机，在800~1000K。相应的峰值辐射波长分别在5.8~7.2μm和2.8~3.6μm。由第二章介绍的大气辐射透过率特性可知，恰好在3~5μm和8~14μm波段，有两个大气透红外窗口。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件因此，对这两波段辐射敏感的红外探测，均可用来实现“红外光电转换”，加上相应的信号存储、扫描、处理和显示等常用技术措施，即可构成一个完整的红外热成像系统(见图3-1)。对单元探测器热成像系统，水平扫描器和垂直扫描器分别承担行扫和场扫任务，把景物总视场内各面元的温场(决定于表皮温度和辐射系数)辐射强度自左至右、自上而下，进行空间选通扫描，并输至探测器，转换成与输入红外光电子数强度成比例的时序电压信号，再经放大处理等环节，输给监视器，显示为一幅幅人眼可见的电视图像。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件2.单元红外探测器物理基础以下分别介绍单元红外光子探测器和热探测器的工作原理及其物理基础。红外光子探测器基于半导体内光电——光电导(PC)效应或光生伏特(PV)效应原理；红外热探测器基于半导体热敏效应或热释电效应原理。(1)光电导(PC)型红外探测器原理。半导体的电阻(或在一定偏压下的电导)受光子辐照后而变化(电阻变小或电导增大)的现象，称为光电导效应，如图3-2所示。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件产生光电导效应的基本条件是：辐射光子能量hv≥Eg(禁带宽度)；辐照度范围确保器件处于线性工作状态：需一定外加偏压，产生体内电场为E(V/mm)。光导型红外探测器工作原理是：在红外光子辐照下，光导体中会产生电子一空穴对，引起光电导率变化，从而在负载电阻尺上，建立起一正比于输入红外光子数辐照度的信号电压。参照图3-2，并根据半导体物理中的载流子迁移率的定义，在一定外加电场E(V/cm)下，载流子的迁移速度正比于电场强度，即v=μE，这里，μ为迁移率(cm2/sV)，它分为电子迁移率μ-，和空穴迁移率μ+。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件据此，由电子和空穴迁移率分别形成的电流密度为式中：n和p——电子浓度和空穴波度(cm-3)；σ-和σ+——电子电导率和空穴电导率。这样，在光子照射下，探测器光电导率变化分别为本征光电导率变化n型光电导率变化p型光电导率变化上一页下一页返回3.3红外探测成像器件如图3-2所示，这些光电导率的变化必然反映在从负载电阻尺上取出的成比例的电压信号变化上，不同像面上点(x，y)上的光子数照度不一样，从而输出为一电压的(x，y)空间分布，它就是红外探测成像的信息源。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件(2)光生伏特(PV)型红外探测器原理。图3-3是一个光伏型探测器原理示意图。在其透光一侧，有一个很薄的n-p结层。在无光照情况下，该层内的多数载流子(即p区的空穴和n区的电子)分别向对方区域运动，达到平衡时会形成一个多数载流子耗尽区，建立起一个自建电场(n区电位高于p区电位)，如图3-3(a)所示。而当有光照时(图3-3(b))，入射光子在耗尽层内激发出的少数载流子(即p区的电子和n区的空穴)被上述自建电场分开，电子流向n区，空穴流向p区。此时，如果外接回路开路，则原无光照时建立起来的自建电场，会有一个与输入光照度呈一定比例关系的降低△V+；但如果外接回路闭合，则它会向负载尺上，提供此光生伏特电动势△V+。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件这种现象叫半导体的光生伏特效应，依此原理做成的对红外辐射敏感的传感器，叫红外光生伏特型探测器。同样，不同像面上点(x，y)上的光伏电压不一样，从而形成输出为一电压(x，y)分布信号，它就是红外探测成像的信息源。平常人们熟知的太阳能电池也是根据这种光伏效应原理，不过采用的是对可见光(日光)敏感的硅或非晶硅材料。光导型和光伏型红外探测器所用的半导体材料禁带宽度较小，处于室温(300K)下的环境(及载体)也是一种红外辐射源，同样会使探测器产生光导或光伏热噪声信号，为了获得尽可能高的输入信噪比，需要对这些探测器进行制冷。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件用于红外光导和光伏型探测器的半导体材料分别有：对1~3μm，用HgCdTe等；对3~5μm，用InSb、InAs、Si：Ni、Si：S和Si：Ti，以及PtSi和HgCdTe等；对8~12μm用HgCdTc、PbSnTc、Si：Sc(钪)、Si：Mg(镁)和GaAs/GaAlAs多量子阱材料等。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件(3)红外热探测器工作原理。它们是对目标热辐射敏感的探测器，共有四种类型：气动探测器(高策元件)、热电偶(热电堆)、热敏电阻测辐射热计和热释电探测器，其工作原理及所用材料分别是：①气动探测器(高策元件)。基于充气容器热胀冷缩原理，通过光电管监控其体积的微小变化以测定所接收的热量。这种探测器不适用于热成像技术中。②热电偶(热电堆)。两种不同材料的导体或半导体的两头分别相接时，如果一头热，一头凉(例如0℃)，电路内就产生一热电动势，使外接回路产生电信号，若用多像元面阵热电偶(堆)，就能够测出像面上不同点的温度分布，这就是热电偶(堆)红外探测成像器件的基本原理。例如，用于流行病传染防控期间来监视人员的表面温度是否属疑似病人。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件③热敏电阻测辐射热计。利用具有高电阻温度系数的材料制作的探测器称为测辐射热计，热敏电阻就是其中的一种。它受热辐射后，温度变化引起阻值变化，在固定偏压下的电流就会随之变化，用以检测受到的红外辐射强度。同样的，用多像元微热敏电阻面阵，就能够测出像面上不同点受到的热辐射强度的空间分布，这就是测辐射计红外探测成像器件的基本原理。用于非制冷热像仪的热敏电阻材料有a-Si和氧化钒(VO)等。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件④热释电探测器。利用热电效应(也称热释电效应)的探测器，是由一类处于极化状态的材料制成的。这种材料在通常情况下，其极化强度被表面杂散电荷所抵消，不显出电性；而当极化后的材料受到红外辐射时，温度就会升高，材料极化强度也随之发生变化，但通常杂散电荷跟不上极化强度的变化，于是表面呈现出(释电)电位差，连接外电路，就会有电信号产生。在各种热探测器中，热释电探测器灵敏度高，使用方便。常用的热释电(热电)探测器的材料主要有：硫酸三甘肤(TGS)，担酸锂(LiTaO3)、妮酸锂(LiNbO3)、妮酸锂钡(SBN)、钦酸铅(PbTiO3)、镐钦酸铅(PbZrTiO3)和钦酸钡(BaTiO3)等，还有聚氟乙烯(PVF)，聚二氟乙烯(PVF2)等塑料薄膜。用于混合式热电型焦平面的材料主要是钦酸错铅(PZT)、，钦酸钮钡(BST)或担酸抗铅(PST)。热释电(热电)探测器是目前开发研究较多的一种热探测器。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件3.线阵列红外探测器原理单元红外探测器热成像系统的优点是，器件单一、制冷容易，只需一路放大器，但它的最大缺点是需要行、场两个方向的高精度光机扫描机构，尤其是单元器件的信噪比较低。这是因为：在一个扫描帧周期Tp(s)内物面刀，个面元中的每一个面元，被扫描(拾取)信号的时间只有Tp/m=1/(fpm)s，这里的fp为帧频(Hz)。因此，如果有n个单元器件组成的n元线阵列红外探测器，则同一个景物面元在阵列探测器上的驻留时τd变为n/(fpm)，则由光电子成像系统信噪比链理论可知(见第七章)，系统的输出信噪比正比于景物面元图像在探测器上的驻留(响应)时间的平方根，所以，红外探测器由单元改进到n元并扫线阵时，系统输出信噪比提高到原来的√n倍，即上一页下一页返回3.3红外探测成像器件式(3-3)的另一种解释是，在热成像过程中，噪声电压与(△f)1/2成正比。但如上所述，τn元=nτ单元。，所以式中：△f每路为多元(路)传输中每一路的带宽。可见，n元多路传输的每一路带宽较之单元单路传输带宽减小到△f单元的1/n，因而，其噪声电压会减小到原来的1/√n，所以，信噪比提高到原来的√n倍。线阵列红外探测器热成像系统对场景的扫描有三种方式：并扫、串扫和串并扫方式，如图3-4所示。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件(1)并联扫描摄像方式(见图3-5和图3-6)。n个单元探测器平行扫过景物像，每个单元只扫过一行，每个输出信号经多路传输和扫描转换后送给显示器。显然，根据上述探测器原理，要提高输出信号的信噪比和分辨率，需增加线阵列单元数n。目前，高性能热像系统的线阵单元数已超过100，图3-6是并扫摄像方式的实例。这种扫描摄像方式的主要问题是：在阵列单元数不得不增多的情况下，一个单元只扫描一行，每一个单元都需要有各自的电极引线，且连接到各自单独的前置放大器上。这样，给器件制造工艺带来很多麻烦，输出图像的均匀性指标也难以保证。为了弥补探测器单元数目增多带来的问题，常采用隔行扫描方式。这样，探测器的单元数可减少一半。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件(2)串联扫描摄像方式(见图3-7)。n个单元的线阵探测器沿物空间水平方向排列成一行，各单元扫描的是同一行，仍需通过两维光机扫描，使每个单元都扫过系统的总视场；各单元信号经相应的延迟后，形成单一通道视频信号输至显示器。对这种扫描方式，景物面元在探测器单元上的驻留时间及带宽与单元探测器的相同，但其输出电视信号的信噪比却同样提高为原值的√n倍，原因是在多元信号处理中，各单元的信号线性叠加了n倍，而噪声则是平方和再开方，所以，输出信噪比上一页下一页返回3.3红外探测成像器件串扫摄像方式的另一大优点是它消除了探测器性能不均匀性所造成的图像缺陷，因为n个单元串联扫过景物同一面元，不存在性能的不一致性带来的图像不均匀响应问题。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件(3)串并联扫描摄像方式(见图3-8)。这种扫描摄像方式综合了上述两种方式的优点，尤其是并扫探测器单元数不足以覆盖整个景物区域时，为得到一幅完整的图像，必须采用串并扫方式。(4)Sprite线列红外探测器。为了克服串联扫描需要多重前置放大器和延迟线的弊端，英国Mullard公司研制成一种新型探测器——Sprite(SignalProcessingintheElement)探测器，如图3-9所示。在这种探测器中，仅用一条带有三根引线的HgCdTe元件，即可取代传统的串扫多元分立光敏元阵列，它只需一个前置放大器，且不需要外部延迟线。图3-9中，η是探测器单元量子探测效率，中是输入光子通量。碑是被探测到的光生载流子数目。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件这样，Sprite探测器光敏元在扫描方向上被拉长，并加有偏压。使每个目标面元沿元件长度方向扫过时所激发的载流子，将随像的扫描方向迁移，当扫描速度与载流子迁移速度相等时，所激发的载流子都被电场扫在一起，最后累积(信噪比提高n1/2倍)在器件末端的两电极之间，通过改变读出区电阻，可使信号输至处理电路。这样，Sprite探测器自身即可完成常规分离式单元阵列需要的外部延迟线和积分电路对信号积分的双重功能。图3-9(b)为8元扫积型Sprite探测器，它等效于96个分立式光敏阵列，但只需22根引线，代替了97根引线。目前已研制出的扫积型Sprite探测器工作波段为8~12μm，77K时，D达1×1011cmHz1/2W-1，响应度可达6×104V/W。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件Sprite探测器这种设计思想后来被推广应用到高信噪比CCD器件中，研制成时间延迟积分式TDI-CCD(TimeDelayIntegrationTDI-CCD)。(5)红外焦平面凝视型成像器件原理。我们知道，单元红外探测器靠行、场光机扫描机构去摄取有刀，个面元的景物时，一帧周期Tp内，器件摄取场景中一个面元的时间(驻留时间或响应时间)τd为Tp/m，相应带宽为△f单元=m/Tp。如果有nv个单元竖直排列的线阵红外探测器，每个单元承担扫一行的任务，n个单元刚好占满一列，且以同样的帧周期Tp扫完整幅像面，此时上一页下一页返回3.3红外探测成像器件这样，景物面元在探测器单元上的驻留(响应)时间增加为原来的nv倍，带宽减少到原来的1/nv，从而输出信噪比提高到原值的厂万倍。进一步可以推算，如果在水平方向也有nH个单元探测器来覆盖所要求的场景范围，以取代低帧速扫描，则探测器变为nvnH个单元的焦平面阵列，此时景物面元在探测器单元上的驻留(响应)时间，增加到原来的nvnH倍，带宽减少到原来的1/(nvnH)，输出信噪比提高到原值的√nvnH倍。显然，当焦平面阵列探测器的个数nvnH足够多时，景物面元在探测器单元上的驻留(响应)时间会远远长于后续信号处理器的采样时间，此时，视觉神经好像是在固定注视景物一样，故称为红外焦平面“凝视”器件。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件

在红外焦平面凝视型热成像系统中，以电子扫描取代光机扫描，从而显著地改善了系统的结构，提高了系统的可靠性。因此，焦平面阵列途径，作为第二代热像技术的核心，对红外夜视装备的发展，起着重要的里程碑作用。红外焦平面阵列包括光敏元件和信号处理两部分，可采用不同的红外光子探测器、信号电荷读出器和多路传输方式。从结构上，可分为单片式和混合式两类。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件①单片式红外焦平面阵列(单片红外CCD)。在同一片半导体衬底上，将红外面阵探测器和CCD集成在一起，即选择具有合适光谱响应的本征半导体材料，如PtSi、InSb和HaCdTe等，在其上制造光敏元及电荷读出结构，以半导体的阳极氧化物Al2O3、ZnS等介质层，作为MIS(金属一绝缘体一半导体)结构的绝缘层，这样就制成为一个单片式红外焦平面阵列。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件②混合式红外焦平面阵列(混合式红外CCD)。将光敏元阵列和CCD扫描读出器分别用两种半导体材料做成。这样，就可把高量子效率的红外探测器阵列与工艺上相当成熟Si-CCD结构耦合为一体，从而制成高性能的红外焦平面阵列。两者耦合的关键技术是解决光敏元件和硅CCD的互联问题，其中包括热匹配和电接触。新近发展起来的锢柱和环孔互联技术已达到很高的成品率。根据互联方式不同，红外焦平面阵列有多种结构，但基本结构有前照明结构和后照明结构，见图3-10(a)和(b)。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件对于前照明结构，探测器从前面受到照射，电信号从同一面引出，这样，电引线必须越过探测器边缘区域到达多路传输器。为此，探测器必须做得十分薄，且因互联占去了一部分面积，导致光敏面相应减小。对于背照结构，要求镶嵌探测器有薄的光敏层，光敏层吸收辐射后，产生的光生载流子从背面扩散到前面，被p-n结检出获得信号。目前，红外焦平面阵列大多数为这种背照明结构。所用HaCdTe材料多用外延法生成，在透明的衬底上生长一薄的单晶层(10~20μm)，由离子注入法形成n+-p结，制成高性能HaCdTe光伏型阵列。用这种方法已能与硅CCD耦合，组成为高密度红外焦平面阵列。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件③肖特基势皇红外焦平面阵列(SB-IRFPA)。这是目前集成度最高且可望实用化的一种红外焦平面阵列。它的芯片结构是把可见光线转移CCD的光敏部分换成肖特基势皇光电探测器，故也称SB-IRCCD，如图3-11所示。其工作原理类似于可见光CCD(见3.4节)。肖特基势皇是金属与半导体接触后，金属中的电子向半导体打散，使其表面能带向下弯曲，形成自建电场。场区的陡度和宽度决定于选定的金属功函数与半导体功函数之差，以及半导体载流子的浓度等因素。肖特基光电探测器响应的截止波长取决于肖特基势皇的高度。适当选择金属电极就可达到所需波长的响应度。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件SB-IRCCD的工作机制是，在各积分期间内，转移栅是导通的，为此，需加一定反向偏置电压。在积分期间，探测器处于浮置状态，光生载流子一空穴注入硅衬底，探测器的反向偏压变小，有效地收集信号电子。当转移栅再次开放时，收集的电子就由CCD读出，最终通过前置放大器输出。SB-IRCCD利用了成熟的硅集成电路工艺，较易得到大面积高分辨率和高成品率的器件，故其发展和实用化受到极大重视。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件目前SB-CCD与其他探测器相比，灵敏度要低一个数量级，分辨率还有待进一步提高。为提高SB-IRCCD灵敏度，人们发明了一种效果最显著的薄膜金属电极结构和光学共振腔结构，见图3-12。薄膜金属电极结构是利用热空穴在金属一半导体及金属一绝缘层介面间的多次反射来提高灵敏度；而光学共振腔结构是由金属电极上的铝反射层、金属电极和铝反射层间的介质膜组成。通过铝反射层的再次反射，使透过薄膜金属电极的光再次激发而提高响应度。为使铝反射层形成的驻波腹部进入金属电极，可通过选定介质膜的厚度，使提高灵敏度的效果最佳。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件为进一步提高SB-IRCCD，可采用电荷扫描器件原理(CSD)。目前已研制出512×512像元的CSD红外焦平面阵列，其典型结构和工作原理如图3-13所示。在内线转移CCD中，控制像元及CCD信号读出的转移栅同时打开，使信号被读出。因为在一水平扫描期间，只有水平方向并排的转移栅开启、且只在一个垂直电荷转移单元打散，这样，CSD的沟道宽度可缩小到照相制版的极限，从而导致光敏单元尺寸相对较大，增加了每个单元所占探测器面积比，提高了分辨率。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件④平面红外焦平面阵列。图3-14是Z平面红外焦平面阵列结构示意图。其中，把具有信号读出及处理功能的芯片(含阻抗变换放大器、低通滤波器、存储器和控制栅逻辑线路等)采用叠层的方法组合起来，构成信号处理模块。再把该模块与探测器(图中顶端小方块阵列)和输入/输出电路(图中未画出)直接连接在一起，共同完成红外热成像过程中的光电转换、信号存储和扫描输出等功能。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件Z平面技术可用于光导型、光伏型等各种探测器信号的读出、处理中。初期的Z平面技术是在陶瓷基片上完成的，并应用到PbS探测器上，制成了4096元的PbS组件，PbS是沉积在陶瓷板边缘的。目前，已制成对中红外响应的InSb、HgCdTe组件，探测器采用锢焊技术或将导电环氧树脂钻合在芯片边缘上。像元由62×62发展到256×256。Z平面红外焦平面阵列的最大优点是全部工艺以现有半导体成熟工艺为基础，能大批量生产，易模块化，维护方便，且有数据预处能力，对抑制噪声、提高灵敏度和缩小整机体积均具有重要意义，尤其适用于多目标识别和成像跟踪系统中。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件4.其他新型红外探测器GaInAs红外焦平面探测器多量子阱红外焦平面多色探测器室温(非制冷)红外焦平面探测器(1)GaInAs红外焦平面探测器。GaInAs光子探测器是一种对短波红外(0.9~1.7μm)波段响应的器件，工作温度25℃左右，需用半导体制冷器稳定其工作点，量子效率可高达85%。美国Indigo公司已研制出320×256元GaInAs红外焦平面。作为近红外主被动夜视仪的核心器件，既可以被动夜视观察，又可以与1.5μm激光器相结合，实现远距离主动选通夜视成像。目前颇受军方重视。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件(2)多量子阱红外焦平面多色探测器(表3-4)。20世纪70年代开始，利用金属有机气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法，可以生长多种完全新颖的人工晶体材料，称为超晶格材料。例如，GaAs/GaAlAs多层超薄材料制成的超晶格量子阱，其光学和光电性质取决于各外延层材料的性质、组分及它们的厚度，以形成高低不同的GaA、势阱层和AlGaAs势垒层。通过它们之间的能带差别，促使被红外光激发的光生载流子，在外电场作用下，可从不能导电的基态，跃迁到可以作定向运动的激发态，以实现光电效应。量子阱探测器响应峰值可在中/长波红外的宽光谱范围内调节，其响应波长由势阱宽度和势皇高度确定。这样可以用来制备多色(双色或三色)红外探测器，在光电对抗应用中有重要意义，因为它们可以在系统智能控制下，根据敌方红外干扰的波长，及时自动切换为第二色或第三色响应探测器子以对抗。上一页下一页返回3.3红外探测成像器件(3)室温(非制冷)红外焦平面探测器。高性能红外光子探测器工作在低温，必须制冷，它的成本高，且结构比较复杂，使用不方便。市场需求发展一种性能适中、近室温工作并与电视兼容的8~14μm的红外焦平面探测器，以使系统做到质量轻、体积小、功耗低、价格低和可靠性好。这样的非制冷红外焦平面有广阔的应用领域和发展前景。由于已有的常温工作探测器大部分是热探测器，单个探测器性能比制冷型光子探测器大约低两个数量级，响应速度又慢。必须借助低帧频(≤30帧/秒)、大面阵焦平面(IRFPA)技术获取满意的输出信噪比。目前，常见的非制冷IRFPA有：上一页下一页返回3.3红外探测成像器件①热敏电阻微测辐射热计型红外焦平面(IRFPA)，工作原理见3.2.2；常用的半导体材料有非晶硅(a-Si)和氧化钒(VUx)。其中，二氧化钒(VO2)IRFPA的当前水平(美国DRS公司)：阵列格式320×220，单元尺寸5.1μm×5.1μm，工作波段8~14μm，像元合格率98%，噪声等效温差≤100mK，标称帧频60Hz，视频输出：标准电视格式(CMOS/PAL，NTSC)。②混合式热释电型IRFPA，工作原理见3.2.2；常用的半导体材料有钦酸错铅(PZT)，钛酸锶钡(BST)和担酸抗铅(PST)。其中，担酸抗铅(PST)IRFPA的当前水平(美国DAF公司)：阵列格式256×128，单元尺寸56μm×56μm，工作波段8~12μm，像元合格率99%，噪声等效温差≤100mK(50Hz，F=1)，标称帧频10~75Hz，耐冲击500g。上一页返回3.3红外探测成像器件3.4.1概述1.功能及分类人们司空见惯的数码相机、手机、可视电话、交通监控等系统中用的摄像头，均以这种固体电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices，CCD)为核心成像器件。CCD成像器件原理最早由美国贝尔实验室的W.s.Boyle和G.ESmith提出，后来是在MOS(金属一氧化物一半导体)晶体管电荷存储器的技术基础上发展并不断完善和产业化的。下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列CCD分线阵和面阵两种，其中，面阵CCD属于对可见光敏感的焦平面凝视器件。CCD是通过大规模集成电路工艺制成的专用硅芯片，它能一并完成光电转换、电荷传输和电荷(信号)拾取并输出视频信号等功能。其成像过程基于MIS单元对输入光子的光电转换存储、扫描转移、信号处理和视频输出、供监视器显示等原理。目前市面上出售的CCD系列主流产品的主要类别及其当前水平分别是：上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列(1)CCD固体电耦合器件)是按照一定规律紧密排列起来的金属一绝缘体一半导体(MIS)电容阵列组成的。工作原理基于MIS电容器能够储存和转运荷电载流子的功能上，单元输出电荷数正比于输入其上的光子数，阵列各单元电荷数分布构成为二维图像信号，经扫描、拾取、处理后，产生模拟视频信号，交由监视器显示所拍摄的黑白灰度电视图像；器件中加有彩色编码条纹后，可获得彩色电视图像。(2)CMOS成像器件(互补型金属一氧化物一半导体成像器件)。它是在CMOS大规模集成电路工艺与CCD探测器工艺相结合的基础上，把光电转换、行场驱动、信号存取、时钟定位、增益调整、A/D转换、线性激励等多重功能，集成在同一个芯片上，输出为数字视频信号，与计算机可通过USB(U盘)串行接口直接相连，借助适当软件让监视器显示出所摄图像。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列(3)EMCCD(雪崩电子倍增式微光CCD)。CCD信号被读出前，不直接交由外置预放器放大，而是先经过芯片内部配置的半导体电子雪崩区放大后，再交由外部读出信号处理显示。这样，便大大减小了读出噪声，加之适当的半导体制冷措施，可使器件工作于微光(10-3lx)条件下，读出噪声达到10电子/像元，电视分辨率400行以上。(4)ICCD(像增强式ImageIntensified-CCD)。是把微光像增强器(ImageIntensifier)通过光纤元件或中继透镜与CCD耦合为一体，制成的目前最常见的微光视频成像器件，它无须制冷，最低工作照度可达10-4lx以下，电视分辨率600行以上。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列(5)EBCCD(电子轰击式ElectronBanbardment-CCD)。这是把CCD或CMOS图像传感器芯片代替微光像增强器中的荧光屏，做成全真空式微光电视视频器件，它借助光阴极产生的光电子，从外置高压电源获得高能量，轰击背照明CCD，以高电子能量换取更大的电荷数量转换效率(1电子/3.8eV)，完成几乎无附加噪声的电子倍增视频图像输出。本节重点将介绍前3种CCD固体成像器件，后两种详见第四章“真空光电子成像器件”。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列2.应用背景目前，市面上的CCD器件及整机产品分三个档次。高档CCD：能制成超长线阵(4×5000元拼接之20000像元)和超大面阵(4096×4096，动态范围80dB，非均匀性≤1%，热噪声电平10电子/像元。美国仙童公司(9000×9000)像元的超大阵列CCD，为高清晰度、超高分辨率探测奠定了基础。中档CCD：百万像元以上的CCD，如1024×1024像元的高清晰度彩色摄像机。低档CCD：线列阵CCD及30万至百万像元的面阵CCD。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列以上中一低档CCD，多用于办公室自动化方面的传真机、复印机、摄像机、电视对讲机；工业方面用于机器人视觉、热影分析、安全监视、工业监控；社会生活方面用于手机、家庭摄录一体化、汽车后视镜；军事方面用于成像制导和跟踪、微光夜视、光电侦察等。高档CCD主要用于科研医疗、高清晰度广播电视摄像以及天文学、卫星遥感等太空领域，及星载、机载、空间检测遥感等领域。CMOS成像器件，数字化程度高，体积小、质量轻，速度快，用在微型卫星遥感、高速高帧频摄像；EMCCD，ICCD和EBCCD能完成低照度成像，主要用于微光视频侦察、跟踪、制导、告警；其中的CCD替换为CMOS成像器件后，更易于实现微光成像数字化和网络化。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列3.4.2CCD典型结构和工作原理1.CCD单元光电转换与电荷存储原理图3-15是CCD中的一个MOSC金属一氧化物一半导体)像元单元的光电结构及偏压示意图。p型硅上沉积有SiO2氧化物)，借助光刻技术，在其上形成阵列式Al电极(金属)，构成所谓MOS(或MIS)阵列电容器结构。每个像元上加有一反偏压(Al电极为正，p-型Si基底为负，零电位)。为了改进CCD性能，上述MOS电容器结构已被光电二极管结构所代替，即p-Si/n-Si扩散结形成的p-n结结构。这种MOS光敏电容器或光电二极管均能起到光电转换与电荷存储的作用。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列由半导体物理学可知，在反偏压作用下，二极管p-n结两侧会形成多数载流子被耗尽的所谓“耗尽层”。反偏压愈高，耗尽层愈深(见图3-15虚线区域)。此处，p型衬底多数载流子(空穴)的耗尽，意味着在无光照时，表面会发生带负电的受主态的耗尽，因而，会使其表面导带能级低于平衡费米能级之下。这样，当受光照射时，该像元产生的光生少数载流子(电子)会很容易向此耗尽区像元的表面聚集，即相当于该像元是电子的“势阱”。在各势阱内存放的电子数多少，正比于该像元处的入射光照度。于是，景物像各点的光子数分布就变成了相应像元势阱中的电子数分布，并被存储起来，从而起到了光电转换和电荷存储的作用。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列2.CCD电荷传输原理存储于各像元势阱中的电荷可以用顺序切换像元反偏压的方法沿表面传输，见图3-16。反偏压时钟脉冲按三相驱动模式的下列三组分别加入：1，2，7；2，5，8；3，6，9，…。分别记其相电压为ϕ1、ϕ2、ϕ3。设某时刻反偏压加在势相各像元上，光生电荷(电子)分别存储在它们的势阱里面，它们分别代表了相应图像信息的光电子数照度，并使其势阱电位变化了△ϕ1。在紧接着的下一时刻，势：加反偏压，势阱沿传输方向变宽两倍，原势阱下的电子会向右扩散运动；如果ϕ1电位降低到二极管暗电流水平，而保持ϕ2为高电位，则ϕ1势阱下的电子会全部转移到ϕ2势阱下。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列这样，ϕ1、ϕ2、ϕ3不断重复，即可使光生电荷(电子)向其输出端方向传输，电荷传输可以是一维的，也可以是二维的。于是，通过上述时钟反偏压脉冲驱动，即可从器件输出端得到一时序电脉冲。由于要传输的像元数很大，因此，要求电荷传输效率很高，若总传输效率为95%，则要求每个像元的传输效率为99.999%。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列3.CCD电荷信号拾取原理为提高电荷信号读出速度和效率，通常采用帧传递CCD模式拾取并产生视频信号。帧传递CCD芯片可分为暂时帧传递阵列结构(图3-17(a))和分离式光敏二极管阵列结构(图3-7(b))。在前一种结构中，CCD芯片分成两个区，一个区是执行光学图像传感任务的光二极管阵列(光电转换与电荷存储)，另一个区是暂时帧存储阵列。如图所示，在每一帧消隐时间内，借助于特定的A和B符合时钟脉冲，可以把存储和累积于CCD各电荷包中的电荷，传递到该暂时性的帧存储阵列中去；而在每一行消影期间内，靠B时钟脉冲，把这一帧中的一行信号传递给输出寄存器，并通过C脉冲读出该行的视频(模拟)电荷信号。推广此两过程于全画面，则最终形成所摄取的全电视信号。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列一个典型的CCD读出电路与信号波形如图3-18所示。当电荷包进入最后一个势阱(熟下面)中时，复位脉冲ϕR为正，场效应管T1导通，输出二极管D处于很强的反向偏置之下，其结电容CS被充电到一个固定的直流电平VCC上，于是源极跟随器T2的输出电平VDG被复位到一个略低于VCC的正电平上，此电平称为复位电平。当ϕR正脉冲结束后，T2管截止，由于T1存在一定漏电流，从而会产生一小的管压降，使输出电压有一个下跳，其下跳值称为馈通电压。当ϕR为正时，ϕ3也处于高电位，由于输出栅压V是一个比ϕ3低的正电压，因此，信号电荷被保存于ϕ3势阱中。但随着ϕR正脉冲的结束、且变得低于V电压时，使信号电荷一旦进入CS后，立即会使八点电位下降到一个与信号电荷量成正比的电位上，即信号电荷愈多，A点电位下降愈多。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列与此相应，T2输出电平V也跟随下降，其下降幅度正是所需的电视信号电压。综上所述，CCD经光电转换、信号电荷存储、传输，最终输出的信号电压为式中：△Q1，△V——分别是电荷包电荷量的变化及输出信号电压下降的幅度；G——输出放大器增益。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列以上获得的是模拟视频信号，还不能直接输给监视器显示电视图像，期间，需要另外的电子处理单元。这些处理单元包括：预放大器、A/D、振荡器、偏压发生器、时钟发生器、时钟驱动、线性激励器等，并经由图像采集卡，输给监视器显示所摄电视图像。以上就是CCD相机成像的基本工作原理。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列3.4.3CMOS成像器件典型结构和工作原理上述CCD芯片技术工艺复杂，不能与标准的CMOS工艺兼容，而且CCD芯片需要高电压，功耗也大，加之还需要外围芯片的一系列线路单元协同工作，这样，由于在信噪比、体积、质量和造价等方面的原因，限制了CCD的应用和推广。在此需求背景牵引下，人们发明了CMOS成像器件。它是在同一个芯片上利用CMOS工艺集成的单片数字成像系统，图3-19(a)和(b)分别是标准CCD和CMOS成像器件的芯片内外光敏单元及线路单元的组成图，值得特别注意的是，人们从(a)，(b)两图中虚线框内外的线路单元间的关系，不难看出：上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列CCD芯片结构(图3-19(a))：只包含光电转换区、移位寄存器区、电子一电压转换单元；芯片外协同工作电路单元：振荡器、偏压发生器、时钟发生器、时钟驱动器、增益调整器、A/D转换器以及线性激励器等8个单元。CMOS芯片结构(图3-19(b))：把上述CCD芯片内外的大部分单元电路全部集成在同一个CMOS芯片上，对外只留下一根偏压耦合和USB连接通道。在CMOS单片成像器件内，一并完成光电转换、电荷储存、行(列)选通译码、定时控制、放大、A/D转换、彩色处理及数据压缩和偏压输出等功能。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列从以上比较可以看出，CMOS成像器件功能全，体积小，功耗低，造价低，速度快、耐冲击等优点，而且因有直接数字化输出，所以易于图像处理，易于实现视频图像数字化和网络化。以上特点特别适用于对体积、质量和功耗要求严格的场合(例如，微小卫星深空探测、高速摄像、医学数字化影像和机器人视觉等)，价格较低也是它普遍受欢迎的另一大特点。但是，也应该看到，正是由于它的功能较全，导致其芯片内集成密度过高，有效光敏面积较小，难以做成大面阵器件。这是因为CCD的像元口1高达108，填充系数约100%，量子效率接近100%；而CMOS的像元小于或等于6.6×108，填充系数仅为20%~30%。其灵敏度和分辨率等性能不如CCD。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列3.4.4EMCCD典型结构和工作原理FMCCD，全名称是电子雪崩倍增式CCD，其芯片内部结构如图3-20所示。它与前面介绍的CCD的结构(图3-17)的不同之处在于：对于CCD，串行移位寄存器(图3-20中的A)直接把来自有源区的图像信号交给输出接头(outputnode)，进行信号放大和A/D转换，以显示视频图像；但对EMCCD，串行移位寄存器中的图像电子信号，必须先经过芯片内的“扩展型雪崩电子倍增寄存器”低噪声放大后，再交由输出接头后续处理、A/D转换，以显示视频图像。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列其中，主要利用了p-Si高压反偏置二极管的雪崩电子倍增(APD)原理，即在增益寄存区中通过瞬时反偏压技术，导致半导体形成耗尽层，该层中的少数载流子(光电子)在传输过程中，以高的能量碰撞电离，一个电子碰撞产生两个以上的新电子，多次碰撞诱发雪崩式电子倍增，完成信号电子在输出前的低噪声预放大功能。很显然，这种最接近光敏有源区的放大器，要比更长引线接出、再行放大的线路配置，信号读出噪声要低得多。从而能实现在较低照度场景下工作。为了保持器件的稳定工作，EMCCD通常还接有半导体制冷器，可以工作于10-3lx环境照度以下，获得400行以上的微光电视分辨率。但当环境照度更低时，其读出噪声及微光分辨率性能不如ICCD，更不如EBCCD。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列3.4.5ICCD典型结构和工作原理ICCD，全名像增强CCD(ImageIntensified，CCD)。它利用了光阴极暗电流非常低及像管图像亮度增强的优点，为CCD提供一个低噪声光子数预放大器，以实现微光电视摄像功能。像管与CCD之间耦合方法有两种：中继透镜光学耦合和光纤光锥耦合。图3-21是光锥耦合式ICCD的外形照片。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列ICCD目前的性能水平可以达到：10-4lx下，500~600行电视分辨率，可门控电路选通，实现ABC亮度自动控制)和DPC(强光保护控制)，使相机昼夜兼容工作，特别适用于巡航导弹、炮火战场及城市反恐等应用领域。ICCD是目前应用范围最广、性价比较高的微光电视摄像器件，因为，它采用分离组装集成方式，像管和CCD可分别优选再集成，既保证了单体及总体性能，又降低了器件成本。有关ICCD结构原理分析详见第四章“真空光电子成像器件”。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列3.4.6EBCCD典型结构和工作原理FHCCD，全名称电子轰击CCD(ElectronBonbardment，CCD)。如图3-22所示，它是用CCD或CMOS成像器件代替像管中的荧光屏，在超高真空总装台中，经过一系列二代管或三代管制作工艺处理(包括CCD烘烤除气及电子清刷)后。与像管光阴极、MCP、管体，通过单锢封(二代管)或双锢封(三代管)工艺总装为FHCCD的。从MCP输出的电子能量通常在6000eV以上：也常见有一代倒相管结构的EHCCD，电子轰击的能量可以高达10000eV以上。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列理论和实践证明，EBCCD是一种读出噪声最低的电子倍增预放器。这是因为，每3.5eV的电子，可在CCDp-Si半导体耗尽层中，激发出1个少数载流子一光电子，那么在6000eV下，即可获得6000/3.5=1712倍的电子增益，这样可使CCD视频信号的读出噪声非常低(0.07电子/像元)，比通常室温工作的CCD(102电子/像元)和EMCCD(102电子/像元)相比，要低4~2个数量级。这是为什么?原因在于CCD及FMCCD半导体中的电子运动，均是在固体中进行的，受温度影响很大，它们的电子扩散长度及单次电子倍增系数，均处于统计涨落之中，倍增级数越多，涨落引起的偏差越大；而在EBCCD中，光电子的运动处于几乎不受温度影响的超高真空环境中，电子倍增过程一次完成。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列让我们做一对比计算：设对EMCCD的雪崩电子倍增系数β=2.1，统计涨落△β=±0.1，则其统计涨落范围为β=2.0~2.2；对EBCCD的一次倍增系数及其涨落，于是：对EMCCD，经过10次雪崩倍增后的电子数，涨落相对误差98%；而且谓愈低，倍增次数愈多，这种误差还要大得多；而对EBCCD，只需经过1次轰击，其电子倍增数，涨落相对误差只有5.7%。上一页下一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列读出噪声低和微光分辨率高是EBCCD的主要特色，故特别适用于超微弱光场景视频成像，例如，应用于天文自适应光学望远镜图像光子计数器，以及医疗、生命科学研究中的超微弱光荧光图像分析等领域。EBCCD的主要技术瓶颈是如何解决像管与CCD烘烤除气等超高真空集成工艺的兼容问题，以提高良品率，降低成本，扩大推广应用。表3-5列举了天文自适应光学望远镜图像光子计数器用各类真空及固体的光电子成像器件的性能比较表。上一页返回3.4CCD、CMOS成像器件系列3.5.1概述本节将介绍若干紫外、X线和Y线等短波辐射探测成像器件，主要内容涉及以下固体成像器件的典型结构及工作原理。固体紫外(日盲)探测成像器件；短波荧光转换屏十CCD成像器件；直接光电转换X线和Y线固体成像器件；短波辐射FY-MAMA(电子轰击一多阳极列阵)位敏探测器。短波辐射固体成像器件的应用领域包括：下一页返回3.5短波辐射固体成像器件(1)民用领域：公安刑侦和艺术品紫外鉴别、安全检查、紫外灭菌和消毒及维生素光化学效应监测、计算机光信息储存效果评估；对太阳辐射、天文和火焰与环境污染的探测监控；遥感卫星深空X线、Y线探测成像；医用X线一CT成像、Y线诱发机体正电子(PET)成像。(2)军用领域：导弹紫外告警、紫外通信、紫外制导、生化战剂的探测；紫外侦察与反侦察等；核反应Y线探测成像等。上一页下一页返回3.5短波辐射固体成像器件3.5.2固体紫外(日盲)探测成像器件对紫外波段(0.4~0.01μm)辐射敏感的固体探测器的工作原理有两大类：光电导型和光电二极管型，它们所用的半导体材料分别有：光电导型：GaN和AlGaN；光电二极管型：Si，GaP，GaAsP，CdS，GaN，A1GaN和SiC。固体紫外成像器件与前面介绍的半导体红外探测器结构形式基本相同，单元结构有：光电导型、肖特基势皇光电二极管型、金属一半导体一金属(MSM)光电二极管型、金属一氧化物一半导体(MOS)结构型，p-n结和p-i-n结光电二极管型和场效应与双极性光电晶体管型等。上一页下一页返回3.5短波辐射固体成像器件半导体紫外探测器具有体积小、质量轻、结实可靠等优点。它在性能上线性度好、量子效率高、动态范围大，并易于做成大规模阵列成像器件。在发展过程中，Si，GaP，GaAsP，CdS等紫外光电二极管得到了应用，但它们对近红外光或可见光仍有响应，需要采用滤光片将他们滤掉，直到20世纪90年代，AlGaAS、及GaN紫外探测器的出现，其光谱响应可控制在紫外0.365~0.200波段，成为“纯”紫外和“日盲区”应用的紫外探测器。上一页下一页返回3.5短波辐射固体成像器件3.5.3固体X线探测成像器件基于对X线具有高吸收系数的宽禁带半导体的内光电导、光生伏特、光电二极管或光荧光屏+CCD阵列原理，可以做成各类固体X线探测成像器件，辅之以外围驱动扫描线路，可以把X线透射像转换为人眼可见的模拟的或数字的视频图像。目前有以下三类X线探测器：非晶硒平板检测器、非晶硅X线平板检测器和X线潜影成像板(ImagePlate)。1.非晶硒平板检测器非晶硒平板检测器是一种基于半导体Se