光电成像器件精品课件.ppt

1、光电探测器光电探测器光电成像器件光电成像器件微光夜瞄镜微光夜瞄镜 微光夜视眼镜微光夜视眼镜热像仪热像仪光电探测器：光电探测器：单元器件单元器件 “点源点源”探测，跟踪制导等探测，跟踪制导等AIM-9M红外制导导弹红外制导导弹点击图片播放光电成像器件：光电成像器件：阵列器件阵列器件 “面源面源”探测，目标识别探测，目标识别等等成像制导攻击目标成像制导攻击目标点击图片播放理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0707章章 光电成像器件光电成像器件夜视仪夜视仪输出图像信号：输出图像信号：直视型光电成像器件直视型光电成像器件理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0707章章 光

2、电成像器件光电成像器件输出视频信号：输出视频信号：摄像型光电成像器件摄像型光电成像器件摄像头摄像头理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0707章章 光电成像器件光电成像器件光电成像器件是一类能够输出光电成像器件是一类能够输出图像信息图像信息（图像或视（图像或视频信号）的功能器件，也称频信号）的功能器件，也称光电图像传感器光电图像传感器 。Photoelectronic Imaging Devices 光光电电成成像像器器件件摄像型：摄像型：直视型：直视型：像像 管管变像管变像管像增强管像增强管电真空摄像管电真空摄像管固体摄像器件固体摄像器件摄像管摄像管理学院理学院 光电子与物理学

3、系光电子与物理学系第第0707章章 光电成像器件光电成像器件7.1 像管（变像管和像增强器）像管（变像管和像增强器）7.2 电真空摄像管电真空摄像管7.3 固体成像器件固体成像器件理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.1 像管（变像管和像增强器）像管（变像管和像增强器）7.1.1像管基本结构原理像管基本结构原理7.1.2变变 像像 管管7.1.3像像 增增 强强 器器理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系三个基本部分：三个基本部分：光电变换部分光电变换部分电子光学部分电子光学部分 电光变换部分电光变换部分7.1 像管像管7.1.1像管基本结构原理像管基本结构原理理学院理学院

4、 光电子与物理学系光电子与物理学系1、光电阴极、光电阴极7.1 像管像管7.1.1像管基本结构原理像管基本结构原理2、电子光学系统、电子光学系统 静电系统、电磁复合系统静电系统、电磁复合系统3、荧光屏、荧光屏理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1、光谱响应特性和光谱匹配因数、光谱响应特性和光谱匹配因数7.1 像管像管7.1.2像管的主要特征参数像管的主要特征参数光谱匹配光谱匹配积分灵敏度积分灵敏度mISS理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系2、增益特性、增益特性7.1 像管像管7.1.2像管的主要特征参数像管的主要特征参数3、等效背景照度、等效背景照度aaLkkMLGEEb

5、bLLEG理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系4、像管的成像特性、像管的成像特性1）放大率与畸变）放大率与畸变2）分辨率）分辨率a.极限分辨率极限分辨率b.MTF7.1 像管像管7.1.2像管的主要特征参数像管的主要特征参数00100%rrD100%oiMMTFM7.1.3变像管变像管变像管变像管 不可见光图像不可见光图像 可见光图像可见光图像红外夜视仪 7.1 像管像管理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.1.2变像管变像管基本变像方基本变像方法法 直接变像直接变像（依光波长改变光电阴极材料）（依光波长改变光电阴极材料）近红外光像近红外光像1.15m紫外光像紫外光像2V

6、5V1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系CCD电荷存储电荷存储电荷转移电荷转移电荷注入电荷注入电荷输出电荷输出7.3.1 电荷耦合器件电荷耦合器件1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理小小 结：结：理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3.1 电荷耦合器件电荷耦合器件1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理为什么称为为什么称为电荷电荷耦合耦合器件？器件？电荷电荷器件中的信息是以器件中的信息是以电荷电荷形式出现形式出现的，不同于其他探测器的的，不同于其他探测器的“电流电流”或或“电电压压”耦合耦合器件内部信息的传递是通过势阱器

7、件内部信息的传递是通过势阱的的藕合藕合完成的，完全不同于电子枪的完成的，完全不同于电子枪的“扫扫描输出描输出”形式形式理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3.1 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD 器件）器件）Charge Coupled Devie 简称简称CCD1.CCD的结构与工作原理的结构与工作原理2.CCD的特性参数的特性参数3.CCD摄像器件摄像器件理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3.1 电荷耦合器件电荷耦合器件2.CCD的主要特性参数的主要特性参数1.转移效率，损耗率转移效率，损耗率2.暗电流暗电流3.灵敏度和量子效率灵敏度和量子效率4.光谱响应特

8、性光谱响应特性5.CCD噪声噪声6.分辨率分辨率7.工作频率工作频率8.动态范围动态范围7.3.1 电荷耦合器件电荷耦合器件2.CCD的特性参数的特性参数1)转移效率，损耗率转移效率，损耗率)0()()0(QtQQ)0(/)(QtQ 总总=n 例：例：=0.999，二相，二相1024器件，器件，总总 电电 荷荷成像区成像区 暂存区暂存区 场正程场正程电荷平移电荷平移输出信号输出信号 CCD摄像器件摄像器件扫描输出扫描输出的特点的特点CCD摄像管摄像管 微电子电路微电子电路按规律发出按规律发出脉冲脉冲扫描输出电信号扫描输出电信号微微电电子子电电路路脉脉冲冲信信号号光敏区光敏区暂存区暂存区输出端输

9、出端3.CCD摄像器件摄像器件 自 扫 描电真空摄像器件电真空摄像器件扫描输出扫描输出的特点的特点电真空摄像管电真空摄像管 电子枪电子枪按规律偏转按规律偏转电子束电子束扫描输出电信号扫描输出电信号电子枪电子枪3.CCD摄像器件摄像器件对比：二者对比：二者扫描方式扫描方式的差别的差别CCD摄像管摄像管 微电子电路微电子电路按规律发出按规律发出脉冲脉冲扫描输出电信号扫描输出电信号电真空摄像管电真空摄像管 电子枪电子枪按规律偏转按规律偏转电子束电子束扫描输出电信号扫描输出电信号3.CCD摄像器件摄像器件 电真空摄像管由于其电真空摄像管由于其重量重量和和体积体积的限制，其研的限制，其研究与发展已经告一

10、段落，它正逐步被究与发展已经告一段落，它正逐步被固体摄像器件固体摄像器件所代替。所代替。理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系4)微光微光CCD摄像器件摄像器件 分类：分类：1 1、像增强器与、像增强器与CCDCCD耦合耦合2 2、电子轰击型、电子轰击型CCDCCD（EBCCDEBCCD）3 3、电子倍增、电子倍增CCDCCD（EMCCDEMCCD）3.CCD摄像器件摄像器件用于成像用于成像CCD微光电视摄像微光电视摄像3.CCD摄像器件摄像器件像增强器与CCD芯片的耦合（光学耦合）CCD芯片芯片例例1：CCD微光电视摄像微光电视摄像3.CCD摄像器件摄像器件例例2：用于测量：用于测量

11、CCD玻璃管测控仪玻璃管测控仪（生产线）（生产线）测量尺寸及精度要求：测量尺寸及精度要求：外径外径200.3mm、280.4mm 壁厚（壁厚（1.20.05）mm、（、（20.07）mm3.CCD摄像器件摄像器件光强均匀的平行光束 照射玻璃管 线阵CCD输出信号波形 电视型成像器件电视型成像器件小结：小结：1.电视制式：电视制式：扫描、行、帧、场扫描、行、帧、场3.CCD成像器件：成像器件：单元结构、转移、自扫描单元结构、转移、自扫描2.电真空摄像管：电真空摄像管：电子枪、扫描电子枪、扫描4.CMOS图像传感器图像传感器5.IRFPA阵列器件阵列器件理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学

12、系7.3 固体成像器件固体成像器件7.3.1 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD 器件）器件）7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器7.3.3 红外焦平面阵列器件（红外焦平面阵列器件（IRFPA）7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器Complementary Metal Oxide Semiconductor 简称简称 CMOS特点：成品率高、价格低廉，像质量？特点：成品率高、价格低廉，像质量？CMOS数码相机数码相机1.CMOS成像器件结构成像器件结构:信号读出信号读出采用采用XY寻址方式寻址方式，具有具有读出任意局部画面读出任意局部画面的能力的能力 7.3.2 CMOS图像传感器图像

13、传感器2.CMOS成像器件原理成像器件原理:信号读出信号读出采用采用XY寻址方式寻址方式，具有具有读出任意局部画面读出任意局部画面的能力的能力 7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器3.CMOS成像器件单元结构成像器件单元结构:被动像敏单元结构被动像敏单元结构 主动像敏单元结构主动像敏单元结构 像敏单元像敏单元选址模拟开关选址模拟开关 压降压降暗电流暗电流附加噪声附加噪声7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器4.CMOS成像器件与成像器件与CCD成像器件成像器件:最大差异：最大差异：单元结构（带放大器）单元结构（带放大器）信号寻址读出与信号顺序读出信号寻址读出与信号顺序读出应用差异：应用差

14、异：CCD低噪声、高分辨率、高灵敏度等高画质性能低噪声、高分辨率、高灵敏度等高画质性能占据图像传感器占据图像传感器高端市场高端市场；CMOS 高集成度、高速、小体积、低价格等特点高集成度、高速、小体积、低价格等特点占据占据低端市场低端市场大的份额。大的份额。7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系7.3 固体成像器件固体成像器件7.3.1 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD 器件）器件）7.3.2 CMOS图像传感器图像传感器7.3.3 红外焦平面阵列器件（红外焦平面阵列器件（IRFPA）7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件uIRFPA技术的来

15、由技术的来由u常用光波波段常用光波波段u主要用途主要用途 Infrared-Ray Focus Plane Array -简称简称IRFPA1.IRFPA技术的来由技术的来由成像系统成像系统物空间和像空间的对应关系物空间和像空间的对应关系1 1：物平面；：物平面；2 2：单元探测器在物空间的投影；：单元探测器在物空间的投影；3 3：聚：聚焦系统；焦系统；4 4：像平面；：像平面；5 5：单元探测器；：单元探测器；6 6：线阵探测：线阵探测器在物空间的投影；器在物空间的投影；7 7：线阵探测器：线阵探测器12354677.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件早期红外成象系统：早期红外成象系统：二

16、维图象光学机械扫描电路处理图象再现单元红外探测器二维图象电路处理图象再现红外探测器面阵+CCDIRFPA成像系统：7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件1.IRFPA技术的来由技术的来由摄像机核心部件：摄像机核心部件：红外探测器阵列红外探测器阵列 SiSiCCDCCD面阵面阵7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件2.IRFPA的结构的结构红外探测器阵列红外探测器阵列 Si SiCCDCCD面阵面阵目前常用和比较成熟的技术目前常用和比较成熟的技术 3.IRFPA常用光波波段常用光波波段1-3微米微米 InGaAs3-5微米微米 PtSi,InSb8-1

17、4微米微米 HgCdTe在常用大气窗口波段在常用大气窗口波段分别由下列材料构成光电探测器面阵：分别由下列材料构成光电探测器面阵：7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件4.IRFPA的发展现状的发展现状 光子类探测器光子类探测器IRFPA：灵敏度较高，制冷，灵敏度较高，制冷，价格低价格低 近红外与中红外的近红外与中红外的19681968硅肖特基势垒硅肖特基势垒IRFPA，像元，像元1717m2（640480，812m）的）的HgCdTe探测器探测器 IRFPA 光热类探测器光热类探测器IRFPA：灵敏度较低，非制冷，灵敏度较低，非制冷，价格低价格低 328245的铌酸锶钡（的铌酸锶钡（SBN）

18、热释电探测器）热释电探测器RFPA，像元，像元2828m2。7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件5.IRFPA的应用的应用 7.3.3 红外焦平面器件红外焦平面器件主要用途：主要用途：地球资源探测、红外成象、跟踪、制导等地球资源探测、红外成象、跟踪、制导等变压器的热图变压器的热图 隐藏在草丛中的人的热图隐藏在草丛中的人的热图 本章小结本章小结1、光电成像器件输出图像信息的器件：、光电成像器件输出图像信息的器件：直视型、摄像型直视型、摄像型2、像管、像管 变像管和像增强器变像管和像增强器 微通道板像增强器微通道板像增强器3、电真空摄像管、电真空摄像管 光学图像转换为视频信号光学图像转换为视频信号4、固体摄像器件、固体摄像器件CCD、CMOS和和IRFPA.自扫描技术自扫描技术随着半导体及集成电路工艺的发展，随着半导体及集成电路工艺的发展，CCD、CMOS等固体摄像器件凭借其多种优越性而逐步成为摄像等固体摄像器件凭借其多种优越性而逐步成为摄像器件应用领域中的器件应用领域中的主流器件主流器件。