CCD图像传感器第1讲

CCD图像传感器王庆有主编电子工业出版社2020/6/2421934年：研制出光电摄像管（Iconoscope）。1.图像传感器发展历史用于室内外的广播电视摄像。灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10000lx的照度才能获得较为清晰的图像，应用受到限制。VladimirKosmaZworykin1889-1982PhiloTaylorFarnsworth1906-1971ThefirstPhilipsIconoscopetube(光电摄象管)early1930's.电视之父31947年：超正析像管（ImaigeOrthicon）灵敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。1954年：高灵敏视像管（Vidicon）基本具有了成本低，体积小，结构简单的特点。1965年：氧化铅视像管(Plumbicon)取代超正析像管，发展了彩色电视摄像机。抗强光的能力低，余辉效应影响了采样速率。1969：CMOS图像传感器（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）NASA喷气推进实验室JPL发明。固体自扫描输出结构简单、功能多、成品率高和价格低廉1970年：电荷耦合器件（CCD—ChargeCoupledDevice）美国贝尔实验室发明。图像传感器进入固体自扫描输出方式阶段。1973年：电荷注入器件（CID—chargeinjectiondevice）其结构与CCD相似，只是信号电荷不用转移，直接读出。1976年：硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）灵敏度更高，成本更低。常用光电器件(有内置放大电路)硅光电池:硅光电池阵列:光电器件白光（可见光）光敏管光敏管光敏管第1章光电技术基础•光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电磁波方式传播的粒子。•光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子。光子具有动量与能量，并分别表示为p与e，式中h为普朗克常数（6.626×10-34J·s）；v为光的振动频率(s-1)；c为光在真空中的传播速度（3×108m·s-1）。•光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（102～1025Hz）的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-9～10-3m的范围。在这个范围内，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。红外紫外可见光10156182191210101010101010324f/Hz图1-1电磁辐射光谱的分布X射线Γ射线近红外远红外电磁波第1章光电技术基础•辐射能：通常把以电磁波形式发射、传播、接收的能量称为辐射能，用Q表示，单位为焦耳。h是普朗克常数，ν是光的频率，ν与光速c、波长λ之间都可换算•辐射能即可以表示辐射源发出的电磁波的能量，也可以表示被辐射表面接收到的电磁波的能量。hQ2.2.2辐射量辐射通量:单位时间内通过某一面积的光辐射能量Q是辐射能量，Φ与功率意义相同。dtdQd辐射功率以及由它派生出来的几个辐射度学中的物理量，属于基本物理量。它们的量值都可以用专门的红外辐射计在离开辐射源一定的距离上进行测量。所以其他辐射量都是由辐射功率（或称为辐射通量）定义的。单位：W（瓦）1、辐射强度I•数学描述：若点辐射源在小立体角△Ω内的辐射功率为△Φ，则△Φ与△Ω之比的极限值定义为辐射强度I。单位：W/Sr（瓦/球面度）lim0I物理描述：点辐射源在某一方向上的辐射强度，是指辐射源在包含该方向的单位立体角内所发出的辐射通量。•点辐射源（相对概念）：辐射源与观测点之间距离大于辐射源最大尺寸10倍时，可当做点源处理，否则称为扩展源（有一定面积）.•P11第一句话重要，“辐射强度是描述点源特性的辐射量”。•数学描述：若辐射源的微小面积△A向半球空间的辐射功率为△Φ，则△Φ与△A之比的极限值定义为辐射出射度M。AAMAlim0单位：W/m2（瓦/米2）物理描述：扩展源单位面积向半球空间发射的功率（或辐射通量）。2、辐射出射度M扩展源总的辐射通量，等于辐射出射度对辐射表面积的积分：dAMAA为扩展源面积•物理描述：辐射源在给定方向上的辐射亮度，是源在该方向上的单位投影面积向单位立体角内发出的辐射功率。3、辐射亮度Lcoslim22200AAALA数学描述：面积元△A向小立体角△Ω内发射的辐射功率是二阶小量△(△Φ)＝△2Φ在θ方向看到的源面积是△A的投影面积△Aθ＝△Acosθ因此，在θ方向上观测到的源表面上该位置的辐亮度就定义为△2Φ与△Acosθ及△Ω之比的极限值单位：W/(㎡·Sr)瓦/（平方米·球面度）M与L关系：小面元dA向半球空间发射的辐射功率为由M的定义，可以得到M与L的关系球面度半球空间22dLcosdAdd球面度2cosdLdAdMI与L关系：对小面元dA有如下关系：coscosAIAL于是有AdALIcosAAEAlim0单位：W/m2（瓦/米2）4、辐射照度E数学描述：若被辐射的微小面积△A上接收到的辐射功率为△Φ，则△Φ与△A之比的极限值定义为辐射照度E。物理描述：被照表面的单位面积上接收到的辐射功率称辐射照度。注意：辐射出射度M和辐射照度E公式相同、单位相同，意义不同，一个是辐射源的发射特性，一个是被照表面的接收特性。前述辐射量是全波段的辐射（波长λ从0～∞），或称为全景辐射。但我们有时关心某个波长附近的辐射特性。所以要引入光谱辐射量。(p38，图3-3)光谱辐射量•光谱辐射通量：辐射源在λ+△λ波长间隔内发出的辐射功率，称为在波长λ处的光谱辐射功率（或单色辐射功率）0lim单位：W/m（瓦/米）严格地讲，单色辐射通量和光谱辐射通量不同，其区别在于“单色辐射通量”比“光谱辐射通量”的波长范围更小一些。注意单位（W/m），光谱辐射通量不是辐射照度的单位W/m2，而是辐射通量与波长的比值，描述的是某一波长或波段的辐射特性。光谱辐射强度光谱辐射出射度光谱辐射亮度光谱辐射照度IIlimI0MMlimM0LLlimL0EElimE0dhQdNp光子数量：NP（无量纲，是纯数字）光子辐射量光谱辐射量是单位波长间隔内的辐射特性，是波长λ的函数。光子辐射量是单位时间间隔内传输的光子数，(发送或接收)。引入该量的目的是研究某些问题时比较方便(例如光子探测器)。Qν是用频率表示的辐射能。hν是一个光子的能量。光子数=总的能量除一个光子的能量。又：λν=c，ν=c/λ，即λ—波长,ν—频率,h—普朗克常数,c—光速所以或dhQdhQdNpcdQh1dNNppdQhc1dNNpp光子通量：单位时间内传输的光子数于是有（用光子通量表示的光子辐射量）：光子强度光子亮度光子辐射度光子照度tNpPPPIAcosLP2PdcosLAMPPPAEPP单位：1/s（1/秒）“通量”是传递的能量（发射或接收）“强度”、“亮度”、“出射度”是从源发出的辐射“照度”是被照表面积上接收到的辐射•单位时间内通过某一面积的光通量(功率)单位：lm(流明)•对于明视觉：•对于暗视觉：nmnmemdVK780380)(nmnmedV780380)(683nmnmedV780380)('1700'光度量发光强度：点光源在单位立体角内发出的光通量。单位：cd(坎德拉)国际单位制中，candela(坎德拉)的定义是在1979年才更新的。I1、发光强度Iv光出射度：扩展源单位面积向2π空间发出的全部光通量。单位：lm/m2(流明/平方米)A为扩展源面积2π空间：(半球空间)因扩展源有面积，不同于点光源，不能向下或向内辐射。AM2、光出射度Mv光亮度：光源在给定方向上光亮度Lν，是在该方向上的单位投影面积向单位立体角内发出的光通量。单位：cd/m2(坎德拉/平方米)∵发光强度∴光亮度又可表示为即在给定方向上的光亮度也就是辐射源在该方向单位投影面积上的发光强度。cos2ALIcosIAL3、光亮度Lv光照度：被照表面积的单位面积上接收到的光通量称为光照度。单位：lx(勒克斯)A为被照面积AE4、光照度Ev常见物体的照度单位：lx描述辐射场的基本物理量小节辐射量光谱辐射量光子辐射量光度量通量强度亮度出射度照度dtdQdtNpPnmnmemdVK780380)(IIIPPIIcos2APLLLAcosLP2Pcos2ALAMAEMMEEAMPPAMAEPPAE注:1.光度量的定义和辐射度量的定义只一字之差，“辐射”——“光”。2.下角标有e、λ、p、ν，辐射量在与其它量同用时标e。3.从表达式可直接说出定义及物理意义。4.从表达式可直接说出单位。5.出射度和照度的表达式相同、单位也相同，注意一个是发射，一个是接收。三个发射量的区别和关系辐射强度I辐射出射度M辐射亮度L源特点点源面源面源辐射特点立体角内2π空间立体角内1.3物体热辐射物体通常以两种不同形式发射辐射能量。第一种称为热辐射。第二种称为发光。1.3.1黑体辐射定律1.黑体能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能的物体称为黑体。显然，黑体的吸收系数为1，发射系数也为1。•黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射度Me,s,λ（角标“s”表示黑体）由普朗克公式表示为•式中，k为波尔兹曼常数；h为普朗克常数；T为绝对温度；c为真空中的光速。2.普朗克辐射定律)1e(π252,s,ekThchcM（1-40）黑体光谱辐亮度Le,s,λ和光谱辐强度Ie,s,λ分别为)1e(252s,e,kThchcL（1-41）)1e(cos252s,e,kThchAcI图1-2绘出了黑体辐射的相对光谱辐亮度Le,s,λr与波长的等温关系曲线。图中每一条曲线都有一个最大值，最大值的位置随温度升高向短波方向移动。