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光电子技术课件 固体摄像器件第五章-1次

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《固体光学与光谱学》课件

《固体光学与光谱学》课件
固体光学材料在光学仪器制造 中发挥着重要作用，如透镜、
棱镜等。
能源领域
固体光学在太阳能利用领域也 有广泛应用，如太阳能电池等
。
生物医学领域
固体光学在生物医学领域的应 用包括光学成像、光谱分析等
。
02
固体光谱学基础
光谱学的定义与分类
01
总结词：光谱学的定义与分类
02
光谱学是研究物质与光相互作用的科学，通过分析物质产生的光谱， 可以了解物质的组成、结构和性质。
拓展应用领域
积极探索固体光学与光谱学的应用领域，推动其在各个领域的实 际应用。
THANKS
感谢观看
激光材料分类
激光材料可以根据能级结构和光谱特性分为固体激光材料 、气体激光材料、液体激光材料等，不同类型激光材料的 性能和应用范围也不同。
激光材料应用
激光材料在激光器、光通信、医疗等领域有广泛应用，如 固体激光器、光纤激光器、医用激光器等。
固体非线性光学材料的光谱学研究
01
非线性光学材料光谱学研究
应用领域拓展
目前固体光学与光谱学的应用领域还不够广泛，需要进一步拓展其 应用范围，如生物医学、环境监测等领域。
对未来研究的建议与展望
加强交叉学科合作
鼓励不同学科领域的专家学者进行合作研究，共同推动固体光学 与光谱学的发展。
强化基础研究
加强基础研究，完善相关理论体系，为固体光学与光谱学的应用 提供理论支持。
发光材料分类
发光材料可以根据能级结构和光 谱特性分为荧光材料、磷光材料 、上转换材料等，不同类型发光 材料的性能和应用范围也不同。
发光材料应用
发光材料在显示、照明、生物成 像等领域有广泛应用，如LED显 示屏、荧光灯、荧光粉等。

CMOS摄像器件和红外焦平面器件课件

CMOS摄像器件和红外焦平面器件课件

有源像素结构APS（Active Pixel Structure )
光电二极管型有源像素（PP－APS）1994，哥伦比亚大学
在像元内引入缓冲器或放大器， 可改善像元性能，称为有源像素传 感器。功耗小，量子效率高。每个 像元有3个晶体管。大多数中低性 能的应用 。
光栅型有源像素结构（GP－APS）
辐射对比度——背景温度变化1K所引起光子通量变 化与整个光子通量的比值，它随波长增长而减小。
IRFPA工作条件：高背景、低对比度
2 、IRFPA的分类
按照结构可分为单片式和混合式 按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型 按照读出电路可分为CCD、MOSFET和CID等类型 按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型 按照响应波段与材料可分为
1. 1~3μm波段 代表材料HgCdTe—碲镉汞 2. 3~5μm波段 代表材料HgCdTe、InSb—锑化铟、
PtSi—硅化铂
3. 8~12μm 波段 代表材料HgCdTe
表：一些典型的各波段探测器。
波段（波长） 近红外（0.7~1.1μm）
工作在该波段的典型红外光 子探测器
硅光电二极管 （Si）
主要有三种类型
非本征硅（P型）单片式IRFPA， 缺点：需制冷、响应度均匀性差。
本征单片式IRFPA ， 缺点：转移效率低、响应均匀性差，存储容量 较小。
肖特基势垒单片式IRFPA， 响应均匀性好，但量子效率较低。
混合式IRFPA
探测器阵列采用窄禁带本征半导体材料制成， 电荷转移部分用硅材料。如何建立联系？
1、CMOS像素结构
无源像素型（PPS）和有源像素型（APS）
无源像素结构，1967，Weckler
由一反向偏置光 敏二极管和一个开关 管构成，开关管开启， 二极管与垂直列线连 通，信号电荷 读出。

光电子技术基础ppt精选课件

光电子技术基础ppt精选课件

编辑版pppt
15
类 调谐光源 型
可调谐染料激 光器
混 可调谐半导体 合 激光器
型 环形腔掺铒激 光器
半导体光纤环 形腔激光器
本
征
F-P腔掺铒光 纤激光器
型
环形腔掺铒光 纤激光器
工作参数及优缺点
仅从原理上验证了频域光学双稳态 的可行性。由于体积庞大、调谐困 难而不实用。 结构紧凑，但波长调谐范围小，调 谐精度不高（易受温度影响）。开 关速度较快，在微秒量级。 体积小，波长调谐范围较宽，调谐 精度高。开关速度较慢，在毫秒量 级。 体积小，开关速度快，皮秒量级。
通过本课程的学习，要求掌握的主要内容：
描述光场的麦克斯韦方程、波动方程、光波的表示与传 播特性、高斯光束的特性等；
激光产生的基本条件、激光器的基本结构和输出特性； 平面介质波导中的光传播特性、光波导的物理光学分析、 光纤基本知识； 光通信无源与有源器件，包括半导体激光器、光纤连接 器、光纤耦合器、光纤隔离器、偏振控制器、光纤激光器 以及光纤放大器等； 光调制技术，包括晶体光学基础、光在晶体中的传播、 电光以及声光调制器等； 光电探测技术，包括光探测器性能参数、探测方式、物 理效应以及光电探测器的种类。
ppt精选版光电子技术发展史年代60年代70年代80年代90年代技术成就激光器的问世低损耗光纤的实现半导体激光器的成熟超大功率量子阱阵列激光器的出现光纤无源和有源器件的出现相关应用为光与物质相互作用的研究提供了一个极其有效的工具导致以光纤通信光纤传感为代表的光信息技术蓬勃发展导致半导体双稳态器件的发为光纤通信产业的发展提供了网络物理层的基信息光电子技术与器件光电子器件光源器件光传输器件光控制器件光探测器件光存储器件光盘光驱光盘塔调制器偏转器光开关光双稳器件光电导型各种传感器相干光源非相干光源光学元件光波导光纤ppt精选版光电子技术应用光纤通信传输光信息处理分光分析光应用计算光空间传输光学双稳态1969年szoke首先提出光学双稳态

即采用光注入CCD

即采用光注入CCD
12
（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。
13
表面沟道器件的特点：
工艺简单，动态范围大，但信号
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。
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。
20
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
电荷耦合器件（CCD）特点——以
电荷作为信号。
CCD 的基本功能 —— 电荷存储和
电荷转移。
CCD工作过程——信号电荷的产
生、存储、传输和检测的过程。
9ห้องสมุดไป่ตู้
1、电荷耦合器件的基本原理 （1）、 CCD的基本结构包括：转移电
极结构、转移沟道结构、信号输入结构、 信号输出结构、信号检测结构。构成
CCD的基本单元是MOS电容。
电荷的转移受表面态的影响，转移速 度和转移效率底，工作频率一般在
10MHz以下。
14
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
光电子技术学课件之十五：

第五章 摄像管

第五章 摄像管

2.光电转换特性:
摄像器件输出的光电流与入射的光照度之间的函数关 系。通常表示为：
i kE
γ = 1 图像灰度均匀
i
γ﹤1 灰度畸变，但低照度灵敏度 Ip
增加高照度下的光电特性呈一
定的饱和状态
γ﹥1 输入图像的对比度增加
γ ﹥1 γ =1 γ ﹤1
γ 又称为灰度系数
0
E
图1-8
3.分辨率：图像中明暗细节的鉴别能力。
五、 光导靶和存储靶：
摄像管的关键器是靶，视像管和光电发射型摄像管的靶 的作用不同，结构也不同。
1、视像管靶
视像管的靶是光电导靶，靶的厚度约几微米到20微米。视 像管靶的主要作用是完成图像的光电转换和信号电荷的积累 和存储。
光电导体(靶)的光电变换原理
在光电导层上接有数十伏的直流电压，形成跨层电场。当
6、摄像管的优缺点
摄像管：属于微光摄像、其增益和灵敏度很高，但结构 复杂、体积大、调整麻烦，通常在特殊场合使用。
视像管：采用光电导材料、结构简单、体积小、使用方 便，在工业电视中被广泛应用。
二、 光电导摄像管（视像管）的结构和工作原理
1.光电导摄像管的结构
典型的摄像管结构如图，它主要由：光电靶和电子枪等部分组 成，另外在管外还装有聚焦线圈、偏转线圈和校正线圈。
除。
五、 摄像管的主要特性参数
衡量摄像管优劣的总标准是：
在测试台的监视器上能否分辨一定的标准测试图案。
图案的清晰程度是由许多因素决定的。为了分析和研究各 种因素对像质的影响，必须规定出具体的特性参数。
摄像管的最主要特性参数是：灵敏度、惰性、分辨力和光 电转换特性等。
其中灵敏度和惰性主要决定于靶面，分辨力主要决定于扫 描电子枪。

5.固体摄像器件

5.固体摄像器件

3.像增强型CCD:
像增强型微光CCD是将微光像增强器和CCD耦合器 件， a.光纤光锥耦合方式－－ICCD b.中继透镜耦合CCD c.电子轰击CCD－－EBCCD 特点： ICCD结构简单、耦合效率高、调试方便； 分辨率受光纤锥的限制，不会太高；中继透镜耦合 CCD分辨率好，但耦合效率低； EBCCD结构简单、耦 合效率高、暗电流小，因电子轰击形成CCD辐射损伤 ，寿命短、工艺难度高。
1.IRFPA的结构：
按结构IRFPA分为单片式和混合式，根据工作波段在1～3µm波段（ HgCdTe），3～5µm波段（HgCdTe、InSd和PtSi），8～12µm波段（ HgCdTe）。 （1）单片式IRFPA
单片式主要由三种类型： a.非本征单片IRFPA：光敏部分做在P型非本征材料上，转移 部分做在Si衬底上，二者要经过渡层耦合。 工作时需要制冷；量子效率低；均匀性差。 b.本征半导体IRFPA：光敏部分和转移部分制作在同一块窄禁 带本征半导体上，原理和结构与普通CCD相似。 优点：量子效率高；结构简单。 缺点：转移效率低（η＝0.9），响应均匀性差；外加电压低 ，存储容量小。
电荷的存储
CCD是利用电容存储电荷的功能来存储电荷的，所 以CCD的基本单元是MOS（金属－氧化物－半导体）电 容器，结构和原理如图
电荷包的转移：
表面沟道器件CCD（Surface Channal CCD－SCCD）和体内 沟道CCD（Buried Channal CCD－BCCD）
电荷的检测
性能比较
1. 灵敏度差异：CMOS传感器的每个象素前置放大器和感 光二极管构成，象素的感光区域小于象素本身的面积； 2. 成本差异： 3.成品率差异： 3.成品率差异：CCD采用电荷传递的方式，只要其中有 一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送， 控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多。 4. 分辨率差异： CCD优于CMOS。 5. 噪声差异：放大器差异引起噪声增加，影响图像品质 6. 功耗差异：CMOS传感器比CCD传感器功耗小得多。

固体电子学光电效应课件

固体电子学光电效应课件
所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大； 反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、 光电倍增管等。 光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。
固体电子学光电效应课件
Definition of laser
A laser is a device that generates light by a process called STIMULATED EMISSION. The acronym LASER stands for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Semiconducting lasers are multilayer semiconductor devices that generates a coherent beam of monochromatic light by laser action. A coherent beam resulted which all of the photons are in phase.
法布里－珀罗 (F-P) 谐振腔
100%
90%
固体电子学光电效应课件
Diode Laser
固体电子学光电效应课件
Typical Application of Laser
The detection of the binary data stored in the form of pits on the compact disc is done with the use of a semiconductor laser. The laser is focused to a diameter of about 0.8 mm at the bottom of the disc, but is further focused to about 1.7 micrometers as it passes through the clear plastic substrate to strike the reflective layer. The reflected laser will be detected by a photodiode. Moral of the story: without optoelectronics there will no CD player!

《光电子技术及应用》总结 (5)[4页]


练习题
1、下列谱段中光电成像系统中常用的大气窗口有（
A、3～5μm；
B、1～3μm；
C、0.38～0.76μm；D、8～14μm。
）。
2、像管中（
）的出现和使用，分别成为了各代像管
出现的标志性部件。
A、负电子亲和势阴极； B、电子光学系统；C、微通道板MCP；源自D、光纤面板练习题
3、下列像管的性能指标(
成像
（1）掌握固体摄像器件的基本原理、光电成像系 统的基本结构及红外成像系统的综合特性评价； （2）掌握固体摄像器件的特性参数、红外成像光 学系统的基本原理； （3）了解固体摄像器件的发展水平及微光像增强 器件的基本原理。 （4）重点：固体摄像器件的基本原理、光电成像 系统的基本结构及红外成像系统的综合特性评价。 （5）难点：常用固体摄像器件输出信号特点、调 制传递函数的概念及噪声等效温差的概念。
)的值越高，像管的成像质量越好。
A、增益系数；
B、等效背景照度；
C、畸变；
D、品质因数。
4、下列微光摄像器件中，属于纯固体器件的是（ ）。
A、高灵敏度CCD；
B、增强型CCD（ICCD）；
C、电子轰击型CCD（EBCCD）；D、电子倍增CCD（EMCCD）
练习题
5、固体半导体摄像元件CCD 是一种（ ） 2003全国自考题
A．PN 结光电二极管电路 B．PNP 型晶体管集成电路 C．MOS 型晶体管开关集成电路 D．NPN 型晶体管
6、目前监控系统使用的摄像机大多为（ ）摄像机。2008安 徽省技防
A、CCD B、CID C、CMOS

最新第7章-固体成像器件-王珊总结(共85张PPT)精品课件


电荷包图像
暂存区
行正程期间
水平读出寄存器输出 一行视频信号
第三十页，共八十五页。
水平 读出 (shuǐpíng) 寄存器
30
场正程期间(qījiān)：
行逆程期间(qījiān)
暂存区的信号电荷产 生一行平移
行正程期间
电荷包图像
暂存区
水平 读出 (shuǐpíng) 寄存器
31
第三十一页，共八十五页。
电荷 注 (diànhè) 入
CCD
电荷转移
基本功能：电荷的存储和转移
特点：以电荷作为信号
第九页，共八十五页。
电荷(diànhè) 输出
9
基本 名词 (jīběn) ：
势阱
栅极G 金属 氧化物
UG>0
半导体 P
第十页，共八十五页。
施加 正电 (shījiā) 压
空穴 耗 (kōnɡ xué) 尽区
第七页，共八十五页。
7.1.2 电荷耦合原理与电极结构
光信息
(xìnxī)
CCD
电脉冲
脉冲只反映(fǎnyìng)一个光敏元的受光情况
脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照(guāngzhào)的强 弱
输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置
完成图像传感
第八页，共八十五页。
CCD的工作原理
电荷 存 (diànhè) 储
水平 读 (shuǐpíng) 出
寄存器
场逆程 场正程
成像区－>暂存区
行逆程
行正程
电荷平移 输出信号
33
第三十三页，共八十五页。
7.3 CCD摄像机分类(fēn
lèi)
7.3.1 可见光CCD

【精品课件】光电子技术(激光器件).pptx

18
100% I0
工作物质
固体激光器的损耗
R
I’ l
总往返损耗 gb
率：
I0 I' I0
I0
I0 Re2l I0
1 Re2l
无透射损耗率： =1-e-2l
19
100% I0
工作物质
固体激光器的损耗
R
I’ l
R 1T
1 e2l gb 1 (1 t)(1 ) T T gb T //对于某些情况，Tβ可忽略
W13
E2
A21 B12 B21
E1
a) 三能级
E3
A30
S32
W03
E2
A21 B12 B21
E1
E0
b) 四能级
0
0 , 激光频率
p
p ,泵浦光频率
10
T
T
输出耦合系数
T，输出镜透射率
，谐振腔往返损耗率
11
❖黑体辐射
1.2固体激光器的阈值
单色辐射密度：（）＝
8
c3
2
h
h
e kT 1
维恩位移定律：m ( m
ntot
n)
(1 g2 )..................(1.2 4) g1
25
三能级系统阈值
n2th
( g2 g1
ntot
nth )
(1 g2 ) g1
nth
1
21
(
1 2l
ln
1) R
(1
1 g2
/
g1 )
g2 g1
ntot
1
21
(
1 2l
ln
1 R
)
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6 噪声
• 散粒噪声、转移噪声和热噪声
7 分辨率
• 分辨率是摄像器件最重要的参数之一，它 是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能 力，测试时用专门的测试卡 • 目前国际上一般用ＭＴＦ（调制传递函数） 来表示分辨率 • 像元分辨率
8 动态范围与线性度
光敏元满阱信号 • 动态范围＝ 等效噪声信号
• 线性度是指在动态范围内，输出信号与曝 光量的关系是否成直线关系
一、电荷耦合摄像器件
• 贝尔实验室的W. S. Boyle，G. E. Smith在 探索磁泡器件的电模拟工作中，在1969年 秋构思了电荷耦合器件的原理
• W. S. Boyle, G. E. Smith. Charge coupled semiconductor devices. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 587-593. • G. F. Amelio, M. F. Tompsett, G. E. Smith. Experiment verification of the Charge coupled device concept. Bell Syst. Tech. Jour., 1970, 49: 593-600.
第5章 光电成像系统
光源 光 信 号 传输介质 背 景 噪 声 光 信 号 光学系统 (信号分析器) 背 景 噪 声 光 信 号 光电摄像器件 (信号变换器) 噪 声 信 号 显示器 噪 声 信 号 人眼
物体 (信号源)
光电成像系统的基本组成
• 成像转换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 • 噪声方面——决定接收到的信号不稳定的程 度或可靠性 • 信息传递速率方面
1 CMOS像素结构
• 无源像素型（PPS） • 有源像素型（APS）
• 无源像素结构
• 无源像素单元具有结构简单、像素填充率 高及量子效率比较高的优点。但是，由于 传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的 读出噪声较高，而且随着像素数目增加， 读出速率加快，读出噪声变得更大。 • 有源像素结构 • 光电二极管型有源像素（PP－APS）
波长/μ m 1 ～3 3 ～5 8～12
300K背景辐射光子通量密度 12 ≈1016 ≈1017 ≈10 ／光子／(cm2·s) 光积分时间（饱和时间） ／μ s 106 ≈10 102 ≈3 10 ≈1
对比度（300K背景） ／（％）
• 通常光子密度高于1013／cm2s的背景称为 高背景条件，因此3～5μm或8～12μm波段 的室温背景为高背景条件。 • 辐射对比度——背景温度变化1K所引起光 子通量变化与整个光子通量的比值，它随 波长增长而减小。 • IRFPA工作条件：高背景、低对比度
• 本征单片式IRFPA • 将红外光敏部分与转移部分同作在一块窄 禁带宽度的本征半导体材料上。目前受重 视的材料是HgCdTe • 量子效率较高。 • 转移效率低（η＝0.9） • 响应均匀性差 • 窄禁带材料的隧道效应限制了外加电压的 幅度，表面势不大，存储容量较小
• 肖特基势垒单片式IRFPA • 基于肖特基势垒的光电子发射效应，在同 一硅衬底上制作可响应红外辐射的肖特基 势垒阵列及信号转移部分。目前受重视的 材料是PtSi • 光激发过程取决于金属中的吸收，响应度 均匀性较好 • 采用的硅衬底可制成高性能的CCD转移机 构 • 量子效率比较低，需要制冷
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
256×256
128×128
• 积分 • 空间积分 • 时间积分
1. IRFPA的工作条件
• IRFPA通常工作于1～3μm、3～5μm和 8～12μm的红外波段并多数探测300K背景 中的目标 • 典型的红外成像条件是在300K背景中探测 温度变化为0.1K的目标 • 随波长的变长，背景辐射的光子密度增加
用普朗克定律计算的各个红外波段300K背景 的光谱辐射光子密度
图像传感器尺寸
CCD尺寸(inch) 1/4 对角线(mm) 4.5 宽×高(mm) 3.6×2.7
1/3
1/2 1/1.8
6
8 8.9
4.8×3.6
6.4×3.6 7.2×5.3
2/3
1 4/3
11
16 22.5
8.8×6.6
12.8×9.6 18×13.5
三、CMOS摄像器件
• 采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、 驱动和控制电路、信号处理电路、模／数 转换器、全数字接口电路等完全集成在一 起，可以实现单芯片成像系统 ——Camera-On-A-Chip
• 定义光敏元响应的均方根偏差对平均响应 的比值为CCD的不均匀度 ：
1 Vo 1 N
2 ( V V ) on o n 1 N
1 Vo N
V
n 1
N
on
Von —— 第n 个光敏元原始响应的等效电压
Vo —— 平均原始响应等效电压
N —— 线列CCD的总位数
Von
• 紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器可 用来存储和转移电荷，按适当的次序对这 些电极加上脉冲，它们就会产生携带一包 一包少数载流子的运动势阱 • 他们首先提出的一种器件结构是采用相同的 电极和三相时钟系统，为隔离各个电荷包， 最少需要三相时钟
• 电荷耦合器件（CCD）特点——以电荷作 为信号 • CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移 • CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、 传输和检测的过程
3. IRFPA的结构
• IRFPA由红外光敏部分和信号处理部分组 成 • 红外光敏部分——材料的红外光谱响应 • 信号处理部分——有利于电荷的存储与转 移 • 目前没有能同时很好地满足二者要求的材 料——IRFPA结构多样性
• 单片式IRFPA • 单片式IRFPA主要有三种类型 • 非本征硅单片式IRFPA • 要求制冷，工作于8～14μm的器件要制冷 到15～30K，工作于3～5μm波段的器件要 制冷到40～65K； • 量子效率低，通常为5%～30%； • 由于掺杂浓度的不均匀，使器件的响应度 均匀性较差
2 IRFPA的分类
• 按照结构可分为单片式和混合式 • 按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝
视型
• 按照读出电路可分为CCD、MOSFET和 CID等类型 • 按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型
• 按照响应波段与材料可分为 • 1～3μm波段 代表材料HgCdTe—碲镉汞 • 3～5μm波段 代表材料HgCdTe、InSb—锑化铟、 PtSi—硅化铂 • 8～12μm 波段 代表材料HgCdTe
Eric R. Fossum. CMOS Image Sensors: Electronic Camera-OnA -Chip. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONIC DEVICES, 1997, 44(10): 1689-1698
四、红外焦平面器件
• 红外焦平面器件（Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA）
• 大多数中低性能的应用
• 光栅型有源像素结构（PG－APS） • 成像质量较高
• CMOS有源像素传感器的功耗比较小。但 与无源像素结构相比，有源像素结构的填 充系数小，其设计填充系数典型值为20%30%。在CMOS上制作微透镜阵列，可以 等效提高填充系数。
2 CMOS摄像器件的总体结构
• 外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行 选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像 素单元，行像素内的信号电荷通过各自所 在列的信号总线传输到对应的模拟信号处 理器(ASP)及A/D变换器，转换成相应的数 字图像信号输出。行选通单元可以对像素 阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。隔行扫 描可以提高图像的场频，但会降低图像的 清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单 元配合，可以实现图像的窗口提取功能， 读出感兴趣窗口内像元的图像信息
3 CMOS与CCD器件的比较
• CCD摄像器件 • 灵敏度高、噪声低、像素面积小 • 难与驱动电路及信号处理电路单片集成， 需要使用相对高的工作电压，制造成本比 较高
• CMOS摄像器件 • 集成能力强、体积小、工作电压单一、功 耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低 • 需进一步提高器件的信噪比和灵敏度
Vn

np
P是CCD的相数
3 暗电流
• CCD成像器件在既无光注入又无电注入情 况下的输出信号称暗信号，即暗电流 • 暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中 心的热激发 • 由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素 的影响，CCD中暗电流密度的分布是不均 匀的
• 暗电流的危害有两个方面： • 限制器件的低频限 • 引起固定图像噪声
4 灵敏度（响应度）
• 在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信 号电压（电流）
5 光谱响应
• CCD的光谱响应是指等能量相对光谱响应， 最大响应值归一化为100%所对应的波长， 称峰值波长，通常将10%（或更低）的响 应点所对应的波长称截止波长。有长波端 的截止波长与短波端的截止波长，两截止 波长之间所包括的波长范围称光谱响应范 围。
成像特性、噪声——信息传递问题，决定能 被传递的信息量大小 • 光电成像器件是光电成像系统的核心
§1 固体摄像器件
• 固体摄像器件的功能：把入射到传感器光 敏面上按空间分布的光强信息（可见光、 红外辐射等），转换为按时序串行输出的 电信号—— 视频信号，而视频信号能再现 入射的光辐射图像