第四章 光电成像器件
固体化摄像器件 很高的空间分辨率 很高的光电灵敏度和大的动态范围 光敏元间距位臵精确,可获得很高的 定位和测量精度 信号与微机接口容易
电荷耦合器件（CCD）
CCD类型： 表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导体与 绝缘体之间的界面，并沿界面传输； 体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导体表 面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传 输——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，使得该种器件 的转移效率高达99.999％以上，工作频率可高达 100MHz，且能做成大规模器件。 下面以表面沟道CCD为例介绍CCD基本原理
电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injection Device，即CID）
4.3 电荷耦合器件
CCD(Charge Coupled Devices)
CCD图像传感器主要特点：
双列两相线阵CCD结构
光敏区:光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。
转移栅:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷向移位寄存器转移。
移位寄存器:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷扫描移向输出端。
输出端:将光生电荷包转换为视频信号输出。
在Al电极上加驱动信号，MOS阵列使光生电荷包 自扫描输出。
输出端：输出栅OG；
进一步说明：
栅电极G
氧化层
P型半导体
耗尽区 浅势阱
反型层 深势阱
uG=0
uG<uth（MOS晶体管的开启电压）
uG>uth
电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态
当栅极G施加正偏压UG之前（UG=0），P型半 导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的； 当栅极电压加正向偏压（UG<Uth）后，空穴被 排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区进 一步向半导体内延伸；当UG>Uth时，半导体与 绝缘体界面上的电势（表面势ФS）变得如此之 高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子） 吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层， 反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储 电荷的功能。
二.光电转换特性－γ特性
I P kL
γ＝ 1
IP 与L 成线性关系， 是最理想情况。 γ＜1 低照度下灵敏度相对 增加。 γ＞1 图像对比度提高。 * 关于伽玛γ校正电路
三.分辨率 能够分辨图像中明暗细节的能力
有两种表示方法: ⑴ 极限分辨率：用在图像（光栅）范 围内能分辨的等宽黑白线条数表示（如：水 平800线、垂直500线）；也用～线对/mm表示。
电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低 的氧化层与半导体的交界面处。
u0 10V 10V
UG=5V UG=10V UG=15V
空势阱
填充1/3势阱
全满势阱
MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=Cox•UG•A
注意：热平衡状态的形成 当电极上加正电压时，在时刻t=0时，由于电 极下的势阱还没有收集少数载流子（电子）， 所以在SiO2-Si的界面处还没有形成反型层。 此时，P型Si的表面势最大，所形成的耗尽层 宽度最宽，即势阱最深。如图（a）所示。
Xd
+
Xd
热平衡
t=0
（a）
t=t1
（ b）
t=t2
（c）
随着时间的增加，由于热激发所产生的电子-空 穴对，空穴被耗尽区电场驱到衬底，而电子被 吸引到Si表面形成了反型层。在反型层对外电 场的屏蔽下，使表面势减小，同时降低了耗尽 层的宽度。如图（b）。 随着时间的继续增加，当足够数目的电子汇集 在表面时，势阱中存储的电子足以使势阱的深 度变为零，表面势就不再变化了，达到饱和状 态（热平衡状态），此时离开表面的扩散电流 和流向表面的漂移电流达到动态平衡。达到热 平衡所需要的时间称为热驰豫时间。在室温下， 热驰豫时间为1S-几S，与其结构和工艺有关。 如图（c）。
像素：组成图像的 最小单元。摄像管 像素大小由电子束 截面积决定。
在电子束扫描某一像素的瞬间，该像 素与电源正极和阴极结成通路。这个像素 的光电流由P→N，流过负载RL,产生负极 性图像信号输出。同时，扫描电子束使P 层电位降至阴极电位（图像擦除）。
4.2 摄像器件的性能参数
一.灵敏度S
在2856K色温标准光源单位光功率 照射下,由器件输出信号电流大小来 衡量。单位:μA/lm；mA/W。实际 常用能产生正常电视图像所需最低 光照度Lmin来表征。
五.视频信噪比（S/N） Sm S ( ) 20lg (dB) N id
六.动态范围
Lmax : Lmin = 10 : 1
n
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 固体摄像器件主要有三大类：
特点：增益和 灵敏度高
特点：结构简单、 体积小、使用方便
光电发射型摄像管
光电导型视像管
视像管基本结构 ： 光电靶 完成光电转换、信号存储 电子枪 完成信号扫描输出
氧化铅视像管结构与工作原理
管子结构
氧化铅PIN靶
PIN光电靶 ：反向偏臵，扫描面形成正电位图像
电子枪 ： 发射电子束，按电视制式扫描正电 位图像，输出视频信号
彩色CCD显微照片（放大7000倍）
一、CCD的结构与基本工作原理
一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器 及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD工作时，在设定的积 分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光 敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱 动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存 器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出 信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中， 可对信号再现或进行存储处理。
第四章 光电成像器件
概述：
光电成像器件是指能够输出图象信息的一类
器件，其功能大致可归为以下两类： 1、使不可见光图象（红外、紫外）变为可 见光图象 2、使光学图象变为电视信号 光学图像的实质:一特定光强度的空间分布。
光电成像器件的发展 近年来，利用光电成像器件构成图像传感器
进行光学图像处理与图像测量已成为现代光 学仪器、现代测控技术的重要发展方向。它 广泛应用于遥感、遥测技术、图形图像测量 技术和监控工程等，成为现代科学技术的重 要组成部分。
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 成像特性、噪声——信息传递问题，决定能被传 递的信息量大小
CCD全称电荷耦合器件，它具备
光电转换、信息存贮和传输等功能，
具有集成度高、功耗小、分辨力高、
动态范围大等优点。 CCD图像传感器
被广泛应用于生活、天文、医疗、电
视、传真、通信以及工业检测和自动
控制系统。
MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片
CCD光敏元显微照片
CCD读出移位寄存器 的数据面显微照片
1965 年，氧化铅管成功代替正析摄像管，
广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩色电视 广播摄像机的发展产生了一个飞跃。 1976 年前后，又相继出现灵敏度更高，成 本更低的硒像管和硅靶管。 1970 年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器 件（ CCD）原理，从此光电成像器件的发展 进入了一个新的阶段 ——CCD固体摄像器件 的发展阶段。
1934年研制出光电像管，应用于广播电视摄
像。它的灵敏度相当低，要达到现在图像信噪 比的要求，需要不低于10000 lx的照度，这是 它的应用范围受到很大限制。 1947 年超正析摄像管面世，使最低照度降至 2000 lx。 1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成 本低，体积小，灵敏度和分辨率都较高，但不 适用于高速场合和彩色应用。
信 号 出
超正析像管
光谱特性
视像管构造图 CCD摄像器件
本章目录
摄像管 4.2 摄像器件的性能参数 4.3 电荷耦合器件 4.4 CMOS图像传感器 4.5 图像增强器
4.1
4.1 摄像管
摄像管是能够输出视频信 号的真空光电管
可分为两大类： *光电发射型摄像管（微光摄像）：利用外光电效应 包括 二次电子摄像管 硅靶摄像管 *光电导型视像管： 利用内光电效应 按光电导靶结构分为 光电导（注入）型：硫化锑 PN结（阻挡）型：氧化铅管、硅靶管、 异质结管
⑵ 调制传递函数MTF：能客观地测 试器件对不同空间频率信号的传递能力
Amax Amin Am 调制度M： M Amax Amin A0 Mo MTF 100% 调制传递函数MTF： Mi
MTF随着测试卡线条空间频率的增加而降低。
四.惰性 指输出信号的变化相对于光
照度的变化有一定的滞后 影响摄像管惰性的原因是靶面光电导 张驰过程和电容电荷释放惰性。
反型层电荷 QINV=0
P型硅杂质浓度 Nd=1021m-3
ФS
1.0V
1.4V
Uth= 2.2V 3.0V
UG 表面势与栅极电压的关系
ФS
UG=15V
dox=0.1um dox=0.2um
UG=10V
曲线的直线 特性好，说 明两者有着 良好的反比 例线性关系。 可以“势阱” 的概念来解 释。
QINV 表面势与反型层电荷密度的关系
电荷耦合器件（CCD）
CCD类型： 表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导体与 绝缘体之间的界面，并沿界面传输； 体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导体表 面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传 输——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，使得该种器件 的转移效率高达99.999％以上，工作频率可高达 100MHz，且能做成大规模器件。 下面以表面沟道CCD为例介绍CCD基本原理
电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injection Device，即CID）
4.3 电荷耦合器件
CCD(Charge Coupled Devices)
CCD图像传感器主要特点：
双列两相线阵CCD结构
光敏区:光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。
转移栅:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷向移位寄存器转移。
移位寄存器:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷扫描移向输出端。
输出端:将光生电荷包转换为视频信号输出。
在Al电极上加驱动信号，MOS阵列使光生电荷包 自扫描输出。
输出端：输出栅OG；
进一步说明：
栅电极G
氧化层
P型半导体
耗尽区 浅势阱
反型层 深势阱
uG=0
uG<uth（MOS晶体管的开启电压）
uG>uth
电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态
当栅极G施加正偏压UG之前（UG=0），P型半 导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的； 当栅极电压加正向偏压（UG<Uth）后，空穴被 排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区进 一步向半导体内延伸；当UG>Uth时，半导体与 绝缘体界面上的电势（表面势ФS）变得如此之 高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子） 吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层， 反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储 电荷的功能。
二.光电转换特性－γ特性
I P kL
γ＝ 1
IP 与L 成线性关系， 是最理想情况。 γ＜1 低照度下灵敏度相对 增加。 γ＞1 图像对比度提高。 * 关于伽玛γ校正电路
三.分辨率 能够分辨图像中明暗细节的能力
有两种表示方法: ⑴ 极限分辨率：用在图像（光栅）范 围内能分辨的等宽黑白线条数表示（如：水 平800线、垂直500线）；也用～线对/mm表示。
电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低 的氧化层与半导体的交界面处。
u0 10V 10V
UG=5V UG=10V UG=15V
空势阱
填充1/3势阱
全满势阱
MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=Cox•UG•A
注意：热平衡状态的形成 当电极上加正电压时，在时刻t=0时，由于电 极下的势阱还没有收集少数载流子（电子）， 所以在SiO2-Si的界面处还没有形成反型层。 此时，P型Si的表面势最大，所形成的耗尽层 宽度最宽，即势阱最深。如图（a）所示。
Xd
+
Xd
热平衡
t=0
（a）
t=t1
（ b）
t=t2
（c）
随着时间的增加，由于热激发所产生的电子-空 穴对，空穴被耗尽区电场驱到衬底，而电子被 吸引到Si表面形成了反型层。在反型层对外电 场的屏蔽下，使表面势减小，同时降低了耗尽 层的宽度。如图（b）。 随着时间的继续增加，当足够数目的电子汇集 在表面时，势阱中存储的电子足以使势阱的深 度变为零，表面势就不再变化了，达到饱和状 态（热平衡状态），此时离开表面的扩散电流 和流向表面的漂移电流达到动态平衡。达到热 平衡所需要的时间称为热驰豫时间。在室温下， 热驰豫时间为1S-几S，与其结构和工艺有关。 如图（c）。
像素：组成图像的 最小单元。摄像管 像素大小由电子束 截面积决定。
在电子束扫描某一像素的瞬间，该像 素与电源正极和阴极结成通路。这个像素 的光电流由P→N，流过负载RL,产生负极 性图像信号输出。同时，扫描电子束使P 层电位降至阴极电位（图像擦除）。
4.2 摄像器件的性能参数
一.灵敏度S
在2856K色温标准光源单位光功率 照射下,由器件输出信号电流大小来 衡量。单位:μA/lm；mA/W。实际 常用能产生正常电视图像所需最低 光照度Lmin来表征。
五.视频信噪比（S/N） Sm S ( ) 20lg (dB) N id
六.动态范围
Lmax : Lmin = 10 : 1
n
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 固体摄像器件主要有三大类：
特点：增益和 灵敏度高
特点：结构简单、 体积小、使用方便
光电发射型摄像管
光电导型视像管
视像管基本结构 ： 光电靶 完成光电转换、信号存储 电子枪 完成信号扫描输出
氧化铅视像管结构与工作原理
管子结构
氧化铅PIN靶
PIN光电靶 ：反向偏臵，扫描面形成正电位图像
电子枪 ： 发射电子束，按电视制式扫描正电 位图像，输出视频信号
彩色CCD显微照片（放大7000倍）
一、CCD的结构与基本工作原理
一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器 及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD工作时，在设定的积 分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光 敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱 动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存 器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出 信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中， 可对信号再现或进行存储处理。
第四章 光电成像器件
概述：
光电成像器件是指能够输出图象信息的一类
器件，其功能大致可归为以下两类： 1、使不可见光图象（红外、紫外）变为可 见光图象 2、使光学图象变为电视信号 光学图像的实质:一特定光强度的空间分布。
光电成像器件的发展 近年来，利用光电成像器件构成图像传感器
进行光学图像处理与图像测量已成为现代光 学仪器、现代测控技术的重要发展方向。它 广泛应用于遥感、遥测技术、图形图像测量 技术和监控工程等，成为现代科学技术的重 要组成部分。
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 成像特性、噪声——信息传递问题，决定能被传 递的信息量大小
CCD全称电荷耦合器件，它具备
光电转换、信息存贮和传输等功能，
具有集成度高、功耗小、分辨力高、
动态范围大等优点。 CCD图像传感器
被广泛应用于生活、天文、医疗、电
视、传真、通信以及工业检测和自动
控制系统。
MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片
CCD光敏元显微照片
CCD读出移位寄存器 的数据面显微照片
1965 年，氧化铅管成功代替正析摄像管，
广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩色电视 广播摄像机的发展产生了一个飞跃。 1976 年前后，又相继出现灵敏度更高，成 本更低的硒像管和硅靶管。 1970 年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器 件（ CCD）原理，从此光电成像器件的发展 进入了一个新的阶段 ——CCD固体摄像器件 的发展阶段。
1934年研制出光电像管，应用于广播电视摄
像。它的灵敏度相当低，要达到现在图像信噪 比的要求，需要不低于10000 lx的照度，这是 它的应用范围受到很大限制。 1947 年超正析摄像管面世，使最低照度降至 2000 lx。 1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成 本低，体积小，灵敏度和分辨率都较高，但不 适用于高速场合和彩色应用。
信 号 出
超正析像管
光谱特性
视像管构造图 CCD摄像器件
本章目录
摄像管 4.2 摄像器件的性能参数 4.3 电荷耦合器件 4.4 CMOS图像传感器 4.5 图像增强器
4.1
4.1 摄像管
摄像管是能够输出视频信 号的真空光电管
可分为两大类： *光电发射型摄像管（微光摄像）：利用外光电效应 包括 二次电子摄像管 硅靶摄像管 *光电导型视像管： 利用内光电效应 按光电导靶结构分为 光电导（注入）型：硫化锑 PN结（阻挡）型：氧化铅管、硅靶管、 异质结管
⑵ 调制传递函数MTF：能客观地测 试器件对不同空间频率信号的传递能力
Amax Amin Am 调制度M： M Amax Amin A0 Mo MTF 100% 调制传递函数MTF： Mi
MTF随着测试卡线条空间频率的增加而降低。
四.惰性 指输出信号的变化相对于光
照度的变化有一定的滞后 影响摄像管惰性的原因是靶面光电导 张驰过程和电容电荷释放惰性。
反型层电荷 QINV=0
P型硅杂质浓度 Nd=1021m-3
ФS
1.0V
1.4V
Uth= 2.2V 3.0V
UG 表面势与栅极电压的关系
ФS
UG=15V
dox=0.1um dox=0.2um
UG=10V
曲线的直线 特性好，说 明两者有着 良好的反比 例线性关系。 可以“势阱” 的概念来解 释。
QINV 表面势与反型层电荷密度的关系
合集下载
像管和摄像管
SEC管的主要特性：
(1)灵敏度 SEC管整管的灵敏度与光电阴极的灵敏度、 加速电压和靶有关，一般可达20000μA／lm。 (2)分辨率 (3)惰性 (4)存储性能 25mm管中心分辨率约为600TvL／H 三场后残余信号小于5％
SEC靶的电阻率大于1010Ωcm-1，漏电极小，暗电流小
于0.1μA，因此信息电荷可在靶上长时间存储而不泄漏。
光电导式摄象管
电子枪
光电发射式摄象管
移像区 电子枪
靶 R
电子束
靶
光 电 阴 极
电子束
R
光电摄像器件的工作过程：
1、光电转换：光学图像投射到器件光敏面上， 以象素为单元分别进行光电转换，形成电量的 潜像。 2、扫描：扫描线按一定轨迹逐点采集转换后的 电量，形成一维输出信号。
3、光电信号的存储：每个象素在整个扫描周期 内对转换的电量进行积分存储。
畸变
距离光电轴中心不同位置处各点放大率不同的表
征。以该点处的放大率与中心放大率的差除以中心放大
率表示
Mr Mc Dr Mc
分辨力
像管分辨相邻两个物点或像点的能力。
WJII型头盔式微光夜视仪
四 扫描型摄像管
能够输出视频信号的一类真空光电管称为摄象管。
将二维空间分布的光学图像转化为一维时序电信号
表示。 • 非扫描型光电成像器件：取输入像面上每毫米所能分
辨的等宽黑白条纹数表示分辨力。记为：lp· mm-1 • 扫描型光电成像器件：取扫描线方向，图像范围内所
能分辨的等宽黑白条纹数表示分辨力。简称为电视线。
（水平分辨力为466线，垂直分辨力为400线. ）
5
图像信号的概念。
两个相邻的像元，具有不同的辐射亮度。令两个像元
光电检测 第四章 结型光电器件(共161张PPT)
改写为
ILSEEI0(eqU /k T 1 ) (4-4)
第二十一页，共161页。
结型光电器件工作原理
• 当负载电阻RL断开(IL=0)时,P端对N端的电压称 为开路电压,用UOC表示,由式(4-2)得
UOCkqTln1(IIP0 )
一般情况下,IP>>I0,所以
(4-5)
UOC kqTlnII(P 0)kqTlnS(IE0E)
2）如果工作在反偏置状态,无光照时结电阻很大,电 流很小;有光照时,结电阻变小,电流变大,而且流过它的光
电流随照度变化而变化。这种状态称为光电导工作模式。
第十八页，共161页。
返回
结型光电器件工作原理
•光照下PN结的电流方程
• 有光照时,如图 (a)所示。若PN结外电路 •接上负载电阻RL,此时
•在PN结内会出现两种
第二十七页，共161页。
4.2 硅光电池
硅光电池结构如图(a)所示。图(b)为光电池的电路
符号。
为便于透光和减小串联电阻,一般硅光电池的输出
电极多做成如图 (c)的形式。
第二十八页，共161页。
4.2 硅光电池
• 硅光电池的工作原理如图 (a)所示,由此可写出 硅光电池的电流方程,即
IL IP ID IP I0 ( e q/k U T 1 )
光电检测 第四章 结 型光电器件
第一页，共161页。
• 半导体结型光电器件利用光生伏特效应工作。
包括： ——光电池;
•
——光电二极管，光电晶体管；
•
——PIN管；
•
——雪崩光电二极管；
•
——象限式光电器件；
•
——位置敏感探测器(PSD)；
ILSEEI0(eqU /k T 1 ) (4-4)
第二十一页，共161页。
结型光电器件工作原理
• 当负载电阻RL断开(IL=0)时,P端对N端的电压称 为开路电压,用UOC表示,由式(4-2)得
UOCkqTln1(IIP0 )
一般情况下,IP>>I0,所以
(4-5)
UOC kqTlnII(P 0)kqTlnS(IE0E)
2）如果工作在反偏置状态,无光照时结电阻很大,电 流很小;有光照时,结电阻变小,电流变大,而且流过它的光
电流随照度变化而变化。这种状态称为光电导工作模式。
第十八页，共161页。
返回
结型光电器件工作原理
•光照下PN结的电流方程
• 有光照时,如图 (a)所示。若PN结外电路 •接上负载电阻RL,此时
•在PN结内会出现两种
第二十七页，共161页。
4.2 硅光电池
硅光电池结构如图(a)所示。图(b)为光电池的电路
符号。
为便于透光和减小串联电阻,一般硅光电池的输出
电极多做成如图 (c)的形式。
第二十八页，共161页。
4.2 硅光电池
• 硅光电池的工作原理如图 (a)所示,由此可写出 硅光电池的电流方程,即
IL IP ID IP I0 ( e q/k U T 1 )
光电检测 第四章 结 型光电器件
第一页，共161页。
• 半导体结型光电器件利用光生伏特效应工作。
包括： ——光电池;
•
——光电二极管，光电晶体管；
•
——PIN管；
•
——雪崩光电二极管；
•
——象限式光电器件；
•
——位置敏感探测器(PSD)；
信息光学-----第4章 光学成像系统的频率特性
只要傍轴条件满足，薄透镜就会以上述形式对Ul(x,y)进行相位变换。
§4-1 透镜的相位变换作用: 广义透镜
任何衍射屏，若其复振幅透过率可写为 的形式，都可看成一个焦距为 f 的透镜
exp
jk
x2 y2 2f
屏的复振幅透过率：
t ( x,
y)
t(r)
1 2
1 2
cos(ar
2
)circ
U (x, y) c
t(x0 ,
y0 ) exp
j2p
x
lf
x0
y
lf
y0 dx0dy0
c'
t(x0, y0 )
fx
x lf
,
f
y
y lf
c'T ( fx,
f )y
f
x
x lf
,
f
y
y lf
只要照明光源和观察平面满足共轭关系，衍射场的复振幅分 布是物函数的准确的傅里叶变换。观察面上空间频率与位置
)
从输入平面出射的光场传播到透镜平面P1，为菲涅耳衍射：
U l(x, y)
A0
jld0 0
t(x0 , y0 ) exp[ jk
x02 2( p
y02 ]exp[ d0 )
jk
(x
x0 )2 ( y' y0 )2 2d 0
]dx0 dy0
略去常数相位因子，Σ0为物函数所在的范围
P2 平面（紧靠透镜后）光场复振幅:
略去常数位相因子 透镜的复振幅透过率或相 位变换因子为：
Ul
' ( x,
y)
Aexp(
jkq) exp
j
k 2q
第四章 光电子器件I-PPT课件
星形耦合器
1
1
M
N
光耦合器
P1/N P1/N
P1/N
2×2
N×N
1×N
N×N 星型耦合器
P
P/N
分
路 损 1l0o耗 N 1 g1l0oN g附加损 1耗 0logiN P 1iP nou,it
多根光纤一起熔融技术难度大，主要是众多光纤之间的耦合 响应控制比较困难，因此难以制作大规模的光耦合器
Voltage
0 Vp
to encoder
Optical pulsed output at 40GHz
Clock signal input at 20GHz
RZ - NRZ Modulator
Clock modulator(RZ)
Data modulator(NRZ)
Integrate both devices on single substrate
y z
Bias Voltage
Modulator Construction
LiNbO3 Material
cuts:
-
+
Байду номын сангаас
-
Z-cut
Z
Z-cut
-
+
-
+- 0.7 fixed chirp
X-cut Z Zero chirp, or
small fixed
chirp
applications
X-cut Waveguide Electrode
100 GHz
WDM 40 Gb/s PSK
例： 这两个低损耗波长 窗口可以容纳 290 个40-Gb/s PSK信号
光电成像
1.直视型光电成像器件与电视型光电型成像器件区别：直视型光电成像器件：1）用于直接观察的仪器中，器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分。
2）工作方式是：通过外光电效应将入射的辐射图像转换为电子图像，而后由电场或电磁场的聚焦加速作用进行能量增强以及通过二次发射作用进行电子倍增，经过增强的电子图像轰击荧光屏，激发荧光屏产生可见光图像。
基本结构包括有：3）基本结构包括有：光电发射体、电子光学系统、微通道板（电子倍增器件）、荧光屏以及保持高真空工作环境的管壳等。
电视型光电成像器件：1）用于电视摄像和热成像系统中。
器件本身的功能是完成将二维空间的可见光图像或辐射图像转换成一维时间的视频电信号。
2) 工作方式：接受二维光学图像或热图像，利用光敏面的光电效应或热电效应将其转换为二维电荷图像并进行适当的时间存储，然后通过电子束扫描或电荷耦合转移等方式，输出一维时间的视频信号。
3）按工作方式可分为：电真空摄像器件；固体摄像器件；4）按工作原理可分为：光电摄像器件；光电导摄像器件；光电增强型摄像器件；热释电摄像器件；固体摄像器件；2.光电成像器件的特性：3.光电成像器件的噪声种类：散粒噪声；产生-复合噪声；温度噪声；热噪声低频噪声、介质损耗噪声等。
第五章1.像管成像的物理过程：1.）将接收的微弱的可见光图像或不可见的辐射图像转换成电子图像；2.）使电子图像聚焦成像并获得能量增强或数量倍增；3.）将获得增强后的电子图像转换成可见的光学图像。
2.外光电效应的特点（两个定律）：1）斯托列托夫定律：当入射光的频率或频谱成分不变时，光电发射体单位时间内发射出的光电子数或饱和光电流IG与入射光的强度成正比；该定律表明：入射光越强，其产生的光电发射越大。
2）爱因斯坦定律：光电发射出来的光电子的最大初动能与入射光的频率成正比，与入射光的强度无关。
该定律表明：当入射频率低于ν0时，不论光强如何都不会产生光电发射。
3.像管的类型:1）工作波段可分为：工作于微弱可见光的像增强器；工作于非可见辐射（近红外、紫外、X射线、γ射线）的变像管。
第四章 光电检测器件
一、响应特性
１．响应度（或称灵敏度）：是光电探测 器输出信号与输入光功率之间关系的度
量。描述的是光电探测器件的光电转换
效率。
– 响应度是随入射光波长变化而变化的
– 响应度分电压响应率和电流响应率
• 电压响应率
光电探测器件输出电压与入射光功率之比Vo V Pi• 电流响应率
光电探测器件输出电流与入射光功率之比
• 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响 对信号特别是微弱信号的正确探测。 • 一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测 系统的噪声所限制。
• 所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减 小和消除噪声是十分重要的问题。
光电探测器常见的噪声
• • • • 热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 1/f噪声
第四章 光电检测器件
• 光电器件的类型与特点 • 光电器件的基本特性参数 • 半导体光电器件
– 光电导器件—光敏电阻 – 光伏器件
• 光电池 • 光电二极管/三极管
• 真空光电器件
– 光电管 – 光电倍增管
• 热电检测器件
– 热释电探测器件
4.2
• • • • •
器件的基本特性参数
响应特性 噪声特性 量子效率 线性度 工作温度
A IΦ E RL U0
图4.3.1 光电管结构示意图
图4.3.2 光电管测量电路图
根据能量守恒定律有
1 m 2 h - A 2
(4.2) 式中，m为电子质量；v为电子逸出的初速度。
由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hν >A。由于不同材料 具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限， 当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射， 此频率限称为“红限”。相应的波长λ K为 hc (4.3) K A 式中，c为光速；A为逸出功。 光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图4.3.2所示。在入射光频率 大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸 引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极 的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图 4.3.2所示的电路中，电流IФ 和电阻RL上的电压降U0就和光强成函数关系，从 而实现光电转换。 阴极材料不同的光电管，具有不同的红限，因此适用于不同的光谱范围。此 外，即使入射光的频率大于红限，并保持其强度不变，但阴极发射的光电子 数量还会随入射光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光 灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是紫 外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意的灵 敏度。
光电成像原理
光电成像原理
21
光电成像器件特性描述
表征光电转换能力：转换系数、灵敏度 表征时间响应的动态特性：惰性、脉冲响应函数、瞬时 调制传递函数 表征噪声特性：噪声特点、信噪比、噪声等效功率 表征图像分辨特性：分辨力、点扩散函数、光学传递函数
说明各项性能参数的物理意义 给出必要的数学描述
光电成像原理
22
光电成像器件的转换特性
特点
基于外光电效应，即光电发射效应
工作于真空环境下
光电成像原理
20
电视型光电成像器件 — 用于电视摄像和热成像系统中
大多基于内光电效应（光电导、光伏）、光
特点
热效应 将二维空间图像转换为一维视频信号 一维信号重现为二维图像需要显像装置 真空器件：光电摄像管、热释电摄像管……
电视型
固体器件：CCD、CMOS、IRFPA
分类
紫外 辐射特性 可见光 红外 微波
光电成像原理
全色 光谱 激光
18
工作模式
主动
被动
成像特点 凝视
挥扫 扫描 推扫
成像系统形式
折射
反射 折反射
光电成像原理
19
变像管：红外、紫外、X射线
光电成像器件 直视型 像增强器：电子倍增……
电视型
直视型光电成像器件 — 用于人眼直接观察的系统中 器件本身具有图像转换、增强及显示部分
R()~曲线称为光谱灵敏度曲线
光电成像原理
27
R、R以及R() 的关系
以电压响应为例
u R P
0 0
du dP
0
P R d
0
P d
光电传感技术第四章-光生伏特器件
1.硅光敏二极管
1)硅光敏二极管的工作原理-基本结构 光敏二极管（photo diode）可分为以P型硅为衬底的2DU型 与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。
在高阻轻掺杂的P型硅片上通过扩散或注入的方式生成很 浅的N型层。在N型层的上面氧化生成极薄的SiO2保护膜，保 护光敏面并增加器件对光的吸收。
雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当。过小时，增 益太小；过大时，噪声大，且电压过高可能使管子被击 穿烧毁。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温 度变化相应调整工作电压。
3. 雪崩光敏二极管
3）噪声
由于雪崩光敏二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运 动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光敏二极管要大些。在无倍增 的情况下，其噪声电流主要为散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光敏二 极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。
2 q ηλ (Φs + Φb ) 2 4 KT∆f I n2 = ∆f + 2qI d ∆f + hc RL
1.硅光敏二极管
光敏二极管正向电阻约10k Ω左右。在无光照情况下， 反向电阻为∞ ；有光照时，反向电阻随光照强度增加而 减小，阻值可达到几k Ω或1k Ω以下。在光照下，其电压 电流与光照强度成比例，电压可达0.2-0.4V。短路电流可 达数十至数百μA。
2.PIN型光敏二极管
为了提高PN结硅光敏二极管的时间响应，消除在PN结 外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成I 型层，构成PIN结构光敏二极管。 PIN光敏二极管在反 向电压作用下，耗尽区 扩展到整个半导体，光 生载流子只产生漂移电 流，因此， 它的时间响 应只取决于τdr 与τRC ，在 10-9s左右。
2）工作原理 在强电场作用下，当通过耗 尽区的每个载流子平均能产生一 对电子—空穴时，就发生雪崩击 穿现象。当M→∞时，PN结上所 加的反向偏压就是雪崩击穿电压 UBR。 从伏-安特性曲线可以看出， 在雪崩击穿点附近电流随偏压变 化的曲线较陡，当反向偏压有较 小变化时，光电流将有较大变化。
第四章光电发射器件
§4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理
二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）
2、光电倍增管的结构 （3）电子倍增极 ②倍增极结构 根据电子倍增极的结构形式，目前光电倍增管的倍增极分为 六种形式：鼠笼式、瓦片静电聚焦型、盒栅式、百叶窗式、近贴 栅式和微通道板式。
§4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理
真空光电器件
光电管→被半导体器件取代 光电倍增管
特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小
在探测微弱光信号及快速脉冲光信号方面应用很多。
缺点：结构复杂，工作电压高，体积大
本章内容
4.1 光电阴极 4.2 光电管和光电倍增管结构原理 4.3 光电倍增管的主要特性参数 4.4 光电倍增管的工作电路
二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）
2、光电倍增管的结构 （3）电子倍增极 ②倍增极结构
A
鼠笼式
K
D8
D7
D6
D1
D2
D5
D4
D3
§4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理
二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）
2、光电倍增管的结构 （3）电子倍增极
§4.1 光电发射阴极
光电发射阴极的主要作用是吸收光子能量发射光 电子，是我们光电效应发生的区域。 常将半导体发射材料涂于玻壳 内壁，构成光电阴极； 而阳极是金属环或者金属网， 在其对面。 光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能
好坏直接影响整个光电发射器件的性能！！！
§4.1 光电发射阴极
一、光电发射阴极的主要特性参数 1、灵敏度 光电发射阴极的灵敏度包括光谱灵敏度与积分灵敏度两类。
光电成像器件的类型及特点
光电成像器件利用光电效应将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可观察、记录、传输、存储以及可进行处理的图像的器件系列的总称。
其目的在于弥补人眼在灵敏度、响应波段、细节的视见能力以及空间和时间上的局限等方面的不足。
最早的一种光电成像器件──光电析像管出现于1931年。
目前，各种类型的光电成像器件已广泛应用于天文学、空间科学、X 射线放射学、夜间观察、高速摄影以及科学实验中。
按工作原理，光电成像器件可分为像管、摄像管和固体成像器件。
1、像管 各种类型的变像管、像增强器的电子照相管的总称。
它将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可直接观察或记录的图像。
其工作原理是将投射在光电阴极上的辐射图像转换为电子图像，电子光学系统将此图像尽可能真实地转移到荧光屏上产生一个增强的光学图像（如变像管和像增强器）或记录在对高速电子敏感的胶片上（如电子照相管）。
a、变像管 一种把非可见（红外或紫外）辐射图像转换成可见光图像的器件。
图1a[变像管]示出了利用银氧铯光电阴极的红外变像管，它通常用于主动红外夜视中。
图1b[变像管]为一种用于高速摄影的变像管。
图1 变像管b、像增强器 一种将微弱的光学图像增强为高亮度的可见光图像的器件。
它广泛用于微光夜视中。
其光敏面通常采用钠钾铯锑多碱光电阴极。
获得高亮度增益的方式有级联和使用电子倍增器两种。
实现级联的方式也有两种：一种是在同一管壳内用薄的云母片作为支撑体，其两侧分别制作光电阴极和荧光屏,形成夹心倍增屏结构,以实现各级像管之间的耦合。
磁聚焦像增强器大都采用这种方式。
另一种是采用纤维光学面板将单个静电聚焦型像增强管耦合在一起，如纤维光学耦合三级级联像增强器，它通常称为第一代像增强器，如图2[ 纤维光学耦合三级级联像增强器]所示。
25/25毫米第一代像增强器的典型性能是：放大率 =0.85，分辨率 28线对/毫米，亮度增益5×10，等效背景照度2×10勒克斯。
图2 纤维光学耦合三级级联像增强器在管内获得电子倍增的一条途径是在单级像增强管中插入电子倍增器，曾用过氯化钾薄膜，目前均使用微通道板电子倍增器,微通道板(MCP)是由数以百万计的微型通道电子倍增器的通道紧密排列而成的二维阵列器件。