1、第第6 6章章 光電成像器件概述光電成像器件概述 v掌握內容掌握內容掌握光電成像器件的基本分類，工作原理及特性參數掌握光電成像器件的基本分類，工作原理及特性參數掌握電荷耦合器件（掌握電荷耦合器件（CCDCCD）的工作原理，主要性能及）的工作原理，主要性能及使用要點使用要點v理解內容理解內容自掃描光電二極管陣列的工作原理，主要性能及使用自掃描光電二極管陣列的工作原理，主要性能及使用要點要點v了解內容了解內容了解真空攝像管的基本工作原理和特性了解真空攝像管的基本工作原理和特性第第6 6章章 主要內容主要內容6.16.1光電成像器件概述光電成像器件概述6.26.2真空攝像管真空攝像管6.36.3電荷

2、耦合器件電荷耦合器件6.46.4自掃描光電二極管陣列自掃描光電二極管陣列 光電成像器件是指能輸出圖像信息的一類器件，光電成像器件是指能輸出圖像信息的一類器件，它包括真空成像器件和固體成像器件兩大類。它包括真空成像器件和固體成像器件兩大類。 真空成像器件根據管內有無掃描機構粗略地分為真空成像器件根據管內有無掃描機構粗略地分為像管和攝像管，像管的主要功能是能把不可見光（紅像管和攝像管，像管的主要功能是能把不可見光（紅外或紫外）圖像或微弱光圖像通過電子光學透鏡直接外或紫外）圖像或微弱光圖像通過電子光學透鏡直接轉換成可見光圖像，如變像管、像增強器、轉換成可見光圖像，如變像管、像增強器、X X射線像射線

3、像增強器等。攝像管是一種把可見光或不可見光（紅外、增強器等。攝像管是一種把可見光或不可見光（紅外、紫外或紫外或X X射線等）圖像通過電子束掃描后轉換成相應射線等）圖像通過電子束掃描后轉換成相應的電信號，通過顯示器件再成像的光電成像器件。的電信號，通過顯示器件再成像的光電成像器件。 固體成像器件不象真空攝像器件那樣需用電子束固體成像器件不象真空攝像器件那樣需用電子束在高真空度的管內進行掃描，只要通過某些特殊結構在高真空度的管內進行掃描，只要通過某些特殊結構或電路（即自掃描形式）讀出電信號，然后通過顯示或電路（即自掃描形式）讀出電信號，然后通過顯示器件再成像。器件再成像。第第6 6章章 光電成像器

4、件光電成像器件光電發射式攝像管光電型真空電子束掃描型光電導式攝像管光熱型:熱釋電攝像管掃描型電荷耦合器件（CCD）固體自掃描型 自掃描光電二極管陣列（SSPD）電荷注入器件（CID）光電成像器件紅外變像管變像管 紫外變像管X射線變像管非掃描型串聯式像增強管級聯式像增強管像增強管微通道板式像增強管負電子親和勢陰極像增強管6.1 6.1 光電成像器件概述光電成像器件概述光電成像器件的類型光電成像器件的類型光電成像器件概述光電成像器件概述圖圖6-2 6-2 光導電視攝像管光導電視攝像管 圖圖6-3 6-3 圖像各部分順序傳送過程圖像各部分順序傳送過程 成像原理成像原理光電成像器件概述光電成像器件概述

5、 光譜響應取決于光電轉換材料的光譜響應，光譜響應取決于光電轉換材料的光譜響應，其短波限有時受窗口材料的吸收特性影響。其短波限有時受窗口材料的吸收特性影響。 光譜響應光譜響應光電成像器件的基本特性光電成像器件的基本特性 轉換特性通常被定義為光電成像器件的輸出轉換特性通常被定義為光電成像器件的輸出物理量與對應物理量的比值關系。轉換特性物理量與對應物理量的比值關系。轉換特性的參量有靈敏度（或響應度）、轉換系數及的參量有靈敏度（或響應度）、轉換系數及亮度增益等。亮度增益等。 轉換特性轉換特性光電成像器件的基本特性光電成像器件的基本特性 分辨率是用來表示能夠分辨圖像中明暗細節分辨率是用來表示能夠分辨圖像

6、中明暗細節的能力。分辨率常用二種方式來描述：一種的能力。分辨率常用二種方式來描述：一種 為極限分辨率；另一種為調制傳遞函數。分為極限分辨率；另一種為調制傳遞函數。分辨率有時也稱為鑒別率或解像力等。辨率有時也稱為鑒別率或解像力等。 分辨率分辨率光電成像器件的基本特性光電成像器件的基本特性 真空攝像管的種類很多。按其光敏真空攝像管的種類很多。按其光敏面光電材料的光電效應來分，可分為外面光電材料的光電效應來分，可分為外光電效應與內光電效應兩大類。光電效應與內光電效應兩大類。 6.2 6.2 真空攝像管真空攝像管基本原理基本原理真空攝像管真空攝像管性能參數性能參數真空攝像管真空攝像管攝像管的光電轉換特

7、性攝像管的光電轉換特性光譜響應光譜響應時間響應特性時間響應特性 輸出信噪比輸出信噪比 動態范圍動態范圍 圖像傳遞特性圖像傳遞特性 光導攝像管出現于光導攝像管出現于2020世紀世紀6060年代年代, ,以后性能得到以后性能得到很大改善很大改善, ,廣泛應用于電視攝像等方面。作為攝像裝廣泛應用于電視攝像等方面。作為攝像裝置置, ,必須有三個功能必須有三個功能: :把圖像的像素圖轉換為相應電荷把圖像的像素圖轉換為相應電荷圖的功能，把電荷圖暫存器起來的功能和把各個像素圖的功能，把電荷圖暫存器起來的功能和把各個像素依次讀出的功能。光導攝像管就具備這三個功能。依次讀出的功能。光導攝像管就具備這三個功能。光

8、導攝像管光導攝像管真空攝像管真空攝像管圖圖1 1 光導攝像管的結構和等效電路光導攝像管的結構和等效電路 透明導電膜電極半導體電子射束電子透鏡電子槍偏轉線圈RLU電源RCUL輸出電壓入射光(a)(b)電子射束 在真空管的前屏幕上設置有光電導膜和透明導電在真空管的前屏幕上設置有光電導膜和透明導電膜的陣列小單元。由電子槍射出的電子經電子透鏡聚膜的陣列小單元。由電子槍射出的電子經電子透鏡聚焦成電子束射向光電導膜。通過電子束掃描焦成電子束射向光電導膜。通過電子束掃描, ,讀取儲存讀取儲存在光導電子靶面上的由于入射光的激勵所產生的電子在光導電子靶面上的由于入射光的激勵所產生的電子圖像。圖像。(1)光導攝像

9、管的結構光導攝像管的結構真空攝像管真空攝像管 圖圖1(b)1(b)示出了原理性的等效電路。示出了原理性的等效電路。R R與與C C并聯電路代表光并聯電路代表光電導膜的像素小單元電導膜的像素小單元, ,并假定為射束的撞擊面積。工作時并假定為射束的撞擊面積。工作時, ,用電用電子束逐點掃描像素小單元子束逐點掃描像素小單元, ,把各小單元均充至電源電壓把各小單元均充至電源電壓V,V,然后然后中斷。在光的照射下中斷。在光的照射下, ,由于光電導效應由于光電導效應,R,R會變小會變小,C,C則會放電則會放電, ,電電壓降低。壓降低。 電壓降低的多少與光強成比例電壓降低的多少與光強成比例,實現把圖像的像素

10、圖轉換實現把圖像的像素圖轉換為相應的電荷圖為相應的電荷圖,并把電荷圖暫存起來。當用電子束再次逐點并把電荷圖暫存起來。當用電子束再次逐點掃描時掃描時,如圖如圖1(b)所示形成閉合電路所示形成閉合電路,(電子束電子束)所放出的電荷量使所放出的電荷量使C充電。充電電流大小與小單元電壓降低的程度成正比。充電充電。充電電流大小與小單元電壓降低的程度成正比。充電電流流過負載電阻電流流過負載電阻RL,從而輸出與強弱程度不同的光成正比的從而輸出與強弱程度不同的光成正比的電壓信號。根據這樣的工作原理來掃描二維的光電膜表面電壓信號。根據這樣的工作原理來掃描二維的光電膜表面,就就可獲得二維圖像信號可獲得二維圖像信號

11、,完成各個像素信號的依次讀出。電子束完成各個像素信號的依次讀出。電子束的偏轉有電磁方式和靜電方式兩種。為使電子加速必須外加的偏轉有電磁方式和靜電方式兩種。為使電子加速必須外加300600V的電壓。的電壓。真空攝像管真空攝像管硅靶結構與工作原理硅靶結構與工作原理真空攝像管真空攝像管(2)硅靶視像管硅靶視像管 由于硅靶的量子效率高，在由于硅靶的量子效率高，在0.350.351.11.1 m m的光譜的光譜范圍內能有效地工作，因此它是光譜響應最寬的一范圍內能有效地工作，因此它是光譜響應最寬的一種視像管，可用于近紅外電視種視像管，可用于近紅外電視光電發射式攝像管光電發射式攝像管SITSIT管結構原理示

12、意圖管結構原理示意圖 光電發射式攝像管在結構光電發射式攝像管在結構上和工作原理上與視像管都不上和工作原理上與視像管都不相同，它帶有移像部分，將光相同，它帶有移像部分，將光電轉換和信號存儲分開。圖像電轉換和信號存儲分開。圖像的光電轉換由光電陰極完成，的光電轉換由光電陰極完成，存儲靶進行光電信號的存儲，存儲靶進行光電信號的存儲，通過電子束掃描拾取信號。通過電子束掃描拾取信號。 增強硅靶攝像管簡稱增強硅靶攝像管簡稱“SIT”(Silicon SIT”(Silicon Intensifled Target)Intensifled Target)管，它管，它是在硅靶視像管的基礎上發明是在硅靶視像管的基礎

13、上發明的。的。 真空攝像管真空攝像管 電荷耦合器件電荷耦合器件(Charge Coupled Devices,(Charge Coupled Devices,簡稱簡稱CCD)CCD)是貝爾實驗室的是貝爾實驗室的W.S.BoyleW.S.Boyle和和G.E.SmithG.E.Smith于于19701970年發明的年發明的, ,由于它有光電轉換、由于它有光電轉換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能, ,且集成度高、功耗低且集成度高、功耗低, ,因此隨后得到飛速發展因此隨后得到飛速發展, ,是圖像采集及數字化處理必不可少的關鍵器件是圖像采集及數字化處理

14、必不可少的關鍵器件, ,廣泛應用于科學、教育、醫學、商業、工業、廣泛應用于科學、教育、醫學、商業、工業、軍事和消費領域。軍事和消費領域。6.3 6.3 電荷耦合器件電荷耦合器件 CCDCCD以電荷作為信號。以電荷作為信號。CCDCCD的工作過程的主的工作過程的主要問題是信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測。要問題是信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測。電荷耦合器件電荷耦合器件工作原理工作原理 CCD是按一定規律排列的是按一定規律排列的MOS（金屬（金屬氧化氧化物物半導體）電容器組成的陣列。在半導體）電容器組成的陣列。在P型或型或N型硅襯型硅襯底上生長一層很薄（約底上生長一層很薄（約1200）的二氧化硅

15、）的二氧化硅,再在二再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極）（柵極）,形成規則的形成規則的MOS電容器陣列，再加上兩電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構成了端的輸入及輸出二極管就構成了CCD芯片。芯片。 （1）電荷存儲）電荷存儲CCDCCD的基本結構是的基本結構是MOSMOS結構，它是一種工作在非穩態的器件。以結構，它是一種工作在非穩態的器件。以P P型襯底型襯底MOSMOS結構為例，結構為例，若在柵極上加正電壓若在柵極上加正電壓,襯底接地襯底接地,則帶正電則帶正電的空穴被排斥離開的空穴被排斥離開Si-SiO2界面界面,帶負電的

16、電子被吸引到緊靠帶負電的電子被吸引到緊靠Si-SiO2界面。當電壓高到一定值界面。當電壓高到一定值,形成對電子而言的所謂勢阱形成對電子而言的所謂勢阱,電子電子一旦進入就不能復出。電壓愈高一旦進入就不能復出。電壓愈高,產生的勢阱愈深。可見產生的勢阱愈深。可見MOS電電容器具有存儲電荷的功能。容器具有存儲電荷的功能。工作原理工作原理電荷耦合器件電荷耦合器件（2）電荷耦合）電荷耦合 三相電荷的轉移過程三相電荷的轉移過程工作原理工作原理電荷耦合器件電荷耦合器件 轉移柵實行轉移的轉移柵實行轉移的工作原理是工作原理是,t,t1 1時刻時刻1 1是高電平是高電平, ,于是在電極于是在電極下形成勢阱下形成勢阱

17、, ,并將少并將少數載流子數載流子( (電子電子) )吸引至吸引至聚集在聚集在Si-SiOSi-SiO2 2界面處界面處, ,而電極而電極、卻因為加卻因為加的是低電平的是低電平, ,形象地稱形象地稱為壘起阱壁。如圖（為壘起阱壁。如圖（a a）（2）電荷耦合）電荷耦合工作原理工作原理電荷耦合器件電荷耦合器件 t t2 2時刻時刻,1 1的高電平有的高電平有所下降所下降,2 2變為高電平變為高電平, ,而而3 3仍是低電平。這樣在電極仍是低電平。這樣在電極下面勢阱最深下面勢阱最深, ,且和電極且和電極1 1下面勢阱交迭下面勢阱交迭, ,因此儲存在電因此儲存在電極極下面勢阱中的電荷逐漸下面勢阱中的電

18、荷逐漸擴散漂移到電極擴散漂移到電極下的勢阱下的勢阱區。由于電極區。由于電極上的高電平上的高電平無變化無變化, ,所以仍高筑勢壘所以仍高筑勢壘, ,勢勢阱里的電荷不能往電極阱里的電荷不能往電極下下擴散和漂移。如圖（擴散和漂移。如圖（b b）（）（c c）(d)(d)所示。所示。（2）電荷耦合）電荷耦合工作原理工作原理電荷耦合器件電荷耦合器件 t t3 3時刻時刻,1 1變為低電變為低電平平,2 2為高電平為高電平, ,這樣電極這樣電極下面的勢阱完全被撤除而下面的勢阱完全被撤除而成為阱壁成為阱壁, ,電荷轉移到電極電荷轉移到電極下的勢阱內。由于電極下的勢阱內。由于電極下仍是阱壁下仍是阱壁, ,所以

19、不能繼續所以不能繼續前進前進, ,這樣便完成了電荷由這樣便完成了電荷由電極電極1 1下轉移到電極下轉移到電極2 2下的一下的一次轉移次轉移, ,如圖如圖(e)(e)所示。所示。 （2）電荷耦合）電荷耦合工作原理工作原理電荷耦合器件電荷耦合器件 圖圖2 2中所示為中所示為6464位位CCDCCD結構。每個光敏元（像素）結構。每個光敏元（像素）對應有三個相鄰的轉移柵電極對應有三個相鄰的轉移柵電極1 1、2 2、3,3,所有電極彼所有電極彼此間離得足夠近此間離得足夠近, ,以保證使硅表面的耗盡區和電荷的以保證使硅表面的耗盡區和電荷的勢阱耦合及電荷轉移。所有的勢阱耦合及電荷轉移。所有的1 1電極相連并

20、施加時鐘電極相連并施加時鐘脈沖脈沖1 1, ,所有的所有的2 2、3 3也是如此也是如此, ,并施加時鐘脈沖并施加時鐘脈沖2 2、3 3。這三個時鐘脈沖在時序上相互交迭。這三個時鐘脈沖在時序上相互交迭, ,如圖如圖3 3所示。所示。12313123123123N12N626364P型襯底輸入Gi123Go2SiO2輸出 圖圖2 CCD2 CCD芯片的構造芯片的構造 （2）電荷耦合（圖示電荷耦合過程）電荷耦合（圖示電荷耦合過程）電荷耦合器件電荷耦合器件圖圖3 3 三個時鐘脈沖的時序三個時鐘脈沖的時序123t1t2t3t4t5電荷耦合器件電荷耦合器件圖圖4 4 完成一次轉移的過程完成一次轉移的過程

21、 123123123123t1t2t3t4t5電荷耦合器件電荷耦合器件 CCDCCD也可在輸入端用電形式輸入被轉移的也可在輸入端用電形式輸入被轉移的電荷電荷, ,或用以補償器件在轉移過程中的電荷損或用以補償器件在轉移過程中的電荷損失失, ,從而提高轉移效率。電荷輸入的多少從而提高轉移效率。電荷輸入的多少, ,可可用改變二極管偏置電壓用改變二極管偏置電壓, ,即改變即改變G Gi i來控制。來控制。 CCDCCD輸出經由輸出二極管。輸出二極管加反向輸出經由輸出二極管。輸出二極管加反向偏壓的大小由輸出柵控制電壓偏壓的大小由輸出柵控制電壓G G0 0來控制。來控制。電荷耦合器件電荷耦合器件CCDCC

22、D的輸入實際上是對光信號或電信號進行電荷取樣，并的輸入實際上是對光信號或電信號進行電荷取樣，并把取樣的電荷存儲于把取樣的電荷存儲于CCDCCD的勢阱中，然后在時鐘脈沖的作用下，的勢阱中，然后在時鐘脈沖的作用下， 把這些電荷轉移到把這些電荷轉移到CCDCCD的輸出端。信號的輸入有光注入和電注的輸出端。信號的輸入有光注入和電注入兩種方式。入兩種方式。CCDCCD作攝像光敏器件時，其信號電荷由光注入產作攝像光敏器件時，其信號電荷由光注入產生。器件受光照射時，光被半導體吸收，產生電子生。器件受光照射時，光被半導體吸收，產生電子- -空穴對，空穴對， 這時少數載流子被收集到較深的勢阱中。光照愈強，產生的

23、電這時少數載流子被收集到較深的勢阱中。光照愈強，產生的電子子- -空穴對愈多，勢阱中收集的電子也愈多，反之亦然。就是空穴對愈多，勢阱中收集的電子也愈多，反之亦然。就是說，勢阱中收集的電子電荷的多少反映了光的強弱，從而可以說，勢阱中收集的電子電荷的多少反映了光的強弱，從而可以反映圖像的明暗程度，這樣就實現了光信號與電信號之間的轉反映圖像的明暗程度，這樣就實現了光信號與電信號之間的轉換。換。 （3）電荷的注入和檢測（輸入和輸出）電荷的注入和檢測（輸入和輸出）電荷耦合器件電荷耦合器件00ATnqQeIP0en光注入電荷光注入電荷Q QIPIP為為為材料的量子效率；為材料的量子效率；q q為電子電為電

24、子電荷量；荷量； 為入射光的光子流速為入射光的光子流速率；率；A為光敏單元的受光面積；為光敏單元的受光面積；T0為光注入時間。為光注入時間。電荷的注入（電荷的注入（光注入）光注入）光照射到光敏元上光照射到光敏元上,會產生電子會產生電子-空穴對（光生電荷）空穴對（光生電荷）,電子被吸引電子被吸引存儲在勢阱中。入射光強則光生電荷多存儲在勢阱中。入射光強則光生電荷多,弱則光生電荷少弱則光生電荷少,無光照無光照的光敏元則無光生電荷。這樣就在轉移柵實行轉移前的光敏元則無光生電荷。這樣就在轉移柵實行轉移前,把光的強弱把光的強弱變成與其成比例的電荷的數量變成與其成比例的電荷的數量,實現了光電轉換。若停止光照

25、實現了光電轉換。若停止光照,電電荷在一定時間內也不會損失荷在一定時間內也不會損失,可實現對光照的記憶。可實現對光照的記憶。電荷耦合器件電荷耦合器件電荷的檢測（輸出方式）電荷的檢測（輸出方式） 電流輸出電流輸出 浮置擴散放大器輸出浮置擴散放大器輸出 浮置柵放大器輸出浮置柵放大器輸出電荷耦合器件電荷耦合器件 設原有的信號電荷量為設原有的信號電荷量為Q Q0 0，轉移到下一個，轉移到下一個電極下的信號電荷量為電極下的信號電荷量為Q Q1 1，其比值，其比值 (6-21)(6-21) 稱為轉移效率。稱為轉移效率。 沒有被轉移的電荷量設為沒有被轉移的電荷量設為 ，則與原信，則與原信號電荷號電荷Q Q0

26、0之比之比 (6-22) (6-22) 稱為轉移損失率。稱為轉移損失率。特性參數特性參數（1 1）轉移效率）轉移效率，轉移損失率，轉移損失率%10001QQ%1000QQQ電荷耦合器件電荷耦合器件（2）工作頻率）工作頻率 CCDCCD器件是工作在不平衡狀態，所以驅動脈沖頻器件是工作在不平衡狀態，所以驅動脈沖頻率的選擇顯然十分重要：頻率太低，熱激發少數載率的選擇顯然十分重要：頻率太低，熱激發少數載流子過多，它的加入降低了輸出信號的信噪比；頻流子過多，它的加入降低了輸出信號的信噪比；頻率太高，又會降低總轉移效率，減小了輸出信號的率太高，又會降低總轉移效率，減小了輸出信號的幅值，同樣降低信噪比。幅值

27、，同樣降低信噪比。31Lf 為驅動脈沖工作頻率下限，即與少數載流子為驅動脈沖工作頻率下限，即與少數載流子的壽命的壽命有關有關 231tfh 為工作頻率的上限，與信號電荷從一個為工作頻率的上限，與信號電荷從一個電極轉移到另一個電極的轉移時間應大于或等電極轉移到另一個電極的轉移時間應大于或等于于t t2 2 電荷耦合器件電荷耦合器件表示在電極下的勢阱中能容納的電荷量表示在電極下的勢阱中能容納的電荷量 。如果如果SiOSiO2 2氧化層的厚度為氧化層的厚度為d d，則每一個電極下，則每一個電極下的勢阱中，最大電荷貯存容量的勢阱中，最大電荷貯存容量 ：AVCQoxAdVqAVCNsox0max（3 3

28、）電荷貯存容量）電荷貯存容量電荷耦合器件電荷耦合器件（4）CCD的噪聲的噪聲散粒噪聲、轉移噪聲及熱噪聲。散粒噪聲、轉移噪聲及熱噪聲。電荷耦合器件電荷耦合器件 電荷耦合器件的一個重要應用是作為攝像電荷耦合器件的一個重要應用是作為攝像器件，電荷耦合攝像器件可分為一維（線陣）的器件，電荷耦合攝像器件可分為一維（線陣）的和二維（面陣）兩種，它們的功能都能把二維光和二維（面陣）兩種，它們的功能都能把二維光學圖像信號轉變成一維視頻信號輸出。它們的原學圖像信號轉變成一維視頻信號輸出。它們的原理是：首先用光學成像系統（光學鏡頭）將被攝理是：首先用光學成像系統（光學鏡頭）將被攝的景物圖像成像在的景物圖像成像在C

29、CDCCD的光敏面（光敏區）上，的光敏面（光敏區）上，在每一個光敏單元（在每一個光敏單元（MOSMOS電容器）的勢阱中貯存電容器）的勢阱中貯存與圖像照度成正比的光生信號電荷一定完成了光與圖像照度成正比的光生信號電荷一定完成了光電轉換和電荷的積累。然后，轉移到電轉換和電荷的積累。然后，轉移到CCDCCD的移位的移位寄存器中，在驅動脈沖的作用下有順序的轉移和寄存器中，在驅動脈沖的作用下有順序的轉移和輸出，成為視頻信號。輸出，成為視頻信號。電荷耦合攝像器件（電荷耦合攝像器件（ICCDICCD）電荷耦合器件電荷耦合器件（1 1）線型）線型CCDCCD攝像器件：攝像器件： 兩種基本形式：兩種基本形式：

30、單溝道單溝道 雙溝道雙溝道電荷耦合器件電荷耦合器件（2）面陣）面陣ICCD 幀轉移面陣幀轉移面陣ICCD 隔列轉移型面陣隔列轉移型面陣ICCD 線轉移型面陣線轉移型面陣ICCD(3)增強型電荷耦合器件增強型電荷耦合器件 線轉移面陣線轉移面陣CCD示意圖示意圖電荷耦合器件電荷耦合器件（4 4）ICCDICCD的基本特性參數的基本特性參數 光電轉換特性光電轉換特性 光譜響應和干涉效應光譜響應和干涉效應 動態范圍動態范圍 陷阱的最大電荷存儲量陷阱的最大電荷存儲量 噪聲噪聲 暗電流暗電流 分辨率和調制傳遞函數（分辨率和調制傳遞函數（MTFMTF） 電荷耦合器件電荷耦合器件 自掃描光電二極管陣列（自掃描

31、光電二極管陣列（SSPDSSPD）又叫）又叫MOSMOS型圖像探測器，它的自掃描電路由型圖像探測器，它的自掃描電路由MOSMOS移位寄移位寄存器構成。根據像元的排列形狀不同，它又分存器構成。根據像元的排列形狀不同，它又分為線陣列和面陣列。線陣列如不另加掃描機構，為線陣列和面陣列。線陣列如不另加掃描機構，則只能對移位的光強分布進行光電轉換。但由則只能對移位的光強分布進行光電轉換。但由于它的成本低，且許多被測對象本身在運動中，于它的成本低，且許多被測對象本身在運動中，自然形成另一維掃描，故在機器視覺檢測方面自然形成另一維掃描，故在機器視覺檢測方面用量很大。面陣列可以直接對二維圖像進行光用量很大。面

32、陣列可以直接對二維圖像進行光電轉換。電轉換。 6.4自掃描光電二極管陣列自掃描光電二極管陣列SSPDSSPD線陣列線陣列SSPDSSPD線陣電路框圖線陣電路框圖（1 1）線陣的結構）線陣的結構自掃描光電二極管陣列自掃描光電二極管陣列（2 2）移位寄存器電路）移位寄存器電路 自掃描光電二極管陣列自掃描光電二極管陣列（3 3）電荷存儲方式工作原理）電荷存儲方式工作原理自掃描光電二極管陣列自掃描光電二極管陣列（4 4）多相時鐘線陣列）多相時鐘線陣列 自掃描光電二極管陣列自掃描光電二極管陣列SSPDSSPD面陣列面陣列（1 1）再充電采樣型面陣列）再充電采樣型面陣列 自掃描光電二極管陣列自掃描光電二極

33、管陣列SSPDSSPD面陣列面陣列（2 2）電壓采樣型面陣）電壓采樣型面陣 自掃描光電二極管陣列自掃描光電二極管陣列1 1 CCDCCD線陣在姿態檢測中的應用線陣在姿態檢測中的應用利用雙線結構利用雙線結構CCDCCD可以檢測物體的空間姿態變化，可以檢測物體的空間姿態變化，其基本原理如圖其基本原理如圖6-386-38所示。在物體的和上面各放置一所示。在物體的和上面各放置一套如圖套如圖6-386-38所示的裝置，利用物體運動時成像在所示的裝置，利用物體運動時成像在CCDCCD線陣上的位置變化檢測出不同的電信號，再經過一定線陣上的位置變化檢測出不同的電信號，再經過一定的數學處理便可以得出物體運動的姿

34、態信號。的數學處理便可以得出物體運動的姿態信號。 CCD器件的應用舉例器件的應用舉例圖圖6-38 6-38 物體成像基本原理圖物體成像基本原理圖 CCD線陣凸透鏡反光帶模型1)CCD1)CCD驅動電路驅動電路CCDCCD與一般的集成電路不同，后者通常只需要簡與一般的集成電路不同，后者通常只需要簡單的電源便能工作，而單的電源便能工作，而CCDCCD除了電源以外，還需與之除了電源以外，還需與之配套的驅動電路提供電荷轉移所需的各種時鐘脈沖以配套的驅動電路提供電荷轉移所需的各種時鐘脈沖以及輸入輸出所需的復位脈沖。及輸入輸出所需的復位脈沖。 CCDCCD的性能受驅動電路的性能受驅動電路的影響較大，如信號

35、處理能力、轉移效率、信噪比等的影響較大，如信號處理能力、轉移效率、信噪比等只在合適的時鐘脈沖配合下才能達到器件設計和工藝只在合適的時鐘脈沖配合下才能達到器件設計和工藝的最佳值。這里只簡單介紹電路中用到的幾種脈沖信的最佳值。這里只簡單介紹電路中用到的幾種脈沖信號：號： SHSH（電荷轉移信號），（電荷轉移信號），Q Q1 1、Q Q2 2（移位信號），（移位信號），RSRS1 1、RSRS2 2（復位信號）（復位信號）,QS,QS（采樣信號），各信號的時（采樣信號），各信號的時序如圖序如圖6-396-39所示。所示。 圖圖6-39 CCD6-39 CCD驅動信號驅動信號 QSRSQSH2)CCD

36、2)CCD信號的采樣保持信號的采樣保持為了消除時鐘的影響，在為了消除時鐘的影響，在CCDCCD的輸出端應有一個低的輸出端應有一個低通濾波器。通濾波器。 輸出低通濾波器應有一定的增益以抵消輸出低通濾波器應有一定的增益以抵消CCDCCD的電荷轉移損失。的電荷轉移損失。 低通濾波器如圖低通濾波器如圖6-406-40所示。所示。 在低通濾波器之后接信號放大與跟隨電路，再接在低通濾波器之后接信號放大與跟隨電路，再接采樣電路，采樣電路， 即可獲得即可獲得CCDCCD線陣的較規則的信號。放大線陣的較規則的信號。放大與采樣電路可采用常用的電路。與采樣電路可采用常用的電路。 圖圖 6-40 6-40 可調增益濾波器可調增益濾波器 180 k82 k220 p120 k33 p220 k15 V3140100 220 n輸入輸出3) 3) 位置信號的獲取位置信號的獲取由圖由圖6-386-38可知，可知，CCDCCD線陣的輸出信號實際上是反線陣的輸出信號實際上是反光帶的寬度信號，但是所需要的是物體的位置信號，光帶的寬度信號，但是所需要的是物體的位置信號，因此還需要進一步由這個寬度信號獲取位置信號。因此還需要進一步由這個寬度信號獲取位置信號。 因為因為CCDCCD在在SHSH信號的每個