《光电成像导论》知识点复习吐血推荐.docx

1、光电成像导论知识点复习吐血推荐1，直接带隙材料和间接带隙材料（直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。）2，直接跃迁和间接跃迁3，什么是散射，原因4，光学的两个特殊角，全反射角和布鲁斯特角光由光密介质进入光疏介质时,当入射角增加到某种程度，会发生全反射。折射角为90度所对应的入射角为临界角。自然光在电介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角，用b表示。此规律称为布儒斯特定

2、律。光以布儒斯特角入射时，反射光与折射光互相垂直。5，在迪拜长度后面那个，具体得翻书才能知道，好像是折射率的证明（p77）6，关于散射的应用题，给一个波长函数，有两个参数待定，然后给两组数据，求出两个参数，然后再给一个数据，求解。不难，需要求导7，一个关于光吸收能量转化的应用题，给出一堆参数，根据能量守恒，需要知道一些常量，比如h，e等8，速率方程，教材最后一节内容，知道怎么列出的9，可见光范围380nm760nm10，光子频率能量范围本征吸收：本征吸收是指在价带和导带之间电子的跃迁产生与自由原子的线吸收谱相当的晶体吸收谱，它决定着半导体的光学性质.本征吸收最明显的特点是具有基本的吸收边（吸收

3、系数陡峭增大的波长）这种由于电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。辐射复合：根据能量守恒原则，电子和空穴复合时应释放一定的能量，如果能量以光子的形式放出，这种复合称为辐射复合（RadiativeRecombination）。辐射复合可以是导带电子与价带的空穴直接复合，这种复合又称为直接辐射复合，是辐射复合中的主要形式。此外辐射复合也可以通过复合中心进行。在平衡态，载流子的产生率总与复合率相等。辐射复合（RadiativeRecombination）是等离子体中电子与离子碰撞的主要复合过程之一，它是光电离的逆过程，对等离子中电离平衡的建立和维持以及等离子体的辐射输运都起着重要作用。

4、光电成像导论复习提纲 （2012-12-18）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非平衡、热稳定条件下的半导体的费米函数 （ (1-7） 它与费米函数不同，因为：(1) (2) 费米能级EF本身在非平衡情况下是没有意义的。EF的概

5、念只在平衡条件下有效。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1.2.1 P型半

6、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。 1.2.2 n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-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)=0.8ev时，才能使E

7、a变成“负”。-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，本征光吸收，t随的增加而增加；杂质光吸收；，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。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-

8、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)1. 反射式负电子亲和势（NEA）光电阴极的量子产额(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) 1.6 金属

9、和半导体的热电子发射Richardson-Dushmans（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)或： ，(1-103)3. 型半导体与型半导体的热电子发射比较(1) j 0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。第2章 光电成像器件2.1 光电成像器件中的电子透镜2.1.2 近贴聚焦电子透镜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

10、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)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。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（代近贴管）2. 电磁复合聚焦像管3. 静电聚焦像管(代倒像式微光管)4. 一代微光选通像5. 一代微光变倍像

11、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2.4 X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

12、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。2.4.3 X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)荧光屏用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（Charge Coupled Device，即CCD）；互补金属氧化

13、物半导体图像传感器（即CMOS）；电荷注入器件（Charge Injection Device，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（Surface Channel CCD）优点：工艺简单，动态范围大；缺点：信号电荷在转移过程中受到表面态的影响，使转移速度和转移效率降低，不宜制成长线阵及大面阵器件，工作频率一般在10MHz以下。体内沟道（或埋沟道CCD），即BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）优点：转移效率高达99.999%以上，工作频率可高达100MHz，能做成大规模器件。2

14、. 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CCD2.5.2 CMOS摄像器件 1. CMOS像素结构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

15、，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1m3m，3m5m和8m12m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： (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：

16、肖特基势垒单片式IRFPA。4. 典型的IRFPA (1) InSbIRFPA；(2) HgCdTeIRFPA；(3) 硅肖特基势垒IRFPA (4) 非制冷IRFPA；(5) 多量子阱（MQW）IRFPA2.6 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。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35m的材料：InSb、InAs、Si：Ni（掺镍硅）、Si：S（掺硫硅）和Si：Ti（掺钛硅）等；814m的材料

17、：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.

18、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 (a) 信号噪声； (b) 暗电流噪声(3) 后增益机构噪声 (3-5)(4) 预放器噪声1）增大负载电阻R，可使Ipre下降，使信噪比上升2）减少摄像管的输出电容C，可使 Ipre下降使信噪比上升；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

19、值为： (3-22)光电成像传感器系统的信噪比（S.N.R）为： (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 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。 计算在任何N下R（N）的方法 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

20、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）

21、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6070；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4.3.1 月光辐射的反射率 4.5 人眼视觉及其微光特性从目标到微光电视再到人眼，构成统一的观察系统。自然光源的亮度与光源分布、景物照度、反射

22、率与对比度、大气透过率、微光电视的灵敏度、分辨率等，最终都要与人眼的有关参量获得统一，以满足人眼视觉的需要。 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105101asb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取如下单位：()；D(in)；h2(ft2)；t(s)；L(fL)；相应系数为： (4-26)适用：人眼及探测器。(3) 谢根探

23、测方程A (4-27) (4) 谢根探测方程B取相应单位：L(cd/m2)；（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放大；(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0.40.9m，

24、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. 物镜参数优选设计的考虑(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3. 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

25、)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(RN

26、)。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，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：对输入信噪比则相应有N(SNR)iEo关系式： (4-65)1. R(SNR)iEc公式 (4-66)2. R(SNR)iEi公式 (4-67)3. R(SNR)iEo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1234例题1.已知微光夜视仪的物镜焦距f100mm，若要求在1000m距离

27、处识别汽车，摄像管的分辨率应不低于多少？ 解：由距离公式： RhfNc/nc, 得NcR nc/(hf)，由图451可知：对于车辆，识别概率为100时，分辨率nc6线对/目标尺寸，车高h2m，得：Nc10006/（2100）30 lp/mm 。例题2.已知微光电视的视场角H=7.5、W=10,要在102lx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h2m，识别条件n=no=6 lp/目标尺寸12TVL，H/0.6=12.5，由公式(4-51)得： N=0.6nRtg/h=0.612400tg12.5/2320TVL/H 。例题3. 已知微光电视的物镜焦距f=150mm,光

28、电阴极面有效直径Dc40mm,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：n/Nhf/(0.6DcR)1.8150/(0.640100)11.3 。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

29、，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5.2 SPRITE探测器5.2.2 SPRITE探测器的响应度提高