绪论

时间节点
适用范围：200nm~0.1mm
对人眼视觉进行拓展：时、空、谱；探测灵敏度

光电成像系统构成与分类

构成

L(, )->E(, )->i->记录，存储，处理，重现

目标辐射与传输

电磁波辐射度量体系

电磁波（电磁辐射）定义：同向振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效地传递能量与动量。
- 基本属性参数：振幅、频率（波长）、相位
  - 振幅与能量相关
  - 不同介质中频率不变，波长改变
- 产生机制：原子与分子的热运动与其他
辐射度量与光度量
- 辐射度量：能量单位+客观+全范围
  - 最基本单位：W
- 光度量：发光强弱+主观+可见光
  - 最基本单位：cd
- 光通量与辐射通量的转换
  - 人眼光谱响应：
  - 在555nm时人眼光谱光视效能最大：
    
    注意：一般下标某量为真值，括号则为真实值
  - 相对光谱光视效能（视见函数）：

辐射体与其辐射特性

朗伯辐射体及其辐射特性

朗伯辐射体：辐亮度不随着出射方向的改变而改变
朗伯体的辐射强度：

理想情况下，朗伯体表面任一点向空间规定方向单位立体角内发射（或反射）的辐射功率和该方向与表面法线方向的夹角余弦成正比
朗伯体辐射出射度：

其中：P为向半球空间辐射的辐射功率，ds为朗伯辐射体微面元，L为辐亮度
- 若辐射源是反射率为ρ的朗伯漫反射体，则
  
  E为辐照度。
- 由上两式可推得辐亮度与辐照度的关系：
辐射量传递计算
1. 点源对微面元的照度：
  
  当点源在微面元法线上时，有距离平方反比定律：
2. 点源向圆盘发射的辐射功率：
  
  当圆盘距离点源足够远，即cosα≈1：
3. 面辐射在微面元上的辐照度：（立体角投影定律）
4. 圆盘辐射面产生的辐照度：
  
  其中
5. 成像系统像表面的辐照度：由拉氏不变量推出。实际应用简化为

黑体及其辐射定律

热辐射及其性质
- 热辐射：物体因温度而辐射能量的现象
- 辐射能入射到物体表面，一般产生三种作用：吸收、反射、透射
  
  其中为吸收本领，
  
  为反射本领，
基尔霍夫定律：热平衡条件下，物体的辐射出射度与吸收本领之比是波长与温度的普适函数
黑体：定义可以完全吸收入射的辐射能的理想物体
- 自然界中不存在，因此引入辐射发射率或者比辐射率
  - 根据比辐射率不同，分为黑体、灰体、选择体
- 黑体辐射定律
  1. 普朗克辐射定律
  2. 斯蒂芬—玻尔兹曼定律
    
    其中
  3. 维恩位移定律

典型辐射源

人工标准黑体辐射源
1. 腔型黑体辐射源
  
  人工黑体的辐射出射度：
2. 面型差分黑体辐射源
  
  面型黑体源：提供均匀辐射面，半导体控温
  
  靶标：高导热性材料上镂刻靶标形状，背景为环境温度，靶标为黑体源温度
  
  靶标支架：方便靶标切换
  
  红外平行光管：配合面型差分黑体源，进行红外成像系统测试
自然辐射源
1. 太阳
  - 5800~6000K，0.3到2.5μm波段
  - 到达地面的太阳辐射有衰减，在多个波段有凹陷
  - 到达地面的太阳辐射分布跟太阳高度、大气状态等关系很大
2. 地球
  - 主要地球辐射 = 反射与折射的太阳辐射（白天，0.3到2.5μm）+自身热辐射（夜间，8到14μm波段）
  - 地球表面热辐射取决于地物温度与辐射发射率，在特定位置有凹陷
3. 月球
  - 月球表面辐射 = 反射太阳辐射+自身辐射
  - 反射辐射：与太阳辐射相似，无凹陷
  - 自身辐射：类似于400K黑体，峰值波长为7.24μm
4. 大气辉光与夜天空辐射
  - 大气发出的紫外辐射与高层大气分子作用发出的辐射
  - 大气辉光光谱中包含多种原子谱线
  - 辐射强度受到纬度、地磁场分布于太阳运动等影响
人工照明辐射源
1. 白炽灯
  - 发射连续光谱，在可见光谱段与黑体辐射分布相差不大
2. 气体放电灯
  - 线光谱或连续光谱
  - 分类：低压（汞灯、镝灯）、高压（汞灯）、超高压（氙灯）
3. 半导体发光二极管
4. 激光光源
  - 准直单色光
  - 分类：气体激光器、固体激光器、可调谐激光器、半导体激光器
景物目标源
- 人工目标、自然景物

辐射在大气中的传输

辐射传输：电磁波辐射由辐射源经过一定过程（自发射、透射、散射等）经过传输介质后，引起的辐射变化过程，为辐射与介质的相互作用

大气成分与大气层结构

大气=气体+气溶胶
气体：常定成分气体、可变成分气体
气溶胶：粒度在0.03μm到2000μm的固态与液态微粒

大气结构（从下到上）：

大气层结构	高度（km）	高度增加后物理量变化	其余说明
对流层	0~10	p↓，T↓	空气存在明显对流，天气变化频繁，大量云、烟尘
平流层	10~50	T↑（臭氧层对紫外线的强吸收）	没有对流，由下往上为同温层、暖层
中间层	50~85	T↓	冷层
热成层	80~500	T↑	电离层，对遥感波段为透明的，是陆地卫星活动空间
散逸层	500~800及以上	T↑	空气极其稀薄，对卫星基本没有影响

一般认为局部区域大气成分只随着高度变化
描述变化：密度、气压、温度、湿度与沿高度方向分布的垂直廓线

大气消光与大气窗口

大气消光：大气对电磁波辐射功率的衰减作用，主要由散射与吸收造成

大气散射：

散射系数β来衡量粒子的散射能力。

电磁波与大气分子与气溶胶粒子作用，电磁波偏离原来传播方向的现象
- 大气散射一方面使沿原方向传播的辐射衰减，另一方面增大背景辐射强度，降低目标与背景的对比度，降低信噪比。
- 其性质与强度取决于大气分子或气溶胶粒子的半径与被辐射光的波长
- 分类：
  1. 瑞利散射（选择性散射）
    
    半径r远小于波长λ的粒子引起的散射。
    - 大气分子对可见光的散射；波长越短，散射能力越强。
    - 不同地区上空大气的瑞利散射能力变化。
  2. 米氏散射（选择性散射）
    
    设粒子尺度为a，发生米氏散射条件：
    $到$
    当r≈λ时，产生最大散射，
    - 具有较强的向前散射能力
  3. 无选择性散射
    
    散射光强度与波长无关
大气吸收

吸收系数α衡量将辐射能量转化成为大气分子的运动形式。主要吸收体：臭氧、水蒸气、二氧化碳。
大气透过率
- 消光：由于气体分子与气溶胶粒子的影响，光线在透过大气的同时被吸收与散射，由此引起的电磁波辐射能量的衰减。
  
  设大气透过率为τ，则
  
  对于均匀光学介质，有
  
  则有Bouggner定律：
  - 适用于水平辐射传输计算，也用于任意路径传输的辐射
  大气消光系数：
大气窗口：大气透过率较高的波段
大气辐射计算
1. 能见距离

光电成像器件及其特性

光电成像器件特性

噪声影响的定量评价
1. 信噪比（SNR）：有用信号/噪声信号
  - 在输出端评价探测性能的指标
2. 噪声等效功率（NEP）
  - 在输入端评价
  - 条件：SNR = 1时，器件的输入功率为多少
    
    NEP越大，性能越差
  - NEP与面积A与带宽Δf有关，而且
3. 探测率和比探测率
  - 探测率（D）：NEP的倒数
  - 比探测率（D*）：对于同类的器件，消除A与Δf对于探测能力对比的影响
图像传递特性
- 分辨力（Resolving Power）
  - 以人眼作为接收器所判定的极限分辨能力：能够被人眼分辨的相邻两点之间的距离Δ，或者这两点对人眼所张的角度δ
  - 距离越小，则分辨力越强，所以取分辨率（Resolution），为分辨力的两倍的倒数：分辨率越大，分辨能力越高
    - 单位：lp/mm
    - 为行扫描频率，宽高比是a，n是电视线数（TVL，转化的时候考虑高度H）
  - 在器件的输出端进行考量
- 点扩散函数（PSF）
  - 空间域定量描述方法
  - 前提：线性、空不变系统
  - 输入δ(x,y)函数分布的图像，通过光电成像器件得到的输出图像分布即为器件的点扩散函数h(u,v;x,y)
- 光学传递函数（OTF）
  - 点扩散函数的傅里叶变换
  - 为复函数：调制传递函数* $相位传递函数$
    1. 这里的调制传递函数|M(,)|（二维）体现出能量的分布，与|T(f)|不同
      
      后来在计算能量时，后者需要平方但前者不用
    2. 整个过程中的MTF为不同的MTF的乘积
    3. MTF的确定：

人眼视觉与图像探测

人眼及其视觉

模型

视细胞：锥状细胞（大，中心凹，高分辨率）、杆状细胞（小，总是合并的，不在中心凹，分辨率较低）
中心凹不在光轴上，中心凹与结点的连线为视轴，视轴与光轴的夹角大概5°
大致建模，测物理参数

视觉特性

视觉响应
- 人眼观察的视场亮度范围：cd/m^2
- 分类（随着视场亮度不同）：
  - 明视觉响应：锥
  - 暗视觉响应：杆
  - 中间视觉响应
- 光谱响应：人眼视觉的能动性，在不同的视场亮度范围时响应不一样
视觉适应
- 适应：在亮度发生突变时，人眼要稳定到突变后的正常视觉状态需要经历一段时间，这种特性称为适应。
- 分类：
  - 亮适应：由暗到亮，2-3min
  - 暗适应：40-60min
视觉阈值
- 人眼视觉的探测极限
  
  【很少去考虑人眼视觉的噪声】
- 分类：
  - 绝对视觉阈值：全黑视场中，人眼完全暗适应情况下，能够感受到的最小光阈值，以入射到瞳孔中的最小照度值表示，大约lx数量级
    - 在暗黑背景亮度下，人眼可以观察到的最小照度值：
      
      当到达一定程度时，其继续变化，人眼是无法察觉的——眩目效应
    - 人眼视觉敏锐程度（目标对比度）与背景亮度与环境在背景中的衬度有关
  - 阈值对比度
    - 背景亮度、对比度、目标张角之间的关系
    - Wald定律
    - Rose定律（需记）
分辨力
- 视觉锐度：分辨成像于视网膜上的物体形状与位置的能力
- 视觉分辨力：区分两发光点的最小角距离为极限分辨角θ
- 视觉分辨力与人眼构造有关：视角、瞳孔直径
调制传递函数MTF
- 视网膜的MTF
- 四种典型人眼视觉模型
  1. 高斯型：主要对应光学系统，
  2. 指数型：主要对应探测器
  3. Barten模型
  4. 复合模型

图像探测理论

图像信号S = （均值） - （均值）
图像噪声N = $（均值）（均值）$
图像信噪比SNR
假设光电成像系统有一定成像特性与图像参数，可分别算出S、N、SNR
光电成像图像的探测方程（重要）：光电成像输出图像的信噪比高于探测要求的阈值信噪比

方程左侧是表征目标属性的物理参量，右侧是表征光电成像系统属性的物理参量
- 与Rose定律中定义不一样，C代表图像对比度，α代表目标的尺寸
取=的时候，可以测出极限探测灵敏阈
- 斜线下方可探测
- 如果考虑系统，则位于斜线与红线的下方

目标探测与识别

人眼视觉对于特定目标的探测过程

搜索、探测、分类、识别、辨别
- 探测识别的效果评估采用捕获概率来表达，捕获概率为前过程的概率相乘
目标探测与识别视觉模型
1. 美国Rand模型
  
  P1：搜索一个确定的面积，扫视到目标的概率
  
  P2：扫视到的目标被探测的概率，基于视觉对比度探测
  
  基于对比度探测的概率密度函数
  
  表观对比度：C
  
  极值对比度：
  
  P3：探测到的目标被识别的概率，要求目标有足够多的细节
  
  η：噪声引起的衰减因子
  
  信噪比≥1时η不为0，其余为0

成像系统的目标探测与识别——Johnson准则

依据人眼视觉分辨力，建立等效条带图案，采用目标等效条带图案可分辨力来评价成像系统对目标的识别能力

分级：

探测水平	定义	50%概率时所需的等效条带周期数
探测（发现）	在视场中发现一个目标	1.0±0.25
定向	可大致区分目标是否对称及方位	1.4±0.35
识别	可将目标分类	4.0±0.8
辨别	可区分出目标型号与其他特征	6.4±1.5

直视型光电成像器件及成像系统

像管结构类型与性能参数

像管概述

像管分类
- 作用目的：像增强器，变像管
- 工作方式：连续工作，选通工作，变倍工作
- 结构形式：近贴式、倒像式、静电聚焦、电磁复合聚焦
- 技术发展水平：一代、二代、三代

像管结构类型

光阴极（光敏元件）
电子透镜（电子光学系统，电场、磁场）
荧光屏（图像显示）

像增强器（需要补充）

一代像管
1. 近贴式像增强器
2. 倒像式
3. 电磁复合聚焦式像增强器
二代像管（与一代像管的差异：电子倍增的方式不一样）

带有MCP的像增强器
负电子亲和势光阴极像增强器（三代像增强器）

像管性能参数

光电转换特性：光增益（待补充）

不特别说明，下标C表示光阴极，下标S表示荧光屏；τ是透过率，U为加在两端的电压，η是荧光屏的发光效率，R是光阴极的光电响应率
- 提升G：
  1. 提高电压。但是电压太高的话，器件安全性差
  2. 级联。总增益为各部分增益乘积，但器件会变得
时间响应特性

光阴极：无惰性

荧光屏发光衰减延迟：有惰性，余辉

复指数函数：

其中p为时间常数倒数
噪声特性：背景噪声
1. 主要类别：散粒噪声（来自载流子的起伏，不可忽略）、热噪声（来自载流子的热运动，可以忽略）、低频噪声（来自半导体材料/复合材料界面的缺陷，可以忽略）
2. 背景噪声
3. 来源分析
- 暗背景噪声（器件自身，下标db）：无光照情况下，光阴极的热电子发射和场致发射造成
- 光致背景噪声（输入信号，下标sb）：入射信号产生的杂散光、光反馈、离子反馈等造成
- 最终噪声：
1. 影响评价
- 等效背景亮度：使荧光屏亮度等于暗背景亮度时的光阴极面上的入射照度
  
  则实际测试时：
- 对比恶化系数：表征背景使图像对比度下降的程度
  
  与大气传递函数表示形式相似。
  
  其中
成像特性：像管输出图像与输入图像之间物理量的关系
1. 放大率m：像高/物高
  
  理想成像时，成像放大率处处相同
  
  对像增强器：
1. 畸变D：像面不同位置的放大率不同，导致图像发生集合变形
  
  多级级联管的畸变：
  
  大多数的成像系统中，是单增的，产生整型畸变（还有桶形畸变）
2. 分辨力和调制传递函数
  
  像管分辨率（单位：lp/mm）：人眼目视可以分清荧光屏图像中相邻目标的极限分辨能力
  
  调制传递函数（MTF）：
  
  可以利用其下降到37%（1/e）时f = ，确定的值
  
  对于未知的器件，可以用MTF()与MTF()联立，来求出与n

像管成像物理过程

光电发射效应

物体受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应/光电发射效应

光电发射基本规律（补充）

阈值波长定律：光电发射的阈值波长取决于光电发射体的光电逸出功。在阈值波长处，光电子逸出的初速度为0
光电发射过程
1. 光电发射体内的电子被入射光子激发到高能态
2. 受激电子向表面运动，在运动过程中因碰撞损失部分能量，变成冷电子
3. 到达表面的受激电子克服表面电子亲和势逸出
电子受激跃迁

入射光子和体内电子相互作用，看作光辐射电磁场对电子状态的扰动
受激电子向表面迁移
- 晶格散射
- 激子散射
- 受激电子表面迁移概率与光吸收系数与逸出深度正相关（书p145）
电子从表面逸出：取决于光电发射体的能带分布
- 半导体材料光电逸出功
  - 认为χ决定于表面吸附，有额外能级
  - P型半导体附有N型表面
    - P型半导体的费米能级靠下，N靠上
    - 判断是否稳定：两个材料的费米能级要在一条水平线上
- 光电发射长波限
- 热电子：光电发射体内电子接受光子能量
光电阴极：反射式、透射式
- 半导体材料优于金属材料，基于波段与反射系数的考虑

电子束汇聚成像

电子光学中的场
- 假定：无源场、静场、真空、旋转对称
- 电子光学中场需满足的条件：
  
  举例：
  1. 旋转对称静电场
  2. 旋转对称静磁场
场作用下的电子运动轨迹
1. 电子在电磁场中的动力学方程
2. 直角坐标系下，电子运动轨迹方程
3. 柱坐标系下，电子运动轨迹方程
  
  【书5-168有问题】
电子光学
1. 旋转对称静电场
  
  r()=r(z0)()+r’()()
  
  其中(z)是轴外单位距离处出射的电子轨迹，(z)是轴上45°出射的电子轨迹
2. 验证理想成像条件（前提：静电场）（待补充
  1. 轴上电子：无论发射方向如何，最终一定在轴上
  2. 轴外电子：无论发射方向如何，最终都会在成像平面上
  结论：像管光学系统可以理想成像
3. 电子光学系统的折射率
典型电子光学系统成像特点
1. 双面近贴系统（平行静电场）
2. 电磁复合聚焦系统
  1. 光阴极上一点发出的光电子，无论初速度与出射角如何，轴向初速度相同的话，经过时间T后都会汇聚到距离光阴极为d的一点——轴向均匀电磁场具有聚焦特性
  2. 聚焦像差：高斯像点的偏离量
  3. 球差：初动能相同，不同出射角
  4. 位置色差：出射角相同，初动能不同（波长不同）

电子图像发光显示过程

荧光材料受高能电子轰击发光，形成可见光图像

荧光屏发光机理与特性
- 晶态磷光体：粉末状晶体在适当掺杂后具有受激发光的特性
- 能带模型理论：由于正离子的存在，发光中心存在
- 主要发出可见光
荧光屏发光时间响应
- 上升延迟不明显，衰减延迟严重
  - 复指数
  - 双曲线
典型荧光材料及光谱特性
- 蓝光波段：与胶片匹配
- 黄绿光波段：与人眼视觉观察有光谱匹配（相当于光阴极的光谱匹配）

直视光电成像原理和成像系统

限定为微光夜视系统（重点）、红外夜视系统

主动红外夜视成像系统

自身携带红外光源
工作波段：近红外，0.76~1.2μm
- 因为很多目标在近红外有强烈的反射（比如自然景物）
优点：
1. 目标与背景反差打，成像清晰
2. 受大气散射影响小，图像闪烁小
3. 不受环境照明条件影响，选通工作
4. 工艺成熟，造价低廉

微光夜视成像系统

优点：
1. 被动式工作，不用人工照明
2. 隐蔽性好
3. 体积小，重量轻
缺点：
1. 景物之间反差小
2. 图像数据无法记录，复现困难，无法传输，导致量化分析无法进行

微光夜视成像系统关键技术

夜视成像系统物镜：收集目标场景辐射成像于像管的光阴极上
- 大通光口径和相对孔径
- 小渐晕（大渐晕系数）
  - 轴外的光束被孔径拦截而形成渐晕
- 宽光谱范围内像差校正
- 调制传递函数较高
  - 12.5lp/mm时，MTF≥0.75
  - 25lp/mm时，MTF≥0.5
- 消除杂散光
- 分类：
  - 透射式物镜（有色差）
    - 双高斯结构
    - 匹兹万结构
  - 反射式物镜（无色差，但有摆放问题）
    - 折反射式物镜
目镜：放大荧光屏上的目标像，让人眼能进行舒适清晰的观察
- 焦距
- 视场
- 出瞳距离和出瞳直径
微光夜视成像仪总体设计

性能影响：

其中取决于器件，与目标属性无关；受到图像探测理论、目标属性、器件性能影响
1. 前置成像系统成像探测性能分析
2. 后置成像系统（荧光屏、目镜+人眼）
设计思路：
- 给出照度，可以计算出辐亮度L
- 注意：给出极限分辨率：在C=1时的情况下测定
1. 选择像增强器
2. 根据选定的像增强器的参数去计算光学系统参数
  1. 物镜焦距：
    1. 像方不能超出光阴极的大小
    1. 根据目标探测要求，至少占极限分辨率条带图案x个空间
  2. 物镜视场光阑
  3. 物镜通光孔径
    
    注意：孔径不能小于1:2
  4. 目镜焦距
  5. 确定目镜的视场角2
  6. 目镜的工作距离
    
    视力调节范围为±SD（近视眼取负，远视眼取正），对应的目镜轴向移动量为
  7. 目镜的出瞳距离
    
    不小于15mm，
  8. 目镜的出瞳距离
    
    瞳孔大小
3. 整体布局设计
  
  视距估算：估算对于设计计算可以实现的最远观察距离，看看是否满足设计题目要求。如果不满足，则将前面的流程重新进行一遍
  
  假定在距离d处有高度为H的物体，微光夜视仪的像增强器光阴极的应用分辨率为m(lp/mm)，夜视仪设计要求：
  
  夜视仪的视距计算公式：
4. 性能校核

电视型光电成像器件

将空间分布的图像信号
CCD和CMOS的区别：信号存储转移方面的不同
- CMOS每个单元上都有控制与读取的电路，但是CCD一个芯片上只有一套电路实现此功能
CCD成像器件
- 半导体成像、光电转换
- 线阵CCD成像器件

固体成像器件与成像系统

CCD物理基础与工作原理

CCD成像器件：光敏元件（光电转换）+CCD器件（将电荷图像扫描成电流/电压的序列图像）
- CCD：移位寄存器，存储+转移
- 基于MOS电容器在非稳态下工作的一种器件

MOS结构与特点

三种材料：金属栅电极（M）、氧化物绝缘层（O）、半导体衬底（S）
- 电极离散，但是O与S层形成一大片
- 半导体衬底：P型硅衬底、N型硅衬底
- 栅电极偏压决定MOS结构的状态
  1. 理想、稳态MOS结构特性（）
  2. 负偏压状态（ $＜$ ）
    
    半导体表面势在表面处向上弯曲，弯曲程度为；表面处的空穴浓度高于体内，呈现表面多子积累
  3. 正偏压状态（）
    
    空间电荷区：耗尽层
    
    半导体表面势：
    
    耗尽层厚度：
    
    耗尽层电荷量：
    
    层压降：
    
    MOS结构电容：
半导体物理知识：
存储电荷（非稳态，强反型）

强反型：表面电子浓度等于体内空穴浓度（）

形成特点：
- MOS结构栅压（P型硅衬底）：
  - 建立初期，半导体处于深耗尽状态，耗尽层厚度与表面势大于稳态，表面形成空的电子势阱，MOS处于非平衡态
  - 表面反型层的建立需要热弛豫时间，可达数秒以上。
    
    利用电子热激发的时间跨度，实现信号电荷存储。注入的很薄的、用于存储电子的薄层，成为N沟道（P型硅衬底）。
- 实际上MOS系统外加电压的修正值：…
强反型条件：

强反型状态的耗尽层厚度：

电荷量：（必须记住）

空间电荷在氧化层上的压降：

强反型状态阈值电压
转移电荷
- 条件：
  1. 势阱合并——电极之间的距离要足够小
  2. 时序控制——栅压有一定的匹配关系
- 电子浓度
- 空穴浓度
  
  刚好是电子浓度的倒数。则
  
  表面电子和空穴浓度：
  
  体内电子和空穴浓度：
  
  能带继续下弯，，即，表面电子和空穴浓度相同
  - 此时半导体表面产生反型
  - 弱反型：表面电子浓度等于表面空穴浓度（）
    
    定义，其中
    
    弱反型条件：
移位寄存器的电荷转移问题并不是成像器件的电荷扫描问题！

举例：三相CCD
- 波形相同，但是相位差120°
- 时钟脉冲必须严格满足相位时序的要求
- CCD中的电荷转移必须满足确定方向
概念
- 寄存器的1位：代表几个MOS结构的组合
- 每一位中对应的MOS结构的栅极连接在共同的电压线上，称为相线
- 电荷包从CCD的一位移动到相邻的下一位，时间间隔位T；转移一次，时间间隔位

结构与特性

MOS结构电荷存储原理（非稳态强反型MOS结构）
- 半导体处于深耗尽状态，耗尽层从表面延伸至体内较深处

CCD的结构特点
1. 单层铝电极结构
  
  优点：结构简单，制作容易
  
  缺点：
  - 要求电极间隙较窄（小于1μm），工艺难度较大
  - MOS结构氧化层裸露在外，表面势不稳定，影响转移效率
  - 性能稳定性不好，易受外电场、磁场干扰
2. 电阻海结构
  
  优点：封闭式结构，性能稳定
  
  缺点：
  - 电极用掺杂制成，对掺杂浓度精度有严格要求，工艺难度大
  - 一致性问题
3. 多晶硅交叠栅结构
  
  优点：没有间隙，交叠式电极
电荷转移沟道
1. 表面沟道（SCCD）
  
  工艺简单；但容易受到氧化层的污染
2. 体沟道（埋沟道）（BCCD）
物理特性
1. 存储电荷
2. 电荷负载能力
  
  作为CCD电荷存储和转移器件满负载电荷容纳量
  
  考虑相邻势阱制约，三相CCD满负载电荷量（SCCD）
  
  BCCD：
3. 工作频率
  $对于表面沟道，还有$
4. 电荷转移效率
  
  电荷转移损失率：一次转移后损失的信号电荷量和转移前信号电荷量之比，记为
  
  转移效率：作为一次转移，转移后的电荷量和转移前的相比，记为η
  
  CCD总的转移效率
  $位数项数$
  电荷转移的驱动力：
  - 自建场：效果最好
  - 扩散场：转移速度慢
  - 边缘场
  - 界面态和陷阱俘获：SCCD的电荷转移损失比BCCD大得多，为了减少SCCD的表面态俘获损失，用一定量的基底电荷填满表面态，称为“胖0”工作模式
5. 噪声
  - 散粒噪声：与注入信号电荷量的多少相关
  服从泊松分布律。
  - 转移噪声：表面态俘获、体内陷阱俘获，有积累性与相关性
    
    转移损失引起的均方根噪声：
    
    表面态俘获引起的均方根噪声：…
    
    SCCD转移噪声频谱：…
  - 热噪声：CCD输入、输出结构，等效为RC回路，热噪声
6. 暗电流
  
  CCD器件在无信号注入的情况下，由热生载流子形成的电流
  
  来源：耗尽层内载流子的本征激发与复合；衬底少子向耗尽层扩散；表面态产生——复合
  
  影响：图像的对比度（信噪比）下降，形成白噪声与固定模式背景；限制了CCD工作时钟频率的下限
  
  控制暗电流：提高工作频率；降低温度，抑制热激发
7. 功耗
  
  保证CCD正常工作，形成势阱，驱动电荷沿沟道转移

成像原理与工作方式

CCD成像器件工作流程

线阵CCD（LCCD、CCLID）
面阵CCD

无论有多大，移位寄存器都基本上是个位数
- 光敏源阵列
- 暂存区排列
  1. 帧转移CCD（FT-CCD）
    
    堆栈式转移，因此不采用单相CCD；使用时，在光敏区向暂存区保存时，需要加快门（转移时不希望曝光）
    
    但是一次性可以加工完成，成本低
  2. 行间转移面阵CCD（LT-CCD）
    
    因为转移速度快，所以不需要用快门
    
    价格比较高

光电成像原理与技术

绪论

光电成像系统构成与分类

构成

分类

目标辐射与传输

电磁波辐射度量体系

辐射体与其辐射特性

朗伯辐射体及其辐射特性

黑体及其辐射定律

典型辐射源

辐射在大气中的传输

大气成分与大气层结构

大气消光与大气窗口

光电成像器件及其特性

光电成像器件特性

人眼视觉与图像探测

人眼及其视觉

模型

视觉特性

图像探测理论

目标探测与识别

人眼视觉对于特定目标的探测过程

直视型光电成像器件及成像系统

像管结构类型与性能参数

像管概述

像管结构类型

像增强器（需要补充）

像管性能参数

像管成像物理过程

光电发射效应

光电发射基本规律（补充）

电子束汇聚成像

电子图像发光显示过程

直视光电成像原理和成像系统

主动红外夜视成像系统

微光夜视成像系统

微光夜视成像系统关键技术

电视型光电成像器件

固体成像器件与成像系统

CCD物理基础与工作原理

MOS结构与特点

结构与特性

成像原理与工作方式

电视型光电成像系统及设计