第八章成像器件

第8章圖像信息的光電變換

完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。1、圖像傳感器的分類

2、光電成像原理與電視制式

3、固體成像器件CCD，CMOS4、真空成像器件5、直視型光電器件

2）非直視掃描型光電成像器件又稱為攝像器件。真空電子束掃描型光電發(fā)射式攝像管光電導(dǎo)式攝像管固體自掃描型電荷耦合攝像器件圖像光譜變換(變像管)圖像強(qiáng)度變換(像增強(qiáng)管)。1）凝視型（直視型）光電成像器件一光電成像器件的分類景物光學(xué)成像系統(tǒng)光電變換系統(tǒng)圖像分割同步掃描與編碼視頻信號(hào)信號(hào)傳送同步掃描與解碼視頻調(diào)整與彩色合成再現(xiàn)圖像攝像機(jī)系統(tǒng)監(jiān)視器或電視接收機(jī)系統(tǒng)二光電成像原理與電視制式1.攝像機(jī)的基本原理

景物經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在物鏡的像面(光電圖像傳感器的像面)上，形成二維空間光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像。

光電圖像傳感器：將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成二維“電氣”

圖像。

高質(zhì)量的圖像來源于高質(zhì)量的攝像系統(tǒng)，其中主要是高質(zhì)量的光電圖像傳感器。

景物光學(xué)成像系統(tǒng)光電變換系統(tǒng)圖像分割同步掃描與編碼視頻信號(hào)

組成一幅圖像的最小單元稱為像素或像元。像元的大小或一幅圖像所包含的像元數(shù)決定了圖像的分辨率，分辨率越高，圖像的細(xì)節(jié)信息越豐富，圖像越清晰，圖像質(zhì)量越高。

即將圖像分割得越細(xì)，圖像質(zhì)量越高。

景物光學(xué)成像系統(tǒng)光電變換系統(tǒng)圖像分割同步掃描與編碼視頻信號(hào)2.圖像的分割

將一幅圖像分割成若干像素的方法有很多：超正析像管：利用電子束掃描光電陰極的方法分割像素；視像管：由電阻海顆粒分割；面陣CCD、CMOS圖像傳感器：用光敏單元分割。被分割后的電氣圖像經(jīng)掃描才能輸出一維時(shí)序信號(hào)（視頻信號(hào)），掃描的方式也與圖像傳感器的性質(zhì)有關(guān)。面陣CCD采用轉(zhuǎn)移脈沖方式將電荷包（像素信號(hào)）輸出一維時(shí)序信號(hào)；CMOS圖像傳感器采用順序開通行、列開關(guān)的方式完成像素信號(hào)的一維輸出。3.圖像的顯示：監(jiān)視器或電視接收機(jī)的顯像管：利用電磁場(chǎng)使電子束偏轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)行與場(chǎng)掃描，因此，對(duì)于行、場(chǎng)掃描的速度、周期等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定，以便顯像管顯示理想的圖像。

信號(hào)傳送同步掃描與解碼視頻調(diào)整與彩色合成再現(xiàn)圖像監(jiān)視器或電視接收機(jī)系統(tǒng)4.掃描方式

（1）逐行掃描顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)線圈，線圈中分別流過鋸齒波電流，電子束在偏轉(zhuǎn)線圈形成的磁場(chǎng)作用下同時(shí)進(jìn)行水平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn)，完成對(duì)顯像管熒光屏的掃描。

（2）隔行掃描

根據(jù)人眼對(duì)圖像分辨能力，掃描的水平行數(shù)至少應(yīng)大于600行，這對(duì)于逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于29000Hz才能保證人眼視覺對(duì)圖像的最低要求。這樣高的行掃描頻率，無論對(duì)攝像系統(tǒng)還是對(duì)顯示系統(tǒng)都提出了更高的要求。為了降低行掃描頻率，又能保證人眼視覺對(duì)圖像分辨率及閃耀感的要求，早在20世紀(jì)初，人們就提出了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法。第二，要求相鄰兩場(chǎng)光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最高的清晰度。目前，我國(guó)現(xiàn)行的隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數(shù)為625行，一幀由二場(chǎng)構(gòu)成，每場(chǎng)掃描行數(shù)為312.5行。隔行掃描必須滿足：第一，下一幀圖像的掃描起始點(diǎn)應(yīng)與上一幀起始點(diǎn)相同；（3）掃描行頻電子束掃描一行所需要的時(shí)間，又稱為行周期。行周期的倒數(shù)稱為行頻。

我國(guó)現(xiàn)行電視制式（PAL制式）的主要參數(shù)為：寬高比α=4/3；場(chǎng)頻fv=50Hz；行頻fl=15625Hz；場(chǎng)周期T=20ms，其中場(chǎng)正程掃描時(shí)間為18.4ms，逆程掃描時(shí)間為1.6ms。行周期為64μs，其中行正程掃描時(shí)間為52μs，逆程掃描時(shí)間為12μs。

5.電視制式

電視的圖像發(fā)送與接收系統(tǒng)中，圖像的采集（攝像機(jī)）與圖像顯示器必需遵守同樣的分割規(guī)則才能獲得理想的圖像傳輸。這個(gè)規(guī)則被稱為電視制式。

目前，正在應(yīng)用中的電視制式一般有三種。

PAL彩色電視制式： 場(chǎng)頻為50Hz， 隔行掃描每幀掃描行數(shù)為625行， 伴音、圖像載頻帶寬為6.5MHz。電荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevices）CMOS圖像傳感器

ComplementaryMetalOxideSemiconductor

CIS——CMOSImageSensor三、固體成像器件電荷耦合器件CCD

線陣CCD

面陣CCDCMOS圖像傳感器的應(yīng)用

CMOS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CCD的發(fā)明者GeorgeSmith和WillardBoyle

圖像傳感器發(fā)展完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。1934年光電攝像管（Iconoscope），用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。但是，它的靈敏度很低，信噪比很低，需要高于10000lx的照度才能獲得較為清晰的圖像。1947年超正析像管（ImaigeOrthico），靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。1954年高靈敏視像管（Vidicon）

成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

1965年(Plumbicon)發(fā)展了彩色電視攝像機(jī)氧化鉛視像管抗強(qiáng)光的能氧化鉛視像管力低，余輝效應(yīng)影響了它的采樣速率。

1976年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管和硅靶管。

1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice,簡(jiǎn)稱CCD)的原理，使圖像傳感器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全新的階段，使圖像傳感器從真空電子束掃描方式發(fā)展成為固體自掃描輸出方式。CCD本身就能完成光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換、信息存貯和按順序輸出（稱自掃描）視頻信號(hào)的全過程。

它的自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性失真。此外，與真空攝像器件相比,CCD還有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)體積小，重量輕，功耗低；耐沖擊，可靠性高，壽命長(zhǎng)；

(2)無象元燒傷、扭曲，不受電磁場(chǎng)干擾；

(3)象元尺寸精度優(yōu)于1μm,分辨率高；

(4)基本上不保留殘象（真空攝像管有15%～20%的殘象）。

(5)視頻信號(hào)與微機(jī)接口容易。

電荷耦合器件CCD的工作原理光信息電脈沖脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱輸出脈沖的順序可以反映一個(gè)光敏元的位置完成圖像傳感電荷耦合器件CCD的結(jié)構(gòu)CCD的特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，不是以電流或電壓作為信號(hào)。

CCD線陣列CCD單元這種結(jié)構(gòu)再加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了N位CCD。CCD（ChargeCoupledDevices，電荷耦合器件）圖像傳感器主要有兩種基本類型，表面溝道CCD（簡(jiǎn)稱為SCCD）器件；體溝道或埋溝道器件（簡(jiǎn)稱為BCCD）。CCD是由金屬－氧化物－半導(dǎo)體構(gòu)成的密排器件，簡(jiǎn)稱MOS結(jié)構(gòu)，它實(shí)際就是一個(gè)MOS電容。EvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFm柵極電壓Vg=0,p型半導(dǎo)體中均勻的空穴（多數(shù)載流子）分布，半導(dǎo)體中能量線延伸到表面并與表面垂直。

柵極電壓Vg<0,電場(chǎng)排斥電子吸引空穴，使表面電子能量增大，表面處能帶向上彎曲，越接近表面空穴濃度越大，形成空穴積累層。EvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmVG<0Vg<0SiO2柵電極積累層P-SiVg=0SiO2柵電極P-Si

柵極電壓Vg>0,電場(chǎng)排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越小，形成空穴耗盡層。EvVG》0EFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmW

柵極電壓Vg》0,電場(chǎng)排斥空穴吸引電子，越接近表面空穴濃度越小，電子濃度甚至超過空穴濃度，形成反型層。EvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmVG>0WEvEFp金屬氧化物P型半導(dǎo)體ECEFmVG>0WVg》0SiO2柵電極反型層P-SiVg>0SiO2柵電極耗盡層P-Si

半導(dǎo)體表面與襯底的電壓，常稱為表面勢(shì)，（用VG表示）外加電壓越大，對(duì)應(yīng)有越大的表面電勢(shì)，能帶彎曲的越厲害，相應(yīng)的能量越低，儲(chǔ)存電子的能力越大，通常稱其為勢(shì)阱。注入電子形成電荷包表面勢(shì)與勢(shì)阱（電荷存儲(chǔ)）VG

051015伏VG空勢(shì)阱P-SiVG=12伏全滿勢(shì)阱P-SiVG=12伏填滿1/3勢(shì)阱P-Si反型層的出現(xiàn)在SiO2襯底之間建立了導(dǎo)電機(jī)構(gòu)，Vg》0SiO2柵電極反型層P-SiP型襯底n溝道Vg《0SiO2柵電極反型層n-Sin型襯底p溝道n型襯底，柵極加負(fù)電壓，反型層是正電荷，稱為p溝道。p型襯底，柵極加正電壓，反型層是負(fù)電荷，稱為n溝道，Vg=0SiO2柵電極P-SiVg>0SiO2柵電極耗盡層P-SiVg》0SiO2柵電極反型層P-SinnP-Si襯底源漏輸出柵轉(zhuǎn)移柵電極SiO2n-溝道電荷轉(zhuǎn)移和三相時(shí)鐘2伏2伏10伏VGP-SiΦ

①

③③

②2伏2伏10伏VGP-SiΦ

①

③③

②VG2伏2伏10伏P-Si2伏Φ

①

③③

②VGΦ1Φ2Φ3t2t4t1t3t5Φ1Φ2Φ3t1t3t510伏2伏2伏2伏VGP-SiΦ

①

③③

②VG2伏2伏10伏P-SiΦ

①

③③

②p襯底鋁柵多晶硅柵Φ1Φ2勢(shì)阱深度Φ1高電位Φ2低電位Φ1

Φ2同電位Φ1低電位Φ2高電位2）兩相CCD結(jié)構(gòu)和工作原理3）電荷耦合器件的性能參數(shù)電荷轉(zhuǎn)移效率電荷損失率工作頻率

電荷本身從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所需要的時(shí)間tr不能大于驅(qū)動(dòng)脈沖使其轉(zhuǎn)移的時(shí)間T/3，因此，上限頻率下限頻率決定于少數(shù)載流子壽命τ電荷負(fù)載量電極下能容納的電荷數(shù)量探測(cè)噪聲n電荷轉(zhuǎn)移次數(shù)；fc時(shí)鐘頻率①產(chǎn)生于界面態(tài)或體態(tài)與電荷包相互作用的電荷轉(zhuǎn)移起伏；②背景光輻射引起的電荷變化與暗電流噪聲；③輸出級(jí)的復(fù)位過程與輸出放大器噪聲。有轉(zhuǎn)移損失就會(huì)有附加的噪盧。通過n次電荷轉(zhuǎn)移后，電流的轉(zhuǎn)移噪聲將為

電荷耦合攝像器件就是用于攝像的CCD。它的功能是把成像在CCD的光敏面上的二維光學(xué)圖像信號(hào)，轉(zhuǎn)變成少數(shù)載流子數(shù)密度信號(hào)存儲(chǔ)于MOS電容中,再轉(zhuǎn)移到CCD的移位寄存器(轉(zhuǎn)移電極上的勢(shì)阱）中，在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下順序地移出器件，成為一維視頻信號(hào)輸出。4）電荷耦合攝像器件輸出CCD移位寄存器光敏區(qū)轉(zhuǎn)移柵CCD移位寄存器時(shí)鐘φ單溝道線型ICCD光敏區(qū)轉(zhuǎn)移柵A輸出ACCD移位寄存器ACCD移位寄存器時(shí)鐘φA輸出BCCD移位寄存器BCCD移位寄存器時(shí)鐘φB轉(zhuǎn)移柵B隔離區(qū)具有雙讀出寄存器的線陣攝像器件CCD光敏區(qū)轉(zhuǎn)移柵輸出CCD讀出移位寄存器ACCD移位寄存器時(shí)鐘φCCCD移位寄存器時(shí)鐘φA存儲(chǔ)區(qū)隔離區(qū)CCD移位寄存器時(shí)鐘φB面陣CCD三相面陣幀轉(zhuǎn)移攝像器CCD器件5）微光電荷耦合成像器件（I-CCD）

普通CCD能夠在(1.5～2.0)×l0-21x下成像，低于l0-21x成像需要采用圖像增強(qiáng)手段,這樣構(gòu)成的I-CCD,既具有CCD成像器件所具有的優(yōu)點(diǎn)．同時(shí)又能在夜天微光下工作.用像增強(qiáng)器與CCD耦合在一起．構(gòu)成圖像增強(qiáng)型I-CCD。6）電子轟擊型(EB-CCD)

入射光子在光電陰極上轉(zhuǎn)化為光電子，光電子被加速并聚焦在CCD芯片上，光電子穿過器件正面覆蓋層，在CCD上產(chǎn)生電荷包，一個(gè)光電子－－２０００－３０００個(gè)電子，高靈敏度，但高速電子轟擊產(chǎn)生損傷，工作壽命短CCD光電陰極光學(xué)纖維板1.0~15kv-+CCD光電陰極光學(xué)纖維板1.0~15kv-+CCD光陰極光學(xué)纖維板＋－1.0～15kvCCD光陰極光學(xué)纖維板＋－1.0～15kvCCD光電陰極光學(xué)纖維板螺線管或永久磁鐵1～1.5kVCCD光電陰極光學(xué)纖維板螺線管或永久磁鐵1～15kVCCD光電陰極光學(xué)纖維板螺線管或永久磁鐵1～1.5kVCCD光電陰極光學(xué)纖維板螺線管或永久磁鐵1～15kVCCD光電陰極光學(xué)纖維板螺線管或永久磁鐵1～1.5kVCCD光電陰極光學(xué)纖維板螺線管或永久磁鐵1～15kV靜電聚焦型EB-CCD磁聚焦型EB-CCD近貼型型EB-CCD。7）單光子陣列成像EMCCDEMCCD(Electron-Multiplying,CCD)技術(shù)，有時(shí)也被稱作“片上增益”技術(shù),它與普通的科學(xué)級(jí)CCD探測(cè)器的主要區(qū)別在于其讀出（轉(zhuǎn)移）寄存器后又接續(xù)有一串“增益寄存器”增益寄存器中有兩個(gè)電極，電極2提供時(shí)鐘脈沖，電極1被加以電壓比轉(zhuǎn)移電荷所需要的電壓高很多（約40～60V）。在電極1與電極2間產(chǎn)生的電場(chǎng)其強(qiáng)度足以使電子在轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生“撞擊離子化”效應(yīng)，從而產(chǎn)生了新的電子，即所謂的倍增或者說是增益；如此過程重復(fù)相當(dāng)多次（如陸續(xù)經(jīng)過幾千個(gè)增益寄存器的轉(zhuǎn)移），可達(dá)1000倍以上。8）紅外電荷耦合器件(IR-CCD)--紅外焦平面凝視列陣

普通的Si-CCD不能直接用于紅外條件下的凝視模式工作。背景積累會(huì)使器件過載。單片式IR-CCD混合式IR-CCD1、單片式(IR-CCD)單片式又稱整體式，即整個(gè)IR-CCD做在一塊芯片上。它具體又可分為兩種情況，一種是CCD本身就對(duì)紅外敏感。另一種是把紅外探測(cè)器做在同一基底上．基底通常用硅，而探測(cè)器部分常用本征窄帶或非本征材料，

采用MI

S(即金屬—絕緣物—半導(dǎo)體)器件工藝，由此制成本征窄帶半導(dǎo)體IR-CCD及非本征IR-CCD。

非本征半導(dǎo)體IR-CCD是單片式IR-CCD的另一種形式。它利用非本征材料作探測(cè)器，然后轉(zhuǎn)移送給同一芯片上的CCD。2、混合式IR-CCD

混合式IR-CCD結(jié)構(gòu)的根本特點(diǎn)是把探測(cè)器和CCD移位寄存器分開。CCD仍用普通硅制版．工藝已相對(duì)成熱。對(duì)幾個(gè)重要的紅外波段，則采用性能優(yōu)良的本征紅外探測(cè)器。

CCD的現(xiàn)狀

第一、特殊CCD傳感器，如紅外CCD芯片（紅外焦平面陣列器件）、高靈敏度背照式BCCD和電子轟擊式EBCCD等，另外還有大靶面如2048×2048、4096×4096可見光CCD傳感器、寬光譜范圍（紫外光→可見光→近紅外光→3-5μm中紅外光→8-14um遠(yuǎn)紅外光)焦平面陣列傳感器等。

第二、通用型或消費(fèi)型CCD傳感器在許多方面都有較大地進(jìn)展，如CMOS型攝像頭?？偟姆较蚴翘岣逤CD攝像機(jī)的綜合性能。

第三、其他固態(tài)攝像器件

（1）電荷注入器件(CID)

CID的基本結(jié)構(gòu)與CCD相似，也是—種MOS列陣。CID與CCD的主要區(qū)別在于讀出過程：在CCD中，信號(hào)電荷必須經(jīng)過轉(zhuǎn)移才能讀出。在CID中，信號(hào)電荷不用轉(zhuǎn)移，是直接注入體內(nèi)形成電流來讀出的。整個(gè)列陣的信號(hào)讀出是通過一種叫做“尋址讀出”方式進(jìn)行的，每一次只選中一個(gè)光敏單元。例如，當(dāng)水平移位寄存器電壓脈沖出現(xiàn)在第m位，垂直移位寄存器電壓脈沖出現(xiàn)在第n位時(shí)，所選中的光敏元位置為(m，n)。（２）

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路）基本單元電路反相器由N溝道和P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（P溝道金屬-氧化物-半導(dǎo)體集成電路和N溝道金屬-氧化物-半導(dǎo)體集成電路）構(gòu)成，以推挽形式工作,能實(shí)現(xiàn)一定邏輯功能的集成電路,簡(jiǎn)稱CMOS。CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路）影像傳感器（

ComplementaryMetalOxideSemiconductor）CMOS像傳感器按信號(hào)讀出方法，可分為：

①無源像素圖像傳感器(PPS)；光敏單元驅(qū)動(dòng)能力弱，且固定結(jié)構(gòu)噪聲FPN較大。②有源像素圖像傳感器(APS)，性能優(yōu)良

CMOS最明顯的優(yōu)勢(shì)是集成度高、功耗小、生產(chǎn)成本低、容易與其他芯片整合。CMOS像感器的芯片上可以很容易集成各種數(shù)字電路。從而可構(gòu)成單片視頻攝像機(jī)。CMOS像傳感器的光譜響應(yīng)寬于CCD像傳感器，在紅外成像領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景集成度高、功耗小、生產(chǎn)成本低、容易與其他芯片整合。光譜響應(yīng)寬，圖像響應(yīng)均勻性較差，具有較高的暗電流，信號(hào)讀出速率高，1000M像素?cái)?shù)/s.

CMOS圖像傳感器及其工作原理

CCD圖像傳感器及其工作原理

傳感器靈敏度較CMOS圖像傳感器高30~50%

，動(dòng)態(tài)范圍約較CMOS的高2倍，圖像響應(yīng)均勻性好，具有優(yōu)良的電子快門功能，信號(hào)讀出速率較低：70M像素?cái)?shù)/s.

CCD與CMOS圖像傳感器的特性比較①靈敏度CCD圖像傳感器靈敏度較CMOS圖像傳感器高30~50%。②電子電壓轉(zhuǎn)換率CMOS圖像傳感器在像元中采用高增益低功耗互補(bǔ)放大器結(jié)構(gòu)，其電壓轉(zhuǎn)換率略優(yōu)于CCD圖像傳感器。③動(dòng)態(tài)范圍表示器件的飽和信號(hào)電壓與最低信號(hào)閾值電壓的比值。CCD動(dòng)態(tài)范圍約較CMOS的高2倍。

④響應(yīng)均勻性CMOS圖像傳感器由于每個(gè)像元中均有開環(huán)放大器，器件加工工藝的微小變化導(dǎo)致放大器的偏置及增益產(chǎn)生可觀的差異，

CMOS圖像傳感器的響應(yīng)均勻性較CCD有較大差距⑤暗電流CMOS圖像傳感器具有較高的暗電流，

暗電流密度為1nA/cm2量級(jí)⑥電子快門CCD像感器特別是內(nèi)線轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)像感器具有優(yōu)良的電子快門功能

⑦速度信號(hào)讀出速率CCD:70Mpixels/s.CMOS:1000Mpixels/s.⑧偏置、功耗與可靠性

CMOS圖像傳感器通常在單一的較低外接信號(hào)偏置電壓與時(shí)鐘電平下工作,CCD像感器需要幾組較高的偏置電壓才能工作，輸出放大器偏壓仍較高⑨抗暈?zāi)芰MOS的像元結(jié)構(gòu)具有自然的抗暈?zāi)芰?/p>

⑩窗口

CMOS由于采用XY尋址方式，具有讀出任意局部畫面的能力，CCD的順序讀出信號(hào)結(jié)構(gòu)決定它的畫面開窗口的能力受到限制。

（３）電荷耦合光電二極管器件（CCPD）MOS結(jié)構(gòu)的CCD光敏元有兩個(gè)缺點(diǎn):①由于光柵－多晶硅薄膜對(duì)光子有一定吸收;②MOS電容的多層介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，將使入射光在通過這些多層介質(zhì)膜時(shí)，發(fā)生干涉，使光譜響應(yīng)出現(xiàn)許多峰－谷。為克服這些缺點(diǎn)，用光電二極管代替CCD的MOS型光敏元結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成了CCPD。

MOS型光敏元結(jié)構(gòu)

光電二極管光敏元結(jié)構(gòu)

光敏元結(jié)構(gòu)中省略了光柵，故光譜響應(yīng)和響應(yīng)度都比CCD好。10）多陽(yáng)極微通道陣列(MAMA)探測(cè)器

電子解碼器電子解碼器存儲(chǔ)、定時(shí)、控制存儲(chǔ)器電荷放大器陽(yáng)極陣列MCP光電陰極光子可同時(shí)收集多個(gè)光電子信息、具有地址編碼功能的高密度陽(yáng)極陣列1．轉(zhuǎn)換系數(shù)(增益)L：光電成像器件在法線方向輸出的亮度E：輸入光電成像器件的輻照度2.光電靈敏度（響應(yīng)度）二、光電成像器件的特性3．時(shí)間響應(yīng)特性光電成像器件的惰性來源于光電導(dǎo)效應(yīng)的滯后和電容效應(yīng)的滯后。在提取動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，攝像管的光電流輸出滯后于輸入的光信號(hào)輻射，攝像管的惰性4圖像信號(hào)的概念。

圖像信噪比兩個(gè)相鄰的像元，具有不同的輻射亮度。令兩個(gè)像元的輻射量子數(shù)分別為n1和n2。兩個(gè)像元的差異就代表了圖像細(xì)節(jié)的信號(hào)。圖像信號(hào)為根據(jù)統(tǒng)計(jì)光學(xué)理論，弱光滿足泊松分布，其均方根方差等于均值，所以有圖像噪聲5圖像噪聲。

6圖像分辨力分辨力是以人眼做為接收器，所判定的極限分辨能力。通常用光電成像在一定距離內(nèi)能分辨的等寬黑白條紋數(shù)來表示。

直視型光電成像器件：取輸入像面上每毫米所能分辨的等寬黑白條紋數(shù)表示分辨力。記為：lp·mm-1

非直視型光電成像器件：取掃描線方向，圖像范圍內(nèi)所能分辨的等寬黑白條紋數(shù)表示分辨力。簡(jiǎn)稱為電視線。（水平分辨力為466線，垂直分辨力為400線.

）

把各種不可見圖像(包括紅外圖像，紫外圖像及射線圖像)轉(zhuǎn)換成可見圖像的器件稱為變像管。把強(qiáng)度低于視覺閾值的圖像增強(qiáng)到可以觀察程度的器件稱為像增強(qiáng)管。變像管與像增強(qiáng)管統(tǒng)稱為像管，三非掃描型像管1）變像管光電陰極(光敏面)、電子光學(xué)系統(tǒng)、熒光屏高真空管殼組成。工作過程：輻射圖像形成在光電陰極上，光電陰極上各點(diǎn)產(chǎn)生正比與入射輻射的電子發(fā)射，形成電子圖像電子光學(xué)系統(tǒng)將電子像傳遞到熒光屏上，在傳遞過程中將電子像放大熒光屏受電子轟擊發(fā)光，形成可見光圖像，完成光電轉(zhuǎn)換對(duì)光電陰極要求是：具有很高的光譜響應(yīng)靈敏度，熱發(fā)射電流小，均勻性好。像管的光電陰極S-25(Sb-Na-K-Cs)S-20(Sb-K-Na-Cs)GaAs變像管的電子光學(xué)系統(tǒng)變像管的熒光屏像管對(duì)熒光屏的主要要求是：適合人眼觀察的發(fā)光光譜；足夠高的發(fā)光亮度；高分辨力和好的傳輸函數(shù)；合適的余輝時(shí)間；良好的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

(Zn．Cd)S·Ag熒光粉，其發(fā)光顏色為黃綠色，峰值波長(zhǎng)0.560μm，10％余輝時(shí)間0.05—2ms。

像管的熒光屏是由熒光物質(zhì)(粉粒)刷涂在基底上制成。它是像管中完成電光轉(zhuǎn)換的部件。2）像增強(qiáng)器

通常將增強(qiáng)器管(增像管)與高壓電源經(jīng)灌封工藝組裝成整體的組件，稱為微光像增強(qiáng)器，裸管為增像管或單管。微光像增強(qiáng)器的組成及工作原理輸入圖像輸出圖像光電陰極熒光屏輸入光纖板輸出光纖板加速電極聚焦電極電子軌跡像增強(qiáng)器基本結(jié)構(gòu)類似于變像管：光電陰極，電子光學(xué)系統(tǒng)，電子倍增器，熒光屏對(duì)光電陰極要求是：具有很高的光譜響應(yīng)靈敏度，熱發(fā)射電流小，切均勻性好。一種典型的銻鉀鈉銫多堿陰極，編號(hào)為s－20。像管的光電陰極s－25（銻鈉鉀銫）光電陰極的光譜響應(yīng)向紅外有所延伸，用于第一代和第二代增像管。第三代像增強(qiáng)器是在二代近貼管的基礎(chǔ)上，將s－25陰極置換為砷化鎵負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極(GaAsNEA)。其靈敏度幾乎是二代光電陰極的3—4倍。三種光電陰極的光譜響應(yīng)效率曲線S-25(Sb-Na-K-Cs)S-20(Sb-K-Na-Cs)GaAs一代管單管結(jié)構(gòu)第一代三級(jí)級(jí)聯(lián)象增強(qiáng)管微通道式像增強(qiáng)管（二代管）靜電聚焦微通道像增強(qiáng)管。光陰極微通道板熒光屏近貼式第二代像管結(jié)構(gòu)二代近貼管光陰極MCP熒光屏光纖扭曲器光纖面板微光像增強(qiáng)器的性能參數(shù)

有效光電陰極直徑在像管輸入端上與光電軸同心、能完全成像于熒光屏上的最大圓直徑。光通量增益G。用色溫為2856K土50K的鎢絲白熾燈照射像管的光電陰極，熒光屏輸出的光通量Φ出與輸入到光電陰極的光通量Φ入之比為光通量增益，即：

有效熒光屏直徑在像管輸出端上與光電軸同心，并與有效光電陰極直徑成物像關(guān)系的圓直徑。光亮度增益GL熒光屏的法向輸出光亮度L出與光電陰極輸入光照度Eλ之比即為光亮度增益，即：暗背景光亮度光電陰極無光照時(shí)，處于工作狀態(tài)的像管熒光屏上的輸出光亮度稱為暗背景光亮度。[Cdm-2Lx-1]放大率熒光屏上輸出像的幾何大小與光電陰極上輸入像的幾何大小之比。分辨力像管分辨相鄰兩個(gè)物點(diǎn)或像點(diǎn)的能力。畸變距離光電軸中心不同位置處各點(diǎn)放大率不同的表征。以該點(diǎn)處的放大率與中心放大率的差除以中心放大率表示W(wǎng)JII型頭盔式微光夜視儀四掃描型攝像管

能夠輸出視頻信號(hào)的一類真空光電管稱為攝象管。將二維空間分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為一維時(shí)序電信號(hào)光電發(fā)射式攝象管光電導(dǎo)式攝象管R靶電子束電子槍R光電陰極靶電子束電子槍移像區(qū)光電發(fā)射式攝象管光電導(dǎo)式攝象管R靶電子束電子槍R光電陰極靶電子束電子槍移像區(qū)光電攝像器件的工作過程：1、光電轉(zhuǎn)換：光學(xué)圖像投射到器件光敏面上，以象素為單元分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，形成電量的潛像。2、光電信號(hào)的存儲(chǔ)：每個(gè)象素在掃描周期內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)換的電量進(jìn)行存儲(chǔ)。3、掃描：掃描線按一定軌跡逐點(diǎn)采集轉(zhuǎn)換后的電量，形成輸出信號(hào)。RLC防反射膜信號(hào)板光導(dǎo)靶1）光導(dǎo)靶

由光窗、信號(hào)板和靶組成。靶面的軸向電阻小，橫向電阻大，有利于保持光電轉(zhuǎn)換形成電量的潛象，并在掃描周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)積分存儲(chǔ)。視象管的基本結(jié)構(gòu)：光導(dǎo)靶和電子槍。一）光電導(dǎo)式攝象管（視象管）RLC防反射膜信號(hào)板光導(dǎo)靶聚焦線圈偏轉(zhuǎn)線圈校正線圈聚焦電極加速電極K聚焦線圈校正線圈偏轉(zhuǎn)線圈G2）電子槍

電子槍的作用是產(chǎn)生熱電子，并使它聚焦成很細(xì)的電子射線，按著一定的軌跡掃描靶面。逐點(diǎn)地采集這些轉(zhuǎn)換后的電量形成串行輸出信號(hào)。3）視頻信號(hào)的形成

—幀圖像可分成四十多萬個(gè)像元。每個(gè)像元可用一個(gè)電阻和電容c來等效。

電容c起存儲(chǔ)信息的作用，電阻R隨著光照度的增大而變小，無光照時(shí)R為暗電阻R0、光照后變?yōu)镽c(E)，是與照度有關(guān)的變量。視頻信號(hào)RLCLEK每個(gè)象元（象素）有序的轉(zhuǎn)化為視頻電信號(hào)（1）硅靶攝象管硅靶是貼在信號(hào)板上的一塊硅片，朝著電子槍一面生成幾十萬個(gè)相互隔離的PN結(jié)(光電二極管)。硅靶窗口玻璃內(nèi)表面涂有一層很薄的金屬膜，有引線同負(fù)載相連，稱為信號(hào)板。玻璃面板信號(hào)板電阻海R