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光电子技术光电子技术复习专题二复习专题二第1页第三章第三章怎样正确了解光电二极管全电流方程？怎样正确了解光电二极管全电流方程？在无辐射作用情况下（暗室中），PN结硅光电二极管正、反向特征与普通PN结二极管特征一样，如图3-2所表示。其电流方程为（3-1）ID为U为负值（反向偏置时）且 时(室温下kT/q0.26mV，很轻易满足这个条件)电流，称为反向电流或暗电流。第2页当光辐射作用到如图3-1（b）所表示光电二极管上时，光电二极管全电流方程为式中为光电材料光电转换效率，为材料对光吸收系数。（3-2）第3页怎样正确了解光电二极管灵敏度：怎样正确了解光电二极管灵敏度：1.光电二极管灵敏度 定义光电二极管电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量改变（比如通量改变d）引发电流改变dI与辐射量改变之比。（3-3）第4页 显然，当某波长辐射作用于光电二极管时，其电流灵敏度为与材料相关常数，表征光电二极管光电转换特征线性关系。必须指出，电流灵敏度与入射辐射波长关系是复杂，定义光电二极管电流灵敏度时通常定义其峰值响应波长电流灵敏度为光电二极管电流灵敏度。在式（3-3）中，表面上看它与波长成正比，不过，材料吸收系数还隐含着与入射辐射波长关系。所以，常把光电二极管电流灵敏度与波长关系曲线称为光谱响应光谱响应。第5页光电二极管噪声光电二极管噪声 光电二极管噪声包含低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT等3种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管主要噪声，低频噪声和热噪声为其次要原因。散粒噪声是因为电流在半导体内散粒效应引发，它与电流关系(3-6)光电二极管电流应包含暗电流Id、信号电流Is和背景辐射引发背景光电流Ib，所以散粒噪声应为(3-7)第6页 依据电流方程，并考虑反向偏置情况，光电二极管电流与入射辐射关系，得到(3-8)再考虑负载电阻RL热噪声(3-9)当前，用来制造PN结型光电二极管半导体材料主要有硅、锗、硒和砷化镓等，用不一样材料制造光电二极管含有不一样特征。第7页 噪声噪声 因为雪崩光电二极管中载流子碰撞电离是不规则，碰撞后运动方向更是随机，所以它噪声比普通光电二极管要大些。在无倍增情况下，其噪声电流主要为如式（3-6）所表示散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管噪声电流均方根值可近似由下式计算。（3-15）式中指数n与雪崩光电二极管材料相关。对于锗管，n=3；对于硅管为2.3n2.5。显然，因为信号电流按M倍增加，而噪声电流按Mn/2倍增加。所以，伴随M增加，噪声电流比信号电流增加得更加快。第8页第9页第10页第11页第12页第13页第14页第15页第16页热敏电阻热敏电阻v5.2.1 热敏电阻 1.热敏电阻及其特点凡吸收入射辐射后引发温升而使电阻改变，造成负载电阻两端电压改变，并给出电信号器件叫做热敏电阻。相对于普通金属电阻，热敏电阻具备以下特点：热敏电阻温度系数大，灵敏度高，热敏电阻温度系数常比普通金属电阻大10100倍。结构简单，体积小，能够测量近似几何点温度。电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。阻值与温度改变关系呈非线性。不足之处是稳定性和交换性较差。第17页 2.热敏电阻原理、结构及材料 大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定百分比混合，经高温烧结而成。多数热敏电阻含有负温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降。因为这个原因，限制了它在高温情况下使用。半导体材料对光吸收除了直接产生光生载流子本征吸收和杂质吸收外，还有不直接产生载流子晶格吸收和自由电子吸收等，而且不一样程度地转变为热能，引发晶格振动加剧，器件温度上升，即器件电阻值发生改变。因为热敏电阻晶格吸收，对任何能量辐射都能够使晶格振动加剧，只是吸收不一样波长辐射，晶格振动加剧程度不一样而已，所以，热敏电阻无选择性地吸收各种波长辐射，能够说它是一个无选择性光敏电阻。第18页 普通金属能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光作用引发自由电子密度相对改变较半导体而言可忽略不计。相反，吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子作定向运动。所以，当光作用于金属元件使其温度升高，其电阻值还略有增加，也即由金属材料组成热敏电阻含有正温度系数，而由半导体材料组成热敏电阻含有负温度特征。图5-1所表示分别为半导体材料和金属材料（白金）温度特征曲线。白金电阻温度系数为正值，大约为0.37%左右；将金属氧化物（如铜氧化物，锰-镍-钴氧化物）粉末用黏合剂黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即组成半导体材料热敏电阻。半导体材料热敏电阻温度系数为负值，大约为-3%-6%，约为白金10倍以上。所以热敏电阻探测器惯用半导体材料制作而极少采取珍贵金属。第19页较大温升）粘合在导热能力高绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极方便与外电路连接，再把衬底同一个热容很大、导热性能良好金属相连组成热敏电阻。红外辐射经过探测窗口投射到热敏元件上，引发元件电阻改变。为了提升热敏元件接收辐射能力，常将热敏元件表面进行黑化处理。由热敏材料制成厚度为0.01mm左右薄片电阻（因为在相同入射辐射下得到第20页 热敏电阻参数热敏电阻参数 热敏电阻探测器主要参数有：（1）电阻-温度特征热敏电阻阻温特征是指实际阻值与电阻体温度之间依赖关系，这是它基本特征之一。电阻温度特征曲线如图5-1所表示。热敏电阻器实际阻值RT与其本身温度T关系有正温度系数与负温度系数两种，分别表示为：正温度系数热敏电阻（5-16）负温度系数热敏电阻（5-17）式中，RT为绝对温度T时实际电阻值；分别为背景环境温度下阻值，为与电阻几何尺寸和材料物理特征相关常数；A、B为材料常数。第21页对于正温度系数热敏电阻有对于负温度系数热敏电阻有式中，RT为环境温度为热力学温度T时测得实际阻值。由式（5-16）和（5-17）可分别求出正、负温度系数热敏电阻温度系数aT。aT表示温度改变1时，热电阻实际阻值相对改变为式中，aT和RT为对应于温度T（K）时热电阻温度系数和阻值。第22页对于正温度系数热敏电阻温度系数为aT=A（5-19）对于负温度系数热敏电阻温度系数为（5-20）可见，在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻aT在数值上等于常数A，负温度系数热敏电阻aT随温度T改变很大，并与材料常数B成正比。所以，通常在给出热敏电阻温度系数同时，必须指出测量时湿度。材料常数B是用来描述热敏电阻材料物理特征一个参数，又称为热灵敏指标。在工作温度范围内，B值并不是一个严格常数,而是随温度升高而略有增大，普通说来，B值大电阻率也高，对于负温度系数热敏电阻器，B值可按下式计算：第23页v（2）热敏电阻阻值改变量（5-21）已知热敏电阻温度系数aT后，当热敏电阻接收入射辐射后温度改变T，则阻值改变量为 RT=RTaTT式中，RT为温度T时电阻值，上式只有在T不大条件下才能成立。l（3）热敏电阻输出特征 热敏电阻电路如图5-5所表示，图中 ，。若在热敏电阻上加上偏压Ubb之后，因为辐射照射使热敏电阻值改变，因而负载电阻电压增量第24页热释电效应原理热释电效应原理 热释电器件是一个利用热释电效应热释电效应制成热探测器件。与其它热探测器相比，热释电器件含有以下优点：含有较宽频率响应，工作频率靠近兆赫兹，远远超出其它热探测器工作频率。普通热探测器时间常数经典值在10.01s范围内，而热释电器件有效时间常数可低达10-4310-5s；热释电器件探测率高，在热探测器中只有气动探测器D*才比热释电器件稍高，且这一差距正在不停减小；热释电器件能够有大面积均匀敏感面，而且工作时能够不外加接偏置电压；第25页v5.3.1 热释电器件基本工作原理 与5.2节讨论热敏电阻相比，它受环境温度改变影响更小；热释电器件强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，且制造比较轻易。1.热释电效应 电介质内部没有自由载流子，没有导电能力。不过，它也是由带电粒子（价电子和原子核）组成，在外加电场情况下，带电粒子也要受到电场力作用，使其运动发生改变。比如，在如图5-12所表示电介质上下两侧加上如图所表示电场后，电介质产生极化现象电介质产生极化现象，从电场加入到电极化状态建立起来这段时间内电介质内部电荷适应电场运动相当于电荷沿电力线方向运动，也是一个电流称为“位移位移电流电流”，该电流在电极化完成即告停顿。第26页位移电流位移电流Id-位移电流位移电流在充放电过程中：在充放电过程中：S777I第27页第28页第29页第30页第31页第32页第33页第34页第35页第36页第37页第38页第39页第40页第41页第42页液晶显示器液晶显示器（LCDLCD）液晶：液晶：一些有机化合物既一些有机化合物既含有液态流动性，又含有含有液态流动性，又含有晶体各向异性。晶体各向异性。微小外部能量微小外部能量电场、磁场、热能等电场、磁场、热能等就能实现各分子状态间转变，从而引发就能实现各分子状态间转变，从而引发液晶光、电、磁物理性质发生改变。液晶光、电、磁物理性质发生改变。液晶分子形状呈棒状，宽液晶分子形状呈棒状，宽约十分之几纳米，长为数约十分之几纳米，长为数纳米。纳米。液晶材料用于显示是利用它在液晶材料用于显示是利用它在电场作用下，光学性质发生改变电场作用下，光学性质发生改变从而从而对外部入射光对外部入射光产生调制。产生调制。第43页实用中是用实用中是用3030各种单质液晶组成混合液晶。各种单质液晶组成混合液晶。向列相液晶分子是液向列相液晶分子是液晶显示主要材料晶显示主要材料。第44页一、线偏振光在向列液晶中传输一、线偏振光在向列液晶中传输关于关于液晶介电常数液晶介电常数；定义：；定义：P P型液晶；型液晶；外电场作用时，分子长轴外电场作用时，分子长轴方向与外电场平行。方向与外电场平行。N N型液晶型液晶；外电场作用时，分子长轴外电场作用时，分子长轴方向与外电场垂直。方向与外电场垂直。液晶显示主要使用液晶显示主要使用P P型液晶。型液晶。P P型液晶是正单轴晶体，分子长轴方向就是光轴。型液晶是正单轴晶体，分子长轴方向就是光轴。第45页线偏振光正入射线偏振光正入射P P型液晶材料，假如其型液晶材料，假如其偏振方向与光轴平行或垂直，则它偏振偏振方向与光轴平行或垂直，则它偏振方向和传输方向都不改变。方向和传输方向都不改变。二、扭曲向列型液晶器件（二、扭曲向列型液晶器件（TN-LCDTN-LCD）液晶盒液晶盒：封装液晶封装液晶间隙只有间隙只有几几mm。定向层定向层：使使液晶分子液晶分子从上到下扭曲从上到下扭曲9090。第46页TN-LCDTN-LCD工作原理工作原理采取光刻技采取光刻技术，制作术，制作ITOITO玻璃上玻璃上显示电极显示电极加电压到对应电极上，加电压到对应电极上，可实现所期望显示。可实现所期望显示。在下偏振片在下偏振片后再贴一块后再贴一块反光片，就反光片，就成为反射式成为反射式液晶显示器液晶显示器第47页TN-LCDTN-LCD电光特征电光特征：电压有效值：电压有效值 电光特征与电光特征与显示对比度显示对比度相关。相关。TN-LCDTN-LCD响应时间在响应时间在80ms80ms左右。左右。三、超扭曲向列型液晶显示（三、超扭曲向列型液晶显示（STN-LCDSTN-LCD）在液晶显示电极上加信号，是用液晶显示电极上加信号，是用矩阵寻址法，即矩阵寻址法，即X-YX-Y寻址。寻址。第48页TN-LCDTN-LCD液晶分子扭曲角液晶分子扭曲角为为9090，电光特征曲线，电光特征曲线不够陡峭。在用矩阵寻不够陡峭。在用矩阵寻址法驱动时，有显著交址法驱动时，有显著交叉效应。叉效应。交叉效应随矩阵行、列数目增大而加剧，使图像对比度降低，质量变差。STN-LCDSTN-LCD使液晶分子扭曲角增加到使液晶分子扭曲角增加到180180270270，大大提升了电光特征陡度，大大提升了电光特征陡度。STN-LCDSTN-LCD利用了超扭曲和双折射两个效应，利用了超扭曲和双折射两个效应，是基于是基于光学干涉光学干涉显示器件。显示器件。第49页对对STN-LCDSTN-LCD有色背有色背景进行赔偿，实现景进行赔偿，实现黑白显示黑白显示实现黑白显示后，实现黑白显示后，再加彩色滤色器，再加彩色滤色器，就可实现彩色显示就可实现彩色显示STN-LCDSTN-LCD电电光响应时光响应时间大于间大于100 100 msms。第50页有源矩阵液晶显示器件（有源矩阵液晶显示器件（AM-LCDAM-LCD）在每一个像素上设计一个非线性有源器件，使在每一个像素上设计一个非线性有源器件，使每个像素能够被独立驱动，克服交叉效应，能每个像素能够被独立驱动，克服交叉效应，能够提升液晶分辨率和实现多灰度级显示。够提升液晶分辨率和实现多灰度级显示。TFT-LCDTFT-LCD就就是是当当前前性性能能很好很好AM-LCDAM-LCD器件。器件。l存放效应，得到对比度存放效应，得到对比度很高显示质量。很高显示质量。l多灰度级显示多灰度级显示l彩色显示彩色显示第51页LCDLCD特点和应用特点和应用器件厚度仅数毫米，非常适于便携式器件厚度仅数毫米，非常适于便携式装置显示。装置显示。工作电压仅几伏，用工作电压仅几伏，用CMOSCMOS电路可直接电路可直接驱动。驱动。功耗很低。功耗很低。采取彩色滤色器，易实现彩色显示。采取彩色滤色器，易实现彩色显示。LCDLCD已成为应用最广泛平板显示器之一。已成为应用最广泛平板显示器之一。应用于仪器仪表、手机等显示，还有应用于仪器仪表、手机等显示，还有 计算机显示器、液晶彩电、液晶投影机等，计算机显示器、液晶彩电、液晶投影机等，市场十分辽阔。市场十分辽阔。第52页二、有机电致发光器件二、有机电致发光器件OLEDOLED LEDLED是无机电致发光，是无机电致发光，OLEDOLED是有机是有机 荧光材料作为发光物质，结构和发荧光材料作为发光物质，结构和发光机理上类同于无机光机理上类同于无机LEDLED器件。器件。（Organic light emitting diodeOrganic light emitting diode）LEDLED显示器显示器v一、发光二极管大屏幕显示一、发光二极管大屏幕显示v超高亮度红、绿、兰超高亮度红、绿、兰LEDLED组成平板阵列，进行组成平板阵列，进行大屏幕显示，已是当代化社会一道风景。大屏幕显示，已是当代化社会一道风景。第53页ETLETL：电子传输层：电子传输层 EMLEML：发光层：发光层 HTLHTL：空穴传输层：空穴传输层有机有机材料材料OLEDOLED发光有五个步骤：发光有五个步骤：载流子电子和空穴分别从阴极、阳极注入载流子电子和空穴分别从阴极、阳极注入ETLETL、HTLHTL。载流子分别从载流子分别从ETLETL和和HTLHTL向向EMLEML迁移。迁移。载流子在载流子在EMLEML中复合并产生激发子（中复合并产生激发子（ExciplexExciplex）。）。激子迁移激子迁移,传递能量给发光分子，使其传递能量给发光分子，使其 电子从基态跃迁到激发态。电子从基态跃迁到激发态。激发态电子跃迁回低能态，产生辐射。激发态电子跃迁回低能态，产生辐射。第54页OLEDOLED是一个高亮度、宽视角、全固化主是一个高亮度、宽视角、全固化主动发光型显示器件。动发光型显示器件。主要优点：主要优点：l发光亮度发光亮度可达几百可达几百上万上万cd/mcd/m2 2，电视才，电视才100cd/m100cd/m2 2。l低电压驱动：低电压驱动：十几十几V V几几V V；功耗低。；功耗低。l有机材料有机材料易得，易得，制备工艺简单，易制成大面积显示制备工艺简单，易制成大面积显示器件，器件，能够做成能够做成能弯曲柔软显示器。能弯曲柔软显示器。l很多有机物都可实现红、绿、蓝，很多有机物都可实现红、绿、蓝，易实现高分辨率易实现高分辨率彩色显示器。彩色显示器。l超轻、超薄超轻、超薄（厚度可低于（厚度可低于1mm1mm），），响应速度响应速度是液晶是液晶 10001000倍，实现精彩视频播放倍，实现精彩视频播放大面积大面积“薄膜电视薄膜电视”。OLEDOLED制造成本低，将会逐步取代制造成本低，将会逐步取代LCDLCD。第55页AC-PDPAC-PDPDC-PDPDC-PDPAC-PDPAC-PDP是是PDPPDP技术主流技术主流 气体放电气体放电 等离子体等离子体 激发气体激发气体原子辐射紫外光原子辐射紫外光(UV)(UV)激发对应激发对应荧光粉，产生红、绿、蓝可见光。荧光粉，产生红、绿、蓝可见光。v是利用气体放电而发光平板显示器是利用气体放电而发光平板显示器 6.3等离子体显示器-PDP（Plasma Display Panel）第56页DMDDMD是带有集成微镜部件微电子机械光是带有集成微镜部件微电子机械光调制器，调制器，由百万个方形微镜（如由百万个方形微镜（如1616m1616m2 2）组成二维阵列。）组成二维阵列。一、一、DMDDMD结构和工作原理结构和工作原理数字微反射镜器件数字微反射镜器件DMDDMD是其关键装置。是其关键装置。（Digital Micromirror DeviceDigital Micromirror Device）DLPDLP投影显示投影显示vDLPDLP（Digital Light ProcessingDigital Light Processing）实现了最终显示步骤完全数字化实现了最终显示步骤完全数字化 第57页DMDDMD芯片芯片每个微镜对应一个像素，每个微镜对应一个像素，微镜反射照明光，投射微镜反射照明光，投射出去，在屏幕上形成图出去，在屏幕上形成图像。像。Mirror+10 Mirror+10 Mirror-10 Mirror-10 CMOSCMOS图像图像R R、G G、B B二进制数据二进制数据控制微铰链，控制微铰链，微铰链控制微铰链控制每个镜片偏转，以通断一每个镜片偏转，以通断一个像素光。个像素光。脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWMPWM）技术允）技术允许许1010比特灰度等级再现。比特灰度等级再现。第58页为了实现彩色显示，为了实现彩色显示，DLPDLP投影机有三片投影机有三片式、单片式、两片式等不一样档次产品。式、单片式、两片式等不一样档次产品。三片式：三片式：即用三个即用三个DMDDMD装置。每个装置。每个DMDDMD分别用分别用R R、G G、B B数据控制。数据控制。单片式：单片式：即用一个即用一个DMDDMD装置。投影灯光先装置。投影灯光先经过一个经过一个色轮色轮再投射到再投射到DMDDMD上。上。DLPDLP工作工作在次序颜色模式在次序颜色模式 ，利用视觉暂留作用。，利用视觉暂留作用。双片式：双片式：即用两个即用两个DMDDMD装置。装置。性价比很好。性价比很好。第59页DLPDLP投影显示技术优势投影显示技术优势 完全数字化显示，完全数字化显示，这是独有特色。这是独有特色。反射显示，反射显示，光能利用率高。光能利用率高。优异图像质量。优异图像质量。DMDDMD填充因子大于填充因子大于90%90%，称为，称为“无缝图像无缝图像”。DLPDLP系统可靠性很高，寿命长系统可靠性很高，寿命长。DLPDLP投影显示方兴未艾，已成为主流产品。投影显示方兴未艾，已成为主流产品。其关键技术已利用到全光通信其关键技术已利用到全光通信MEMSMEMS交叉交叉连接器中。连接器中。第60页v可分为两大类：可分为两大类：v *光电发射型摄像管光电发射型摄像管v 利用外光电效应利用外光电效应v *视像管视像管 v 利用内光电效应利用内光电效应摄像管摄像管摄像管是能够输出视频信摄像管是能够输出视频信号真空光电管号真空光电管第61页光电发射型摄像管光电发射型摄像管视像管视像管 视像管基本结构视像管基本结构：光电靶光电靶 完成光电转换完成光电转换、信号信号存放存放 电子枪电子枪 完成信号扫描输出完成信号扫描输出第62页氧化铅视像管结构与工作原理氧化铅视像管结构与工作原理管子结构管子结构氧化铅氧化铅PIN靶靶PIN光电靶光电靶：反向偏置反向偏置，扫描面形成正电位图扫描面形成正电位图像像电子枪电子枪：发射电子束发射电子束，按电视制式扫描正按电视制式扫描正电电 位图像位图像，输出视频信号输出视频信号第63页像素：像素：组成图像最组成图像最小单元。摄像管像小单元。摄像管像素大小由电子束截素大小由电子束截面积决定。面积决定。在电子束扫描某一像素瞬间，该像素在电子束扫描某一像素瞬间，该像素与电源正极和阴极结成通路。这个像素光与电源正极和阴极结成通路。这个像素光电流由电流由PN，流过负载，流过负载RL,产生负极性图产生负极性图像信号输出。同时，扫描电子束使像信号输出。同时，扫描电子束使P层电层电位降至阴极电位（图像擦除）。位降至阴极电位（图像擦除）。第64页电荷耦合器件电荷耦合器件vCCDCCD图像传感器主要特点：图像传感器主要特点：固体化摄像器件固体化摄像器件很高空间分辨率很高空间分辨率很高光电灵敏度和大动态范围很高光电灵敏度和大动态范围光敏元间距位置准确光敏元间距位置准确,可取得很高可取得很高 定位和测量精度定位和测量精度信号与微机接口轻易信号与微机接口轻易CCD(Charge Coupled Devices)第65页电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件 电电荷荷耦耦合合器器件件（CCD）特特点点以以电荷作为信号。电荷作为信号。CCD基基本本功功效效电电荷荷存存放放和和电电荷转移。荷转移。CCD工作过程工作过程信号电荷产生、信号电荷产生、存放、传输和检测过程。存放、传输和检测过程。第66页（1）、）、CCD基本结构包含：基本结构包含：转移电极结转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。号输出结构、信号检测结构。组成组成CCD基本单元是基本单元是MOS电容。电容。电荷耦合器件基本原理电荷耦合器件基本原理第67页 一系列彼此非常靠近一系列彼此非常靠近MOS电容电容用同二分之一导用同二分之一导体衬底制成，衬底能够是体衬底制成，衬底能够是P型或型或N型材料，上面生型材料，上面生长均匀、连续氧化层，在氧化层表面排列相互绝缘长均匀、连续氧化层，在氧化层表面排列相互绝缘而且距离极小金属化电极（栅极）。而且距离极小金属化电极（栅极）。第68页vCCDCCD图像传感器不足：图像传感器不足：v驱动电路与信号处理电路难与驱动电路与信号处理电路难与CCDCCD单片集单片集v 成，图像系统为多芯片系统；成，图像系统为多芯片系统；v电荷耦合方式对转移效率要求近乎苛刻；电荷耦合方式对转移效率要求近乎苛刻；v时钟脉冲复杂，需要相对高工作电压；时钟脉冲复杂，需要相对高工作电压；v图像信息不能随机读取图像信息不能随机读取。采取标准采取标准 CMOS工艺固体摄像器件工艺固体摄像器件CMOSCMOS图像传感器图像传感器 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）第69页 CMOS图像传感器特色是单芯片成像系统。是单芯片成像系统。这种片上摄像机用标准逻辑电源电压工这种片上摄像机用标准逻辑电源电压工作，仅消耗几十毫瓦功率，功耗极低。作，仅消耗几十毫瓦功率，功耗极低。可实现随机读取图像信息。可实现随机读取图像信息。第70页一一.CMOS.CMOS图像传感器结构图像传感器结构总体结构框图总体结构框图第71页像元结构像元结构：无源像素无源像素(PPS)(PPS)结构结构有源像素有源像素(APS)(APS)结构结构PPSPPS致命弱点是读出噪声大致命弱点是读出噪声大,主要是固定图形噪声，普通主要是固定图形噪声，普通有有250250个均方根电子。个均方根电子。光电二极管型光电二极管型(PD-APS(PD-APS）：）：读出噪声经典值为读出噪声经典值为(75(75100)100)个均方根电子。适合个均方根电子。适合用于大多数中低性能成像。用于大多数中低性能成像。第72页光栅型（光栅型（PG-APSPG-APS）：）：读出噪声小，当前已读出噪声小，当前已到达到达5 5个均方根电子。个均方根电子。用于高性能科学成像用于高性能科学成像和低光照成像。和低光照成像。二二.CMOS.CMOS摄像机应用摄像机应用 因为因为CMOSCMOS摄像机节能、高度集成、成本低摄像机节能、高度集成、成本低等独特优点，使等独特优点，使CMOSCMOS摄像机含有很多应用领域摄像机含有很多应用领域:移动通信移动通信:与手机集成与手机集成,成为移动可视电话成为移动可视电话；视频通信视频通信:视频聊天视频聊天、可视电话可视电话、视频会议；视频会议；第73页保安监控保安监控:大量安装电子眼大量安装电子眼,且且CMOSCMOS摄摄 像机可做到纽扣大小像机可做到纽扣大小,用于隐型摄像用于隐型摄像;作数码相机作数码相机;用于游戏市场用于游戏市场;用在汽车上用在汽车上,如可设计成汽车自动防撞系统、如可设计成汽车自动防撞系统、防出轨系统防出轨系统,大大提升汽车运行安全性大大提升汽车运行安全性;用于生物特征识别，如指纹识别仪等；用于生物特征识别，如指纹识别仪等；CMOSCMOS摄像机在医学领域有很好发展空间，摄像机在医学领域有很好发展空间，如能够在患者身体安装小如能够在患者身体安装小“硅眼硅眼”，应用药，应用药 丸式摄像机等；丸式摄像机等；第74页用于需要高速更新影像应用领域：航用于需要高速更新影像应用领域：航 天天、核试验核试验、快速运动快速运动、瞬态过程等。瞬态过程等。三三.发展趋势发展趋势 早期早期CMOSCMOS比比CCDCCD成像质量差，响应速度成像质量差，响应速度 慢，人们主要采取慢，人们主要采取CCDCCD摄像机。近年来，摄像机。近年来，采取有源像素结构等一系列技术办法采取有源像素结构等一系列技术办法,使使 CMOSCMOS成像质量与成像质量与CCDCCD相靠近，而在功效、相靠近，而在功效、功耗、尺寸和价格等方面优于功耗、尺寸和价格等方面优于CCDCCD。CMOSCMOS图像传感器必将成为图像传感器必将成为摄像器件主流摄像器件主流!第75页CMOS摄像器件摄像器件v采取采取CMOS技术能够将光电摄像器件阵列、驱动和技术能够将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模数转换器、全数字接控制电路、信号处理电路、模数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，能够实现单芯片成像系统口电路等完全集成在一起，能够实现单芯片成像系统 Camera-On-A-Chip第76页1CMOS像素结构像素结构v无源像素型（无源像素型（PPS）v有源像素型（有源像素型（APS）v无源像素结构无源像素结构v无源像素单元含有结构简单、像素填充率高及量子效率比无源像素单元含有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高优点。不过，因为传输线电容较大，较高优点。不过，因为传输线电容较大，CMOS无源像素无源像素传感器读出噪声较高，而且伴随像素数目增加，读出速率传感器读出噪声较高，而且伴随像素数目增加，读出速率加紧，读出噪声变得更大。加紧，读出噪声变得更大。第77页MOS MOS 摄像器件工作原理：摄像器件工作原理：Y1 Y2信号输出Y移位寄存器X 移 位 寄 存 器X1X2RLEMOS开关光电二极管A/D数字信号输出第78页v有源像素结构有源像素结构 v光电二极管型有源像素（PDAPS）v大多数中低性能应用第79页v光栅型有源像素结构（光栅型有源像素结构（PGAPS）v成像质量较高成像质量较高 vCMOS有源像素传感器功耗比较小。但与无源像有源像素传感器功耗比较小。但与无源像素结构相比，有源像素结构填充系数小，其设计填素结构相比，有源像素结构填充系数小，其设计填充系数经典值为充系数经典值为20%-30%。在。在CMOS上制作微透镜上制作微透镜阵列，能够等效提升填充系数。阵列，能够等效提升填充系数。第80页 外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元依据需要，选通对应行像素单元，行像素逻辑单元依据需要，选通对应行像素单元，行像素内信号电荷经过各自所在列信号总线传输到对应模内信号电荷经过各自所在列信号总线传输到对应模拟信号处理器拟信号处理器(ASP)及及A/D变换器，转换成对应数字变换器，转换成对应数字图像信号输出。行选通单元能够对像素阵列逐行扫图像信号输出。行选通单元能够对像素阵列逐行扫描，也能够隔行扫描。隔行扫描能够提升图像场频，描，也能够隔行扫描。隔行扫描能够提升图像场频，但会降低图像清楚度。行选通逻辑单元和列选通逻但会降低图像清楚度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，能够实现图像窗口提取功效，读出感辑单元配合，能够实现图像窗口提取功效，读出感兴趣窗口内像元图像信息兴趣窗口内像元图像信息 CMOS摄像器件总体结构摄像器件总体结构第81页CMOS摄像器件结构摄像器件结构：vAPS(Active Pixel Structure)：由由1990s中期中期NASA引入引入CMOS 图像传感器，处理了噪声问题。图像传感器，处理了噪声问题。v像素尺寸减小后低光照下灵敏像素尺寸减小后低光照下灵敏度快速降低，采取微透镜和滤色度快速降低，采取微透镜和滤色片组合以及片组合以及CMOS工艺优势，工艺优势，前景好于前景好于CCD。APS 在在显显微微镜镜下下结结构构APS 原理框原理框图图Photodiode Active-Pixel Architecture微透微透镜镜改改进进低光特低光特征征第82页 CMOS与与CCD器件比较器件比较CCD摄像器件摄像器件v灵敏度高、噪声低、像素面积小灵敏度高、噪声低、像素面积小v难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用相对高工作电压，制造成本比较高用相对高工作电压，制造成本比较高 CMOS摄像器件摄像器件v集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低态范围宽、抗辐射和制造成本低v需深入提升器件信噪比和灵敏度需深入提升器件信噪比和灵敏度EricR.Fossum.CMOSImageSensors:ElectronicCamera-On-A-Chip.IEEETRANSACTIONSONELECTRONICDEVICES,1997,44(10):1689-1698第83页