光電子技術(shù)復(fù)習(xí)

1、光電子技術(shù)復(fù)習(xí)專題二,,第三章如何正確理解光電二極管的全電流方程？,在無(wú)輻射作用的情況下（暗室中），PN結(jié)硅光電二極管的正、反向特性與普通PN結(jié)二極管的特性一樣，如圖3-2所示。其電流方程為,（3-1）,ID為U為負(fù)值（反向偏置時(shí)）且 >> 時(shí)(室溫下kT/q≈0.26mV，很容易滿足這個(gè)條件)的電流，稱為反向電流或暗電流。,當(dāng)光輻射作用到如圖3-1（b）所示的光電二極管上時(shí)，,光電二極管的全電流

2、方程為,式中η為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率，α為材料對(duì)光的吸收系數(shù)。,（3-2）,如何正確理解光電二極管的靈敏度：,1.光電二極管的靈敏度,定義光電二極管的電流靈敏度為入射到光敏面上輻射量的變化（例如通量變化dΦ）引起電流變化dI與輻射量變化之比。,（3-3）,顯然，當(dāng)某波長(zhǎng)λ的輻射作用于光電二極管時(shí)，其電流靈敏度為與材料有關(guān)的常數(shù)，表征光電二極管的光電轉(zhuǎn)換特性的線性關(guān)系。必須指出，電流靈敏度與入射輻射波長(zhǎng)λ的關(guān)系是復(fù)雜的，定義光電二極管的

3、電流靈敏度時(shí)通常定義其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的電流靈敏度為光電二極管的電流靈敏度。在式（3-3）中，表面上看它與波長(zhǎng)λ成正比，但是，材料的吸收系數(shù)α還隱含著與入射輻射波長(zhǎng)的關(guān)系。因此，常把光電二極管的電流靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光譜響應(yīng)。,光電二極管的噪聲,光電二極管的噪聲包含低頻噪聲Inf、散粒噪聲Ins和熱噪聲InT等3種噪聲。其中，散粒噪聲是光電二極管的主要噪聲，低頻噪聲和熱噪聲為其次要因素。,散粒噪聲是由于電流在半導(dǎo)體內(nèi)的散粒效應(yīng)引起的

4、，它與電流的關(guān)系,(3-6),光電二極管的電流應(yīng)包括暗電流Id、信號(hào)電流Is和背景輻射引起的背景光電流Ib，因此散粒噪聲應(yīng)為,(3-7),,根據(jù)電流方程，并考慮反向偏置情況，光電二極管電流與入射輻射的關(guān)系 ，得到,(3-8),再考慮負(fù)載電阻RL的熱噪聲,(3-9),目前，用來(lái)制造PN結(jié)型光電二極管的半導(dǎo)體材料主要有硅、鍺、硒和砷化鎵等，用不同材料制造的光電二極管具有不同的特性。,噪聲,由于雪崩光電二極管中載流子的碰撞電離是不規(guī)則的，碰撞

5、后的運(yùn)動(dòng)方向更是隨機(jī)的，所以它的噪聲比一般光電二極管要大些。在無(wú)倍增的情況下，其噪聲電流主要為如式（3-6）所示的散粒噪聲。當(dāng)雪崩倍增M倍后，雪崩光電二極管的噪聲電流的均方根值可近似由下式計(jì)算。,（3-15）,式中指數(shù)n與雪崩光電二極管的材料有關(guān)。對(duì)于鍺管，n=3；對(duì)于硅管為2.3<n<2.5。 顯然，由于信號(hào)電流按M倍增加，而噪聲電流按Mn/2倍增加。因此，隨著M增加，噪聲電流比信號(hào)電流增加得更快。,,,,,

6、,,,,,熱敏電阻,5.2.1 熱敏電阻,1. 熱敏電阻及其特點(diǎn),凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導(dǎo)致負(fù)載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號(hào)的器件叫做熱敏電阻。相對(duì)于一般的金屬電阻，熱敏電阻具備如下特點(diǎn)：①熱敏電阻的溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱敏電阻的溫度系數(shù)常比一般金屬電阻大10～100倍。②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量近似幾何點(diǎn)的溫度。③電阻率高，熱慣性小，適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。④阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線性。⑤不足之處是穩(wěn)定

7、性和互換性較差。,2. 熱敏電阻的原理、結(jié)構(gòu)及材料,大部分半導(dǎo)體熱敏電阻由各種氧化物按一定比例混合，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。多數(shù)熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)，即當(dāng)溫度升高時(shí)，其電阻值下降，同時(shí)靈敏度也下降。由于這個(gè)原因，限制了它在高溫情況下的使用。,半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收除了直接產(chǎn)生光生載流子的本征吸收和雜質(zhì)吸收外，還有不直接產(chǎn)生載流子的晶格吸收和自由電子吸收等，并且不同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，引起晶格振?dòng)的加劇，器件溫度的上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。

8、 由于熱敏電阻的晶格吸收，對(duì)任何能量的輻射都可以使晶格振動(dòng)加劇，只是吸收不同波長(zhǎng)的輻射，晶格振動(dòng)加劇的程度不同而已，因此，熱敏電阻無(wú)選擇性地吸收各種波長(zhǎng)的輻射，可以說(shuō)它是一種無(wú)選擇性的光敏電阻。,一般金屬的能帶結(jié)構(gòu)外層無(wú)禁帶，自由電子密度很大，以致外界光作用引起的自由電子密度相對(duì)變化較半導(dǎo)體而言可忽略不計(jì)。相反，吸收光以后，使晶格振動(dòng)加劇，妨礙了自由電子作定向運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)光作用于金屬元件使其溫度升高，其電阻值還略有增加，也即由金

9、屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系數(shù)，而由半導(dǎo)體材料組成的熱敏電阻具有負(fù)溫度特性。 圖5-1所示分別為半導(dǎo)體材料和金屬材料（白金）的溫度特性曲線。白金的電阻溫度系數(shù)為正值，大約為±0.37%左右；將金屬氧化物（如銅的氧化物，錳-鎳-鈷的氧化物）的粉末用黏合劑黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即構(gòu)成半導(dǎo)體材料的熱敏電阻。半導(dǎo)體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)為負(fù)值，大約為-3%~-6%，約為白金的10倍以上。所以熱敏電阻探測(cè)器常用半導(dǎo)

10、體材料制作而很少采用貴重的金屬。,較大的溫升）粘合在導(dǎo)熱能力高的絕緣襯底上，電阻體兩端蒸發(fā)金屬電極以便與外電路連接，再把襯底同一個(gè)熱容很大、導(dǎo)熱性能良好的金屬相連構(gòu)成熱敏電阻。,紅外輻射通過(guò)探測(cè)窗口投射到熱敏元件上，引起元件的電阻變化。為了提高熱敏元件接收輻射的能力，常將熱敏元件的表面進(jìn)行黑化處理。,由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻（因?yàn)樵谙嗤娜肷漭椛湎碌玫?熱敏電阻的參數(shù),,熱敏電阻探測(cè)器的主要參數(shù)有：（1）電阻-

11、溫度特性熱敏電阻的阻溫特性是指實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的依賴關(guān)系，這是它的基本特性之一。電阻溫度特性曲線如圖5-1所示。熱敏電阻器的實(shí)際阻值RT與其自身溫度T的關(guān)系有正溫度系數(shù)與負(fù)溫度系數(shù)兩種，分別表示為：①     正溫度系數(shù)的熱敏電阻 （5-16）②     負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻

12、 （5-17）,式中，RT為絕對(duì)溫度T時(shí)的實(shí)際電阻值；分別為背景環(huán)境溫度下的阻值，為與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關(guān)的常數(shù)；A、B為材料常數(shù)。,對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻有,對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻有,式中，RT為環(huán)境溫度為熱力學(xué)溫度T時(shí)測(cè)得的實(shí)際阻值。由式（5-16）和（5-17）可分別求出正、負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的溫度系數(shù)aT 。 aT表示溫度變化1℃

13、時(shí)，熱電阻實(shí)際阻值的相對(duì)變化為,式中，aT和RT為對(duì)應(yīng)于溫度T（K）時(shí)的熱電阻的溫度系數(shù)和阻值。,對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為,aT = A （5-19）,對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為,（5-20）,可見(jiàn)，在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻的aT在數(shù)值上等于常數(shù)A，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的aT隨溫度T的變化很大，并與材料常數(shù)B成正比。因此，通常在給出熱敏電阻溫度系數(shù)的同時(shí)，必須指出測(cè)量時(shí)的濕度。,材料

14、常數(shù)B是用來(lái)描述熱敏電阻材料物理特性的一個(gè)參數(shù)，又稱為熱靈敏指標(biāo)。在工作溫度范圍內(nèi)，B值并不是一個(gè)嚴(yán)格的常數(shù), 而是隨溫度的升高而略有增大，一般說(shuō)來(lái)，B值大電阻率也高，對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器，B值可按下式計(jì)算：,（2）熱敏電阻阻值變化量,（5-21）,已知熱敏電阻溫度系數(shù)aT后，當(dāng)熱敏電阻接收入射輻射后溫度變化△T，則阻值變化量為 ΔRT=RTaTΔT,式中，RT為溫度T時(shí)的電阻值，上式只有在△T

15、不大的條件下才能成立。,（3）熱敏電阻的輸出特性,熱敏電阻電路如圖5-5所示，圖中 ， 。若在熱敏電阻上加上偏壓Ubb之后，由于輻射的照射使熱敏電阻值改變，因而負(fù)載電阻電壓增量,熱釋電效應(yīng)的原理,熱釋電器件是一種利用熱釋電效應(yīng)制成的熱探測(cè)器件。與其它熱探測(cè)器相比，熱釋電器件具有以下優(yōu)點(diǎn)：①　具有較寬的頻率響應(yīng)，工作頻率接近兆赫茲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它熱探測(cè)器的工作頻率。一般熱探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)典型值在1~0.01s范

16、圍內(nèi)，而熱釋電器件的有效時(shí)間常數(shù)可低達(dá)10-4 ~ 3×10-5 s；②　熱釋電器件的探測(cè)率高，在熱探測(cè)器中只有氣動(dòng)探測(cè)器的D*才比熱釋電器件稍高，且這一差距正在不斷減小； ③　熱釋電器件可以有大面積均勻的敏感面，而且工作時(shí)可以不外加接偏置電壓；,5.3.1 熱釋電器件的基本工作原理,④　與5.2節(jié)討論的熱敏電阻相比，它受環(huán)境溫度變化的影響更?。?⑤ 熱釋電器件的強(qiáng)度和可靠性比其它多數(shù)熱探測(cè)器都要好，且制造比

17、較容易。,1. 熱釋電效應(yīng) 電介質(zhì)內(nèi)部沒(méi)有自由載流子，沒(méi)有導(dǎo)電能力。但是，它也是由帶電的粒子（價(jià)電子和原子核）構(gòu)成的，在外加電場(chǎng)的情況下，帶電粒子也要受到電場(chǎng)力的作用，使其運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化。例如，在如圖5-12所示的電介質(zhì)的上下兩側(cè)加上如圖所示的電場(chǎng)后，電介質(zhì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從電場(chǎng)的加入到電極化狀態(tài)的建立起來(lái)這段時(shí)間內(nèi)電介質(zhì)內(nèi)部的電荷適應(yīng)電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于電荷沿電力線方向的運(yùn)動(dòng)，也是一種電流稱為“位移電流”，該電流在電極化完成即告停止。

18、,,位移電流Id,---位移電流,在充放電過(guò)程中：,,S,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,液晶顯示器（LCD）,液晶：一些有機(jī)化合物既具有液態(tài)的流動(dòng)性，又具有晶體的各向異性。,微小的外部能量——電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱能等就能實(shí)現(xiàn)各分子狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，從而引起液晶的光、電、磁的物理性質(zhì)發(fā)生變化。,液晶分子的形狀呈棒狀，寬約十分之幾納米，長(zhǎng)為數(shù)納米。,液晶材料用于顯示是利用它在電場(chǎng)作用下，光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化從而對(duì)外部入

19、射光產(chǎn)生調(diào)制。,實(shí)用中是用30多種單質(zhì)液晶組成混合液晶。,向列相液晶分子是液晶顯示的主要材料。,一、線偏振光在向列液晶中的傳播,關(guān)于液晶介電常數(shù)；定義：,,,P型液晶；,外電場(chǎng)作用時(shí)，分子長(zhǎng)軸方向與外電場(chǎng)平行。,,N型液晶 ；,外電場(chǎng)作用時(shí)，分子長(zhǎng)軸方向與外電場(chǎng)垂直。,液晶顯示主要使用P型液晶。,P型液晶是正單軸晶體，分子長(zhǎng)軸方向就是光軸。,,,線偏振光正入射P型液晶材料，如果其偏振方向與光軸平行或垂直，則它的偏振方向和傳播方向都不改變

20、。,二、扭曲向列型液晶器件（TN-LCD）,,液晶盒 ：,封裝液晶的間隙只有幾μm。,定向?qū)樱菏挂壕Х肿訌纳系较屡で?0°。,TN-LCD的工作原理,采用光刻技術(shù)，制作ITO玻璃上的顯示電極,加電壓到相應(yīng)電極上，可實(shí)現(xiàn)所期望的顯示。,在下偏振片后再貼一塊反光片，就成為反射式液晶顯示器,TN-LCD的電光特性,：電壓有效值,電光特性與顯示對(duì)比度相關(guān)。,TN-LCD的響應(yīng)時(shí)間在80ms左右。,三、超扭曲向列型液晶顯示（STN-LC

21、D）,在液晶顯示電極上加信號(hào)，是用矩陣尋址法，即X-Y尋址。,TN-LCD的液晶分子的扭曲角為90°，電光特性曲線不夠陡峭。在用矩陣尋址法驅(qū)動(dòng)時(shí)，有明顯的交叉效應(yīng)。,交叉效應(yīng)隨矩陣行、列數(shù)目的增大而加劇，使圖像對(duì)比度降低，質(zhì)量變差。,STN-LCD使液晶分子的扭曲角增加到180°～270°，大大提高了電光特性的陡度。,STN-LCD利用了超扭曲和雙折射兩個(gè)效應(yīng)，是基于光學(xué)干涉的顯示器件。,對(duì)STN-LCD的

22、有色背景進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)黑白顯示,實(shí)現(xiàn)黑白顯示后，再加彩色濾色器，就可實(shí)現(xiàn)彩色顯示,STN-LCD的電光響應(yīng)時(shí)間大于100 ms。,有源矩陣液晶顯示器件（AM-LCD）,在每一個(gè)像素上設(shè)計(jì)一個(gè)非線性的有源器件，使每個(gè)像素可以被獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，克服交叉效應(yīng)，可以提高液晶的分辨率和實(shí)現(xiàn)多灰度級(jí)顯示。,TFT-LCD就是目前性能較好的AM-LCD器件。,存儲(chǔ)效應(yīng)，得到對(duì)比度很高的顯示質(zhì)量。,多灰度級(jí)顯示彩色顯示,LCD的特點(diǎn)和應(yīng)用,器件厚度僅數(shù)毫米

23、，非常適于便攜式裝置的顯示。,工作電壓僅幾伏，用CMOS電路可直接驅(qū)動(dòng)。功耗很低。,采用彩色濾色器，易實(shí)現(xiàn)彩色顯示。,LCD已成為應(yīng)用最廣泛的平板顯示器之一。,應(yīng)用于儀器儀表、手機(jī)等顯示，還有 計(jì)算機(jī)顯示器、液晶彩電、液晶投影機(jī)等， 市場(chǎng)十分廣闊。,二、有機(jī)電致發(fā)光器件－OLED,LED是無(wú)機(jī)電致發(fā)光，OLED是有機(jī) 熒光材料作為發(fā)光物質(zhì)，結(jié)構(gòu)和發(fā)光機(jī)理上類同于無(wú)機(jī)LED器件。,（Organic light

24、emitting diode）,LED顯示器,一、發(fā)光二極管大屏幕顯示超高亮度紅、綠、蘭LED組成平板陣列，進(jìn)行大屏幕顯示，已是現(xiàn)代化社會(huì)的一道風(fēng)景。,ETL：電子傳輸層 EML：發(fā)光層 HTL：空穴傳輸層,｝,有機(jī)材料,OLED發(fā)光有五個(gè)步驟：,⑴載流子電子和空穴分別從陰極、陽(yáng)極注入ETL、HTL。,⑵載流子分別從ETL和HTL向EML遷移。,⑶載流子在EML中復(fù)合并產(chǎn)生激發(fā)子（Exciplex）。,⑷激子遷移, 傳遞能量給發(fā)

25、光分子，使其 電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。,⑸激發(fā)態(tài)電子躍遷回低能態(tài)，產(chǎn)生輻射。,OLED是一種高亮度、寬視角、全固化的主動(dòng)發(fā)光型顯示器件。主要優(yōu)點(diǎn)：,發(fā)光亮度可達(dá)幾百～上萬(wàn)cd/m2，電視才100cd/m2 。,低電壓驅(qū)動(dòng)：十幾V～幾V；功耗低。,有機(jī)材料易得，制備工藝簡(jiǎn)單，易制成大面積顯示器件，可以做成能彎曲的柔軟顯示器。,很多有機(jī)物都可實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)，易實(shí)現(xiàn)高分辨率的彩色顯示屏。,,超輕、超?。ê穸瓤傻陀?mm），響應(yīng)速度是液晶

26、 的1000倍，實(shí)現(xiàn)精彩的視頻播放－大面積“薄膜電視”。,OLED制造成本低，將會(huì)逐漸取代LCD。,AC-PDP,DC-PDP,AC-PDP是PDP技術(shù)的主流,氣體放電 等離子體 激發(fā)氣體原子輻射紫外光(UV) 激發(fā)相應(yīng)熒光粉，產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)可見(jiàn)光。,是利用氣體放電而發(fā)光的平板顯示屏,6.3等離子體顯示器-PDP（Plasma Display Panel）,,,,DMD是帶有集成微鏡部件的微電子機(jī)械光

27、調(diào)制器，由百萬(wàn)個(gè)方形微鏡（如16×16μm2）組成二維陣列。,一、DMD的結(jié)構(gòu)和工作原理,數(shù)字微反射鏡器件DMD是其核心裝置。 （Digital Micromirror Device）,DLP投影顯示,DLP（Digital Light Processing） 實(shí)現(xiàn)了最終的顯示環(huán)節(jié)的完全數(shù)字化,DMD芯片,每個(gè)微鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，微鏡反射照明光，投射出去，在屏幕上形成圖像。,Mirror +10 °,Mirror -1

28、0 °,CMOS,圖像R、G、B二進(jìn)制數(shù)據(jù)控制微鉸鏈，微鉸鏈控制每個(gè)鏡片偏轉(zhuǎn)，以通斷一個(gè)像素的光。,脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)允許10比特灰度等級(jí)再現(xiàn)。,為了實(shí)現(xiàn)彩色顯示，DLP投影機(jī)有三片式、單片式、兩片式等不同檔次的產(chǎn)品。,三片式：即用三個(gè)DMD裝置。每個(gè)DMD分別用R、G、B數(shù)據(jù)控制。,單片式：即用一個(gè)DMD裝置。投影燈光先通過(guò)一個(gè)色輪再投射到DMD上。DLP工作在順序顏色模式 ，利用視覺(jué)暫留作用。,雙片式：即用兩個(gè)DM

29、D裝置。性價(jià)比較好。,DLP投影顯示的技術(shù)優(yōu)勢(shì),完全的數(shù)字化顯示，這是獨(dú)有的特色。,反射顯示，光能利用率高。,優(yōu)秀的圖像質(zhì)量。DMD填充因子大于90%，稱為“無(wú)縫圖像”。,DLP系統(tǒng)可靠性很高，壽命長(zhǎng) 。,DLP投影顯示方興未艾，已成為主流產(chǎn)品。其核心技術(shù)已運(yùn)用到全光通信MEMS交叉連接器中。,可分為兩大類： *光電發(fā)射型攝像管 利用外光電效應(yīng) *視像管

30、利用內(nèi)光電效應(yīng),攝像管,攝像管是能夠輸出視頻信號(hào)的真空光電管,光電發(fā)射型攝像管,視像管,視像管基本結(jié)構(gòu) ： 光電靶 完成光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)存儲(chǔ) 電子槍 完成信號(hào)掃描輸出,氧化鉛視像管結(jié)構(gòu)與工作原理,管子結(jié)構(gòu),氧化鉛PIN靶,PIN光電靶 ：反向偏置，掃描面形成正電位圖像電子槍 ： 發(fā)射電子束，按電視制式掃描正電 位圖像，輸出視頻信號(hào),,,像素：組

31、成圖像的最小單元。攝像管像素大小由電子束截面積決定。,在電子束掃描某一像素的瞬間，該像素與電源正極和陰極結(jié)成通路。這個(gè)像素的光電流由P→N，流過(guò)負(fù)載RL,產(chǎn)生負(fù)極性圖像信號(hào)輸出。同時(shí)，掃描電子束使P層電位降至陰極電位（圖像擦除）。,,電荷耦合器件,CCD圖像傳感器主要特點(diǎn)：固體化攝像器件很高的空間分辨率很高的光電靈敏度和大的動(dòng)態(tài)范圍光敏元間距位置精確,可獲得很高的 定位和測(cè)量精度信號(hào)與微機(jī)接口容易,CCD(Cha

32、rge Coupled Devices),電荷耦合攝像器件,電荷耦合器件（CCD）特點(diǎn)——以電荷作為信號(hào)。 CCD的基本功能——電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移。 CCD工作過(guò)程——信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)的過(guò)程。,（1）、 CCD的基本結(jié)構(gòu)包括：轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)結(jié)構(gòu)。構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容。,電荷耦合器件的基本原理,一系列彼此非常接近的MOS電容用同一半

33、導(dǎo)體襯底制成，襯底可以是P型或N型材料，上面生長(zhǎng)均勻、連續(xù)的氧化層，在氧化層表面排列互相絕緣而且距離極小的金屬化電極（柵極）。,CCD圖像傳感器的不足：⒈驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)處理電路難與CCD單片集 成，圖像系統(tǒng)為多芯片系統(tǒng)；⒉電荷耦合方式對(duì)轉(zhuǎn)移效率要求近乎苛刻；⒊時(shí)鐘脈沖復(fù)雜，需要相對(duì)高的工作電壓；⒋圖像信息不能隨機(jī)讀取。,采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS工藝的固體攝像器件,CMOS圖像傳感器,CMOS（Complementary Metal

34、-Oxide-Semiconductor）,CMOS圖像傳感器的特色,⒈是單芯片成像系統(tǒng)。⒉這種片上攝像機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電源電壓工作，僅消耗幾十毫瓦功率，功耗極低。⒊可實(shí)現(xiàn)隨機(jī)讀取圖像信息。,一.CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu),總體結(jié)構(gòu)框圖,像元結(jié)構(gòu) ：,無(wú)源像素(PPS)結(jié)構(gòu)有源像素(APS)結(jié)構(gòu),PPS的致命弱點(diǎn)是讀出噪聲大,主要是固定圖形噪聲，一般有250個(gè)均方根電子。,光電二極管型(PD-APS）：讀出噪聲典型值為(75～100)個(gè)

35、均方根電子。適用于大多數(shù)中低性能成像。,｛,光柵型（PG-APS）：讀出噪聲小，目前已達(dá)到5個(gè)均方根電子。用于高性能科學(xué)成像和低光照成像。,二.CMOS攝像機(jī)的應(yīng)用,由于CMOS攝像機(jī)節(jié)能、高度集成、成本低等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使CMOS攝像機(jī)具有很多應(yīng)用領(lǐng)域:,移動(dòng)通信:與手機(jī)集成,成為移動(dòng)可視電話；,視頻通信:視頻聊天、可視電話、視頻會(huì)議；,保安監(jiān)控:大量安裝的電子眼,且CMOS攝 像機(jī)可做到紐扣大小,用于隱型攝像;,作數(shù)碼相機(jī);,

36、用于游戲市場(chǎng);,用在汽車(chē)上,如可設(shè)計(jì)成汽車(chē)自動(dòng)防撞系統(tǒng)、 防出軌系統(tǒng),大大提高汽車(chē)運(yùn)行的安全性;,用于生物特征識(shí)別，如指紋識(shí)別儀等；,CMOS攝像機(jī)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很好的發(fā)展空間， 如可以在患者身體安裝小“硅眼”，應(yīng)用藥 丸式攝像機(jī)等；,用于需要高速更新的影像應(yīng)用領(lǐng)域：航 天、核試驗(yàn)、快速運(yùn)動(dòng)、瞬態(tài)過(guò)程等。,,三.發(fā)展趨勢(shì),早期CMOS比CCD成像質(zhì)量差，響應(yīng)速度 慢，人們主要采用CCD攝像機(jī)。近年來(lái)，采用有源像素結(jié)

37、構(gòu)等一系列技術(shù)措施,使 CMOS的成像質(zhì)量與CCD相接近，而在功能、功耗、尺寸和價(jià)格等方面優(yōu)于CCD。,CMOS圖像傳感器必將成為攝像器件的主流!,CMOS攝像器件,采用CMOS技術(shù)可以將光電攝像器件陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、信號(hào)處理電路、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng) ——Camera-On-A-Chip,1 CMOS像素結(jié)構(gòu),無(wú)源像素型（PPS）有源像素型（APS）,無(wú)源像素結(jié)構(gòu),無(wú)源像素單

38、元具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、像素填充率高及量子效率比較高的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于傳輸線電容較大，CMOS無(wú)源像素傳感器的讀出噪聲較高，而且隨著像素?cái)?shù)目增加，讀出速率加快，讀出噪聲變得更大。,,MOS 攝像器件的工作原理：,有源像素結(jié)構(gòu),光電二極管型有源像素（PD－APS）,大多數(shù)中低性能的應(yīng)用,光柵型有源像素結(jié)構(gòu)（PG－APS）,成像質(zhì)量較高,CMOS有源像素傳感器的功耗比較小。但與無(wú)源像素結(jié)構(gòu)相比，有源像素結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)小，其設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為20%

39、-30%。在CMOS上制作微透鏡陣列，可以等效提高填充系數(shù)。,外界光照射像素陣列，產(chǎn)生信號(hào)電荷，行選通邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元，行像素內(nèi)的信號(hào)電荷通過(guò)各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理器(ASP)及A/D變換器，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字圖像信號(hào)輸出。行選通單元可以對(duì)像素陣列逐行掃描，也可以隔行掃描。隔行掃描可以提高圖像的場(chǎng)頻，但會(huì)降低圖像的清晰度。行選通邏輯單元和列選通邏輯單元配合，可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能，讀出感興趣

40、窗口內(nèi)像元的圖像信息,CMOS攝像器件的總體結(jié)構(gòu),CMOS攝像器件的結(jié)構(gòu)：,APS(Active Pixel Structure )：由1990s中期NASA引入CMOS 圖像傳感器，解決了噪聲問(wèn)題。像素尺寸減小后低光照下靈敏度迅速降低，采用微透鏡和濾色片組合以及CMOS工藝的優(yōu)勢(shì)，前景好于CCD。,,CMOS與CCD器件的比較,CCD攝像器件靈敏度高、噪聲低、像素面積小難與驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路單片集成，需要使用相對(duì)高