目录 第6章扫描成像.……1 S61扫描探测器工作原理。.·1 61.1探测器主要性能参数 612半导体导申机理 2 6.1.3扫描探测器的工作原理 .5 $62电子扫描成像.…6 6.2.1电视摄像机基本构造 6 6.2.2电子扫描成像过程 .7 S6.3光学机械扫描成像...·· 8 6.3.1光机扫描仪的结构组成 8 6.3.2光机扫描仪的成像过程 ....11 $6.4固体自扫描成像.…，13 6.4.1CCD的基本结构与工作原理. .13 642CCD成像原理 14 6.4.3CCD探测器类型
目 录 第 6 章 扫描成像 ............................. 1 §6.1 扫描探测器工作原理 ........................... 1 6.1.1 探测器主要性能参数..................................................................................... 1 6.1.2 半导体导电机理............................................................................................ 2 6.1.3 扫描探测器的工作原理.................................................................................. 5 §6.2 电子扫描成像 ................................ 6 6.2.1 电视摄像机基本构造..................................................................................... 6 6.2.2 电子扫描成像过程......................................................................................... 7 §6.3 光学机械扫描成像 ............................ 8 6.3.1 光机扫描仪的结构组成.................................................................................. 8 6.3.2 光机扫描仪的成像过程.................................................................................11 §6.4 固体自扫描成像 ............................. 13 6.4.1 CCD 的基本结构与工作原理........................................................................ 13 6.4.2 CCD 成像原理............................................................................................. 14 6.4.3 CCD 探测器类型......................................................................................... 15
第6章扫描成像 受胶片感光范围的限制，摄影胶片一般仅能记录波长在0.3~1.4μm间的电磁波辐射， 加之由于在航天遥感时采用摄影型相机的卫星所带的胶片有限，因此，摄影成像的应用范 围受到了较大的限制。扫描成像是50年代以来产生、形成的一种新兴探测技术，它主要依 靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地 物电磁辐射特性信息，利用光电效应和光热效应，将辐射能转换成电能（电流、电压），或 者是其它物理特性（体积，压力等）的变化，从而对物体进行探测。扫描成像探测波段可包 括紫外、红外、可见光和微波波段，数据可采用视频传输方式来回收，应用领域广泛，是 遥感的重要成像方式和发展方向。 §6.1扫描探测器工作原理 6.1.1探测器主要性能参数 与其它器件一样，探测器也有一套根据实际应用的需要而制定的特性参数。用这些参 数可以评价一个探测器的优劣，图6-1为探测器功能示意图，输入的是辐射能，输出的是 电压，下面介绍几个主要特性参数。 辐射能 电压 10 VS 人c 图61深测器的功能图 图62探测器光谱响应曲线 1响应率 响应率是到达探测器上的单位辐射功率所产生的电压，即输出电压与输入辐射能量之 比，表达式是： R=V s/d (6-1) Vs:输出电压（伏），中：输入的辐射能量（瓦） 2响应波长范围 探测器的响应率与入射辐射的波长有一定关系，图6一2是探测器的光谱响应曲线
1 第 6 章 扫描成像 受胶片感光范围的限制，摄影胶片一般仅能记录波长在 0.3～1.4μm 间的电磁波辐射， 加之由于在航天遥感时采用摄影型相机的卫星所带的胶片有限，因此，摄影成像的应用范 围受到了较大的限制。扫描成像是 50 年代以来产生、形成的一种新兴探测技术，它主要依 靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地 物电磁辐射特性信息，利用光电效应和光热效应，将辐射能转换成电能(电流、电压)，或 者是其它物理特性(体积，压力等)的变化，从而对物体进行探测。扫描成像探测波段可包 括紫外、红外、可见光和微波波段，数据可采用视频传输方式来回收，应用领域广泛，是 遥感的重要成像方式和发展方向。 §6.1 扫描探测器工作原理 6.1.1 探测器主要性能参数 与其它器件一样，探测器也有一套根据实际应用的需要而制定的特性参数。用这些参 数可以评价一个探测器的优劣，图 6-1 为探测器功能示意图，输入的是辐射能，输出的是 电压，下面介绍几个主要特性参数。 图 6-1 探测器的功能图 图 6-2 探测器光谱响应曲线 1 响应率 响应率是到达探测器上的单位辐射功率所产生的电压，即输出电压与输入辐射能量之 比，表达式是： Ｒ＝Ｖｓ／φ （6-1） Ｖｓ：输出电压(伏)，φ：输入的辐射能量(瓦)。 2 响应波长范围 探测器的响应率与入射辐射的波长有一定关系，图６－２是探测器的光谱响应曲线
一般情况下，响应曲线有一最大响应峰，对应波长为λP,从λp向两边响应率都有所下降， 我们把下降到峰值的一半所在的波长入、入叫做截止波长，探测器的使用范围波长，只 能在入1和X2之间。 3噪声电压(Vn)和等效噪声功率(NEP) 探测器在工作时本身所固有的一些毫无规律的，事前无法预测的随机电压起伏，叫噪 声电压，简称噪声(Vn)。 如果投射到探测器上面的辐射通量产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压， 这个辐射量就叫做等效噪声功率(NEP),意思是说，它对探则器所产生的效果与噪声相等 NEP=Vn/R=Vn/(Vs/Φ) (6-2) 显然等效噪声功率NEP就是信噪比(Vs/V)等于1的入射辐射通量。要真正肯定 辐射信号的存在，入射辐射功率应为NE即的2~6倍。NEP基本能表达一个探测器的探测能 力，但它的大小依赖于探测器的面积A,也依赖于放大器带宽△f,为了比较探测器的优劣， 须用探测灵敏度D来衡量。D是与NEP成反比的量，由下式求出： D'=4.N (6-3) NEP 式中：D°为探测灵敏度，A为元件的面积，NEP为等效噪声功率，△f为师带宽度，当元件 面积为1c、领带宽度为1z、照射光的入射功率为1时，了的值等于探测器输出信号与 其噪声之比，即信噪比(SN)。 另外，还常用光谱分辨率来表达传感器的光谱探测能力。它包括传感器总的探测波谱 的宽度、波段数、各波段的波长范围和间隔。若传感器所探测的波段愈多，每个波段的波 长范围愈小，波段间的间隔愈小，则它的光谱分辨率愈高。传感器的光谱分辨率高，它取 得的图像就能很好地反映出地物的光谱特性，不同地物间差别在图像上就能很好地体现出 来，传感器探测地物的能力就强。 4响应时间 当一定能量的辐射突然到达探测器的敏感面上时，深测器的输出电压要经过一定的时 间才能上升到与这一辐射通量相对应的稳定值：当辐射突然除去后，输出电压也要经过 定的时间，才能下降到辐射之前原有值。一般而论上升下降所需时间是相等的，这一段时 间就称为探测器的响应时间。 6.1.2半导体导电机理 我们知道，物体可分为导体、半导体和绝缘体。导体传导电流，绝缘体隔离电流，半 导体传导电流的能力介于它们两者之间。 1物体导电机理 由物体微观结构知，物质由原子核和电子组成，电子成层分布在核周围，靠核较近的 电子，受核吸引力较大，一般不能脱离开核：离核远的电子，受核吸引力较小。物体的原 子中离核最远的那些电子，受力最小，结合最松，很容易受到相邻原子核的作用，从而脱 离它原来的原子，成为不属于某一个原子而是整个晶体的电子。由于它能在晶体中自由运
2 一般情况下，响应曲线有一最大响应峰，对应波长为λp，从λp 向两边响应率都有所下降， 我们把下降到峰值的一半所在的波长λc1、λc2 叫做截止波长，探测器的使用范围波长，只 能在λc1 和λc2 之间。 3 噪声电压（Ｖn）和等效噪声功率（NEP） 探测器在工作时本身所固有的一些毫无规律的，事前无法预测的随机电压起伏，叫噪 声电压，简称噪声（Ｖn）。 如果投射到探测器上面的辐射通量产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压， 这个辐射量就叫做等效噪声功率（NEP），意思是说，它对探测器所产生的效果与噪声相等。 NEP＝Ｖn／Ｒ＝Ｖn／（Ｖs／φ） （6-2） 显然等效噪声功率 NEP 就是信噪比（Ｖs／Ｖn）等于１的入射辐射通量。要真正肯定 辐射信号的存在，入射辐射功率应为 NEP 的 2～6 倍。NEP 基本能表达一个探测器的探测能 力，但它的大小依赖于探测器的面积 A，也依赖于放大器带宽 Δf，为了比较探测器的优劣， 须用探测灵敏度 D *来衡量。D *是与 NEP 成反比的量，由下式求出： NEP Af = * D （6-3） 式中：D *为探测灵敏度，A 为元件的面积，NEP 为等效噪声功率，Δf 为频带宽度，当元件 面积为 1cm2、频带宽度为 1Hz、照射光的入射功率为 1W 时，D *的值等于探测器输出信号与 其噪声之比，即信噪比（S/N）。 另外，还常用光谱分辨率来表达传感器的光谱探测能力。它包括传感器总的探测波谱 的宽度、波段数、各波段的波长范围和间隔。若传感器所探测的波段愈多，每个波段的波 长范围愈小，波段间的间隔愈小，则它的光谱分辨率愈高。传感器的光谱分辨率高，它取 得的图像就能很好地反映出地物的光谱特性，不同地物间差别在图像上就能很好地体现出 来，传感器探测地物的能力就强。 4 响应时间 当一定能量的辐射突然到达探测器的敏感面上时，探测器的输出电压要经过一定的时 间才能上升到与这一辐射通量相对应的稳定值；当辐射突然除去后，输出电压也要经过一 定的时间，才能下降到辐射之前原有值。一般而论上升下降所需时间是相等的，这一段时 间就称为探测器的响应时间。 6.1.2 半导体导电机理 我们知道，物体可分为导体、半导体和绝缘体。导体传导电流，绝缘体隔离电流，半 导体传导电流的能力介于它们两者之间。 1 物体导电机理 由物体微观结构知，物质由原子核和电子组成，电子成层分布在核周围，靠核较近的 电子，受核吸引力较大，一般不能脱离开核；离核远的电子，受核吸引力较小。物体的原 子中离核最远的那些电子，受力最小，结合最松，很容易受到相邻原子核的作用，从而脱 离它原来的原子，成为不属于某一个原子而是整个晶体的电子。由于它能在晶体中自由运
动，所以称为“自由电子”。金属物体自由电子浓度非常高，这些自由电子在品体内的运动 是杂乱无章的，但是，如果有外加电压作用于导体上，自由电子的运动就受到电场力的牵 引，有一个顺电场作用力方向的加速运动。也就是说，自由电子都会以一定的速度从导体 的一端迁移到另一端，这就是导体传导电流的过程。 2半导体的导电机理 半导体的物体在组成晶体时，相邻的两个原子各以一个电子相结合（称键合）而形成属 于这两个原子的一对键合电子。如果没有其它因素干扰，原子最外层的电子都分属于各对 原子，没有自由电子，这时导电率为零（不导电）。但是当有干扰存在时，如温度变化，杂 质的加入，就产生了自由电子，其浓度随温度、杂质的变化而变化。 (1)温度的影响 半导体晶体结构中，相邻两原子之间的键合电子与原子的结合并不很强。晶体的温度 升高后，热振动可能使某一个电子摆脱原子的束缚成为自由电子，自由电子的衣度随温度 升高而迅速增长。当一个键合电子变成自由电子离开了它所属的原子对后，就在它原来原 子对处留下了一个空位置，这时，附近的键合电子很可能脱离它所属的原子对而来填补这 个空位置，这就相当于空位置换了一个地方。键合电子变成自由电子带的是负电荷，所 它逆电场方向运动，而它留下的空位置，在电场作用下，由于键合电子的不断填补，就象 “个带阳电荷的粒子顺电场方向运动，这两种运动，都传导电流。通常我们称这种空位置 为自由“空穴”，它所传导的电流就叫“空穴导电”。 载流子：自由电子和自由空穴都是电流的负载者，通称“载流子”。 (2)杂质的影响 半导体中的杂质对载流子的浓度有很大影响，下面分两种情况讨论。第一，如果把高 价电子的杂质原子掺到低价半导体中，杂质原子取代原半导体原子的位置后，在那里就多 了一个电子，这个电子很容易脱离原杂质原子的束缚，变成自由电子，就能传导电流。杂 质原子失去一个电子就变成了带一个单位正电荷的“离子”，但己不能在晶体中自由运动 因此，没有传导电流的能力。第二，如果把低价电子的杂质原子掺到高价半导体中，以杂 质原子代替原原子，在那个位置上就少了一个键合电子，也可以说是一个空穴，这时别的 原子的键合电子就可能填补这个空穴，因而空穴会转移到别的位置上，这样的空穴也是自 由空穴，能传导电流。在杂质原子处，由于填补了一个电子，杂质原子就变成了带有一个 单位负电荷的阴离子，它不能传导电流。上述第一种，以自由电子作为主要载流子的半导 体称型半导体，第二种以自由空穴作为主要载流子的半导体，称P型半导体。在半导体 中只要参入很少一点杂质，就可以使藏流子的浓度大为增加。 由上可见，半导体与金属导体的导电机理的本质区别在于，金属由于形成晶体时就己 经有大量的自由电子，人们无法改变它，温度及掺杂仅稍影响其迁移率，对其导电率的影 响非常有限。而半导体通讨温度的改变、参杂或者其它方法，可以大大改变其载流子浓度 因而人们可以有意识地控制它的导电率。这就使半导体具备了各种用途的可能性。 3
3 动，所以称为“自由电子”。金属物体自由电子浓度非常高，这些自由电子在晶体内的运动 是杂乱无章的，但是，如果有外加电压作用于导体上，自由电子的运动就受到电场力的牵 引，有一个顺电场作用力方向的加速运动。也就是说，自由电子都会以一定的速度从导体 的一端迁移到另一端，这就是导体传导电流的过程。 2 半导体的导电机理 半导体的物体在组成晶体时，相邻的两个原子各以一个电子相结合(称键合)而形成属 于这两个原子的一对键合电子。如果没有其它因素干扰，原子最外层的电子都分属于各对 原子，没有自由电子，这时导电率为零(不导电)。但是当有干扰存在时，如温度变化，杂 质的加入，就产生了自由电子，其浓度随温度、杂质的变化而变化。 (1)温度的影响 半导体晶体结构中，相邻两原子之间的键合电子与原子的结合并不很强。晶体的温度 升高后，热振动可能使某一个电子摆脱原子的束缚成为自由电子，自由电子的浓度随温度 升高而迅速增长。当一个键合电子变成自由电子离开了它所属的原子对后，就在它原来原 子对处留下了一个空位置，这时，附近的键合电子很可能脱离它所属的原子对而来填补这 个空位置，这就相当于空位置换了一个地方。键合电子变成自由电子带的是负电荷，所以 它逆电场方向运动，而它留下的空位置，在电场作用下，由于键合电子的不断填补，就象 一个带阳电荷的粒子顺电场方向运动，这两种运动，都传导电流。通常我们称这种空位置 为自由“空穴”，它所传导的电流就叫“空穴导电”。 载流子：自由电子和自由空穴都是电流的负载者，通称“载流子”。 (2)杂质的影响 半导体中的杂质对载流子的浓度有很大影响，下面分两种情况讨论。第一，如果把高 价电子的杂质原子掺到低价半导体中，杂质原子取代原半导体原子的位置后，在那里就多 了一个电子，这个电子很容易脱离原杂质原子的束缚，变成自由电子，就能传导电流。杂 质原子失去一个电子就变成了带一个单位正电荷的“离子”，但已不能在晶体中自由运动， 因此，没有传导电流的能力。第二，如果把低价电子的杂质原子掺到高价半导体中，以杂 质原子代替原原子，在那个位置上就少了一个键合电子，也可以说是一个空穴，这时别的 原子的键合电子就可能填补这个空穴，因而空穴会转移到别的位置上，这样的空穴也是自 由空穴，能传导电流。在杂质原子处，由于填补了一个电子，杂质原子就变成了带有一个 单位负电荷的阴离子，它不能传导电流。上述第一种，以自由电子作为主要载流子的半导 体称ｎ型半导体，第二种以自由空穴作为主要载流子的半导体，称 P 型半导体。在半导体 中只要掺入很少一点杂质，就可以使载流子的浓度大为增加。 由上可见，半导体与金属导体的导电机理的本质区别在于，金属由于形成晶体时就已 经有大量的自由电子，人们无法改变它，温度及掺杂仅稍影响其迁移率，对其导电率的影 响非常有限。而半导体通过温度的改变、掺杂或者其它方法，可以大大改变其载流子浓度， 因而人们可以有意识地控制它的导电率。这就使半导体具备了各种用途的可能性
3半导体的能带结构 下面我们用能级的概念进一步说明半导体的导电机理。 固体的能带结构是表示固体中电子能量分布方式的一种简便方法。前面讲过，在简单 的玻尔原子模型中，绕原子核旋转的电子被限制在分立的能级上。它们各有各的轨道。除 非原子被激发，否则电子都占据着较低的能级。对于固体来说，与气体、液体不同，它的 原子靠得很近，由于量子作用的结果，单个原子的分立能级扩展成近于连续的能带。这些 能带被电子的禁带隔开。所谓禁带，就是禁止电子存在的地带。虽然这些能带看起来是连 续的，但详细研究表明，其能级仍是分开的，不过能量间隔很小，只有10“电子伏特。最 高的能带是完全充满的，称为价带或满带：下一个较高的能带，不管是占据还是未占据有 电子，都称为导带，只有导带中的电子对材料的导电率才有贡献。 如图6-3所示，A是导电体的能带结构，其特征是导带内没有被电子全部占满，并且 禁带很窄，所以各能级上的电子在电场作用下，可以发生跃过禁带的跃迁。绝缘体是指在 电场作用下不能发生电子定向运动（电流）的物体，如B所示，它的电子列好占满了价带中 的全部能级，导带是空的，禁带很宽，价电子不可能获得足够的能量升到导带中去。半导 体介于导体和绝缘体之间，禁带较窄，在室温条件下，某些价电子就能获得足够的能量， 跃过禁带到达导带，这些电子原来占据的位置成了正电荷，称空穴，在存在电场时，空穴 会像电子一样流过材料，而与电子流动的方向相反，如C所示，根据半导体中有无杂质， 可将其分成本征半导体（无杂质）和非本征半导体（有杂质）。 导带（空白） 。g。。 禁带 禁带 量价满的价指的 A导电体 B电绝缘体 导带 导带 导带 禁带 馆 能生能 量价带 量‘.‘价带 量.‘·价带 C本征半导体 D E非 图6-3固体能带示意图 光电导：在入射光子的能量大于禁带宽度E这个条件下，用辐射照射半导体产生截流 子，从而增加半导体的导电率的过程，称为光电导，hⅴ≥E。根据电磁辐射理论，产生光 电导的辐射存在一个波长界限（截止波长）为入c≤1.24/E。式中E用电子伏特表示，Xc
4 3 半导体的能带结构 下面我们用能级的概念进一步说明半导体的导电机理。 固体的能带结构是表示固体中电子能量分布方式的一种简便方法。前面讲过，在简单 的玻尔原子模型中，绕原子核旋转的电子被限制在分立的能级上。它们各有各的轨道。除 非原子被激发，否则电子都占据着较低的能级。对于固体来说，与气体、液体不同，它的 原子靠得很近，由于量子作用的结果，单个原子的分立能级扩展成近于连续的能带。这些 能带被电子的禁带隔开。所谓禁带，就是禁止电子存在的地带。虽然这些能带看起来是连 续的，但详细研究表明，其能级仍是分开的，不过能量间隔很小，只有 10－14 电子伏特。最 高的能带是完全充满的，称为价带或满带；下一个较高的能带，不管是占据还是未占据有 电子，都称为导带，只有导带中的电子对材料的导电率才有贡献。 如图６-３所示，Ａ是导电体的能带结构，其特征是导带内没有被电子全部占满，并且 禁带很窄，所以各能级上的电子在电场作用下，可以发生跃过禁带的跃迁。绝缘体是指在 电场作用下不能发生电子定向运动(电流)的物体，如Ｂ所示，它的电子刚好占满了价带中 的全部能级，导带是空的，禁带很宽，价电子不可能获得足够的能量升到导带中去。半导 体介于导体和绝缘体之间，禁带较窄，在室温条件下，某些价电子就能获得足够的能量， 跃过禁带到达导带，这些电子原来占据的位置成了正电荷，称空穴，在存在电场时，空穴 会像电子一样流过材料，而与电子流动的方向相反，如Ｃ所示，根据半导体中有无杂质， 可将其分成本征半导体(无杂质)和非本征半导体(有杂质)。 图 6-3 固体能带示意图 光电导：在入射光子的能量大于禁带宽度 E 这个条件下，用辐射照射半导体产生截流 子，从而增加半导体的导电率的过程，称为光电导，hν≥Ｅ。根据电磁辐射理论，产生光 电导的辐射存在一个波长界限(截止波长)为λc≤１.24／Ｅ。式中Ｅ用电子伏特表示，λc