chapter 3深圳大學(xué) 光電檢測(cè)技術(shù) 課件

光電檢測(cè)系統(tǒng)的光電接收器件文僑E-mail:wenqiao@深圳大學(xué)光電工程學(xué)院331房間《光電檢測(cè)技術(shù)》課程2光電接收器件被測(cè)量光電變換所需信息光學(xué)量電學(xué)量光電檢測(cè)系統(tǒng)光電接收器件：將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的器件光電接收器件3光電效應(yīng)與三個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)1887年赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)1905年赫茲學(xué)生勒納德進(jìn)行陰極射線的研究而獲得諾貝爾獎(jiǎng)勒納德發(fā)現(xiàn)：光電子數(shù)目隨光的強(qiáng)度增加而增加，可是光電子的動(dòng)能只與光的頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)度無關(guān)。

1921年愛因斯坦因提出光量子理論和光電方程獲得諾貝爾獎(jiǎng)愛因斯坦：在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)1923年密立根光因電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)獲得諾貝爾獎(jiǎng)密立根：實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的光電方程

h

的值與理論值完全一致4什么是光電效應(yīng)？吸收光子，電子逸出金屬表面吸收光子，電子未逸出金屬表面，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)的現(xiàn)象外光電效應(yīng)（光電子發(fā)射效應(yīng)）內(nèi)光電效應(yīng)光電效應(yīng)：因光照使物體導(dǎo)致

電學(xué)特性改變的現(xiàn)象光電效應(yīng)光電效應(yīng)現(xiàn)象5當(dāng)A+，K

－：有光電流光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)當(dāng)電壓達(dá)到某一值U0

時(shí)，光電流恰為0。U0稱反向遏止電壓。光電子動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電勢(shì)能截止電壓的大小反映光電子初動(dòng)能的大小。當(dāng)A－，K

+：電場(chǎng)阻礙電子運(yùn)動(dòng)OOOOOOVGAKOOmIs飽和電流光強(qiáng)較強(qiáng)IU0OU光強(qiáng)較弱遏止電壓光電效應(yīng)伏安特性曲線6①光電流與光強(qiáng)的關(guān)系光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比②截止頻率0——紅限對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率0

當(dāng)入射光頻率

>0

時(shí)，電子才能逸出金屬表面當(dāng)入射光頻率

<0

時(shí)，無論光強(qiáng)多大也無電子逸出金屬表面與光強(qiáng)無關(guān)光電子初動(dòng)能反向遏止電壓光電流正比于光強(qiáng)③光電效應(yīng)是瞬時(shí)的光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律從光開始照射到光電逸出所需時(shí)間<10-9s7經(jīng)典電磁理論光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率經(jīng)典電磁理論：8愛因斯坦的光量子假設(shè)光量子假設(shè)光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說，頻率為的光是由大量能量為=h光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速c運(yùn)動(dòng)。在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功A，另一部分變?yōu)楣怆娮拥膭?dòng)能Ek0。由能量守恒可得出：愛因斯坦光電效應(yīng)方程9外光電效應(yīng)器件——光電發(fā)射二極管光電發(fā)射二極管結(jié)構(gòu)光電發(fā)射二極管組成：光電陰極+陽極發(fā)射電子接收電子光電發(fā)射二極管實(shí)物10外光電效應(yīng)器件——光電發(fā)射二極管充氣光電發(fā)射二極管示意圖電子來源：①外光電效應(yīng)產(chǎn)生的發(fā)射電子

②電子與氣體分子碰撞電離電子充氣光電發(fā)射二極管比真空光電發(fā)射二極管電流大十倍11外光電效應(yīng)器件真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管:

構(gòu)造和真空光電管基本相同，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高.所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差12外光電效應(yīng)器件——光電倍增管（PMT）濱松R105型光電倍增管光電倍增管組成：光電陰極+若干倍增極+陽極

若每一倍增極電子增加

倍，n個(gè)倍增極則陽極收集電子為陰級(jí)發(fā)射電子的推薦電壓分配比：

管腳分布：

13光電倍增管的供電電路圖光電倍增管供電電路R105光電倍增管極限工作條件絕對(duì)最大值：14光電倍增管電源濱松CC238高壓電源

CC238是一種管座式高壓模塊，內(nèi)含線性分壓器，配合光電倍增管使用。使用簡(jiǎn)單，只需提供+15V輸入和一個(gè)50K電位器調(diào)整便能正常工作。

CC238外形尺寸與接線

各種各樣的電位器15光電倍增管電源CC238高壓電源特征參數(shù)：16光電倍增管使用注意事項(xiàng)不使用時(shí)需放暗室中避光儲(chǔ)存使用時(shí)需將光電倍增管放暗室里避光使用，只對(duì)入射光起作用（無光入射時(shí)的電流為暗電流）光電倍增管的靈敏度很高，不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。高壓變化將對(duì)光電倍增的靈敏度產(chǎn)生顯著的影響。高壓變化１％，其增益變化大約為１０％出現(xiàn)疲勞效應(yīng)時(shí)，需要暗室保存數(shù)小時(shí)后才能使用

疲勞效應(yīng)：光電倍增管受到較強(qiáng)光的照射，其靈敏度就會(huì)下降，而暗電流則會(huì)增加，避光保存數(shù)小時(shí)后，光電倍增管的這種效應(yīng)則會(huì)逐漸消失

17光電效應(yīng)要求會(huì)使用要求會(huì)使用要求會(huì)使用18光電導(dǎo)效應(yīng)器件什么是光電導(dǎo)效應(yīng)？光電導(dǎo)效應(yīng)：因光照使半導(dǎo)材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)空穴濃度增加（即電子—空穴對(duì)增加），從而使電導(dǎo)率變大光電導(dǎo)原理EiEg19光電導(dǎo)效應(yīng)器件——光敏電阻當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻值很大，電路中電流很小

光敏電阻暗電阻->暗電流亮電阻->亮電流當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值急劇減小，電流迅速增大20

光敏電阻阻值對(duì)光照特別敏感，是一種典型的利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電探測(cè)器件。光電導(dǎo)效應(yīng)器件——光敏電阻本征型，可用來檢測(cè)可見光和近紅外輻射非本征型，可以檢測(cè)紅外和遠(yuǎn)紅外波段的輻射21組成：它由一塊涂在絕緣基底上的光電導(dǎo)材料薄膜和兩端接有兩個(gè)引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。光敏電阻在電路中的符號(hào)光敏電阻結(jié)構(gòu)22光電導(dǎo)效應(yīng)器件——光敏電阻23增益系數(shù)：光電流與入射光引起的單位時(shí)間電荷量的比值。光敏電阻的特性光電導(dǎo)靈敏度：光電導(dǎo)與輸入光照度E之比。:光電導(dǎo)（西門子S）E

:照度（勒克斯lx）:入射通量（流明lm)24光電特性：表征光電流與照度（或光通量）之間的關(guān)系。光敏電阻的特性（1）弱光時(shí)，光電流與光通量成線性關(guān)系（2）強(qiáng)光時(shí)，光電流與光通量成拋物線光敏電阻光電特性強(qiáng)光照下光電特性的分析：

光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢(shì)。（冷卻可以改善）25伏安特性：在一定的光照下，光電流與所加電壓的關(guān)系光敏電阻的特性在一定光照下，光敏電阻為純電阻，滿足歐姆定律光敏電阻伏安特性額定功耗線26溫度特性：溫度的變化，引起溫度噪聲，導(dǎo)致其靈敏度、光照特性、響應(yīng)率等都發(fā)生變化。為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤其是雜質(zhì)型半導(dǎo)體受溫度影響更明顯。光敏電阻的特性光敏電阻溫度特性27前歷效應(yīng)：

1-黑暗放置3分鐘后

2-黑暗放置60分鐘后

3-黑暗放置24小時(shí)后指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測(cè)試前光敏電阻所處狀態(tài)對(duì)光敏電阻特性的影響。

暗態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后光電流上升的越慢程度。工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重。光敏電阻的特性28亮態(tài)前歷效應(yīng)：光敏電阻測(cè)試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。光敏電阻的特性29時(shí)間、頻率響應(yīng)：時(shí)間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。光敏電阻的特性光敏電阻時(shí)間響應(yīng)特性光敏電阻頻率響應(yīng)特性30光譜特性：相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系

光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。光敏電阻的特性光敏電阻的光譜特性204060801004080120160200240λ/μm312相對(duì)靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛31光敏電阻特點(diǎn)及應(yīng)用光譜響應(yīng)范圍寬，從可見到遠(yuǎn)紅外工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安所測(cè)光強(qiáng)范圍寬，即可測(cè)弱光，也可測(cè)強(qiáng)光強(qiáng)光照射下光電線性度差光電馳豫過程較長(zhǎng)，頻率特性較差優(yōu)點(diǎn)：不足：應(yīng)用范圍：主要應(yīng)用于光電自動(dòng)控制、輻射探測(cè)等方面32光敏電阻蜂鳴器實(shí)物圖光照強(qiáng)度變化光敏電阻電阻變化電路電流變化J蜂鳴器光敏電阻電路圖光敏電阻應(yīng)用例子——光電報(bào)警電路33光敏電阻應(yīng)用例子——路燈自動(dòng)控制電路采用光敏電阻控制的路燈自動(dòng)控制電路半波整流電路：由電阻R、電容C和二極管D組成光控繼電路：由CdS光敏電阻和繼電開關(guān)J組成KJ要實(shí)用還需增加：閃電光輻射、人為光源（手電燈等）對(duì)控制電路的干擾措施34光敏電阻應(yīng)用例子——火災(zāi)探測(cè)電路火焰探測(cè)電路PbS光敏電阻：暗電阻1M歐姆，亮電阻0.2M歐姆，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)2.2微米，恰好為火焰峰值輻射光譜。C2電容：發(fā)生火災(zāi)時(shí)，跟隨火焰“跳變”信號(hào)經(jīng)C2耦合入V2、V3

組成的高輸入阻抗放大器放大35光電導(dǎo)現(xiàn)象——半導(dǎo)體材料的“體”效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)36光伏現(xiàn)象——半導(dǎo)體材料的“結(jié)”效應(yīng)光生伏特效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)有：光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)等PN結(jié)的形成：擴(kuò)散（多子）與漂移（少子）相平衡37光生伏特器件利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件，也稱結(jié)型光電器件。這類器件品種很多，其中包括各種光電池、

光電二極管、光電晶體管、光電場(chǎng)效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測(cè)器（PSD）、電荷耦合器、光電耦合器件等。和光電導(dǎo)探測(cè)器不同，光伏探測(cè)器的工作特性要復(fù)雜一些。通常有光電池和光電二極管之分，也就是說，光伏探測(cè)器有著不同的工作模式。①零外偏壓時(shí)，稱為光伏工作模式。②外加反向偏壓，即外加P端為負(fù)、n端為正的電壓時(shí)，稱為光導(dǎo)工作模式38PN結(jié)的形成擴(kuò)散前：P區(qū)空穴（多子）可移動(dòng)，負(fù)離子不可動(dòng)N區(qū)電子（多子）可移動(dòng)，正離子不可動(dòng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體都為電中性擴(kuò)散后：多子擴(kuò)散到對(duì)方并復(fù)合掉，形成耗盡層在耗盡層P區(qū)剩下不可動(dòng)的負(fù)離子（-）在耗盡層N區(qū)剩下不可動(dòng)的正離子（+）形成由N指向P的內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子擴(kuò)散，促進(jìn)少子漂移擴(kuò)散和漂移平衡，PN結(jié)處動(dòng)態(tài)平衡濃度差使載流子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

N區(qū)P區(qū)電子·空穴·內(nèi)電場(chǎng)阻礙擴(kuò)散，促進(jìn)漂移N區(qū)P區(qū)電子·空穴·39當(dāng)光照射到光電二極管的光敏面上時(shí)，會(huì)在整個(gè)耗盡區(qū)(高場(chǎng)區(qū))及耗盡區(qū)附近引起受激躍遷現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。耗盡區(qū)受到光的照射pnhv光生伏特效應(yīng)40產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在外部電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)，被電極收集產(chǎn)生電流外加反向電壓收集光生載流子pnE光生電流

I光生伏特效應(yīng)N接正P接負(fù)41iu第一象限是正偏壓狀態(tài)，多子導(dǎo)電，電流本來就很大，所以光生載流子不起重要作用。LD激光器是正向偏壓。作為光電探測(cè)器，工作在這一區(qū)域沒有意義。第三象限是反偏壓狀態(tài)。少子導(dǎo)電，光生載流子是流過探測(cè)器的主要電流。反向偏壓有利于提高靈敏度和響應(yīng)頻率。LD工作模式光電池工作模式光電探測(cè)器工作模式無光照射時(shí)對(duì)應(yīng)著暗電流42iu第四象限中外偏壓為零。流過探測(cè)器的電流仍為反向光電流，隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線性。這時(shí)探測(cè)器的輸出是通過負(fù)載電阻RL上的電壓或流過RL上的電流來體現(xiàn)。LD工作模式光電池工作模式光電探測(cè)器工作模式43

偏置方式一：光電二極管收光照時(shí)Vout下降

典型偏置方式之一光電二極管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)典型偏置方式之一光電二極管及典型偏置方式負(fù)極正極根據(jù)照材料和工藝的不同，國(guó)產(chǎn)光電二極管有2CU型和2DU型偏置方式二：光電二極管收光照時(shí)Vout上升44第一部分?jǐn)?shù)字字母字母(漢拼)數(shù)字字母(漢拼)電極數(shù)材料和極性器件類型序號(hào)規(guī)格號(hào)2—二極管3—

三極管第二部分第三部分A—鍺材料N型B—鍺材料P型C—硅材料N型D—硅材料P型A—鍺材料PNPB—鍺材料NPNC—硅材料PNPD—硅材料NPNP—普通管W—穩(wěn)壓管K—開關(guān)管Z—整流管U—光電管X—低頻小功率管G—高頻小功率管D—低頻大功率管A—高頻大功率管第四部分第五部分例：

3AX313DG12B3DD6PNP低頻小功率鍺三極管NPN高頻小功率硅三極管NPN低頻大功率硅三極管

3CG

3AD3DK

PNP高頻小功率硅三極管PNP低頻大功率鍺三極管NPN硅開關(guān)三極管國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體器件命名方式45國(guó)外半導(dǎo)體器件命名方式由于歷史發(fā)展的原因，各國(guó)對(duì)半導(dǎo)體器件命名的方法各不相同。日本半導(dǎo)體分立器件的命名方法第一部分：用數(shù)字表示器件的電極數(shù)，0：光電管，1：二極管，2：三極管。第二部分：S:已在日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)（JEIA）注冊(cè)的標(biāo)志。第三部分：用字母表示材料和極性的類型：A：PNP高頻，B：PNP低頻，C：NPN高頻，D：NPN低頻，F(xiàn)：P控制極可控硅，G：N控制極可控硅，H：N基極單結(jié)晶體管，J：P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，K：N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，M：雙向可控硅。第四部分：器件在JEIA的登記號(hào)，性能相同，但不同廠家的產(chǎn)品可用同號(hào)。第五部分：A,B,C,表示該型號(hào)是原型號(hào)的改進(jìn)型號(hào)。

46日本半導(dǎo)體器件的型號(hào)命名方法日本（日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS）例如：2SA733（PNP型高頻晶體管）2：晶體管S：已在JEIA注冊(cè)的產(chǎn)品A：PNP型高頻管733：JEIA登記序號(hào)2SC4706（NPN型高頻晶體管）2：晶體管S：已在JEIA注冊(cè)的產(chǎn)品C：NPN型高頻管733：JEIA登記序號(hào)47國(guó)際電子聯(lián)合會(huì)半導(dǎo)體器件命名方法歐共體等國(guó)家使用第1部分：器件材料（字母）第2部分：器件類型及特性（字母）第3部分：登記號(hào)（數(shù)字）第4部分：分類（字母）例如：BU208硅材料大功率開關(guān)晶體管B：硅材料U：大功率開關(guān)管208：登記序號(hào)48實(shí)用常規(guī)電子產(chǎn)品網(wǎng)站中發(fā)網(wǎng)：///華強(qiáng)電子市場(chǎng)：/賽格電子網(wǎng)：/常規(guī)電子產(chǎn)品交易查詢網(wǎng)站：北京地區(qū):深圳地區(qū):常規(guī)電子產(chǎn)品資料下載網(wǎng)站：/國(guó)外:國(guó)內(nèi):49光電三極管（光敏三極管、光電晶體管）NPN光電三極管可等效為一個(gè)光電二極管和一個(gè)普通晶體管組合而成。光電三極管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)光電晶體管（Phototransistor，簡(jiǎn)稱PT）光電三極管的結(jié)構(gòu)和普通晶體管類似，但它的外殼留有光窗目前使用較多的是NPN（3DU）和PNP（3CU）兩種類型光電三極管原理圖光電三極管圖形符號(hào)50光電二極管、光電三極管光譜響應(yīng)曲線光電二極管、光電三極管特性光照特性：相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系光譜響應(yīng)主要由制作器件所使用的材料特性決定注意：在光電檢測(cè)課程中，頻率是指光強(qiáng)度變化的頻率，而不是光場(chǎng)變化的頻率，光場(chǎng)的頻率一般用光譜來表示。光電接收器件都存在一最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng)51光電管的頻率特性曲線光電二極管特性頻率特性：光電流與光照調(diào)制頻率之間的關(guān)系光電三極管的頻率響應(yīng)比光電二極管差。對(duì)于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在2KHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。為什么頻率升高了，靈敏度下降？52光電管的光照特性曲線光電二極管、光電三極管特性光電二極管：光照特性為線性關(guān)系,適合檢測(cè)方面的應(yīng)用。光電三極管：光照特性近似為線性關(guān)系，當(dāng)光照足夠大（幾Klx）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，多用于作控制系統(tǒng)的開關(guān)元件，有是也可作線性元件光照特性：光電流與照度之間的關(guān)系53光電二極管、光電三極管伏安特性曲線光電二極管、光電三極管特性光電二極管：光電流幾乎與外加電壓無關(guān)的恒流源（有前提條件）光電三極管：電壓大小對(duì)電流的影響比光電二極管的大伏安特性：光電流與外加電壓之間的關(guān)系54光電三極管、光電二極管比較光電三極管：輸出光電流大

光照特性“非線性”，頻率特性較差常作控制系統(tǒng)的開關(guān)元件光電二極管：輸出光電流小

光照特性線性好，頻率特性較差常作線性檢測(cè)元件55原理：在光生電流尚未遇到后續(xù)電路的熱噪聲時(shí)已經(jīng)在高電場(chǎng)的雪崩區(qū)中得到放大，因此有助于提高接收機(jī)靈敏度雪崩二極管（AvalanchePhotoDiode,APD）56APD工作過程57APD雪崩光電二極管雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，典型工作電壓約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。該管響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。雪崩二極管APD合適工作點(diǎn)：接近反向擊穿電壓，但不超過理想的穩(wěn)定APD工作點(diǎn)：

1.穩(wěn)壓

2.恒溫APD工作電路舉例：恒溫箱理想APD工作條件59ADP應(yīng)用——激光雷達(dá)OrganicAirVehicle(100-maltitude)Phase1OAVLadarSystemMass:0.34kgVolume:3litersPower:5W(PINPhotodiode，簡(jiǎn)稱PINPD)在摻雜濃度很高的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層本征半導(dǎo)體，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后形成一個(gè)很寬的耗盡層，如圖所示。這樣可以提高其響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)電容變得更小，頻率響應(yīng)高，帶寬可達(dá)10GHz；線性輸出范圍寬特點(diǎn)：應(yīng)用：光通信、光雷達(dá)等快速光檢測(cè)領(lǐng)域

光經(jīng)波導(dǎo)從I層進(jìn)入PIN光電二極管61PIN光電二極管結(jié)構(gòu)PIN光電二極管工作原理63PIN是為提高光電轉(zhuǎn)換效率而在PN結(jié)內(nèi)部設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體（I層）以擴(kuò)大耗盡層寬度的光電二極管。http://www.thorlabs.hk/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=28564反向偏壓光電探測(cè)器特性比較PN光電二極管是反向偏壓光電探測(cè)器的基礎(chǔ)①

PIN光電二極管較PN光電二極管增加了I層，PN結(jié)層的間距加寬，結(jié)電容變小（常用高速探測(cè)）消耗層加寬，提高了光電轉(zhuǎn)化效率②

APD由于雪崩層的存在（因此，外接工作電壓約100-200V）響應(yīng)速度、靈敏度高（常用微光探測(cè)）但是雪崩層引起噪聲大是該管子目前主要缺點(diǎn)③光電晶體管由于引入了普通晶體管靈敏度高（與光電二極管比較），輸出電流大但是光電特性不如光電二極管強(qiáng)光照射下輸出電流與照度線性度差，多作為光電開關(guān)或邏輯元件PN、PIN工作無需高壓APD工作需高壓光電晶體管工作無需高壓65硅光電池光電池按襯底材料導(dǎo)電類型分離：2CR系列（N型襯底）2DR系列（P型襯底）從命名規(guī)則可知是國(guó)產(chǎn)光電池66iu第一象限正偏壓，第三象限反偏壓，第四象限中外偏壓為零。流過探測(cè)器的電流仍為反向光電流，隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線性。這時(shí)探測(cè)器的輸出是通過負(fù)載電阻RL上的電壓或流過RL上的電流來體現(xiàn)。LD工作模式光電池工作模式光電探測(cè)器工作模式67光電池特性68光電池特性69光電池特性70光電池特性71光電池外接電路外接電路外接電路的等效電路72光電池主要有兩大類型的應(yīng)用：將光電池作能量轉(zhuǎn)換器件使用，利用光伏作用直接將大陽能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池。這是人們探索新能源的一個(gè)重要研究課題。太陽能電池已在宇宙開發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本會(huì)逐漸下降，太陽電池將獲得更廣泛的應(yīng)用。將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。光電池應(yīng)用73光電池作能量轉(zhuǎn)換器件使用：光電池應(yīng)用光電池驅(qū)動(dòng)的涼帽74光電池作為光電探測(cè)使用時(shí)，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。光電池工作時(shí)不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測(cè)距、激光準(zhǔn)直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等。光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用光電池應(yīng)用75光電池應(yīng)用光電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖76光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2

下圖為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通量相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的。光電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中的光電池部分的電路：光電池應(yīng)用77光電耦合器光電耦合器：是發(fā)光器件與接收器件組合的一種元件。發(fā)光器件：

常采用發(fā)光二極管接收器件：常用光電二極管、光電三極管、光集成電路等78光電耦合器應(yīng)用例1：用光電耦合器隔離的高壓穩(wěn)壓電路高壓區(qū)低壓區(qū)光79例2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中終端設(shè)備

與主機(jī)的隔離運(yùn)行大型計(jì)算機(jī)主機(jī)用戶終端設(shè)備光光電耦合器應(yīng)用80某些晶體材料（如鐵電晶體）具有自發(fā)極化現(xiàn)象，自發(fā)極化的大小在溫度有稍許變化時(shí)就有很大的變化。溫度恒定時(shí)，由自發(fā)極化產(chǎn)生的表面電荷吸附空氣中的電荷達(dá)到平衡；材料吸收紅外光后引起溫度升高，極化強(qiáng)度會(huì)減小，單位面積的表面電荷相應(yīng)減少，一部分吸附電荷被釋放；若與一個(gè)電阻連成回路，電路中就會(huì)有電流產(chǎn)生，如圖所示。這種因溫度變化引起自發(fā)極化強(qiáng)度變化的現(xiàn)象被稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)81當(dāng)溫度變化ΔT在材料各處一致時(shí)，熱釋電效應(yīng)可以借助熱釋電系數(shù)p表示為：ΔP=pΔT

式中P是自發(fā)極化。右圖是鈦酸鋇熱釋電系數(shù)變化規(guī)律，由圖可見，溫度越接近居里溫度點(diǎn)（TC），熱釋電系數(shù)越大。居里溫度82生物機(jī)電83制作干手機(jī)可參考隨機(jī)延時(shí)電路和固定延時(shí)電路。注意：人感器必須隔熱，出風(fēng)口與感應(yīng)窗口要分離。

熱釋電效應(yīng)應(yīng)用——紅外自動(dòng)干手機(jī)熱釋電效用探測(cè)器光電耦合器●

在房間無人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)●電視機(jī)能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動(dòng)關(guān)機(jī)的機(jī)構(gòu)●您可以根據(jù)自己的奇思妙想，結(jié)合其它電路開發(fā)出更加優(yōu)秀的新產(chǎn)品熱釋點(diǎn)效應(yīng)可能的應(yīng)用：84光生伏特器件光電導(dǎo)效應(yīng)為半導(dǎo)體的“體“效應(yīng)；光生伏特效應(yīng)為半導(dǎo)體的“結(jié)”效應(yīng)器件這類器件品種很多，其中包括各種光電池、

光電二極管、光電晶體管、PIN管、雪崩光電二極管、光電耦合器件、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測(cè)器（PSD）、電荷耦合器等。85位置敏感探測(cè)器：可以檢測(cè)光位置的器件，也稱為坐標(biāo)光電池位置敏感探測(cè)器（PositionSensitiveDetectors，PSD）入射光電利用位置敏感探測(cè)器，將入射光的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成電流一維PSD斷面圖PSD原理圖86固體成像器件87實(shí)物圖像?圖像采集和處理的過程，最基本的是要把實(shí)物盡量真實(shí)地反映到虛擬的圖像上固體成像器件88如何準(zhǔn)確地描述一幅圖像89感光芯片的設(shè)計(jì)思想：就是分割被描述區(qū)域，用相應(yīng)的灰度填充。90實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷固體成像器件91實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源顯示設(shè)備A/D轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備固體成像器件92實(shí)物圖像光子模擬量（電壓）電荷日光監(jiān)視器光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備模擬相機(jī)+監(jiān)視器固體成像器件93實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源PC存儲(chǔ)處理模擬采集卡光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備模擬相機(jī)+模擬采集卡固體成像器件94實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源A/D轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備PC數(shù)字采集卡數(shù)字相機(jī)+數(shù)字采集卡固體成像器件95

由于光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和放大設(shè)備都是針對(duì)微觀的電荷進(jìn)行量化操作。就需要一個(gè)精密的器件來完成這兩個(gè)過程。

我們常用的是

CCD

和CMOS固體成像器件96光電轉(zhuǎn)換電路放大A/D光子電子電壓數(shù)字信號(hào)CMOS芯片可以在像素上同時(shí)完成這兩個(gè)步驟CCD與CMOS的光電轉(zhuǎn)換示意圖由上面兩圖可看出：CMOS和CCD最大的區(qū)別是CMOS的

電荷到電壓轉(zhuǎn)換過程是在每個(gè)像素上完成的CCD固體成像器件97CCD與CMOS比較從以上的對(duì)比可以看出：CCD在圖像的質(zhì)量上更有優(yōu)勢(shì)。而常見的高速相機(jī)則會(huì)采用CMOS芯片。CCDCMOS電路更改方便固定速度慢快噪聲好差靈敏度好差功耗毫安級(jí)微安級(jí)成本高低固體成像器件98固體成像器件主要有：CCD:電荷耦合器件ChargeCoupledDevices①

1969發(fā)明于美國(guó)諾貝爾實(shí)驗(yàn)室②

固體成像器件的基礎(chǔ)，③2009年獲得諾貝爾獎(jiǎng)CMOS:ComplementaryMetalOxideSemiconductor①基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)②

原理及使用方法與CCD類似

固體成像器件99CCD結(jié)構(gòu)CCD結(jié)構(gòu)包括感光二極管（Photodiode），也稱為光敏單元并行信號(hào)寄存器（ShiftRegister）-用于暫時(shí)儲(chǔ)存感光后產(chǎn)生的電荷串行信號(hào)寄存器（TransferRegister）-用于暫時(shí)儲(chǔ)存并行積存器的模擬信號(hào)并將電荷轉(zhuǎn)移放大信號(hào)放大器-用于放大微弱電信號(hào)數(shù)摸轉(zhuǎn)換器-將放大的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)100MOS光敏元CCD產(chǎn)生與存儲(chǔ)電荷原理MOS光敏元構(gòu)成：金屬、氧化物、半導(dǎo)體材料光敏元工作原理：①金屬電極所加的電壓透過SiO2對(duì)P型硅的載流子進(jìn)行排斥與吸引，形成耗盡層，對(duì)電子而言形成電勢(shì)阱②光敏單元受光照射，光子能量被吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)③各個(gè)光敏元電荷的不等形成潛在圖像CCD的像素?cái)?shù)是指上光敏元的數(shù)量101A光電轉(zhuǎn)換B電荷儲(chǔ)存C電荷轉(zhuǎn)移D轉(zhuǎn)化為電壓量CCD芯片的工作方式：CCD芯片102

CCD單元部分，就是一

個(gè)由金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）組成的電容器。

這一裝置能夠完成光電轉(zhuǎn)換。A光電轉(zhuǎn)換CCD芯片103

當(dāng)向CCD單元電極施加正電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生能儲(chǔ)存電荷的勢(shì)阱。由于極板上的正電荷總量恒等于勢(shì)阱中自由電荷加上負(fù)離子的總和，隨著電荷的不斷注入，勢(shì)阱會(huì)不斷變淺，直至飽和.B電荷儲(chǔ)存CCD芯片104這一過程存在著以下問題：

當(dāng)一個(gè)像素聚集過多的電荷后，就會(huì)出現(xiàn)電荷溢出

溢出的電荷會(huì)跑到相臨的像素勢(shì)阱里去。這樣電量

就不能如實(shí)反映原物。也就是常說的blooming。

要避免這種情況發(fā)生的方法：A把桶做大些B減少測(cè)量時(shí)間C把滿的水倒出一些D做個(gè)導(dǎo)流管，讓溢出的水流到地上去，不要流到其他桶里

CCD芯片105當(dāng)一個(gè)CCD芯片感光完畢后。每個(gè)像素所轉(zhuǎn)換的電荷包，就按照一行的方向

轉(zhuǎn)移出CCD感光區(qū)域。為下一次感光釋放空間。C電荷轉(zhuǎn)移CCD芯片106CCD中電荷的轉(zhuǎn)移光敏元中電荷的轉(zhuǎn)移：◆柵極電壓大小決定勢(shì)阱深淺◆相鄰勢(shì)阱深淺的差異來疏導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移◆通過相線來實(shí)現(xiàn)循環(huán)光敏元中電荷的轉(zhuǎn)移1072V10V2V2Va存有電荷的勢(shì)阱b2V10V2V2V10V10V2V2V10V2V10V2V2V2V10V2Vcde108CCD中電荷的轉(zhuǎn)移三相CCD結(jié)構(gòu)及傳輸原理圖t1t2t3相線三相：表示以3個(gè)光敏元為一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)109

電荷轉(zhuǎn)移出感光區(qū)域的時(shí)間，需要抑制新的電荷注入到芯片。在此，我們加入快門。機(jī)械快門（需要相機(jī)的曝光信號(hào)，速度慢）

電子快門整幀電子快門

（CCD芯片不通

電即不工作）

滾動(dòng)電子快門

CCD中快門110Globalshutter（全局電子快門）Rollingshutter（滾動(dòng)電子快門）t1t2t3t4t5t6t1t2t3t4CCD中快門111CCD中電荷的讀出P型Si襯底耗盡區(qū)輸出U0OGSiO2相線N型半導(dǎo)體反向PN結(jié)電荷讀出方法：①P、N型半導(dǎo)體形成反向PN結(jié)耗盡層②輸出柵OG控制電荷轉(zhuǎn)移到耗盡層③轉(zhuǎn)移進(jìn)來的電荷在耗盡層作為少數(shù)載流子定向移動(dòng)RL112CCD最重要的兩個(gè)性能對(duì)光的敏感度1.芯片材質(zhì)2.單位像素尺寸幀速度1.曝光時(shí)間2.芯片的傳輸速度——芯片的傳輸方式?jīng)Q定的CCD性能指標(biāo)113根據(jù)陣列排布方式的不同，CCD成像器件分為線陣和面陣兩大類。線陣CCD的構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。只是單行的感光和轉(zhuǎn)移。面陣CCD復(fù)雜一些。常見的面陣芯片的轉(zhuǎn)移方式：隔行轉(zhuǎn)移、幀轉(zhuǎn)移全幀轉(zhuǎn)移。線陣CCD與面陣CCD114

線陣CCD115計(jì)數(shù)：計(jì)數(shù)器用來記錄驅(qū)動(dòng)周期的個(gè)數(shù)，N+m，考慮到“行回掃”的時(shí)間需要，采用過驅(qū)動(dòng)，m為過驅(qū)動(dòng)的次數(shù)。線陣CCD工作過程框圖線陣CCD器件線陣CCD工作過程116面陣CCD面陣CCD能在x、y兩個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。

117200萬和1600萬像素的面陣CCD

面陣CCD（續(xù)）

118

面陣CCD（續(xù)）

119行轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)面陣CCD工作過程常見的面陣CCD有隔行轉(zhuǎn)移和幀轉(zhuǎn)移和全幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)行轉(zhuǎn)移面陣CCD隔行傳輸?shù)暮锰幵谟冢泄夂蛡鬏敳辉谕涣?，從而避免了兩者之間的沖突。但缺點(diǎn)在于，芯片并不是所有面積都在感光。這樣，對(duì)于定位測(cè)量要求比較高的話，會(huì)有影響。120幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)面陣CCD工作過程幀/場(chǎng)轉(zhuǎn)移面陣CCD暫存區(qū)用于暫存來自光敏區(qū)的電荷暫存區(qū)結(jié)構(gòu)和單元數(shù)與成像區(qū)相同暫存區(qū)和移位寄存器（水平讀出寄存器）均作遮光處理。芯片的一半像素感光，另一半被遮住。傳輸時(shí)，首先感光部分快速向不感光部分的對(duì)應(yīng)位置轉(zhuǎn)移。之后每一列再向串行寄存器上對(duì)應(yīng)的位置轉(zhuǎn)移。同時(shí)，感光部分的空間由于沒有了電荷可以繼續(xù)感光。優(yōu)勢(shì)：利用了像素之間轉(zhuǎn)移快的特點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn):傳輸快。121Fullframetransfer（全幀轉(zhuǎn)移）芯片的每一個(gè)像素都感光。傳輸時(shí)，每一列向單行串行寄存器上相對(duì)應(yīng)的位置轉(zhuǎn)移。同時(shí)，串行寄存器向陣列的出口轉(zhuǎn)移。全幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)面陣CCD工作過程122在CCD的設(shè)計(jì)過程中，還有一些非常有用的技術(shù)。123基于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，原則上，CCD芯片可以完成如下功能：對(duì)任意相鄰行和列的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并輸出（在不過飽和的前提下）在串行寄存器中，對(duì)不感興趣的數(shù)據(jù)可以直接清零CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)有用技術(shù)124ACEGBDFHabcdefghefghBinning2*2約節(jié)約1/2的時(shí)間圖為原來1/4但很亮相臨4個(gè)像素的電荷相臨2像素的電荷Binning的實(shí)質(zhì)在于把相臨幾個(gè)像素所積累的電荷累加起來。作為一個(gè)電荷進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這樣做的效果，相當(dāng)于把幾個(gè)像素拼成了一個(gè)大像素使用。優(yōu)點(diǎn)：速度、亮度得到提高。缺點(diǎn)：分辨率降低。1.合并輸出CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)有用技術(shù)1251111222233334444設(shè)置感興趣區(qū)域（AOI）要得到第3+4行數(shù)據(jù)：line1+line2清零line3輸出line4輸出2.寄存器清零操作CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)有用技術(shù)126多溝道傳輸

前面所講的都是按照單行、單列的模式進(jìn)電荷傳輸?shù)?。?shí)際上如果一行的像素太多必然會(huì)影響傳輸速度。這時(shí)需要使用多溝道傳輸設(shè)計(jì)。CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)有用技術(shù)127

單溝道線型CCD

雙溝道線陣CCD

轉(zhuǎn)移次數(shù)多、效率低、調(diào)制只適用于像素單元較少的成像器件。轉(zhuǎn)移次數(shù)少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率大大提高。普通分辨率4096線陣CCD采集速度：10-15KHzBaslersprint分辨率4096線陣CCD采集速度：140KHzCCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)有用技術(shù)128彩色形成：需要同一點(diǎn)的R/G/B三原色的數(shù)值。AAR

AG

AB彩色CCD1291.棱鏡3CCD彩色相機(jī)

利用棱鏡，將光線折射成三部分。在R，G，B三束光線的

方向上分別帖上三片感光片，各自感光。彩色CCD1302.BAYER彩色相機(jī)

利用BAYER濾光片，讓相臨四個(gè)像素分別只能接收R，G，G，B光。每個(gè)像素輸出的信息只是相應(yīng)色光的灰度值。之

后，通過軟件合成為彩色。這樣，每個(gè)像素的彩色信息其實(shí)

是不獨(dú)立的，依賴于相臨像素的信息。彩色CCD131顏色變化不大顏色變化很大彩色CCD1323

layerCCD彩色相機(jī)使用RGB3層芯片重疊放置，由于不同能量的光子對(duì)芯片物質(zhì)的穿透率差異，可以通過計(jì)算在每一層上感光的電荷數(shù)目來獲知最初入射的原始光子情況。從而知道每一個(gè)點(diǎn)的RGB值光線彩色CCD133彩色線陣芯片的結(jié)構(gòu)單行Bayer3CCD水平排列RGB棱鏡3CCD彩色CCD134有效像素多，拍攝的圖像精度更高幀頻高，速度快，拍攝的運(yùn)動(dòng)過程更細(xì)致CCD的芯片的圖像質(zhì)量要優(yōu)于CMOS，但速度比CMOS慢像素尺寸大，能夠更多地接收光子，不容易飽和對(duì)于高精密測(cè)量，應(yīng)盡量使用整個(gè)像素面積都感光的芯片使用多通道傳輸?shù)男酒?，能提高傳輸速度使?-CCD技術(shù)的彩色相機(jī)，色彩更真實(shí)CCD性能小結(jié)135典型CCD用法(以TCD1209D型號(hào)為例)TCD1209D器件是一種很典型的線陣CCD，詳細(xì)資料請(qǐng)見TCD1209D.PDF文檔行周期（積分時(shí)間）SHTCD1209D時(shí)序電路圖SH低電平，形成勢(shì)阱電荷定向轉(zhuǎn)移輸出電荷時(shí)的復(fù)位脈沖緩沖控制脈沖輸出信號(hào)136/products-and-services/high-performance-imaging-solutions/imaging-solutions-cmos-ccd-emccd/datasheets/大面積CCD產(chǎn)品現(xiàn)狀型號(hào)為CCD231-84，像素為4096(H)

x

4112(V)，像素大小為15

μm，面積為61.4*61.4mm，量子效率也高達(dá)90%。137/products-and-services/high-performance-imaging-solutions/imaging-solutions-cmos-ccd-emccd/datasheets/大面積CCD產(chǎn)品現(xiàn)狀型號(hào)為CCD231-84，像素為4096(H)

x

4112(V)，像素大小為15

μm，面積為61.4*61.4mm，量子效率也高達(dá)90%。138/products/fpa/ccd/area/index.htm大面積CCD產(chǎn)品現(xiàn)狀型號(hào)為CCD486的CCD，像素為4096*4096，像素大小為15um,面積為61.4*61.4mm,該CCD有背光照明和前照兩種方式，背光照明量子效率90%，前照為40%。139/products/fpa/ccd/area/ccd_595.htmCCD型號(hào)為CCD595像素為9216x9216，像素大小為8.75μmx8.75μm，面積為80.64mmx80.64mm。

大面積CCD產(chǎn)品現(xiàn)狀140固體成像器件及其應(yīng)用固體成像器件的應(yīng)用圖8-82CMOS器件的應(yīng)用情況保安監(jiān)視PC攝像頭機(jī)頂盒玩具醫(yī)療儀器數(shù)碼相機(jī)手機(jī)可視電話生物特征識(shí)別PDA條碼識(shí)別汽車141CCD的應(yīng)用——一些月基望遠(yuǎn)鏡方案142線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用

CCD圖像傳感器的應(yīng)用143線陣CCD在圖像掃描中的應(yīng)用線陣CCD攝像機(jī)可用于彩色印刷中的套色工藝監(jiān)控風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星可以對(duì)地球上空的云層分布進(jìn)行逐行掃描144線陣CCD用于字符識(shí)別145CCD用于圖像記錄146彩色CCD采用三基色分離原理CCD數(shù)碼照相機(jī)的結(jié)構(gòu)147數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)解剖

（索尼F828）CCD148CCD數(shù)碼攝像機(jī)

149嫦娥一號(hào)上的CCDCCD立體相機(jī)中國(guó)首幅月圖由嫦娥一號(hào)衛(wèi)星搭載的CCD立體相機(jī)采用線陣推掃的方式獲取，軌道高度約200公里，每一軌的月面幅寬60公里，像元分辨率120米。150下圖中，左圖為第一軌原始數(shù)據(jù)（前視、正視、后視），右上圖為三維立體模型，右下圖為彩色編碼的三維立體模型。三維立體模型彩色編碼的三維立體模型俯視正視后視原始數(shù)據(jù)嫦娥一號(hào)上的CCD151光學(xué)耦合的像增強(qiáng)型CCD（ICCD)像增強(qiáng)器CCD攝像頭中繼透鏡物鏡像增強(qiáng)器CCD攝像頭光纖(錐)面板物鏡光錐耦合ICCD結(jié)構(gòu)示意圖光錐或光纖面板耦合IntensifiedCCD兩個(gè)環(huán)節(jié):像管實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)CCD實(shí)現(xiàn)電視成像;兩種耦合方式光學(xué)耦合光纖（錐）面板耦合光錐的優(yōu)勢(shì)－變放大率152光學(xué)耦合的像增強(qiáng)CCD（ICCD)153光學(xué)耦合的像增強(qiáng)CCD（ICCD)154特殊CCD——ICCD特點(diǎn)提高了CCD的靈敏度提供了利用普通CCD在紫外、X光波段成像的可能提供了可選通成像的可能實(shí)現(xiàn)了微光圖像、紫外成像的視頻化，并為其進(jìn)一步數(shù)字化提供了可能攝像器件不再是全固體的了！攝像器件的外形尺寸、體積重量明顯加大！155特殊CCD——電子轟擊CCD（EBCCD）ElectronbombardmentCCD成像過程:光子光電子電子,BCCD通過背面照明來收集電荷，成像光子不需要通過多晶硅門電極進(jìn)入CCD，克服了前照明CCD的性能限制。156特殊CCD——EBCCD特點(diǎn)高靈敏度，高增益，低暗電流結(jié)構(gòu)較ICCD緊湊工作壽命短！CCD在高速電子轟擊下會(huì)產(chǎn)生輻射損傷，從而導(dǎo)致暗電流、漏電流增加，轉(zhuǎn)移效率下降。攝像器件依然離不開真空環(huán)節(jié)！157特殊CCD——電子倍增CCD(EMCCD)EMCCD倍增原理示意圖電子倍增CCD(ElectronMultiplyingCCD)芯片的轉(zhuǎn)移寄存器和輸出放大器之間具有一個(gè)特殊的增益寄存器。158特殊CCD——EMCCD技術(shù)電離效應(yīng)倍增電子示意圖增益寄存器的結(jié)構(gòu)和一般的CCD類似，只是電子轉(zhuǎn)移第二階段的勢(shì)阱被一對(duì)電極取代，第一個(gè)電極上為固定值電壓，第二個(gè)電極按標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率加上一個(gè)高電壓(40V~50V)。通過兩個(gè)電極之間高電壓差形成對(duì)待轉(zhuǎn)移信號(hào)電子的沖擊電離形成了新的電子。由于大幅提高了輸出信號(hào)的強(qiáng)度，使得CCD器件固有的讀出噪聲對(duì)于系統(tǒng)的影響減小。強(qiáng)電場(chǎng)作用下的電離造成電子數(shù)量倍增159鈔票檢查系統(tǒng)原理圖圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)需要對(duì)信號(hào)的二值化處理160信號(hào)的二值化處理

CCD傳感器光敏單元的輸出可以看成“0”、“1”信號(hào),通過對(duì)輸出為“0”的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),即可測(cè)出物體的寬度。這就是信號(hào)的二值化處理。實(shí)際應(yīng)用時(shí),物像邊緣交界處光強(qiáng)是連續(xù)變化的,而不是理想的階躍跳變,要解決這一問題可用兩種方法:比較整形法;或者微分法。

圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)161比較器輸出CCD輸出濾波輸出參考電平tt10n個(gè)脈沖在低電平期間對(duì)計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),從而得np

。信號(hào)二值化法——比較整形法162

比較整形法計(jì)數(shù)脈沖CCD低通濾波比較器計(jì)數(shù)顯示參考電平+－信號(hào)二值化法——比較整形法163濾波后CCD視頻信號(hào)AA，微分絕對(duì)值微分過零觸發(fā)二值化信號(hào)OOOOOOtttttt微分法波形圖信號(hào)二值化法——微分法164信號(hào)二值化法——微分法低通濾波微分絕對(duì)值微分過零觸發(fā)二值化CCD視頻信號(hào)165例子：小尺寸的檢測(cè)信號(hào)處理計(jì)數(shù)顯示控制器Ln·p

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