《光电成像导论》复习提纲.docx
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《光电成像导论》复习提纲
《光电成像导论》
复习提纲
第1章光电阴极及其半导体物理基础
§1.1光电发射体的半导体物理基础
1.1.2载流子复合过程的动力学
总复合包括两个过程：
（1）一个电子从导带中消失（过程a）；
（2）一个空穴从价带中消失（过程c）。
四个过程的几率：
1.电子的俘获几率ra：
（1-1）
2.电子的发射几率rb：
（1-2）
3.空穴复合率rc：
（1-3）
4.空穴发射几率rd:
（1-4）
以上公式的应用范围：
非平衡条件和热平衡条件
净复合率V:
（1-9）
结论：
只有当复合中心处于Eg中心时，净复合率最大。
即复合中心提供一些能级，要使这些能级复合最有效，它应平分Eg。
（3）真实表面的复合
表面的复合率为
（1-17）
（a）对于P型半导体的浅受主
（1-18）
（b）对于n型半导体的浅施主，
（1-19）
结论：
表面复合速度正比于杂质浓度和表面复合中心密度Nst。
1.1.3载流子复合－生成中心的来源
1.来源于晶体的结晶过程
外延生长条件：
在气体质量传输限制下进行，
基底温度足够高，以改善表面分子的流动性
2.产生于某些深能级杂质；
3.产生于辐射损坏
§1.2半导体表面附近的能带弯曲
1.2.1P型半导体表面附近的能带弯曲
表面态的电子流向半导体的受主，使表面带正电，半导体表面附近带负电。
电子亲和势的减少量：
结论：
表面态引起P型半导体的能带向下弯曲，降低Ea。
对于重掺杂P型GaAs，能带弯曲量为0.45ev。
1.2.2n型半导体的能带弯曲
结论：
n型半导体的表面态引起能带向上弯曲，增大电子亲和势。
1.2.3．Ⅲ-V族半导体表面附近的能带弯曲
（1）异质结假说；
（2）表面偶极子层假说；（3）双偶极子层假说。
公认模型：
GaAs未吸附前，能带弯曲使0.45ev；
弯曲区
突起的高度是5.15ev（从Ev=0算）。
1.2.4获得负电子亲和势（NEA）的必要条件
只有当（Eg）Ⅲ-Ⅴ>0.8ev时，才能使Ea变成“负”。
Ⅲ-Ⅴ族光电发射体的本征阈值波长：
（1-33）
§1.3光电发射的基本概念
1.3.1光电发射中心与光电发射的三个基本过程
1.光电发射中心
分3类：
第1类：
本征；第2类：
杂质；第3类：
自由电子
2．光电发射的三个基本过程
1.3.3光电阴极的光吸收
①
，本征光吸收，αt随λ的增加而增加；
②
；杂质光吸收；
③
，自由载流子光吸收。
1.光电子的逸出深度
（1）NEA的光电子逸出深度L
（1-36）
（2）PEA的光电子逸出深度
要求能够解释NEA效率明显高于PEA
2.能量散射机构（4种）：
a）自由电子散射；b）电离杂质散射；c）声子散射；d）对生成散射。
要求：
能够解释半导体光电发射效率高于金属的效率
对半导体禁带宽度和电子亲和势的要求
§1.4粒子输运方程
1.4.1粒子的流密度
（1-39）
对于负电荷的粒子：
（1-41）
1.4.2粒子输运方程
（1-44）
在稳定条件下
（1-45）
§1.5光电阴极的量子产额
单位时间从单位面积上发射的电子数为：
（1-46）
1.5.1光电子的发射概率T（E）
（1-49）
2.NEA的T（E）
（1-50）
要求：
掌握NEA光阴极影响T（E）的主要因素
（2）反射式负电子亲和势（NEA）光电阴极的量子产额
（1-62）
，（1-63）
（3）透射式负电子亲和势（NEA）光电阴极的量子产额
（1-68）
1.5.4正电子亲和势（PEA）光电阴极的量子产额
1.反射式正PEA光电阴极的量子产额
（1-75）
2.透射式PEA光电阴极的量子产额
1-77）
透射式光阴极存在最佳厚度，过大或过小效率都会降低。
§1.6金属和半导体的热电子发射
Richardson-Dushman’s（理查生－德西曼）公式
（1-89）
理查生－德西曼公式的适用条件：
“零场发射电流密度”。
1.6.2半导体的热电子发射
1.n型半导体的热电子发射
（1-96）或，
（1-97）
2.P型半导体的热电子发射
，（1-102）
3.
型半导体与
型半导体的热电子发射比较
（1）j0的比较
型半导体：
型半导体：
结论：
从降低暗电流的观点，希望光电阴极是一个重掺杂的P型半导体。
结合电子逸出过程和热发射：
光电发射体应选择P型半导体、且具有N型表面态
第2章光电成像器件
§2.1光电成像器件中的电子透镜
掌握各种基本透镜的结构特点、轴上电位分布及聚焦特性
2.1.2近贴聚焦电子透镜
能够计算弥散园半径（直径）
2.1.3同心球聚焦电子透镜
2.1.4静电阴极透镜（静电聚焦成像系统）
2.1.5电磁聚焦电子透镜
磁聚焦透射式二次电子发射像增强器
具有倍增屏的串联磁聚焦像增强器
§2.2光电导摄像管
2.2.2视频信号的产生（图2-19）
摄像管视频信号产生的原理
§2.3微光像增强器
物理机制：
用光电转换、电子倍增和电光显示过程的若干规律来描述。
图像信息的载体是代表了景物光子强度空间分布的光电子。
象管成像三个步骤，及每个步骤的作用
3大类：
1．贴聚焦类；2．电聚焦类；3．磁聚焦类
2.3.1像增强器的原理及功能
像增强器组成：
由光电阴极、电子透镜、电子倍增器和荧光屏等组成。
2.3.3微光像增强器的典型结构和技术特点
1.双面近贴像管（Ⅰ代近贴管）
2.电磁复合聚焦像管
3.静电聚焦像管（Ⅰ代倒像式微光管）
4.一代微光选通像
5.一代微光变倍像管
6.二代微光倒像管
7.二代微光近贴（薄片）像管
8.三代微光近贴（薄片）像管
9.超二代微光近贴（薄片）像管
10.杂交像增强器
11.X射线、紫外线和红外线变像管或像增强器
（1）对红外线敏感光电阴极
（2）对紫外线敏感（日盲）光电阴极
（3）对X射线敏感光电阴极
熟悉各类象管的基本结构
§2.4X射线成像器件
实现X射线探测和成像的传感器件：
4种
（1）X射线荧光转换屏；
（2）光电阴极；（3）MCP光电阴极；（4）半导体光电元件。
器件：
X射线成像器件
系统：
X射线增感屏、X射线像增强器、线阵或面阵X光二极管及其相应的配套光、机、电系统等。
显示方式：
直视系统和电视遥感系统。
物理：
分别依据X光致荧光（转换屏）、X光致光电子发射（光电阴极）、X光致MCP二次电子发射（MCP阴极）和X光生载流子（半导体光电元件）等物理机制。
——X射线探测的原理
2.4.3X射线光电阴极
实现X光子－光电子转换的光电阴极有三种模式：
（1）荧光屏基底上的可见光光电阴极；
（2）做在透X光基底上的透射式X射线光电阴极；
（3）做在MCP输入端的反射式X射线光电阴极。
1.X射线光电阴极的一般原理及其特点
当X射线光子与阴极材料中的原子相互作用时，一般会发生八种非弹性碰撞过程：
八个过程中，二次电子发射是X射线光电阴极产生光电流的主要机制（占99﹪以上）。
§2.5固体摄像器件
有3大类：
电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，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（ChargeInjectionDevice，即CID）。
2.5.1电荷耦合摄像器件（CCD）
1.电荷耦合器件的基本原理
（1）电荷存储；
（2）电荷转移。
SCCD（SurfaceChannelCCD）
体内沟道（或埋沟道CCD），
2.CCD的工作原理
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。
MOS结构和光电二极管结构（CCPD）。
CCPD的优点：
无干涉效应、反射损失和对短波段的吸收损失等，在灵敏度和光谱响应等光电特性方面优于MOS结构光敏元。
（2）面阵CCD
面阵CCD摄像器件有2种：
行间转移结构与帧转移结构。
（3）彩色CCD
2.5.2CMOS摄像器件
1.CMOS像素结构及工作原理
1.无源像素型（PPS）；2.有源像素型（APS）。
2.5.3电荷注入器件（CID）
优点：
（1）由于有外延结构，模糊现象低，无拖影；
（2）整个有效面都是光敏面，实际上相当于减小了暗电流；
（3）工作灵活——可工作在非破坏性读出方式；
（4）设计灵活——可以实现随机读取方式。
缺点：
（1）半透明金属电极（或多晶硅电极）对光子的吸收，使光谱响应范围减小；
（2）视频线电容大，输出噪声较大。
2.5.4红外焦平面器件
1.IRFPA的工作条件
工作于1μm～3μm，3μm～5μm和8μm～14μm的红外波段，多数探测300K背景中的目标。
3.IRFPA的结构
IRFPA组成：
红外光敏部分和信号处理部分。
单片式IRFPA：
混和式IRFPA结构：
（1）单片式IRFPA
三种类型：
第一种：
非本征硅单片式IRFPA；第二种：
本征单片式IRFPA；
第三种：
肖特基势垒单片式IRFPA。
4.典型的IRFPA
（1）InSb－IRFPA；
（2）HgCdTe－IRFPA；（3）硅肖特基势垒IRFPA
（4）非制冷IRFPA；（5）多量子阱（MQW）IRFPA
§2.6红外热成像器件
红外探测器分类：
1.热探测器；2.红外光子探测器。
2.6.1红外探测器原理和结构
1.红外热成像系统原理；
2.单元红外探测器原理
（1）光电导型红外探测器原理
（2）光生伏特（光伏）型红外探测器原理
（3）红外探测器材料
3～5μm的材料：
InSb、InAs、Si：
Ni（掺镍硅）、Si：
S（掺硫硅）和Si：
Ti（掺钛硅）等；
8～14μm的材料：
HgCdTe、PbSnTe、Si:
Sc（掺钪硅）和Si:
Mg（掺镁硅）等。
3.线阵列红外探测器原理
（1）并联扫描摄像方式；
（2）串联扫描摄像方式；（3）串并扫摄像方式；（4）sprite线列红外探测器。
4.面阵列（焦平面）凝视热成像器件原理
（1）单片式红外焦平面阵列（单元红外CCD）；
（2）混合式红外焦平面阵列（混合式红外CCD）。
基本结构：
前照明结构和背照明结构
第3章光电成像传感器的噪声和信噪比
§3.1光电成像传感器的噪声
3.1.1散粒噪声（图3-1）
3.1.2光电倍增器的噪声（图3-4）：
（3-4）
§3.2光电成像器件的信噪比
3.2.1光电成像器件的噪声
1.光电成像系统的方框图（图3-4）
2.系统的各级噪声
（1）输入光敏面噪声
（2）预增益机构Gf噪声
（3）后增益机构噪声
（4）预放器噪声
3.2.2信噪比表达式（图3-5）
（3-15）
光电成像器件的噪声
为便于计算，将各相关噪声均折合算到输入面的噪声值。
1．光电子的均方噪声；
2.光电阴极的暗发射和所有增益单元的暗电流的均方噪声；3.预增益机构的均方信号噪声；
4.后增益机构均方噪声；
5.预放器均方噪声
输出端的总均方根噪声值为：
（3-22）
光电成像传感器系统的信噪比（S.N.R）：
（3-31）
（3-34）
（3-35）
3.2.3信噪比（S.N.R）公式的简化
1.理想光敏面的信噪比（S.N.R）
如果光敏面是光电阴极，则γ＝1，那么：
所以
（3-40）
或者
（3-41）
发现目标：
（S.N.R）阈值＝1.2
理想条件下：
（3-42）
增加（S.N.R）的方法：
（1）增加有效光敏面A；
（2）延长积累时间t（但对动态图像却受到限制）；
（3）增加光敏面的积分灵敏度S。
方波（矩形波）调制传递函数R（N）与正弦波调制传递函数M（N）的关系：
3-48）
（3-49）
第4章光电微光成像
§4.1微光
4.1.1微光
微光的种类：
3种
（1）夜间微光：
月晴空，无月晴空，阴天，雾天等;
（2）为了观察某一自然和科学现象的人为微光状态;
（3）物体本身的热辐射产生的不可见的红外光谱，紫外光谱。
2.微光的来源及其波长范围
来源：
月光，星光，大气辉光，高空OH带辐射和云层散射；
来自物体本身的热辐射；城市周围的人为辉光或人造光。
4.1.2夜天微光
1.夜天微光的光谱特性及其变化
与日落、日出的时间和季节以及地理位置、大气特性等有密切关系。
4.1.3月光
月光提供的地面最大照度：
0.3lx。
照度容易变化：
依赖于月亮的盈亏，月亮的高度角及气候条件。
1.月相对月亮照度的影响（图4-5）
2.月亮的高度角变化对月照的影响
4.1.5星光
§4.2海洋中的微光条件
4.2.1海面上的微光条件
在日出和日落前后，海面进入微光状态。
夜间微光：
月光、星光和夜天光；海面对这些光的反射光。
许多动植物的自然发光。
海洋生物发光。
4.2.2海水中的微光状态
§4.3夜间反射率（图4-16）：
绿色草：
0.6
处为10％，0.8和1.1
之间迅速增加到60～70％；
绿色涂料：
在整个频谱内基本上保持不变；
粗糙混凝土：
有一些起伏。
图4-16一些普通物质的反射频谱特性
从夜天光光谱特性及目标反射特性解释为什么微光成像要向近红外延伸
§4.5人眼视觉及其微光特性
4.5.4微光视觉与探测方程
1.戴维斯－罗斯定律及其发展
（1）光子噪声极限
信噪比小到临界最低值时就再也不能探测信号。
（2）罗斯定律
理想成像器件是指其性能仅受输入端光电转换中光量子随机起伏现象限制的器件；
针对10－5～10－1asb的光。
辐射是一随机过程，其辐射量子数的概率分布为泊松分布；
涨落噪声决定于均方根（n）1/2。
图4-41表示从目标到探测器的有关参量
相应系数为：
（4-26）
适用：
人眼及探测器。
（3）谢根探测方程A:
（4-27）
（4）谢根探测方程B
取相应单位：
L（cd/m2）；α（弧度）；D（厘米）；则有：
（4-29）
（5）科尔特曼探测方程
（4-30）
4.5.5人眼在微光下的调节与夜视能力的改造途径
1.人眼在微光下的适应与调节-四个方面：
（1）眼睛瞳孔；
（2）感光细胞；（3）空间积累；（4）时间积累
2.改善人眼夜视能力的途径
（1）增大物体在视网膜上的图像；
（2）增大光的接收面积；（3）提高接收光的效率；（4）将接收到的光信息增强；（5）扩展响应光谱
§4.6微光透镜
4.6.1透镜参数对图像性质的影响
1.对物镜要求
（a）像增强器光电阴极的响应波段是0.4～0.9μm，物镜要在该范围内消色；（b）最大限度地消除杂散光。
2.微光成像系统的物镜
3.考虑:
（1）物镜相对孔径对视距的影响；
（2）仪器视场与物镜焦距及成像器件光敏面尺寸间的关系；（3）轴外点光源成像慧差剖面分布
§4.7像增强器电子照相
4.7.1微光像增强器
微光摄像CCD器件:
（1）带像增强器的CCD器件；
（2）薄型、背向照明CCD器件；（3）电子轰击型CCD器件
§4.8微光电视
4.8.1微光电视的定义
1.微光电视的定义；2.微光电视量的定义
4.8.3微光电视系统分析
1.夜视系统的分类及组成
（1）夜视系统的分类：
可按表4-13方法分类
（2）微光系统的组成
（a）景物——目标与背景、环境照度、大气。
（b）仪器——微光电视摄像机（物镜＋摄像管＋电路）和输出显示装置；微光夜视议（物镜＋象增强器＋目镜）。
（c）观察者——人眼与脑的组合视觉系统。
4.8.4目标探索要求与距离公式
1.目标探求要求——发现、识别、看清
（1）发现、识别、看清目标的最低分辨率（表4-14）
（2）发现识别概率
（3）目标的模型化
2.视场角、目标张角与分辨角（图4-50）
3.微光系统距离公式
微光电视距离公式：
（4-49）
微光夜视仪距离公式：
（4-50）
式中，nc—象高
在光敏面上所占的线对数。
将视距与视场联系后：
（4-51）
式（4-49）～（4-51）为：
几何光学角度导出的用分辨率估算的距离公式（R～N）。
4.微光系统照度公式
（1）景物照度与光敏面的关系
景物亮度通过物镜在探测器光敏面（如光电阴极面或靶面）上形成的照度
（4-53）
当距离很近时，如在实验室内，需引入放大率：
（4-55）
（2）考虑对比度影响的照度关系式
或
（4-57）
4.8.5微光电视系统的探测方程
微光摄像器件的探测方程：
N―（SNR）i—Eo关系式：
（4-65）
1.R―（SNR）i—Ec公式
（4-66）
2.R―（SNR）i—Ei公式
（4-67）
3.R―（SNR）i—Eo公式
（4-68）
微光系统探测距离公式简汇
微光电视
微光夜视仪
1
2
3
4
例题1.已知微光夜视仪的物镜焦距f＝100mm，若要求在1000m距离处识别汽车，摄像管的分辨率应不低于多少？
解：
由距离公式：
R＝hfNc/nc,得Nc＝Rnc/（hf），由图4－51可知：
对于车辆，识别概率为100％时，分辨率nc≈6线对/目标尺寸，车高h≈2m，得：
Nc＝1000×6/（2×100）＝30lp/mm。
例题2.已知微光电视的视场角αH=7.5º、αW=10º,要在10－2lx景物照度下识别400m距离上的汽车，求所需分辨率N。
解：
目标尺寸h≈2m，识别条件n=no=6lp/目标尺寸＝12TVL，
α≈αH/0.6=12.5º，由公式（4-51）得：
N=0.6nR×tgα/h=0.6×12×400×tg12.5º/2≈320TVL/H。
例题3.已知微光电视的物镜焦距f=150mm,光电阴极面有效直径Dc＝40mm,如果要观察距离R=100m处一个身高h=1.8m的人，他在成像屏面上出现时的高度是多少？
解：
由距离公式（4-49）得：
α＝n/N＝hf/（0.6DcR）＝1.8×150/（0.6×40×100）＝11.3％。
能够根据器件的照度分辨率曲线计算不同照度和对比度下的分辨率及探测距离
4.8.6分辨率、信噪比与面板照度的关系
1.三者间的关系式和计算值
（4-69）
对微夜视仪可得：
（lp/mm）（4-70）
§4.9微光CCD
固体摄像器件对低照度下有利：
1、硅的光量子效率远比光电阴极高，大约比S-20光电阴极高50倍，特别是硅的光谱响应延伸至近红外区；
2、硅CCD是一个固有的低噪声器件，均匀性较好；
3、硅CCD动态范围宽，无畸变，体积小，功耗低，重量轻，寿命长，适合于粒子探测\跟踪和制导。
4.9.1微光性能分析
4.9.2固体微光摄像器件的种类
1．像增强器与CCD耦合模式；
2．EB-CCD模式
3．薄型、背向照明CCD器件
4.9.3延时—积分（TDI）工作模式
第5章红外成像系统
5.1.1红外热成像系统的组成
扫描系统：
1.物扫描；2.像扫描。
5.1.2红外热成像系统的原理
1.单元红外探测器
优点：
器件单一、制冷容易、只需一路放大器；
缺点：
（1）需要行、场两个方向的高精度光机扫描；
（2）信噪比较低。
2.线阵列红外探测器
三种扫描方式：
5.1.3面阵列（焦平面）凝视热成像器件
§5.2SPRITE探测器
5.2.2SPRITE探测器的响应度
提高响应度的途径：
1.Rλ与光生载流子的渡越时间t成反比，在材料迁移率和探测器长度确定的情况下，增大外加电场强度可以减小t，减小扩散的影响，提高响应度。
2.Rλ∝材料的载流子寿命，增大载流子寿命可以提高Rλ。
但即使是寿命长的材料，在制成器件后，由于存在表面复合，载流子的寿命也会变短。
通常对探测器表面采用钝化技术，把表面复合的影响降到最低。
3.采用制冷技术，降低读出区中热激发载流子的浓度。
4.减小探测器表面的反射损失，以及在满足ad»1的条件下，尽可能减小探测器的厚度，也能达到提高Rλ的目的。
§5.3红外电视
5.3.1主动红外夜视系统
3.红外变像管的电子光学系统
选通技术
5.3.6主动红外夜视系统的视距及其主要影响因素
1.环境因素
2.系统性能因素
（1）尽可能选用大孔径的物镜；
（2）探照灯
（3）红外变像管的灵敏度、暗背景、分辨率
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