光电子技术课件 固体摄像器件第五章-1次.ppt

第5章 光电成像系统 ;成像转换过程有四个方面的问题需要研究： ;成像特性、噪声——信息传递问题，决定能被传递的信息量大小 ;固体摄像器件主要有三大类： ;一、电荷耦合摄像器件 ;他们首先提出的一种器件结构是采用相同的电极和三相时钟系统，为隔离各个电荷包，最少需要三相时钟 ;电荷耦合器件（CCD）特点——以电荷作为信号 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;体内沟道（或埋沟道CCD），即 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 ;电荷存储 ;电荷转移;电荷检测;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To； 在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲； 对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。 ;2 电荷耦合摄像器件的工作原理 ;;256×256;128×128;积分 空间积分 时间积分;线阵CCD;;面阵CCD ;帧转移结构 ;彩色CCD ;;二、电荷耦合摄像器件的特性参数 ;总效率为：;定义光敏元响应的均方根偏差对平均响应的比值为CCD的不均匀度 ：;3 暗电流 CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流 暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发 由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，CCD中暗电流密度的分布是不均匀的 ;暗电流的危害有两个方面： 限制器件的低频限 引起固定图像噪声;5 光谱响应;7 分辨率 ;8 动态范围与线性度 ;图像传感器尺寸;三、CMOS摄像器件 ;1 CMOS像素结构 ;无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。 ;光栅型有源像素结构（PG－APS）;CMOS有源像素传感器的功耗比较小。但与无源像素结构相比，有源像素???构的填充系数小，其设计填充系数典型值为20%-30%。在CMOS上制作微透镜阵列，可以等效提高填充系数。 ;;外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元，行像素内的信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。行选通单元可以对像素阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息 ;3 CMOS与CCD器件的比较 ;CMOS摄像器件 集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低 需进一步提高器件的信噪比和灵敏度;四、红外焦平面器件 ;1. IRFPA的工作条件 ;用普朗克定律计算的各个红外波段300K背景的光谱辐射光子密度 ;通常光子密度高于1013／cm2s的背景称为高背景条件，因此3～5μm或8～12μm波段的室温背景为高背景条件。 辐射对比度——背景温度变化1K所引起光子通量变化与整个光子通量的比值，它随波长增长而减小。 IRFPA工作条件：高背景、低对比度 ;2 IRFPA的分类 ;1～3μm波段 代表材料HgCdTe—碲镉汞 3～5μm波段 代表材料HgCdTe、InSb—锑化铟、 PtSi—硅化铂 8～12μm 波段 代表材料HgCdTe ;3. IRFPA的结构;单片式IRFPA ;本征单片式IRFPA ;肖特基势垒单片式IRFPA ;;混合式IRFPA ;探测器阵列与转移部分的连接大多采用倒装式 ;4 典型的IRFPA ;HgCdTe IRFPA ;用于空间成像光谱仪的1024×1024短波(1～2.5μm) HgCdTe IRFPA 用于战术导弹寻的器和战略预警、监视系统的640×480的中波(3～5μm ) HgCdTe IRFPA 应用十分广泛的长波(8～12μm) HgCdTe IRFPA 目前4N系列（4×288、4×480、4×960）的扫描型和64×64、128×128、640×480凝视型的HgCdTe IRFPA已批量生产 ;硅肖特基势垒IRFPA ;非制冷IRFPA ;多量子阱（MQW）IRFPA ;Ⅰ类AlGaAs/GaAs超晶格材料 ;多量子阱（MQW）IRFPA材料稳定性好、抗辐射能力强、均匀性好 多