《光电检测技术及应用 第3版 》课件 -第3章 光电检测器件(3.5-3.7)

01十月2026《光电检测技术及应用》第3章光电检测器件目录3.1光电导器件

光敏电阻3.2光生伏特器件光敏二极管、硅光电池、光敏晶体管、光电位置敏感器件3.3光电发射器件光电倍增管3.4热辐射探测器件热敏电阻、热电偶、热电堆3.5热释电器件3.6光耦合器件3.7图像传感器真空摄像管、电荷耦合器件、CMOS图像传感器、红外热成像、图像的增强与变像①释义光敏电阻、PN结型光敏二极管、PIN型光敏二极管、雪崩型光敏二极管、硅光电池、光敏晶体管、色敏光生伏特器件、光生伏特组合件、光电位置敏感器、光电倍增管、热释电探测器、光耦合器件、真空摄像管、CCD图像传感器、CMOS图像传感器、像增强器、变像器的原理；②分析光敏电阻、PN结型光敏二极管、PIN型光敏二极管、雪崩型光敏二极管、硅光电池、光敏晶体管、光电位置敏感器、光电倍增管、热释电探测器、光耦合器件、真空摄像管、CCD图像传感器、CMOS图像传感器的特性参数；③归纳光敏电阻、PN结型光敏二极管、PIN型光敏二极管、雪崩型光敏二极管、硅光电池、光敏晶体管、色敏光生伏特器件、光生伏特组合件、光电位置敏感器、热释电探测器、真空摄像管、CCD图像传感器、CMOS图像传感器、像增强器、变像器的使用方法；④区分各光电检测器件的异同点；⑤选择符合检测需求的光电检测器件。第3章光电检测器件教学要求

第3章光电检测器件五、热释电器件热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。

热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。与其他热探测器相比，热释电器件具有以下优点：1）具有较宽的频率响应，工作频率兆赫兹。2）热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的探测率比热释电器件稍高，且这一差距还在不断减小。3）热释电器件可以有均匀的大面积敏感面，而且工作时可以不必外加偏置电压。4）与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小。5）热释电器件的强度和可靠性好，且制造比较容易。第3章光电检测器件五、热释电器件但是，热释电器件采用压电类晶体，容易受外界振动的影响，并且它只对入射的交变辐射有响应，而对入射的恒定辐射没有响应。而热释电器件不需要制冷。

热释电材料属于压电类晶体，不具有中心对称性的晶体，这些产生热释电效应的大量晶体中，热释电系数（极化强度即单位面积上的电荷量随温度变化的系数）最大的是铁电晶体材料，简称铁电体，铁电体以外的其他热释电材料很少用于制作热释电探测器。已知的热释电材料有1000多种，有单晶材料、高分子有机聚合物及复合材料、金属氧化物陶瓷及薄膜材料，如TGS硫酸三甘肽，SBN铌酸锶钡，LT钽酸锂、PZT醋酸铅、钛酸钡BaTiO2、碲镉汞HgCdTe等等。第3章光电检测器件五、热释电器件

第3章光电检测器件电极化与铁电体的自发极化a）一般电介质b）铁电体电介质

电极化现象

电介质的极化曲线五、热释电器件

第3章光电检测器件居里温度

随着温度的升高，极化强度减低，当温度升高到一定值时，自发极化突然消失，这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”。在居里点以下，极化强度Ps为温度T的函数。利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件。五、热释电器件a）TGS材料b）BaTiO2材料自发极化强度随温度变化的关系曲线

第3章光电检测器件工作原理当交变的入射辐射照射到已经极化的铁电体薄片上时，引起薄片温度升高，表面电荷减少，相当于释放了部分电荷。释放的电荷来不及中和，最终经负载电阻后转变成交变的电压输出。注：交变的入射辐射照射热释电晶体----

晶体的温度、晶体的自发极化以及由此产生的面束缚电荷随入射辐射的频率变化而变化----

如果频率较大，体内电荷来不及中和----

接上负载电阻，结果就在晶体与极轴垂直的两端面间出现交流电压。五、热释电器件

第3章光电检测器件注意：只对交变的入射辐射有响应，如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电压信号输出。五、热释电器件

第3章光电检测器件电极结构五、热释电器件

电极面积较大，极间距离较短，因极间电容较大，故其不适于高频使用。电极间距较大，电极面积较小，因此极间电容较小，适合高频使用。a）面电极结构 b）边电极结构

第3章光电检测器件输出特性五、热释电器件

第3章光电检测器件电压灵敏度五、热释电器件当入射为恒定辐射时，即时，，这说明热释电器件对恒定的辐射不灵敏；在低频段，或时，灵敏度与成正比，这正是热释电器件交流灵敏的体现；当时，通常，在范围内，为一个与无关的常数。高频段时，灵敏度与信号的调制频率成反比，减小热释电器件的有效电容和热容有利于提高高频段的灵敏度。

第3章光电检测器件阻抗特性：热释电探测器几乎是一种纯容性器件，由于其电容量很小，所以其阻抗很高。因此必须配以高阻抗的负载，通常在109

以上。常用JFET器件作为热释电探测器的前置放大器。噪声：热噪声放大器噪声温度噪声响应时间：五、热释电器件第3章光电检测器件五、热释电器件

5、红外热成像利用物体或景物发出的红外热辐射而形成可见图像的方法称为红外热成像技术。第3章光电检测器件七、图像传感器

WP-95型热释电红外热像仪

采用碲镉汞(HgCdTe)热释电器件为热电传感器，采用单点扫描方式，扫描一帧图像的时间为5s，一幅图像的分辨率为256×256，图像灰度分辨率为8bit(256灰度阶)。热像仪的探测距离为0.3m至无限远距离。热像仪视角范围大于12°，空间角分辨率为1.5mrad。工作温度为液氮制冷温度77K，在这样低的温度下，它对温度的响应非常灵敏，可以检测0.08℃的温度变化。第3章光电检测器件七、图像传感器

第3章光电检测器件七、图像传感器TGS热释电摄像管的结构

TGS（硫酸三甘肽）热释电摄像管的基本结构光电转换(光电变换与存储部分)将摄像机镜头所摄景物的光影像在靶上转换为相应的电位分布图。电子束扫描系统(阅读部分)

包括电子枪、聚焦线圈和偏转线圈，使电子束在靶上扫描，将此电位分布图逐行逐点地转换为视频信号输出。另有将X射线、紫外线、红外线、超声波等信息变换为电信号的特殊摄像管和高灵敏度的微光摄像管，但某些一般用途的摄像管有可能被固体摄像器件所取代。第3章光电检测器件七、图像传感器制式：视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则，才能保证图像信息不产生失真，这种规范称为制式。扫描：行扫描和场扫描。电子束从左到右水平方向的运动称为行扫描，而自上而下作垂直方向的运动称为场扫描。每一帧图像由电子束顺序地一行接着一行连续扫描而成，这种扫描方式称为逐行扫描。把每一帧图像通过两场扫描完成是隔行扫描。第3章光电检测器件七、图像传感器PAL-D制式：我国现行电视制式PAL制式，采用隔行扫描方式，每帧由奇偶两场，每帧625行，而每幅电视画面有625行扫描线，每场312.5行，帧频25Hz，场频50Hz，行频为15625Hz。行正程52us，行逆程12us。注：供电频率为50Hz，即场频为每秒50场，但由于是隔行扫描，每帧画面被分为奇数场和偶数场，即每扫描两次才形成一帧画面，故而帧频为每秒25帧(25i)，即每秒钟连续变化25帧电视图像。第3章光电检测器件

内容总结第3章光电检测器件

内容总结第3章光电检测器件

内容总结第3章光电检测器件

内容总结第3章光电检测器件

内容总结

第3章光电检测器件六、光耦合器件把发光器件与光敏元件封装在一起构成光电耦合器件。这种器件在信息的传输过程中用光作为媒介把输入边＆输出边的电信号耦合在一起的，具有线性变化关系，且在电性能上是完全隔离的。所以，我们把利用光耦合做成的电信号传输器件，一般称为光电耦合器件。发光器件:发光二极管光敏元件：光敏二极管、光敏晶体管、达林顿管、光集成电路1、结构与电路符号光耦合器件的电路符号

第3章光电检测器件六、光耦合器件发光器件和光接收器件封装一体，但不接触，具有很强的电气绝缘性，信号通过光传输。

第3章光电检测器件六、光耦合器件分类：线性、非线性；低速、高速；普通隔离（低于5000V，空封低于2000V）、高压隔离光电耦合器（10kV、20kV、30kV）；低电源电压型（5-15V）、高电源电压（大于30V）。按封装形式分……按通道个数分……

第3章光电检测器件六、光耦合器件广泛应用在测量仪器、精密仪器、工业和各医用电子仪器、自动控制、遥控和遥测、各种通信装置、计算机系统等领域。光耦合器件可代替继电器、脉冲变压器或其他复杂电路，实现信号输入/输出与计算机主机之间的隔离、信号开关匹配与抗干扰等功能。如：电气绝缘、电平转换、极间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐波振荡器、信号隔离、极间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离传输、脉冲放大、固体继电器、仪器仪表、通信设备及微机接口里。在单片开关电源中，利用光耦可构成光耦反馈电路，通过调节控制电流来改变占空比，达到精密稳压的目的。

LED和接收器件封装在一个壳体内，两者的发射光轴与接收光轴夹一锐角，若有被测物体存在于器件前方，LED发光后将被被测物体反射至接收器，构成测量近距离有无物体存在的光电开关。如产品自动计数、感应式水龙头等。反射型第3章光电检测器件

光电发射器件和接收器件安装于两臂上，用于检测两臂之间是否有物体存在或者检测物体通过两臂之间的运动速度。

透过型第3章光电检测器件

第3章光电检测器件六、光耦合器件特点：具有电隔离功能；绝缘电阻高达1010～1012欧姆，击穿电压高达25～100千伏，耦合电容小到零点几个皮法；信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以，模拟、数字信号都适用；具有抗干扰＆噪声的能力，可作为继电器＆变压器等使用；响应速度快，一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级；使用方便，具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性价比高，工作温度范围在－55到100摄氏度之间。即具有耦合特性又具有隔离特性，很容易把不同电位的两组电路互连起来，圆满的完成电平匹配、电平转移等功能。隔离特性1.入出间隔离电压Vio(IsolationVoltage)光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。2.入出间隔离电容Cio(IsolationCapacitance):光耦合器件输入端和输出端之间的电容值3.入出间隔离电阻Rio:(IsolationResistance)半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。传输特性1.电流传输比CTR(CurrentTransferRadio)输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。2.上升时间Tr(RiseTime)&下降时间Tf(FallTime)2、特性参数正向压降正向电流反向电流反向击穿电压结电容反向击穿电压输出饱和压降反向截止电流电流传输比脉冲上升时间、下降时间传输延迟时间入出间隔离电容入出间隔离电阻入出间隔离电压

2、特性参数

传输特性第3章光电检测器件六、光耦合器件在直流工作状态下，光电耦合器件的集电极电流IC与发光二极管的注入电流IF之比，称为光电耦合器件的电流传输比，用β表示，若有一工作点Q，则工作点选择在输出特性的不同位置时，具有不同的β值。故常用交流电流传输比来表示：光耦合器件的输出特性曲线

第3章光电检测器件六、光耦合器件在电流较小时，耦合器件处于截止区，β值较小，当电流变大后，β值变小，器件处于线性工作状态，但其变化量较小。在零摄氏度以下，β值随温度的升高而上升；在零摄氏度以上，随温度的升高而下降。

第3章光电检测器件六、光耦合器件脉冲上升时间＆下降时间最高工作频率、脉冲上升时间和下降时间都是衡量光电耦合器件动态特性的参数。当用光电耦合器件传送小的正弦信号或非正弦信号时，用最高工作频率来衡量较为方便；而当传送脉冲信号时，则用脉冲上升时间和下降时间来衡量较为直观。

光耦合器件和脉冲响应特性曲线

第3章光电检测器件六、光耦合器件最高工作频率fM光耦合器件的频率特性测试电路向发光二极管送入幅度相等而频率变化的交流小信号，在光电耦合器的输出端用交流电压表测其交流输出电压值。

第3章光电检测器件六、光耦合器件随着频率的增高，虽然电压幅度不变，而输出幅度却下降了，当输出电压相对幅值降至0.707时，所对应的频率就称为器件的最高工作频率。它会随负载的变化而改变。光耦合器件的频率特性曲线

第3章光电检测器件六、光耦合器件输入－输出间绝缘耐压BVCFO绝缘耐压与电流传输比都与发光二极管＆光敏三极管之间的距离有直接关系，且是一对矛盾体。当二者距离增大，绝缘耐压提高，但电流传输比却降低，反之，绝缘耐压降低，但电流传输比却提高。输入－输出间绝缘电阻RFC一般在109～1013欧姆之间，它的大小意味着耦合器件的隔离性能的好坏。输入－输出间绝缘寄生电容CFC一把为几个皮法，影响器件的工作频率。

第3章光电检测器件六、光耦合器件抗干扰特性输入阻抗很低，而干扰源的内阻很大，从而能馈入器件输入端的干扰噪声就变得很小；虽然有较大的干扰电压，但干扰源的内阻很大，只能形成微弱电流，不足以使发光二极管发光，从而避免干扰；器件的输入－输出边是用光耦合的，且密封在管壳中进行，避免了外界光的干扰；器件的输入－输出间的寄生电容很小，绝缘电阻又非常大，故输出系统的各种干扰很难通过器件反馈到输入系统中去。

3、应用第3章光电检测器件六、光耦合器件电平转换工业控制系统使用的集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度不同，如TTL为5V，HTL为12V，PMOS为-22V，CMOS为5-20V，如在系统中采用两种集成电路芯片，就需要电平转换电路，以便逻辑控制的实现。

第3章光电检测器件六、光耦合器件与门电路

利用光电耦合器件可以构成各种逻辑电路。如下图的与门电路：如果输入端同时输入高电平，则两个发光二级管都发光，TD1和YD2两个三极管都导通，即输出为1.

思考：如何设计与非门、或门。

隔离方面的应用第3章光电检测器件六、光耦合器件输入与输出在电方面是绝缘的，可很好地解决互连问题，即可方便地实现不同电源或不同电平的电路之间的互连。电路之间不仅可以电源不同(极性和大小)，而且接地点也可分开。有时为隔离干扰或者为使高压电路与低压信号分开，可采用光电耦合器件。为提高计算机工作的可靠性，亦可采用光电耦合器件把计算机与外围设备隔离开来。

晶闸管控制电路中的应用第3章光电检测器件六、光耦合器件

典型光耦合晶闸管

典型光耦合双向晶闸管

第3章光电检测器件六、光耦合器件光电耦合双向晶闸管大功率负载控制电路

1、概述近年来，图像传感器广泛应用于遥感遥测技术、图形图像测量技术和监控工程等领域，成为现代科学技术的重要组成部分。一、发展第3章光电检测器件七、图像传感器1934年光电像管1947年超正析像管1954年视像管1965年氧化铅管1976年硒像管和硅靶管1969年CCD图像传感器1989年CMOS图像传感器2009年，电荷耦合器件和光导纤维的发明者被授予诺贝尔物理学奖

二、分类第3章光电检测器件七、图像传感器扫描型直视型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视频信号输出。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)还原成二维光学图像信号。或者将视频信号通过A/D转换器输出具有某种规范的数字图像信号，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。

用于图像的转换和增强。它的工作原理是，将入射辐射图像通过外光电效应转化为电子图像，再由电场或电磁场的加速与聚焦进行能量的增强，并利用二次电子的发射作用进行电子倍增，最后将增强的电子图像激发荧光屏产生可见光图像。三、基本技术参数

图像传感器的基本技术参数应该包含图像传感器的光学成像物镜与光电成像器件的参数。光学成像物镜的主要参数为：（1）成像物镜的焦距成像物镜的焦距决定了被摄景物成在光电成像器件上像的大小，在物距相同的情况下焦距越长，所成的像越大。（2）相对孔径成像物镜的相对孔径为物镜入瞳的直径与其焦距之比，相对孔径的大小决定了物镜的分辨率、像面照度和成像物镜成像质量。第3章光电检测器件七、图像传感器（3）视场角成像物镜的视场角决定了能在光电图像传感器上成良好像的空间范围。要求成像物镜所成的景物图像要大于图像传感器的有效面积。这三个参数是成像物镜相互制约的，不可能同时提高，在实际应用中要根据情况适当选择。

与光电成像器件有关的参数有：（1）分辨率能够分辨图像中明暗细节的能力，一般用像素表示。

组成一幅图像的最小单元称为像素或像元，像元的大小和一幅图像所包含的像元数决定了图像的分辨率，分辨率越高，图像的细节信息越丰富，图像越清晰，图像的质量越好。

将图像分割的越细，图像质量越高。

第3章光电检测器件七、图像传感器如极限分辨率：每毫米能分辨的等宽黑白条纹数

像管：每毫米线对数；

摄像管：水平分辨率、垂直分辨率。第3章光电检测器件七、图像传感器（2）扫描方式和扫描速率

不同的扫描方式有不同扫描速率要求，例如单元光机扫描方式扫描速率参数由扫描机构在水平方向和垂直两个方向的运动速度（转动角速率）决定。行扫描速率（行正程）取决于光学图像在水平方向的尺寸和行正程时间；垂直方向的场扫描速率（场正程）取决于光学图像在垂直方向的尺寸和场正程时间。

固体自扫描图像传感器的水平扫描速度取决于传感器水平行的像敏单元数与行扫描时间之比；垂直方向的场扫描速度取决于传感器在垂直方向的像敏单元行数与场扫描时间之比。摄像管-基于电子束扫描按从左到右，从上到下的方式进行扫描；固体摄像器件-基于自扫描方式CCD图像传感器采用转移脉冲方式将电荷包顺序转移出器件，输出一维时序信号；CMOS通过顺序开通行、列开关的方式完成信号输出。（3）光谱响应（4）转换特性

灵敏度、转换系数、亮度增益（5）输出信噪比（6）动态范围：最高入射照度与最低入射照度之比除此之外，还有暗电流、畸变、晕光、寿命、机械强度等参数。第3章光电检测器件七、图像传感器练习：用线阵CCD测量直径为15至20mm钢棍的外径，要求测量精度不低于±0.01mm，试画出测量系统原理方框图；选出线阵CCD的型号；提出对成像光学系统要求。第3章光电检测器件七、图像传感器解：1、测量系统原理方框图如下2、线阵CCD的选择可有两种选择：（1）在尺寸测量系统中，线阵CCD的选择原则是首先考虑测量精度与测量范围。由题目要求可知，测量精度为±0.01mm，测量范围为20mm，相对测量精度为0.05%，考虑测量的保险系数取精度0.005mm，相对精度0.025%。按相对精度0.0125%选择线阵CCD，选像元数大于8000的线阵CCD。TCD2901D器件的有效像元数为10550，像敏单元尺寸为4μm，像敏区总长为42.2mm。它能实现的测量精度高于20/10000=0.002，相对精度0.01%，符合要求。（2）可以考虑采用细分技术，若采用2细分，则可选用TCD1500C器件，该器件具有5340像元，像元尺寸为7μm，像敏区总长为37.38mm。细分后精度也满足要求。3、对成像光学系统的要求（1）对光学系统视场的要求：

①要求物方视场应大于被测物的最大值，即物方视场DW应

DW

＞d+l式中，d为被测物的最大直径值，l为考虑被测物在测量过程中由于振动、安装误差等原因而使视场扩大的量。可取DW＞26mm。②要求像方视场DX应大于线阵CCD的有效像元长度。使所有的像元均在像方视场之内。可取DX＞42.2mm。或DX＞37.38mm。（2）对光学系统放大倍率β的要求：

由测量系统绝对精度的要求计算光学系统的放大倍率β。测量系统绝对精度Δl为：Δl=20×0.025%=0.005mm再根据物像关系，应使线阵CCD能够分辨测量的绝对精度，即像元尺寸l0应小于Δl×β，对于TCD2901D，

l0＜Δl×ββ＞l0/Δl

=4/5=0.8又要求满足物、像方视场的条件，即

DW×β＜DX由此可得β＜DX/DW=42.2/26=1.6取β=1。（3）对光学系统分辨率的要求：根据测量精度的要求，分辨率应能将测量系统绝对精度分辨出来，因此，分辨率应不低于1/Δl，即

N＞1/0.005=200(lp/mm)分辨率应高于每毫米200条线。

2、真空摄像管第3章光电检测器件七、图像传感器光电导型摄像管（或称为视像管）（无移像区）：硅靶、氧化铅靶和碲化锌靶、热释电摄像管光电发射型摄像管（有移像区）光电转换-光电信息存储-扫描输出。光电导型和热释电摄像管，光电转换和信息存储都由靶完成，光电发射型光电阴极和靶之间隔了一个移像区，先在光电阴极产生电荷，经过移像区获得能量，在靶面上产生更多电荷。

第3章光电检测器件七、图像传感器a）摄像管结构b）靶结构氧化铅摄像管结构示意图

工作时，加40-60V的电压，使PIN结处于反偏状态。

当光学图像投射在靶面时，入射光子大部分被本征层吸收，产生光生载流子。

光生载流子被内电场拉开，电子被拉向N区，空穴被拉向P区。（这样，若假定把曝光前本征型层两端所加的强电场看做是对电容的充电，则此刻由于光生载流子漂移运动的结果就相当于电容的放电）

在一帧的时间内，靶面上便获得与输入图像光照分布相对应的电位分布，从而实现图像的变换和记载。通过电子束扫描，即可得到视频信号。第3章光电检测器件七、图像传感器氧化铅靶结构（多孔疏松盘状晶粒结构）

第3章光电检测器件七、图像传感器硅靶结构靶上加电压，无光照时，反向电压保持。当有光学图像输入时，N型硅将吸收光子产生电子空穴对。这些电子空穴对将在电场的作用下经过PN结漂移到P型岛。空穴的漂移在一帧的周期内连续进行，从而提高了P型岛的电位。并且，其电位升高的数值正比于该点的曝光量。其结果是在靶面P型岛上形成了积累的电荷图像。

电子束扫描后中和该点的空穴形成电流，在输出电阻上产生对应的一维时序电压信号（视频信号）。电阻海颗粒分割结构：

N型单晶硅基底，上面大量微小的P型岛，P型岛外表面上形成一层硫化镉层，称为电阻海。

性能参数光电转换特性-摄像器件输出的光电流与入射的光照度之间的函数关系第3章光电检测器件七、图像传感器典型摄像管光电转换特性

光谱响应特性第3章光电检测器件七、图像传感器几种摄像管的光谱响应特性曲线

时间响应特性表示摄像管滞后特性的指标。一般滞后特性随输入照度增大而下降。

输出信噪比取决于光电阴极的量子噪声、靶噪声、扫描电子束的噪声、二次电子倍增器，以及前置放大器的噪声等因素。一般，随着入射照度的增加，输出信噪比得到提高。

动态范围取决于摄像管的暗电流及其饱和电流。二者之比即为该摄像管的动态范围。图像传递特性取决于移像区的电子光学系统的像差、靶的电荷图像像差，以及扫描电子束的弥散和滞后等因素。第3章光电检测器件七、图像传感器线阵CCD结构示意图第3章光电检测器件七、图像传感器由光敏阵列、转移栅、模拟移位寄存器和输出放大器等单元构成。

TCD5130AD帧转移型面阵CCD由像敏区、存储区、水平移位寄存器和输出部分等构成。有效像元数为754(H)×583(V)；像素单元尺寸(长×高)为12.0μm×11.5μm；像敏面积为9.05mm×6.70mm。a）面阵CCD管脚图b）面阵CCD结构原理图TCD5130AD帧转移型面阵CCD管脚与结构原理图第3章光电检测器件七、图像传感器第3章光电检测器件七、图像传感器SH信号源（晶振）整形电路（分频器）逻辑电路（驱动脉冲发生器）CR1RSCR2

TCD1206SUP线阵CCD驱动脉冲及输出信号波形图

用电荷量来表示不同状态的动态移位寄存器，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，实现电荷的存储和转移。第3章光电检测器件七、图像传感器表面沟道CCD器件（SCCD）：信号电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面进行转移的器件。体沟道或埋沟道CCD器件（BCCD）：信号电荷包存储在距离半导体表面一定深度的半导体体内，并在体内沿一定方向转移的器件。3、电荷耦合器件线阵CCD：单沟道线阵CCD、双沟道线阵CCD面阵CCD：帧转移型面阵CCD、行间转移型面阵CCD、帧行间转移

型面阵CCD

第3章光电检测器件七、图像传感器CCD结构（以P型硅衬底为例）附：CCD图像传感器的结构构成CCD的基本单元是MOS电容。在P型硅衬底上生成SiO2绝缘层，氧化硅上淀积并光刻腐蚀出金属铝电极作为栅极。工作时，在栅电极上加上一定的偏压，形成势阱以容纳电荷，电荷的多少基本与光强呈线性关系。电荷读出时，在一定相位关系的移位脉冲的作用下，从一个势阱转移到下一个势阱，直至移出CCD，经过电荷/电压变换，转换为离散电压模拟信号。

离散电压-低通滤波-采样保持-量化编码-采集到计算机。

微型镜头+滤色片+感光层

第3章光电检测器件七、图像传感器电荷存储CCD栅极电压变化对耗尽区的影响表面势与栅极电压的关系曲线表面势与反型层电荷密度的关系曲线

第3章光电检测器件七、图像传感器a）空势阱b）填充1/3势阱c）全满势阱势阱

第3章光电检测器件七、图像传感器电荷的注入--光注入背面照射式光注入的示意图当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。正面照射式背面照射式第3章光电检测器件七、图像传感器CCD正常工作的相数相即电极结构，电极结构的确定必须满足电荷定向转移及相邻势阱间电荷耦合的基本要求。

第3章光电检测器件七、图像传感器电荷耦合三相CCD中电荷的转移过程

第3章光电检测器件七、图像传感器电荷的检测电流输出方式电路d

第3章光电检测器件七、图像传感器

练习：已知RL2048DKQ(26×13μm2)在250-350nm波段的光照灵敏度为4.5V/μJ•cm-2。今用RL2048DKQ为光电探测器，采用16位的A/D数据采集卡（ADC700转换器件）对被测光谱进行探测，探测到一条谱线的幅度为12600，谱线的中心位置在1246像元上。设RL2048DKQ的光积分时间为0.1S，且在0.1S积分时间情况下，背景的输出幅度为2000。当测谱仪已被2条已知谱线标定（一条谱线为220nm谱线中心位置在250像元，另一条谱线为440nm谱线中心位置在1550像元）。试计算该光谱的辐射出射度为多少μW•cm-2？谱线辐射的中心波长为多少nm？解：设在250-350nm波段范围内RL2048DKQ的光谱响应是均匀的。

1.16位A/D转换器的输出数字量的范围为0-65535（即0216-1），它对应的电压幅值应为（0-10）V。因此，谱线的幅度为12600，背景的幅度为2000的光谱的有效输出电压Um应为

光谱的辐射出射度应为：

=3.6×10-8W.cm-2~

2.根据标定情况，像元的光谱分布应为:

被测谱线距标定谱线像元数为1550-1246=304像元，即在波长坐标上，被测谱线距标定谱线的波长差为:

Δλ=0.17×304=51.7被测谱线的峰值波长λ为:

λm=440-51.7=388.3(nm)

第3章光电检测器件七、图像传感器特性参数

电荷转移效率和电荷转移损失率--一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与原来势阱中的电荷量之比称为转移效率。

第3章光电检测器件七、图像传感器影响电荷转移效率的主要因素是表面态对电荷的俘获。为此，常用“胖零”工作模式，即让“零”信号也有一定的电荷。

不同频率电荷损失率与“胖零”电荷的关系

第3章光电检测器件七、图像传感器

驱动频率

注入信号电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须小于少数载流子的平均寿命，即，在正常工作条件下，对于三相CCD而言，，则得到：电荷从一个电极转移到另一个电极的时间应大于电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间，才能保证电荷的完全转移。对于三相CCD而言，，则得到：

第3章光电检测器件七、图像传感器

P型沟道CCD转移损失率与驱动频率的关系曲线三相多晶硅N型表面沟道（SCCD）的驱动频率与损失率的关系曲线第3章光电检测器件七、图像传感器

第3章光电检测器件七、图像传感器

答案：P332页练习：试画出用TCD1206UD进行物体振动非接触测量的基本原理方框图。若已知TCD1206UD的驱动频率为3MHz，像素数为2236pixels，测量振动波形的一个周期至少需要7个测试点，试问此时的TCD1206UD所能测试的最高振动频率？练习：第3章光电检测器件七、图像传感器

解：发射光学系统待测物体接收光学系统线阵CCD驱动器二值化数据采集接口电路计算机系统照明光源输出显示用线阵CCD进行物体振动非接触测量的基本原理方框图练习：首先找到在3MHz驱动频率下的积分时间

t=N×(1/f)=2236×1/3×10=745.3×10-6sintmin－6然后，计算测量一个振动周期所需要的时间，即为振动周期TT=7t=7×745.3×10s=5.22msint－6因此，所能测试的最高振动频率为f=1/T=191.5

Hzm即：用驱动频率为3MHz的TCD1206UD测量物体时，所能测试的最高振动频率为191.5

Hz。计算最高测试频率如下：练习：2048像元线阵CCD结构示意图第3章光电检测器件七、图像传感器第3章光电检测器件七、图像传感器SH信号源（晶振）整形电路（分频器）逻辑电路（驱动脉冲发生器）CR1RSCR2

第3章光电检测器件七、图像传感器线阵CCD摄像器件的两种基本形式

三相单沟道线阵CCD的结构图在转移栅上的控制脉冲作用下信号转移至模拟移位寄存器中，CCD模拟移位寄存器内电荷在三相交叠脉冲的作用下一位位地移出器件，经输出放大器形成时序信号(或称视频信号)。单沟道线阵CCD由光敏阵列、转移栅、CCD模拟移位寄存器和输出放大器等单元构成。光积分时间内，光敏单元不断积累电荷。光积分时间转移时间光积分时间要远远超过转移时间。

第3章光电检测器件七、图像传感器双沟道线阵CCD具有两列CCD模拟移位寄存器A和B，分列在像敏阵列的两边。当转移栅A和B为高电位(对于N沟道器件)时，光敏阵列势阱里积存的信号电荷，将同时按箭头指定的方向分别转移到对应的模拟移位寄存器内，然后在驱动脉冲的作用下分别向外转移，最后经输出放大器以视频信号方式输出。

双道线阵CCD的结构图

第3章光电检测器件七、图像传感器单沟道、双沟道线阵CCD

第3章光电检测器件七、图像传感器单沟道线阵CCD这种结构的线阵CCD的转移次数多、效率低，只适用于像敏单元较少的摄像器件。双沟道线阵CCD

转移次数少一半，转移时间缩短一半，总转移效率大大提高。因此，在需要提高CCD的工作速度和转移效率的情况下，常采用双沟道的方式。

双沟道器件的奇、偶信号电荷分别通过A、B两个模拟移位寄存器和两个输出放大器输出，由于两个模拟移位寄存器和两个输出放大器的参数不可能完全一致，就必然会造成奇、偶输出信号的不均匀性。所以，有时为了确保各像敏单元参数的一致性，在像敏单元较多的情况下也采用单沟道的结构。由像敏区、存储区、水平移位寄存器和输出部分等构成。有效像元数为754(H)×583(V)；像素单元尺寸(长×高)为12.0μm×11.5μm；像敏面积为9.05mm×6.70mm。a）面阵CCD管脚图b）面阵CCD结构原理图TCD5130AD帧转移型面阵CCD管脚与结构原理图第3章光电检测器件七、图像传感器

第3章光电检测器件七、图像传感器面阵CCD图像传感器帧转移面阵CCD

帧转移三相面阵CCD的原理结构图图像经物镜成像到像敏区，在光积分期间(场正程)，光生电荷将被收集到这些电极下方的势阱里，形成电荷包图像，存储于成像区。

场逆程期间，成像区和存储区电极上的时钟脉冲将成像区所积累的信号电荷迅速转移到暂存区。在场正程期间，水平移位寄存器输出一场图像信号。当第一场读出的同时，第二场信息通过光积分又收集到光敏区的势阱中。一旦第一场的信号被全部读出，第二场信号马上就传送给寄存器，使之连续地读出。

第3章光电检测器件七、图像传感器面阵CCD图像传感器帧转移面阵CCD

第3章光电检测器件七、图像传感器隔列转移性面阵CCD

结构图相敏单元与寄存器单元

第3章光电检测器件七、图像传感器隔列转移性面阵CCD工作过程

线阵CCD驱动模块线阵CCDCCD照片第3章光电检测器件七、图像传感器

2048像元线阵CCD结构示意图驱动脉冲-两类，共五种线阵CCD多用于一维尺寸检测，面阵CCD多用于二维形状或图像采集与处理。基本功能是电荷的存储和转移；基本工作是信号电荷的产生、存储、传输和检测；CCD摄像器件可分为线阵和面阵两大类。第6章光电检测系统典型电路三、CCD器件驱动电路由像敏区、存储区、水平移位寄存器和输出部分等构成。有效像元数为754(H)×583(V)；像素单元尺寸(长×高)为12.0μm×11.5μm；像敏面积为9.05mm×6.70mm。a）面阵CCD管脚图b）面阵CCD结构原理图图6-13面阵CCD管脚与结构原理图第6章光电检测系统典型电路三、CCD器件驱动电路第6章光电检测系统典型电路三、CCD器件驱动电路1、CCD驱动电路时序方法直接数字电路驱动方法，驱动频率高，但逻辑设计比较复杂。单片机驱动方法，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。EPROM驱动方法，结构简单，与单片机驱动方法相似。专用IC驱动方法，集成度高、功能强、使用方便，缺点是灵活性不好。第6章光电检测系统典型电路三、CCD器件驱动电路TCD1206SUP完整的驱动时序TCD1206SUP完整的驱动时序第6章光电检测系统典型电路三、CCD器件驱动电路5种逻辑定时信号CCD逻辑定时信号示意图CCD逻辑定时信号示意图第6章光电检测系统典型电路三、CCD器件驱动电路

光积分脉冲信号的产生CCD光积分脉冲驱动信号赋值PLD光积分部分输出信号位置二进制数十六进制数点10100H04H点20101H05H点31100H0CH点41101H0DH点51100H0CH点61101H0DH点70100H04H点80101H05H第6章光电检测系统典型电路三、CCD器件驱动电路

转移脉冲信号的产生转移脉冲信号示意图PLD自扫描部分输出信号位置二进制数十六进制数点10010H02H点20011H03H点30100H04H点40101H05H第6章光电检测系统典型电路三、CCD器件驱动电路

驱动电路设计信号调理电路原理图CCD数据采集系统结构框图CCD-TCD1304DG

信号调理-AD8032FPGA-Syclone4代EP4CE15AFE-AD9826

时钟分配芯片-TB62801F

数传控制芯片-CY7C68013电源芯片-LT1764AEQ基准时钟48MHz时钟电路

时钟分配芯片与TCD1703C接线图16位A/D转换电路原理图传输控制电路原理图第6章光电检测系统典型电路三、CCD器件驱动电路

驱动电路设计FPGA仿真产生的CCD驱动时序图第6章光电检测系统典型电路四、视频信号的二值化处理电路1、阈值法比较整形法比较电路原理CCD视频信号经低通滤波器形成模拟信号，输入比较器与参考电平（阈值）进行比较。输入信号高于阈值输出高电平，低于阈值输出低电平，形成二值化检测信号。在低电平期间对计数脉冲进行计数，从而得n值。第6章光电检测系统典型电路四、视频信号的二值化处理电路CCD视频信号二值化处理过程第6章光电检测系统典型电路四、视频信号的二值化处理电路固定阈值法固定阈值法工作原理图

固定阈值法结构简单，使用方便。缺点是要求阈值电压、光源、驱动脉冲稳定，对系统提出较高要求。第6章光电检测系统典型电路四、视频信号的二值化处理电路浮动阈值法浮动阈值法工作原理图电压比较器的阈值电压随测量系统的光源或随CCD输出视频信号的幅值浮动。这样，当光源强度变化引起CCD输出视频信号起伏变化时，可以通过电路将光源起伏或CCD视频信号的变化反馈到阈值上，使阈值电位跟着变化，从而使方波脉冲宽度基本不变。第6章光电检测系统典型电路四、视频信号的二值化处理电路2、微分法微分法工作原理图对低通滤波信号进行微分处理，则得到的微分脉冲峰值点即为物像的边沿点。微分法二值化波形图用这两个微分脉冲峰值点作为计数器的控制信号，在两个峰值点间对计数脉冲计数，即可测出物体宽度。某造纸厂生产的纸张为宽1米的长条状，需要切成长2米/张，根据下图裁纸机和浮动阈值二值化处理电路，试设计一个光电检测系统来实现，画出系统示意图，并详细阐述其工作原理。（a）浮动阈值二值化电路

（b）裁纸机第6章光电检测系统典型电路四、视频信号的二值化处理电路光源发出的光被分束镜分为两路，一路经履带边缘透过被光电检测器件接收变成电压信号Ui，成为浮动阈值电路的输入端，另一路直接进入阈值电路的光电转换器件转换成阈值电压。当纸进入接收器视场时，光电器件输出光电流减小，引起输出电压的跳变，此时输出信号Uo为低电平，裁纸刀下落，纸切断后，器件又恢复照亮时的状态，输出信号Uo为高电平，裁纸刀抬起，如此反复，实现自动裁剪。第6章光电检测系统典型电路四、视频信号的二值化处理电路

线阵CCD在扫描仪中的应用

CCD图像传感器的应用

线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控

风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描CCD图像传感器的应用线阵CCD用于字符识别CCD图像传感器的应用CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片CCD图像传感器的应用CCD用于图像记录CCD图像传感器的应用三基色分离原理

CCD图像传感器的应用CCDCCD图像传感器的应用CCD数码摄像机

CCD图像传感器的应用

4、CMOS图像传感器将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高且价格低廉，有着广泛的应用。第3章光电检测器件七、图像传感器CMOS成像器件的组成原理框图主要厂商

第3章光电检测器件七、图像传感器附：CMOS图像传感器的结构

工作时，栅极接在复位信号线上，复位后光敏单元内产生与光照信号相匹配的电荷信号，积分结束后进行信号输出，在行选择逻辑单元的配合下选通相应的行像素单元，再通过各自所在列的信号总线经多路模拟开关传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换单元，转换为数字信号由接口电路输出。P型硅为衬底，上扩散或离子注入的工艺生成N+型源区和漏区，再生成SiO2绝缘层，氧化硅上蒸镀金属铝电极作为栅极。（以P型硅衬底的被动像敏单元为例）一个光敏二极管+一个MOS场效应晶体管

第3章光电检测器件七、图像传感器随机采样电路：便于采集部分图像数据。微处理器控制随机采样，存储器用于存储地址和图像数据，三个加法器，两个用于混合选址，一个用于启动A/D转换。用地址总线或微处理器控制选址和读出数据。偏压非均匀性校正电路：校正光敏单元偏置电压

EPROM中存储偏压非均匀性数据，经过D/A转换后进行差分放大，将输出信号减去EPROM存储的信号，便消除了光敏单元偏置信号非均匀性的影响。

CMOS图像传感器比CCD图像传感器出现稍早些，但在相当长时间里，存在成像质量差，像敏单元尺寸小，填充率低，响应慢的特点。“被动像元”（无源）结构：（1969年出现，早期的CMOS图像传感器结构）每个像敏单元主要由一个光敏元件和一个像元寻址开关构成，无信号放大和处理电路。性能较差。“主动像元”（有源）结构：（1989年出现）不仅有光敏元件和像元寻址开关，而且还有信号放大、A/D转换和数字信号处理电路、接口电路和存储器，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围，使它的一些性能参数与CCD图像传感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于CCD图像传感器。

CMOS-PPS\CMOS-APS(多了放大)\SMOS-DPS（又多了A/D）第3章光电检测器件七、图像传感器

相敏单元结构—主动式第3章光电检测器件七、图像传感器主动像敏单元结构的基本电路主动相敏单元时序图

第3章光电检测器件七、图像传感器初始化设置帧读出移位寄存器初始化启动行读出启动X移位寄存器信号采集启动下行读数复位放大器复位信号采样和保持CMOS视频摄像头的外部结构

CMOS视频摄像头的外形及内部结构

6、图像的增强与变像把强度低于视觉阈值的图像增强到可以观察程度的过程称为图像的增强；用于实现该过程的光电成像器件称为像增强器。

把各种不可见图像，如红外图像、紫外图像及X射线图像，转换成可见图像的过程称为图像的变像；用于实现该过程的器件称为变像器。像增强器与变像器都是图像变换器件，除光电阴极面的光谱响应不同外，二者的工作原理基本相同。第3章光电检测器件七、图像传感器像增强器/变像器的典型结构光电阴极+电子光学系统+荧光屏

性能参数光电阴极灵敏度

光电阴极的量子效率决定器件的灵敏度。它对波长的依赖关系决定器件的光谱响应。光电阴极暗电流和量子效率决定像的对比度和最大信噪比，而对比度和信噪比又决定照度最低情况下的分辨率。因此在设计和选择特殊应用的变像器时，选择恰当的光电阴极方可获得最佳性能。

放大率与畸变