光电子技术学课件之十五： ——第五章光电成像系统 （1）

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1 光电子技术学课件之十五： ——第五章光电成像系统 （1）
光电子技术学课件之十五： ——第五章光电成像系统 （1） §1 固体摄像器件 制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华

2 教学目的 教学重点与难点 1、掌握CCD的结构和工作原理、光电 成像原理、光电成像光学系统； 2、了解微光像增强器件和纤维光学成 像原理。
光电成像光学系统的组成。 难点：CCD的结构和工作原理、调制传递函数 的分析。

3 §0 光电成像概述 一、光电成像系统的分类： 按照光电成像系统对应的光波长范围，光电成像系统可以分为：可见光、紫外光、红外光、 X光光电成像系统。

4 二、光电成像系统要研究的问题 光电成像涉及到一系列复杂的信号传递过程。有四个方面的问题需要研究：
能量方面——物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题 成像特性——能分辨的光信号在空间和时间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率

5 噪声方面——决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性
信息传递速率方面—— 成像特性、噪声信息传递问题，决定能被传递的信息量大小

6 三、光电成像系统基本组成的框图 其中光电成（摄）像器件是光电成像系统的核心。

7 §1 固体摄像器件 固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号—— 视频信号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。

8 固体摄像器件主要有三大类： 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即CID） 目前，前两种用得较多，我们这里只分析CCD一种。

9 一、电荷耦合摄像器件 CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移。 CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。

10 1、电荷耦合器件的基本原理 （1）、 CCD的基本结构包括：转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单元是MOS电容。

11 一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。

12 （2）、电荷存储 以衬底为P型硅构成的MOS电容为为例。
当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2界面处的电势发生变化，附近的P型硅中的多数载流子-空穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过MOS晶体管 的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度尽状态，电子在那里势能较低-形成了一个势阱。如有信号电子，将聚集在表面，实现电荷的存储。此时耗尽层变薄。势阱的深浅决定存储电荷能力的大小。

13 （3）、电荷转移 CCD的转移电极相数有二相、三相、四相等。对于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移，至少需要三相。这里以三相表面沟道CCD为例。 表面沟道器件，即 SCCD（Surface Channel CCD）——转移沟道在界面的CCD器件。

14 表面沟道器件的特点： 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。

15 体内沟道（或埋沟道CCD）： BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）——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。

16 （4）、光信号的注入 CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传来的光信号，即采用光注入CCD。 当光照到CCD时，在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）流入衬底，少数载流子（电子）被收集在势阱中，存储起来。这样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。 光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。

17 （5）、电荷检测 （输出） 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。
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。

18 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。
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，其处于浮置状态。

19 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RD区沟通。因V RD为正十几伏的直流偏置电压，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转变为底电位， Φ3电极下面的电荷包通过OG下的沟道转移到FD 区。

20 浮置 栅CCD放大输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度T；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。

21 2、电荷耦合摄像器件的工作原理 CCD的电荷存储、转移的概念 + 半导体的光电性质——CCD摄像器件 按结构可分为线阵CCD和面阵CCD
按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD 可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD

22 （1）线阵CCD 线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构。下图(a)为单沟道，(b)为双沟道。

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24 二、电荷耦合摄像器件的特性参数

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