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5 光电成像器件 第一节、概述 第二节、光电成像原理 第三节、真空摄像管 第四节、电荷耦合器件 一、CCD单元结构 二、电荷存储 三、电荷转移 四、电荷的注入与检测 五、CCD的特性参数 六、电荷耦合摄像器件 第五节、变像管和像增强管 一、典型结构与工作原理 二、性能参数 三、变像管 四、像增强管 现在固件摄象器件中的感光元件都是用半导体硅材料来作的，所以灵敏范围为0.4 μm ～1.15μm左右，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利，峰值波长为0.65 μm ～0.9μm左右。 在低照度下，CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过1001x以后，输出有饱和现象。 电荷耦合摄像器件是用于摄像或像敏的器件，简称ICCD。它的功能是把二维光学图像信号转变成一维时序的视频信号输出。 它的工作原理是用光学成像系统将景物图像成像在CCD的像敏面上，像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元中。然后，再转移到CCD的移位寄存器（转移电极下的势阱）中，在驱动脉冲的作用下有顺序地移出器件，成为视频信号。 实用固体摄象器件都是在一块硅片上同时制作出光电二极管阵列和CCD移位寄存器两部分。光电二极管阵列专门用来完成光电变换和光积分， CCD移位寄存器专门用来完成光生电荷转移。因为这种转移不是借助于外来的扫描，而是依靠驱动脉冲来完成的，故也称为自扫描。根据光敏象素的排列方式，CCD摄象器件分为线阵列和面阵列两大类。 线型器件可以直接接受一维光信息，而不能直接将二维图像转变为视频信号输出。为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方式来实现。 ⑴线型CCD摄像器件： 特点：单侧传输的特点是结构简单，但电荷包转移所经过的极板数多，传输效率低。双侧传输的特点是结构复杂一些，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧传输的一半，所以损耗小，传输效率高。一般光敏元位数少的片子，多采用单侧传输结构，而位数多的片子，则多采用双侧传输结构。 结构种类：对于线阵列CCD摄象器件来说，不论是三相的还是二相的，都有单侧传输和双侧传输两种结构形式。 工作过程： ①光电二极管阵列和CCD移位寄存器统一集成在一块半导体硅片上，分别由不同的脉冲驱动。设衬底为P－Si，光电二极管阵列中各单元彼此被SiO2隔离开，排成一行，每个光电二极管即为一个象素。各光电二极管的光电变换作用和光生电荷的存储作用，与分立元件时的原理相同。 如图中φp（行扫描电压）为高电平时，各光电二极管为反偏置，光生的电子空穴对中的空穴被PN结的内电场推斥，通过衬底入地，而电子则积存于PN结的耗尽区中。在入射光的持续照射下，内电场的分离作用也在持续地进行，从而即可得到光生电荷的积累。 ??? ②转移栅（φx）由铝条或多晶硅构成，转移栅接低电平时，在它下面的衬底中将形成高势垒，使光电二极管阵列与CCD移位寄存器彼此隔离。转移栅接高电平时，它下面衬底中的势垒被拆除，成为光生电荷（电荷包）流入CCD的通道。这时，电荷包并行地流入CCD移位寄存器，接着，在驱动脉冲的作用下，电荷包按着它在CCD中的空间顺序，通过输出机构串行地转移出去。 ??? ③对于二相CCD，时钟电压波形，每变化T/2，电荷包将转移过一个极板，变化一个周期，则转移过二个极板。因为二相CCD是二个极板对应着一个光敏元，所以时钟波形变化一个周期，电荷包所转移过的空间距离也是一个光敏元的中心距。对于三相CCD，时钟电压波形每变化T/3周期，电荷包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过三个极板，时钟电压波形变化一个周期，电荷包所转移过的空间距离，正好是一个光敏元的中心距。这就是线阵列固体摄象器件大致的工作过程。 ⑵面型CCD摄像器件： 二维固体摄象器件中，电荷包转移情况与线阵列器件类似，只是它的形式较多。有的结构简单，但摄象质量不好，有的摄象质量好些，但驱动电路复杂，目前比较常用的形式是帧转移结构。 光敏区是由光敏CCD阵列构成的，其作用是光电变换和在自扫描正程时间内进行光积分，暂存区是由遮光的CCD构成的，它的位数和光敏区一一对应，其作用是在自扫描逆程时间内，迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移到它里面暂存起来。然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而暂存区则利用这个时间，将电荷包一次一行地转移给CCD移位寄存器，变为串行信号输出。当CCD移位寄存器将其中的电荷包输出完了以后，暂存区里的电荷包再向下移动一行给CCD移位寄存器。当暂存区中的电荷包全部转移完毕后，再进行第二帧转移。 ???? ICCD中，电荷包是由入射光子被硅衬底吸收所产生的少数载流子形成的。它有良好的转换特性，它的光电转换因子