光电成像器件.pptx
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1、第2页/共31页第1页/共31页第3页/共31页第2页/共31页第二节 光电成像原理与电视摄像制式 一、光电成像原理光电成像系统由光学成像系统、光电变换器、同步扫描和控制系统、视频信号处理系统和荧光显示系统构成。二、电视制式1.电视画面的宽高比2.帧频与场频扫描行数与行频第4页/共31页第3页/共31页光电成像系统构成:光电成像系统构成:光学成像系统光学成像系统光电变换系统光电变换系统同步扫描和控制系统同步扫描和控制系统视频信号处理系统视频信号处理系统荧光显示系统荧光显示系统第5页/共31页第4页/共31页6.3 电荷耦合器件CCD以电荷作为信号。基本功能是电荷的存储和转移,因此,CCD的工作
2、过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。6.3.1 电荷耦合器件原理1、电荷存储第6页/共31页第5页/共31页第7页/共31页第6页/共31页2、电荷耦合第8页/共31页第7页/共31页3、电荷的注入和检测1.电荷的注入光注入电注入第9页/共31页第8页/共31页2.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第10页/共31页第9页/共31页6.3.2、CCD的特性参数1、转移效率 转移损失率2、工作频率第11页/共31页第10页/共31页3、电荷贮存容量:表示在电极下的势阱中能容纳的电荷量。如果SiO2氧化层的厚度为d,则每一个电极下的势阱中,最大电荷贮存容
3、量:4、CCD的噪声 散粒噪声、转移噪声及热噪声。第12页/共31页第11页/共31页6.3.3 电荷耦合摄像器件工作原理1 线型CCD摄像器件:两种基本形式2 面阵ICCD帧转移面阵ICCD隔列转移型面阵ICCD线转移型面阵ICCD第13页/共31页第12页/共31页第14页/共31页第13页/共31页4.ICCD的基本特性参数光电转换特性光谱响应动态范围陷阱的最大电荷存储量噪声暗电流分辨力第15页/共31页第14页/共31页15 在表面电极加正偏压时(N型衬底加负偏压),P型衬底中形成耗尽层(势阱),耗尽层的深度随正偏电压升高而增大。衬底中的少数载流子电子被吸引到最深的势阱,但是没有源极提
4、供电子,靠本身的少数载流子形成导电沟道的时间很长,需要零点几秒甚至几十秒。所以不会形成导电沟道。第16页/共31页第15页/共31页162、电荷的储存 若P2的电位比其他相邻的两个电极都高,则电极P2下面的耗尽层要比其他电极下的耗尽层深,形成势阱。若势阱边缘两侧有负电荷存在,在电场力作用下,会落入势阱,储存起来。因为衬底本身的少数载流子自由电子不能马上填满势阱,而数字系统的时钟脉冲周期远小于十分之几秒,因此在时钟脉冲控制下,势阱中的电荷只与是否有电荷注入(输入信息),而与衬底本身无关。第17页/共31页第16页/共31页173、电荷的定向转移 每一个像素上有三个金属电极P1、P2、P3,依次在
5、其上施加三个相位不同控制脉冲1、2、3(三相时钟脉冲控制)。输入栅加高电压,电荷通过输入二极管注入。设t0时刻,P1到达最高正电压,其下方形成的势阱最深,电荷被吸引到P1下方形成电荷包。t1时刻P2上加上和P1相等的高电压,则在两电极下同时形成势阱(势阱耦合),电荷在两电极下分布。t2时刻,P1回到低电位,电荷包全部落入P2下的势阱。然后电荷移动到P3下形成电荷包。这样电荷由CCD一端移至终端。这时在输出栅上加高电压,使输出二极管反偏收集电荷,并将电荷送至放大器。第18页/共31页第17页/共31页18二、线型CCD图像传感器基本结构 线型CCD图像传感器由一行光敏元件与一行CCD并行且对应地
6、构成一个主体。在他们之间设有一个转移控制栅(对应CCD上的电极)。每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极(对应于输入栅),由一个P型沟阻使电气上隔开。当光照射到光敏元件(如光敏二极管)时,且梳状电极加高电压,光敏元件聚集光电荷。光电荷与光照强度和光照时间成比例。光照结束后,转移栅上电平提高,然后降低梳状电极电压,各光敏元件中积累的光电荷并行转移到移位寄存器中(电荷的储存)。转移完毕后,转移栅电平降低,梳状电极电压升高,准备接受下一次光照信号。同时在移位寄存器上加时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。第19页/共31页第18页/共31页19线型CCD主要应用于扫描仪和传真机,下面简单
7、介绍扫描仪的工作原理。平板式扫描仪的外部结构上盖主要是将要扫描的原稿压紧,以防止扫描灯光线泄露。原稿台主要是用来放置扫描原稿的地方,其四周设有标尺线以方便原稿放置 第20页/共31页第19页/共31页20平板式扫描仪的内部结构(反射型)扫描头的光源一般采用冷阴极辉光放电灯管,灯管两端没有灯丝,只有一根电极 反光镜将原稿的信息反射到镜头上,由镜头将扫描信息传送到CCD感光器件,最后由CCD将照射到的光信号转换为电信号。扫描精度即是指扫描仪的光学分辨率,主要是由镜头的质量和CCD的数量决定。由于受制造工艺的限制,目前普通扫描头的最高分辨率为20000像素 第21页/共31页第20页/共31页21扫
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