1 光光光光光光光光光光光: ——光光光光光光光光统 ( 1 ) §1 固 固固固固 体 固固固: 固固固固固固固固固固固固固固固: 固固固
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教学目的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。
教学重点与难点 重点: CCD 的结构和工作原理、光电成像原理、 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。
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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
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三、光电成像系统基本组成的框图
物体(信号源)
传输介质光学系统
(信号分析器)光电摄像器件(信号变换器) 显示器 人眼
光源光信号
光信号
光信号
信号
信号
背景噪声
背景噪声
噪声
噪声
其中光电成(摄)像器件是光电成像系统的核心。
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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。
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( 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。
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( 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。
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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。
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( 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。
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( 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。
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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。
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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。
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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。
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。
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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