光电成像系统
[教学目的]
1、掌握CCD的结构和工作原理、光电成像原理、光电成像光学系统；
2、了解微光像增强器件和纤维光学成像原理。 [教学重点与难点]
重点：CCD的结构和工作原理、光电成像原理、光电成像光学系统的组成。
难点：CCD的结构和工作原理、调制传递函数的分析。
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）
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)噪声信号显示器信号人眼噪声物体(信号源)
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。
固体摄像器件主要有三大类：
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 Injenction Device，即CID） 一、电荷耦合摄像器件
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 1. 电荷耦合器件的基本原理 （1）电荷存储
构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器 电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态 （2）电荷转移
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
体内沟道（或埋沟道CCD）
即 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
（3）电荷检测
浮置扩散输出
CCD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。 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
按结构可分为线阵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 （1）线阵CCD
线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构
（2）面阵CCD
常见的面阵CCD摄像器件有两种：行间转移结构与帧转移结构。
二、电荷耦合摄像器件的特性参数 1. 转移效率
电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有?部分的电荷转移过去，余下?部分没有被转移，?称转移损失率。
??1??
一个电荷量为Qo的电荷包，经过n次转移后的输出电荷量应为： 总效率为：
Qn/Qo?? 2. 不均匀度
光敏元的不均匀与CCD的不均匀。
本节讨论光敏元的不均匀性，认为CCD是近似均匀的，即每次转移的效率是一样的。
光敏元响应的不均匀是由于工艺过程及材料不均匀引起的，越是
nQn?Qo?n