光电检测技术 第六章.ppt

第6章 光电成像器件概述;第6章 主要内容; 光电成像器件是指能输出图像信息的一类器件，它包括真空成像器件和固体成像器件两大类。 真空成像器件根据管内有无扫描机构粗略地分为像管和摄像管，像管的主要功能是能把不可见光（红外或紫外）图像或微弱光图像通过电子光学透镜直接转换成可见光图像，如变像管、像增强器、X射线像增强器等。摄像管是一种把可见光或不可见光（红外、紫外或X射线等）图像通过电子束扫描后转换成相应的电信号，通过显示器件再成像的光电成像器件。 固体成像器件不象真空摄像器件那样需用电子束在高真空度的管内进行扫描，只要通过某些特殊结构或电路（即自扫描形式）读出电信号，然后通过显示器件再成像。;6.1 光电成像器件概述;图6-2 光导电视摄像管 ; 光谱响应取决于光电转换材料的光谱响应，其短波限有时受窗口材料的吸收特性影响。 ; 转换特性通常被定义为光电成像器件的输出物理量与对应物理量的比值关系。转换特性的参量有灵敏度（或响应度）、转换系数及亮度增益等。 ; 分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力。分辨率常用二种方式来描述：一种 为极限分辨率；另一种为调制传递函数。分辨率有时也称为鉴别率或解像力等。 ; 真空摄像管的种类很多。按其光敏面光电材料的光电效应来分，可分为外光电效应与内光电效应两大类。 ;基本原理;性能参数; 光导摄像管出现于20世纪60年代,以后性能得到很大改善,广泛应用于电视摄像等方面。作为摄像装置,必须有三个功能:把图像的像素图转换为相应电荷图的功能，把电荷图暂存器起来的功能和把各个像素依次读出的功能。光导摄像管就具备这三个功能。;图1 光导摄像管的结构和等效电路 ; 图1(b)示出了原理性的等效电路。R与C并联电路代表光电导膜的像素小单元,并假定为射束的撞击面积。工作时,用电子束逐点扫描像素小单元,把各小单元均充至电源电压V,然后中断。在光的照射下,由于光电导效应,R会变小,C则会放电,电压降低。 ;硅靶结构与工作原理; ; 电荷耦合器件(Charge Coupled Devices,简称CCD)是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。 ; CCD以电荷作为信号。CCD的工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。 ;（1）电荷存储;（2）电荷耦合; 转移栅实行转移的工作原理是,t1时刻φ1是高电平,于是在电极①下形成势阱,并将少数载流子(电子)吸引至聚集在Si-SiO2界面处,而电极②、③却因为加的是低电平,形象地称为垒起阱壁。如图（a）; t2时刻,φ1的高电平有所下降,φ2变为高电平,而φ3仍是低电平。这样在电极②下面势阱最深,且和电极1下面势阱交迭,因此储存在电极①下面势阱中的电荷逐渐扩散漂移到电极②下的势阱区。由于电极③上的高电平无变化,所以仍高筑势垒,势阱里的电荷不能往电极③下扩散和漂移。如图（b）（c）(d)所示。 ; t3时刻,φ1变为低电平,φ2为高电平,这样电极①下面的势阱完全被撤除而成为阱壁,电荷转移到电极②下的势阱内。由于电极③下仍是阱壁,所以不能继续前进,这样便完成了电荷由电极1下转移到电极2下的一次转移,如图(e)所示。 ; 图2中所示为64位CCD结构。每个光敏元（像素）对应有三个相邻的转移栅电极1、2、3,所有电极彼此间离得足够近,以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的1电极相连并施加时钟脉冲φ1,所有的2、3也是如此,并施加时钟脉冲φ2、φ3。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭,如图3所示。 ;图3 三个时钟脉冲的时序;图4 完成一次转移的过程 ; CCD也可在输入端用电形式输入被转移的电荷,或用以补偿器件在转移过程中的电荷损失,从而提高转移效率。电荷输入的多少,可用改变二极管偏置电压,即改变Gi来控制。 CCD输出经由输出二极管。输出二极管加反向偏压的大小由输出栅控制电压G0来控制。 ;　CCD的输入实际上是对光信号或电信号进行电荷取样，并把取样的电荷存储于CCD的势阱中，然后在时钟脉冲的作用下， 把这些电荷转移到CCD的输出端。信号的输入有光注入和电注入两种方式。CCD作摄像光敏器件时，其信号电荷由光注入产生。器件受光照射时，光被半导体吸收，产生电子-空穴对， 这时少数载流子被收集到较深的势阱中。光照愈强，产生的电子-空穴对愈多，势阱中收集的电子也愈