光电检测技术 第六章幻灯片.ppt

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。 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(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。 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。 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。 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。 电荷的检测（输出方式） 电流输出 浮置扩散放大器输出 浮置栅放大器输出 设原有的信号电荷量为Q0，转移到下一个电极下的信号电荷量为Q1，其比值 (6-21) 称为转移效率。 没有被转移的电荷量设为 ，则与原信号电荷Q0之比 (6-22) 称为转移损失率。 电荷耦合器件的一个重要应用是作为摄像器件，电荷耦合摄像器件可分为一维（线阵）的和二维（面阵）两种，它们的功能都能把二维光学图像信号转变成一维视频信号输出。它们的原理是：首先用光学成像系统（光学镜头）将被摄的景物图像成像在CCD的光敏面（光敏区）上，在每一个光敏单元（MOS电容器）的势阱中贮存与图像照度成正比的光生信号电荷一定完成了光电转换和电荷的积累。然后，转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下有顺序的转移和输出，成为视频信号。 （1）线型CCD摄像器件： 两种基本形式： 单沟道 双沟道 （4）ICCD的基本特性参数 光电转换特性 光谱响应和干涉效应 动态范围 陷阱的最大电荷