光电信息技术 光电成像器件 中原工学院 参考书： 《光电成像原理》，邹异松等，北京理工大学出版社

5.1 概述 光电成像器件的发展 近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进行光学 图像处理与图像测量已成为现代光学仪器、现代测控 技术的重要发展方向 它广泛应用于遥感、遥测技术，图形图像测量技术和 监控工程等，成为现代科学技术的重要组成部分

1934年研制出光电像管，应用于室内外的广播电视摄像。它的灵 敏度相当低，要达到现在图像信噪比的要求，需要不低于10000lx 的照度，这使它的应用范围受到很大限制 1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成本低，体积小，灵敏 度和分辨率都较高，但是不适用于高速场合和彩色应用 1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应用于彩色电视摄 像机 1976年前后，又相继出现灵敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶 管 1970年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器件(CCD)，从此光电成像 器件的发展进入一个新的阶段——CCD固体摄像器件的发展阶段

分类 扫描型（非直视型） 真空电子束扫描型，例 光电型：光电导式和光电发射式 热电型：热释电摄像管 固体自扫描型：电荷耦合摄像器件（CCD） 扫描型光电成像器件又称为摄像器件 被摄景物通过光学系统成像在器件光敏面上，然后由 这种器件通过电子束扫描或自扫描方式将光敏面上的 二维图像转变为一维时序电信号输出出来 运载图像信息的一维时序信号称为视频信号 真空电子束扫描型，例 光电型：光电导式和光电发射式 热电型：热释电摄像管 固体自扫描型：电荷耦合摄像器件（CCD）

非扫描型：直视型电真空像管 变像管 可直接观察， 类似于透镜成像 像增强管 红外变像管 紫外变像管 X射线变像管 串联式像增强管 级联式像增强管 微通道板式像增强管 负电子亲和势阴极摄像管 可直接观察， 类似于透镜成像

5.2 光电成像器件的基本特性 表示光电成像特性的参数可分为五大类 光谱响应 光电转换特性参数 时间响应特性 光学特性 转换系数（增益）、灵敏度（响应率） 时间响应特性 惰性（余辉）、脉冲响应函数、瞬时调制传递函数 光学特性 分辨率、光学传递函数 噪声特性（探测器性能参数） 噪声、噪声等效输入（探测率）、信噪比

光谱响应 器件对不同频率（或波长）光的灵敏度特性，或者说， 器件的灵敏度特性随光频率（或波长）的变化曲线 取决于光电转换材料的光谱响应 例 摄像管 视象管 CCD 热释电摄像管 光电阴极材料 靶材料 硅材料 材料的热释电效应——近似直线 应选择光谱响应与被测景物辐射光谱相匹配的成像器件

光电转换特性参数 表示输入物理量与输出物理量之间的依从关系 两个方面 直视型： 紫外U 可见V 红外R 可见V （图像） 非直视型： 电流I 电压Ｕ （视频电信号） 转换系数： 光电灵敏度： 增益（直视型） 响应度（非直视型）

增益——直视型 输入 输出 不同波段的电磁辐射通量（或光通量） 光通量（可见光V） 转换系数（增益） 光电成像器件在法线方向（θ=0）输出的亮度L与输入的辐照度E 的比值

亮度增益 将输入辐照度E 改为输入光照度El 有量纲 cd/(m2·lx) 教材上错误，请更改 当器件用于增强可见光图像时，常定义为亮度增益Gl 将输入辐照度E 改为输入光照度El 教材上错误，请更改 有量纲 cd/(m2·lx)

为什么？ 光增益 输出光出射度与输入光照度之比 如果直视型光电成像器件的输出像面具有朗伯体（Lambert）发光特性，由上两式可得 工程上为了计算和测试方便，采用无量纲的量G0来表示增益——光增益 输出光出射度与输入光照度之比 如果直视型光电成像器件的输出像面具有朗伯体（Lambert）发光特性，由上两式可得 为什么？

转换系数、亮度增益、光增益都与输入光谱分布有关。 作为统一标准，必须确定取标准辐射源（或标准光源）作为输入源。 单色转换系数 为了描述直视型光电成像器件对不同光谱的转换特性，定义单色转换系数Gλ 可定量描述光电成像器件的光谱响应特性 转换系数、亮度增益、光增益都与输入光谱分布有关。 作为统一标准，必须确定取标准辐射源（或标准光源）作为输入源。

光电灵敏度与入射辐射的光谱分布有关，在工程中同样规定取标准辐射源（或标准光源）作为输入以求统一，同时，引入单色响应率 光电灵敏度（响应率）——非直视型 输入 输出 不同波段的电磁辐射通量（或光通量） 电信号（I或V） 等效短路状态输出信号的电流值 电流响应率 光敏面的有效面积（或扫描面积） 电压响应率 光电灵敏度与入射辐射的光谱分布有关，在工程中同样规定取标准辐射源（或标准光源）作为输入以求统一，同时，引入单色响应率

单色光输入时 单色电流响应率 单色电压响应率

峰值波长灵敏度 单色灵敏度取最大值时，对应的单色辐射波长为峰值波长 截止波长 在长波一端取单色灵敏度下降为峰值的一半时所对应的波长，或称长波限

时间响应特性参数 （1）惰性 时间响应的滞后 直视型： 输出屏是限制时间响应的主要环节——表现为余辉 来源于荧光粉的受激发光过程 非直视型： 光电导效应：载流子暂态俘获再重新获释的时间分散 电容效应：在扫描电子束着靶的过程中，扫描电子束等效电阻与靶电容构成充电回路，其时间常数决定了时间延迟的大小

时间常数的确定 输入信号瞬间截止后，其输出信号（光或电信号）衰减为 B(t) 时，惰性的时间常数 τ 定义为

例 当惰性的衰减函数为负指数函数时，即 此时，时间常数为 τ也称为驰豫时间 b为取决于惰性的常数

（2）脉冲响应函数 描述时间响应特性的函数 当光电成像器件的输入辐照度（或照度）为脉冲函数（采用纳秒、皮秒等超短脉冲激光器作为输入光源）时，得到输出信号是时间的函数。取其归一化的函数B(t)定义为脉冲响应函数 由于光电成像过程的惰性主要来源于荧光屏和光电导的滞后，并表现在衰减过程中，实验也证实，光电转换中上升过程的滞后远小于下降过程的滞后，故可认为脉冲响应函数上升斜率近似为∞，即，上升过程没有惰性 根据下降（衰减）过程的特性，可将脉冲响应函数归结为3种类型

比例函数衰减型 a 是取决于惰性的系数，当 a 增大时，惰性成比例减小 B0是取决于转换特性的系数

负指数衰减型 双曲函数衰减型 b 是取决于惰性的系数，当 b 增大时，惰性成指数率减小 α 是与输出变化率相关的系数 β 是与量子产额相关的系数 双曲函数表现出较为严重的惰性

（3）瞬时调制传递函数 当光电成像过程满足线性及时间不变性等条件时，还可以用瞬时调制传递函数来表示时间响应特性 瞬时调制传递函数描述的是光电成像在频率域的响应特性，建立在Fourier分析的数学基础上 定义：光电成像所输出的归一化时间频谱函数与理想输出（无惰性）的归一化时间频谱函数之比

脉冲响应函数与瞬时调制传递函数是一组Fourier变换对 当光电成像器件的输入照度为光脉冲时，令其输出的时间响应函数为 p(t) 。对于理想无惰性的状态，可用脉冲函数 δ(t) 来表示理想输出的时间响应函数。 代入前式，得

例 根据时间响应函数求对应的瞬时调制传递函数 取前面的 (II)，时间响应函数为负指数函数，则，相应的瞬时调制传递函数为 此式表示了负指数衰减型光电成像的频率响应特性 式中 实部是幅频响应，虚部是相位频率响应

幅频响应的等效带宽 工程上的定义 对于负指数衰减型的光电成像器件，其等效带宽为 可见

光学特性 光电成像过程中因为种种原因而产生像差，使输出图像的亮度分布不能准确地再现输入图像的照度分布 定量描述这种图像失真程度的性能指标通常使用分辨率和光学传递函数（或调制传递函数） 分辨率是单值参数 光学传递函数是空间频率的复函数

分辨率 以人眼作为接收器所判定的极限分辨能力，也叫分辨力 通常用光电成像在一定距离内能分辨的等宽黑白条纹数来表示 直视型 输入像面上每毫米所能分辨的等宽黑白条纹数 非直视型 扫描线方向上相当于帧高的距离内所能分辨的等宽黑白条纹数 这一极限分辨率的线条数简称为电视线 n

ISO 12233 Test Chart

表示电视分辨率的指标，可以用电视线 n ，也可以用视频带宽 ΔfV a 是电视幅面的宽高比 fh 是行扫描频率

点扩散函数与光学传递函数 了解 定量描述光电成像过程的成像特性，最直观的方式是列出它的输入图像分布函数 g(x,y) 和输出图像分布函数 h(u,v) 之间的关系式 然而，由于数学上的困难，这样的计算是难以实现的，因此提出了下面两种方式来分析成像特性： 点扩散函数 光学传递函数

点扩散函数 当光电成像过程满足线性（齐次性和叠加性）及时间、空间不变性的成像条件时，可建立以下成像关系式 上式中，p(u,v) 是光电成像的点扩散函数，是由输入δ(x,y) 函数分布的图像所得到的输出图像分布函数

光学传递函数（OTF） 当光电成像过程满足线性及时间、空间不变性的成像条件时，则可以将它的输入图像分布函数 g(x,y) 和输出图像分布函数 h(u,v) 换为频谱函数来进行分析 根据Fourier变换公式，如果 g(x,y) 和 h(u,v) 满足狄利克雷条件及无限区间可积条件，则它们的频谱函数存在，即 此时，可以建立如下的成像关系式

也可表示为 式中， 就是光电成像的光学传递函数，是输出图像频谱与输入图像频谱之比的函数 光学传递函数 与点扩散函数 p(u,v) 是一对Fourier变换对

光学传递函数是复数，可表示为 式中 是调制传递函数，简称 MTF 是相位传递函数，简称 PTF 光学传递函数可简称为OTF 对于有n个线性成像环节串联构成的成像过程，其OTF为各个环节OTF的乘积；MTF为n个环节MTF的乘积，PTF为n个环节PTF的代数和 线性复合光电成像系统的光学传递函数

MTF描述了光学系统传递“调制度（M）”的能力 其中， 底片上每毫米的宽度上有一黑一白两道线，即，1线对/毫米（1 lp/mm）

光学传递函数，简称OTF(Optical Transfer Function)， 是近30年以来光学领域里一个十分引人注目的前沿课 题，也是近十几年来人们更加关注的一门新兴学科— —“信息光学”的重要组成部分

工作原理：用一束极细的电子束扫描样品，在样品外表激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的外表结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像 扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）于20世纪60年代问世，用来视察标本的外表结构

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5.2光电成像原理与电视摄像制式 光电成像原理 景物 光学成像 摄像部分 光电变换 图像分割 同步扫描 视频信号 传送 视频调辉 图像再现 显像部分 接收

景物 光学成像 摄像部分 光电变换 图像分割 同步扫描 视频信号 传送 视频调辉 图像再现 显像部分 接收 第①步： 光学物镜将目标所辐射或反射出来的光强分布成像到光电器件的像敏面上形成二维光学图像 第②步： 光电成像器件将二维光学图像转变成“电气”图像 电气图像：电子图像、电阻图像、电压图像、电荷图像

景物 光学成像 摄像部分 光电变换 图像分割 同步扫描 视频信号 传送 视频调辉 图像再现 显像部分 接收 第③步： 将二维电气图像分割成小的单元，即像素 像素：组成一幅图像的最小单元，像素单元的大小或者一幅图像所包含的像素数决定了图像的清晰度

景物 光学成像 摄像部分 光电变换 图像分割 同步扫描 视频信号 传送 视频调辉 图像再现 显像部分 接收 第④步： 按照从左至右，从上到下的规则将所分割的电气图像转变成一维时序信号 行扫描：从左至右的扫描 场扫描：从上到下的扫描 为了保证扫描和后来的显示是同步的，必须给出同步控制信号，分别称为行、场同步脉冲

第⑤步： 如果监视器的显像管是电子束扫描式的，它在同步控制信号的控制下进行行、场扫描，同时按照视频信号调整输出电子束强度，荧光屏上就会按照一维时序信号再现图像，因为荧光显示的余辉效应，便能看到原来的图像 景物 光学成像 摄像部分 光电变换 图像分割 同步扫描 视频信号 传送 视频调辉 图像再现 显像部分 接收

电视制式 不同的电视制式代表了不同的性能指标 主要包括： 画面的宽高比 帧频 场频 行频 针对行扫描与场扫描来说

帧：完整显示的一幅画面为一帧 场：从左至右、从上到下的一次扫描称为 一场 帧频：每秒钟的帧数 场频：每秒钟的场数

隔行扫描 逐行扫描

隔行扫描的行扫描频率为逐行扫描时的一半，因而电视信号的频谱及传送该信号的信道带宽也是逐行扫描的一半。 采用了隔行扫描后，在图像质量下降不多的情况下，信道利用率提高了一倍。由于信道带宽的减小，使系统及设备的复杂性与成本也相应减少，这就是为什么世界上早期的电视制式均采用隔行扫描的原因。 但隔行扫描也会带来许多缺点，如产生行间闪烁效应、出现并行现象及出现垂直边沿锯齿化现象等不良效应。 自从数字电视发展后，为了得到高品质的图像质量，逐行扫描也已成为数字电视扫描的优选方案。

场频和帧频确定后，电视扫描系统中还需要确定的参数就是组成每帧图像的行数和行频 行数：从上到下要扫描多少行 场频一定的情况下，行数越多，扫描的速度就需要越快 行频：每秒钟扫描的行数

我国现行电视制式（PAL）标准中规定 每帧画面的扫描行数为 625行 行频为 15625Hz 水平分辨力 466线 垂直分辨力 400线 即 宽高比 场周期 20ms 1.6ms A→B 52μs 共 64μs B→C 12μs 行 场 A→E 18.4ms E→A 1.6ms 共 20ms 每帧图像由二场组成，每场为312.5行（隔行） E

小资料：高清电视与720P 、1080i和1080P i是interlace，即隔行扫描 P是Progressive，即逐行扫描。 PAL制节目为625行，每秒50场图像，表示为 50i 或 625i，如果是逐行则称为 50P 或 625P 以上的表示方法，不仅代表了CRT电视的扫描格式，也代表摄像机拍摄的图像的格式。摄像机拍摄PAL/NTSC电视节目的时候，都是隔行扫描的。对于HDTV，图像格式和显示格式还有区别……

图像格式方面，高清节目都是数字信号，只需以分辨率表示。HDTV在拍摄的时候就分为隔行扫描和逐行扫描两种形式，而且帧频或场频也不相同： 1280*720有5种帧频，分别为60P、50P、30P、25P、24P，可简称为720P，又可分别表示为720/60P（美国ABC电视台采用）；720/50P；720/30P、720/24P（FOX台）；720/25P。 1920*1080的情况更加复杂，隔行的表示为1080i，逐行的表示为1080P。在美国、日本场频为60Hz，可表示为1080/60i，在我国、欧洲、澳大利亚，则为1080/50i。 为了方便高清节目的制作和交换，世界范围内统一采用了1080/24P的标准，这种标准还被作为数字电影摄像机的标准。

目前国外的数字高清标准主要有1080i和720p两种 国家高清推荐标准于2007年1月1日正式实施 其中一条就是液晶、等离子如果要称为高清电视，其清晰度指标必须达到720线，显示比例应该为16:9，这一标准意味着物理分辨率通常需要达到1366×768 目前松下、日立、三星、LG等主流等离子电视企业都把物理分辨力为1024×768、1024×1024的产品认定为高清。而与我国的标准1366X768相比，虽然其垂直分辨可以达到720P，但却不是16：9的显示比例

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前面我们简单介绍了光电成像原理，为了更具体的把握其工作机制，下面我们来介绍一些实际使用的器件，主要介绍其中的摄像部分 景物 光学成像 摄像部分 光电变换 图像分割 同步扫描 视频信号 传送 视频调辉 图像再现 显像部分 接收

5.4 真空摄像管 扫描型光电成像器件 在摄像器件的发展历史中，遇到的主要问题是 图像的传送 灵敏度的提高 画质的改善 而这些都与摄像系统的核心部件——摄像管的性能密切相关，因而产生了种类繁多的摄像管，下表列出了摄像管的类型与发展过程 摄像系统的核心部件——摄像管

一、结构与工作原理 为了完成摄像任务，摄像管必须具有 为了实现上述过程，摄像管须具有以下结构 图像的写入、存储过程 光学图像照射在靶面上，产生电荷（电位）图像 图像的阅读、抹除过程 扫描电子束从靶面上取出视频信号 光电变换与存储部分 信号阅读部分

氧化铅视像管的结构——典型结构 聚焦线圈 校正线圈 偏转线圈 靶 加速极 控制栅极 玻璃面板 阴极 聚焦极 连接点 电子束 网电极 （场网） 视频信号

氧化铅视像管的结构——立体结构图

1、光电变换部分 将光学图像变换成电气图像，由光敏元件构成，常用的有 光电发射体： 外光电效应 光电导体： 内光电效应 光阴极在光照下产生与光通量成正比的光电子流，既可以进行放大处理作为信号输出，也可以利用因光电发射而提高的阴极电位作为信号输出 光电导体： 内光电效应 是目前应用最广泛的光电变换材料 它的光敏面和靶是合二为一的，既具有光电转功能，又具有电荷存储与积累功能，称为摄像管的靶 光电导摄像管简称为视像管

光电导体的光电转换原理 在光电导层上接有数十伏的直流电压，形成跨层电场 当受光照时，靶的电导率升高，由此使正电荷从电位较高的一边流向较低的一边（如图从左到右） 于是，靶右边的正电荷增加，电位上升，升高量与光照相对应，这样就把入射在光电导左边的光学图像转换成了右边的电位图像

2、光电存储与积累部分 由于光电变换所得的瞬时信号很弱，现在的摄像管均采用积累元件，使图像上的任一像元，在整个帧周期内不断的积累电荷信号，因此要求存储元件具有足够的绝缘能力，常用的有： 二次电子发射积累 均匀的光阴极发射出与光通量成比例的光电子，它们在加速电场的作用下高速轰击二次电子发射靶。因为靶是绝缘体，发射的部分将维持正电位，并随着光照的继续而积累，直到阅读时被取出。

二次电子导电积累 比二次电子发射需要的二次电子能量小 光电子在加速电场的作用穿过透明的支撑膜和导电膜，轰击二次电子导电层，产生二次电子。 二次电子导电层是疏松的的纤维状结构。由它产生的二次 电子并不跑出靶外，而仍在层内运动。 由于信号板上总加有固定的正电压，所以二次电子不断地流入信号板，从而使靶的自由面（右面）带上正电荷，电位升高并积累。 比二次电子发射需要的二次电子能量小

电子轰击感应电导积累 光电子高速轰击靶面，靶电导率增加，使得信号板上的正电荷向靶的自由面转移，从而在靶表面上建立起电位图像。 阅读时，用慢电子束扫描，使靶面电位恢复到电子枪阴极电位，信号板上同时有信号输出。

这里，光电导层既是光电变换元件又是电荷积累元件。 光电导积累 这里，光电导层既是光电变换元件又是电荷积累元件。 光电导靶是半导体，未接受光照时具有较高的电阻率。 透明信号板上接有数十伏的工作电压，但由于靶的电阻率较高，因此靶的另一面与工作电压绝缘。 当电子束扫描这一绝缘表面时，电子到达这一表面并使其电位稳定在电子枪的阴极电位上（0V），因此靶的两个表面间会产生数十伏的电位差。

∝ ∝ ∝ 光电导积累 工作时，光学图像辐照靶表面——产生光生载流子 靶两面的电位差分布 电导率分布 光生载流子密度分布 输入图像的照度分布 因为输入图像是连续辐照在靶面上，所以在电子束扫描一帧图像的时间间隔内，靶的两个表面间的放电电荷是连续累积的。

比 较

3、信号阅读部分 扫描电子枪系统——从靶面上取出信号 细电子束的发射源 电子束的聚焦系统 电子束的偏转系统

视频信号的产生原理

视频信号的产生原理 光电导靶面是由无数个 光电导像素单元组成， 每个光电导像素单元可 以等效为一个电阻和一 个电容并联的电路，其 电阻值和电容值为：

视频信号的产生原理 当阴极发射的电子接通某一像素时，该像素单元的电 容C0 就立即被充电到靶电源的电压，当电子束离开该 像素单元时，电容便通过该单元的等效电阻R0 放电， 放电时电容两端电压为： 第一种情况：无光照时。在一帧时间内电子束扫描完各个点， 使这些点为地电位后，C0 充满电，由于电容放电时间＝R0 C0＝ 0.53 秒，远大于一帧的扫描时间0.04秒，故电容几乎没有放电，当 第二次扫描时，无充电电流流过RS ，B点电位ET，这时无视频信 号输出。

视频信号的产生原理 第二种情况：有光照时。当有光照射在靶面上时，R0 随光强 的大小而变化，扫描后C0 放电时间变化，光越强，R0 越小，放电 越快，在下一次电子束扫描该像素时所补充的电荷就越多，就会 有较大的电流流过负载电阻RS而产生较大的信号电压输出，负极 性视频信号反映了图像的明暗程度。 第三种情况：光照均匀时。当光照均匀无起伏时，R0 不变， 输出为直流分量，直流分量大小反映了平均照度。 由此可见：只要电子束按全电视信号的要求对靶面进行扫描，就可在输出端得到视频信号，将视频信号加上消隐信号和同步信号，就形成了全电视信号，就可送入电视机进行逆过程变换，形成一幅幅电视图像，也可送入录像机用磁带保存全电视信号。

视频信号的产生原理 惰性电压 充电时间 瞬间周期 放电时间 无光照 扫描面像素上的电压V 信号电压 暗电压 光照直流电压 靶面电位变化图

二、摄像管的分类 光敏面材料 外光电效应型： 的 光电效应方式 内光电效应型： 二次电子发射积累型： 二次电子导电积累型： 析像管、超正析像管、分流管、二次电子导管等 硫化锑视象管、氧化铅视像管等 二次电子发射积累型： 二次电子导电积累型： 电子轰击感应电导积累型： 光电导积累型： 超正析摄像管 SEC摄像管 电子轰击硅靶摄像管 各种视像管 电荷积累方式 双面靶输出型： 超正析摄像管 SEC摄像管 信号板输出型： 视频信号 读出方式

三、示例：氧化铅光电导靶 由于氧化铅光电导靶具有 N—i—P 型结构，所以 透明导电薄膜，信号输出电极 而靶在工作时所施加的电压是这一异质结处于反向偏压的工作状态，因此暗电流很小 透明导电薄膜，信号输出电极 PbO与SnO2两者接触就在交界面处形成N型半导体薄层 PbO经氧化处理成为P型半导体薄层 总厚度10~20μm 30~50V

四、视像管的性能参数 光电转换特性（ γ 特性） 表征输出视频信号电流与光敏面上的辐照度的关系曲线 光电转换特性曲线 对数光电转换特性曲线

γ 灰度系数，以双对数坐标表示的光电特性曲线的斜率 γ=1时，灰度等级均匀 γ<1时，有均匀的灰度畸变 γ>1是不适用的，因为对整个电视系统而言，从输入到输出既包含了摄像管的光电转换特性，同时也包含信道传输和显像管电光转换特性。而显像管的电光转换特性 γ 值都大于1，所以为了使整个电视系统的总的灰度特性为1，通常用 γ<1 的摄像管 氧化铅视像管的转换特性近似为线性， γ 值近似为1

图中红色曲线即是氧化铅视像管的光谱响应，最接近人眼的光谱响应，为全色型，广泛用于彩色电视摄影 plumbicon 氧化铅视像管 saticon 硒砷碲视像管 telecon硅靶摄像管 chalnicon 硒化镉视像管 newvicon碲化锌镉视像管

惰性（时间响应特性） 动态范围 因为氧化铅靶的厚度较厚，约15~20μm，其等效电容很小，1英寸的靶约600pF，因而电容惰性不大 其第三场惰性小于5% 最高入射照度与最低入射照度的比值 由暗电流决定 由饱和电流决定

图像传递特性 在摄像管的光敏面上投射40条和400条两组黑白条纹，如右图(a)所示 沿箭头方向扫描，在示波器上就得到如右图(b)所示的电信号 调制度与线数之间的关系曲线

作业 P295 第3题、第5题

光电信息技术 光电成像器件 5.5 CCD摄像器件 中原工学院

要求 理解CCD的工作原理和过程（以SCCD为例） 了解CCD的特性参数 理解一维CCD摄像器件的基本结构和工作过程

5.5 CCD摄像器件 Charge-Coupled Devices 于1969年由贝尔实验室首先研制出来（2009年诺贝尔物理学奖） 特点：体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、功耗低、动态范围大 主要应用领域： 摄像 信号处理，特别是在军事和科学研究上，在方位测量、遥感遥测、图像制导、图像识别等方面表现出高分辨率、高可靠性、高准确度特性 存储

MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片 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）

CCD的突出特点是以电荷作为信号 基本功能是电荷的存储和传输 工作过程主要是电荷的产生、存储、传输和检测

一、CCD工作原理和过程 1、电荷的产生和存储 MOS结构（金属—氧化物—半导体结构） 耗尽层 电极（栅极） 氧化层（约0.12μm） 电极 P型硅衬底 电极（栅极） 氧化层（约0.12μm） 电极 氧化层 信号电荷 势阱 表面势 耗尽层 少子（反型层） 三层结构

金属氧化物绝缘层 MOS电容器栅极电压变化对耗尽层的影响 反型区 P型半导体 耗尽区 （a）、栅极电压为零 （c）、栅极电压>阈值电压 （b）、栅极电压<阈值电压 Uth：当UG增大到一定时候，耗尽层宽度达到最大值，并且不再随着UG的增大而变化，MOS电容将达到极小值并且大致保持恒定。此时，UG的值叫做阈值电压，即MOS电容的开启电压， 此时，在耗尽层之上开始集聚少子，出现反型层。

ФS UG P型硅杂质浓度Nd=1021m-3 反型层电荷QINV=0 dox=0.1um 表面势与栅极电压的关系 0.3 0.4 0.6 表面势与栅极电压的关系 1.0V 1.4V 2.2V 3.0V Uth= 表面势与栅极电压和氧化层厚度有关

ФS dox=0.1um dox=0.2um 2ФBF QINV 表面势与反型层电荷密度的关系 变化曲线的直线特性好，说明两者有着良好的反比例关系。可以用“势阱”的概念来解释表面势（耗尽层）现象。 ФS QINV dox=0.1um dox=0.2um UG=15V UG=10V 2ФBF 随着QINV的增加，ФS最多可以下降到半导体费米能级的2倍 表面势与反型层电荷密度的关系

2、电荷耦合 三相CCD中电荷的转移过程 2V 10V (b) 新势阱 ① ③ ② 2V 10V 存有电荷的势阱 (a) ① ③ ② 2V 电荷移动 ① ③ ② Ф1 Ф2 Ф3 (f) 10V 2V t 2V 10V (e) ① ③ ② 三相CCD中电荷的转移过程

黄色为电荷（电子或空穴），红、绿、蓝三色分别表示不同的电极

3、转移电极结构 转移电极结构通常按照每位采用的电极相数来划分。对于普通结构的CCD，为了使电荷包单向转移，至少需要三相。对于特殊结构的CCD，也可采用二相供电或四相供电等方式。 三相电极结构 三相单层铝电极结构 三相电阻海结构 三相交叠硅栅结构

电极结构设计的共同特点 CCD电极间隙必须足够小，电荷才能不受阻碍地从一个电极转移到相邻电极下，一般 1~3μm 由于电子的迁移率大于空穴的迁移率（单位场强下的运动速度），所以N型CCD的工作频率大于P型CCD 沟阻 沟道 三相CCD俯视图

表面沟道CCD（SCCD） 转移沟道在界面 工艺简单，动态范围大，但信号电荷的转移受表面态的影响，转移速度和转移效率底，工作频率一般在10MHz以下 体沟道CCD（BCCD） 用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道 避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达99.999％以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件

N型CCD N型沟道CCD 以电子为信号电荷的CCD 衬底为P型半导体 P型CCD P型沟道CCD 以空穴为信号电荷的CCD 衬底为N型半导体

4、电荷的注入 电注入 背面照射式 正面照射式 光注入 能量高于半导体禁带的光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。 注入电荷量 当光照到CCD时，栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流子（空穴，对N型CCD ）流入衬底，少数载流子（电子，对N型CCD ）被收集在势阱中，存储起来。

5、电荷的检测 也称为输出方式 CCD输出结构是将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出的部分 信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，在输出时则不可避免，选择适当的输出电路能尽量减小时钟脉冲容性的馈入输出电路 电荷输出结构有多种形式，如电流输出结构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构等。 浮置栅输出结构应用最广

浮置栅是指在P型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的N+区域，当扩散区不被偏置时，它处于浮置状态。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，并以此控制输出极T的电位。 OG：输出栅，FD：浮置扩散区，R:复位栅，RD:复位漏,T:输出场效应管

电荷包的输出过程：VOG为一定值 的正电压，在OG电极下形成耗尽 层，使Φ3与FD之间建立导电沟道。 在Φ3高电位期间，电荷包存储在 Φ3电极下面。随复位栅R加正复 位脉冲ΦR ，使FD 区与D区沟通。 因V RD为正十几伏的直流偏置电 压（势阱更深），则FD区的电荷 被RD区抽走。复位正脉冲过去后， FD 区与RD区呈夹断状态， FD 区 具有一定的浮置。之后Φ3转变为 低电位， Φ3电极下面的电荷包通 过OG下的沟道转移到FD 区。

二、CCD的特性参数 转移效率η和转移损失率ε 转移效率：一次转移后，到达下一个势阱（或MOS元）中的电荷与原来势阱中的电荷之比 转移损失率 于是 η 常为0.9999以上 造成电荷转移损失的主要因素有三个：转移速度快慢、界面态俘获和极间势垒

CCD的特性参数 经过 n 次转移后，剩下的电荷为 Q(n) ，则 如果 η=0.99 ，n=24 则 如果 η=0.99，n=192 则 由此可见，提高转移效率是CCD器件能否实用的关键

提高转移效率η的方法 影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获 采用“胖零”工作模式：让“零”信号也有一定的电荷 即注入一定数量的背景电荷，使界面态经常处于填满的状态，从而 减少界面态对信号电荷的俘获 缺点：降低了势阱深度，减小了最大信号电荷存储量，降低了 动态范围，增加了转移噪声（10~20%） 可以采用体沟道CCD，避免界面态对信号电荷的俘获

CCD的特性参数 工作频率 f 工作频率下限 为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到下一个电极所用的时间 t 必需小于少数载流子的平均寿命τ 对于三相CCD 于是

CCD的特性参数 工作频率 f 工作频率上限 信号电荷从一个电极转移到下一个电极所用的时间 t 必需小于驱动脉冲使信号电荷转移的时间 于是

小结 介绍了CCD的工作原理和工作过程 CCD的特性参数 电荷的存储和传输原理：MOS结构的工作原理 电荷的产生、存储、传输和检测过程 重点是产生、存储、传输 CCD的特性参数 转移效率η和转移损失率ε以及提高转移效率η的方法 工作频率 f 上限和下限 为什么、怎么计算

三、CCD摄像器件（ICCD，Imaging CCD） （LICCD） 线阵ICCD 单沟道线阵ICCD 双沟道线阵ICCD （AICCD） 面阵ICCD 帧转移面阵ICCD 隔列转移面阵ICCD 线转移面阵ICCD

线阵CCD 只能接收一维光信息 可以用扫描的方式得到二维图像的视频信号

单沟道线阵ICCD φP φt 被遮蔽部分 转移次数多、转移效率低，适用于像敏单元较少的摄像器件

工作过程 这五个环节按照一定的时序工作，相互有严格的同步关系，并且是个无限循环过程。

LICCD工作波形

转移沟道势阱分布 （a）积分阶段 （b）转移准备阶段 （c）转移阶段 （d）转移结束阶段

双沟道线阵ICCD 转移次数比单沟道线阵ICCD少一半，用于高于256位时

面阵CCD

特点：结构简单、光敏单元尺寸可以很小，但光敏面积占总面积比例小 帧转移面阵ICCD 假设有M个转移沟道（M个一维线阵ICCD单元），每个线阵有N个成像单元，则整个区共有M×N个单元 暂存区结构和单元数与成像区相同 三相帧转移面阵ICCD结构示意图

隔列转移面阵ICCD

并行转移 感光单元 （暴露） 存储单元 （遮蔽） 水平读出寄存器 输出 串行转移

四、ICCD摄像器件的特性参数 1、光电转换特性 良好，光电转换因子可达到99.7% 2、光谱响应 ICCD常采用背面照射的受光方式，采用硅衬底的ICCD，其光谱响应范围为0.4~1.1um，平均量子效率为25％，绝对响应为0.1~0.2A/W。

∝ 3、动态范围 动态范围由势阱的最大电荷存储量与噪声电荷量之比决定 电极面积A 4、噪声 电荷注入噪声 电荷量变化引起的噪声（转移噪声） 检测时产生的噪声（输出噪声） 4、噪声

5、暗电流 产生的主要原因： 耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁； 少数载流子在中性体内的扩散； SiO2表面（硅中缺陷、杂质数目）引起的暗电流； Si-SiO2界面表面的晶体缺陷； 温度，温度越高，暗电流越大。

6、分辨率 MTF 2856K白炽光源 单色光源 频率 600nm 700nm 800nm 1000nm

五、CMOS图像传感器 CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺 制作的另一类图像传感器，简称CMOS 虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低，但 CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点 随着硅晶圆加工技术的进步，CMOS的各项技术指标目 前已经能够赶上CCD

CCD和CMOS摄像器件优缺点的比较 CCD CMOS 设计 单一感光器 感光器连接放大器 灵敏度 同样面积下高 感光开口小，灵敏度低 感光器连接放大器  灵敏度 同样面积下高 感光开口小，灵敏度低  成本线路 品质影响程度高，成本高 CMOS整合集成，成本低  解析度 连接复杂度低，解析度高 复杂度低，新技术高  噪点比 单一放大，噪点低 百万放大，噪点高  功耗比 需外加电压，功耗高 直接放大，功耗低

Long history of high quality performance A comparison of CCD and CMOS image sensors: So that is a quick overview of the different receptors used to capture digital images, let's now consider how these imagers are used within the camera. CCD CMOS Long history of high quality performance Lower performance in past, but now providing comparable quality High Dynamic range Moderate Dynamic range Low noise and best dMax Noisier, but getting better quickly Well established technology Newer technology High power consumption Relatively low power consumption Moderately reliable More reliable due to integration of chip Small pixel size (small sensors - best to develop new cameras & lenses) Larger pixel size (larger sensors - easier to use within current camera technology) Needs lots of external circuitry All circuitry on chip High Fill Factor Lower Fill Factor CCD creates analogue signal that is digitised off the chip CMOS creates a digital signal on chip

光电信息技术 光电成像器件 中原工学院

5.6 像管 直视型电真空成像器件统称为像管 主要包括 都属于图像——图像变换器件 变像管 两者的工作原理相同，只是光阴极的光谱响应不同， 涂在光阴极面上的光电发射材料决定了该像管的工作 特性（变像管 or 像增强管） 变像管 像增强管 把各种不可见图像转换成可见图像的器件——电磁波谱的转换 把强度低于视觉阈值的图像增强到可以观察的程度的器件——亮度的增强

微光增强

1 2 3 5.6.1 工作原理与典型结构 微弱的光或不可见的输入辐射图像转换成电子图像（光阴极完成） 电子图像获得能量或数量增强，并聚焦成像（电子光学系统） 3 将增强的电子图像转换成可见光的图像（荧光屏） 像管成像物理过程

典型结构 像管成像原理示意图 1—物镜 2—光阴极 3—电子透镜 4—荧光屏 5—目镜

像管的类型与结构 工作波段 工作方式 结构 发展阶段 变像管 像增强器 连续工作像管 选通工作像管 变倍工作像管 近贴式像管 倒像式像管 静电聚焦式像管 电磁复合聚焦式像管 发展阶段 级联式的第一代像管 带微通道板的第二代像管 采用负电子亲和势光阴极的第三代像管

近贴式像管 结构最简单的像管 荧光屏上成正像，且无畸变 系统的亮度增益受到限制，像质受到影响 由于受分辨力的限制，极间距离不能太大 光阴极 荧光屏 l ≈1mm 结构最简单的像管 荧光屏上成正像，且无畸变 系统的亮度增益受到限制，像质受到影响 由于受分辨力的限制，极间距离不能太大 受场致发射的限制，极间电压不能太高 近贴式像管的结构示意图

5.6.2 像管的发展 1、串联式像管 单个像管的光放大系数和光量子增益较小，直视工作距离较短 可以通过串联多级像管的方式来提高其灵敏度、增加工作距离 光阴极 阳极 荧光屏

串联的3个像增强管

2、级联式像管 第一代像增强器 串联式像管虽然能够提高管子的灵敏度、增大直视工作距离， 但是象差较大、分辨率较差、夹心片工艺复杂、成品率较低 级联是利用光学纤维玻璃板将多级（可达几十级）连接到一起 构成的 是有效提高灵敏度、提高成品率的方案 第一代像增强器

在实际应用中，为了提高亮度增益，常将完全相同的单级像管，用光学纤维面板进行多级耦合。 因为每级都成倒像，所以多是单数级，通常为三级。 三级级联像管示意图

2、带微通道板的像管 第二代像管

第二代像管与第一代像管的根本区别在于：它不是用多级级联实现光电子倍增，而是采用在单级像管中设置微通道板（MCP）来实现电子图像倍增的。

3、负电子亲和势光阴极像管 第三代像管 最早出现于80年代。 第二代像管采用的是表面具有正电子亲和势的多晶薄膜结构的 多碱光阴极，其光灵敏度约为250~550μA/lm；而第三代像管采 用的负电子亲和势光阴极，灵敏度在1000μA/lm以上。 第三代像管具有高增益、低噪声的优点 因为负电子亲和势是热化电子发射，光电子的初动能较低，能量又 比较集中，所以具有较高的图像分辨力 第三代像管是目前性能最优越的直视型光电成像器件 第三代像管

一代管以三级级联（光纤维板）增强技术为特征，增益高达几万倍，但体积大，重量重； 二代管以微通道板（MCP）增强技术为特征，体积小，重量轻，但夜视距离无明显突破； 三代管则采用了负电子亲和势（NEA）GaAs光电阴极，使夜视距离提高1.5-2倍以上。

5.6.3 像管的性能参数 光电阴极灵敏度 光电阴极的量子效率 像管的灵敏度 量子效率对波长的依赖关系 像管的光谱响应 光电阴极的量子效率和暗电流 像的对比度 最大信噪比 照度最低情况下的分辨率 光电阴极性能的好坏对像管的工作性能有很大的影响

放大率和畸变 像管的放大率是指荧光屏上输出像的几何大小与光电阴极上输入像的几何大小之比。 像管的畸变是距离光轴中心不同位置处各点放大率不同的表征： D＞0 时为枕形畸变：放大率随离轴距离增加而增大 D＜0 时为桶形畸变：放大率随离轴距离增加而减小

作业 简述三代像管各自的特征 P295 第6、8题