航天光学遥感器CCD/CMOS光电成像技术PDF电子书下载

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第1章 绪论 1

1.1 航天光学遥感器发展历程及光电成像技术发展方向概述 1

1.1.1 航天光学遥感卫星发展历程 1

1.1.2 航天遥感相机应用发展领域 4

1.1.3 航天遥感相机技术性能发展方向 4

1.2 航天光学遥感器CCD/CMOS光电成像技术发展概况 4

1.2.1 航天光学遥感器CCD/CMOS光电成像技术概述 5

1.2.2 法国SPOT卫星的CCD焦平面组件FPA介绍 7

1.2.3 以色列EROSB卫星的TDICCD焦平面组件FPA介绍 8

1.2.4 Kodak公司先进的卫星TDICCD焦平面组件FPA介绍 8

1.2.5 美国WorldView-1/2/3/4-TDICCD焦平面组件FPA介绍 9

1.2.6 美国LandSat陆地卫星CCD焦平面组件FPA介绍 9

1.2.7 欧洲IMEC公司多光谱TDICMOS焦平面组件FPA介绍 9

1.2.8 美国仙童公司科学级sCMOS图像传感器介绍 10

1.2.9 国内光学遥感卫星CCD/CMOS焦平面组件FPA介绍 11

1.2.10 航天光学遥感器CCD/CMOS焦平面组件FPA的组成 12

1.3 航天光学遥感器CCD/CMOS探测及光电成像技术发展趋势 12

1.3.1 航天光学遥感器CCD/CMOS图像传感器的发展趋势 12

1.3.2 航天光学遥感器CCD/CMOS光电成像新技术发展趋势 14

第2章 光电传感器的理论物理基础 17

2.1 半导体的基础知识 17

2.1.1 导体、半导体和绝缘体 17

2.1.2 半导体的原子结构和共价键 17

2.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用 18

2.1.4 非本征半导体：P型和N型半导体 18

2.2 半导体的光吸收 19

2.2.1 能带结构 19

2.2.2 导带、价带与禁带的关系 21

2.2.3 半导体对光的吸收 21

2.2.4 热平衡状态下的载流子 25

2.2.5 非平衡状态下的载流子 32

2.2.6 载流子的扩散与漂移输运 36

2.3 光电传感器的物理效应 39

2.3.1 光电成像系统常用光源 39

2.3.2 光电器件的物理效应分类 40

2.3.3 光生伏特效应理论 41

2.3.4 几种CCD/CMOS常用光电探测单元的工作结构原理 50

2.3.5 光电子发射效应理论 53

2.4 航天光学遥感器的光电辐射度学与光度学 55

第3章 CCD的基本工作原理 57

3.1 CCD的发展历史 57

3.2 CCD的结构组成及工作过程 57

3.2.1 CCD的结构组成 58

3.2.2 CCD的工作过程 59

3.3 CCD光生电荷产生及存储（光注入） 61

3.3.1 光子对CCD传感器的作用 61

3.3.2 CCD光生电荷产生原理 63

3.3.3 航天光学遥感器CCD传感器光生电荷数计算 64

3.3.4 CCD光电转换的实现 64

3.3.5 CCD传感器前照与背照特性 65

3.3.6 CCD电荷收集及存储 69

3.4 CCD电子信号的电荷转移（电注入） 81

3.4.1 电流注入法 81

3.4.2 电压注入法 83

3.4.3 CCD势阱交互作用电注入法 83

3.5 CCD电荷的耦合和传输 84

3.5.1 CCD电荷耦合和传输的机制 84

3.5.2 CCD电荷耦合和传输原理 85

3.5.3 二相CCD电极结构和驱动时钟工作方式 86

3.5.4 三相CCD电极结构和驱动时钟工作方式 89

3.5.5 四相CCD电极结构和驱动时钟工作方式 90

3.5.6 二相、三相和四相CCD电极结构比较 93

3.6 CCD视频信号的读出测量检测 94

3.6.1 CCD电荷的读出测量检测基本原理 94

3.6.2 电流输出 95

3.6.3 浮置扩散放大器FDA输出 96

3.6.4 浮置栅放大器FGA输出 98

3.6.5 浮置扩散FD和浮置栅FG电容模式分析 99

3.6.6 三种CCD视频信号的读出测量检测方法性能比较 101

3.7 航天光学遥感器CCD的工作分类 101

3.7.1 线阵CCD传感器 101

3.7.2 面阵CCD传感器 105

3.7.3 时间延迟积分TDICCD传感器 115

3.8 面阵CCD的拖尾漏光和拖影残像 122

3.9 航天光学遥感器CCD抗弥散 127

第4章 航天光学遥感器CCD成像电路分析和设计 138

4.1 航天光学遥感器CCD成像电路概述 138

4.2 航天光学遥感器CCD传感器的选择和设计 139

4.2.1 航天光学遥感器CCD焦平面组件设计特点 139

4.2.2 航天光学遥感器CCD传感器设计 139

4.2.3 航天光学遥感器CCD空间抗辐照能力设计 146

4.2.4 航天遥感相机抗弥散成像能力设计 148

4.3 航天光学遥感器CCD焦平面组件FPA设计 149

4.3.1 航天光学遥感器CCD焦平面组件FPA概述 149

4.3.2 TDICCD焦平面组件FPA拼接方法设计 149

4.3.3 TDICCD焦平面组件FPA拼接的像倾斜对MTF的影响 151

4.3.4 航天遥感相机TDICCD焦平面组件FPA温度控制设计 152

4.4 航天遥感相机CCD焦平面组件FPA驱动电路设计 153

4.4.1 航天光学遥感器CCD焦平面组件驱动电路概述 154

4.4.2 线阵CCD驱动电路分析与设计 155

4.4.3 面阵CCD驱动电路分析与设计 157

4.4.4 航天遥感相机TDICCD焦平面组件FPA驱动电路分析与设计 163

4.5 航天遥感相机CCD焦平面组件FPA视频信号处理电路设计 164

4.5.1 CCD焦平面组件FPA视频信号处理电路概述 165

4.5.2 航天CCD焦平面组件FPA输出信号复位噪声分析 165

4.5.3 TDICCD相关双采样CDS技术的基本原理分析 168

4.5.4 TDICCD相关双采样CDS电路设计 171

4.5.5 新型高速低功耗TDICCD视频信号处理电路集成设计 172

4.5.6 几种航天光学遥感TDICCD集成视频处理器介绍 173

4.6 航天遥感相机CCD焦平面组件FPA数字信号传输数据接口设计 181

4.6.1 LVDS传输数据接口设计 181

4.6.2 CameraLink传输数据接口设计 182

4.6.3 TLK2711传输数据接口设计 183

4.6.4 TLK3118传输数据接口设计 184

4.6.5 光纤传输数据接口设计 185

第5章 CMOS的基本工作原理 188

5.1 CMOS图像传感器的发展历史和概况 188

5.1.1 什么是CMOS 188

5.1.2 CMOS图像传感器的发展历史 189

5.1.3 CCD和CMOS图像传感器的比较 189

5.2 CMOS传感器的结构组成及工作原理 191

5.2.1 CMOS传感器的结构组成 191

5.2.2 CMOS传感器的工作原理 193

5.3 CMOS传感器的像素和像素阵列 195

5.3.1 CMOS图像传感器像素概述 195

5.3.2 CMOS像素与CCD像素的区别 196

5.3.3 CMOS像素的光电荷产生及收集结构原理 197

5.3.4 CMOS像素的光电转换特性 198

5.3.5 PPS无源被动像素传感器 199

5.3.6 3T-APS经典有源主动像素传感器 201

5.3.7 4T-APS经典改进型有源主动像素传感器 202

5.3.8 其他几种有源主动像素传感器 203

5.3.9 CMOS图像传感器像素的比较 214

5.3.10 线阵CMOS和面阵CMOS图像传感器 215

5.4 CMOS传感器像素阵列的外围电路 217

5.4.1 CMOS传感器X-Y像素寻址电路 217

5.4.2 CMOS传感器相关双采样CDS电路 219

5.4.3 CMOS传感器固定图形噪声FPN抑制电路 220

5.4.4 CMOS传感器A/D转换电路 222

5.5 CMOS传感器的曝光快门设计 223

5.5.1 卷帘式快门 224

5.5.2 全局式快门 229

5.6 CCD/CMOS芯片级相机 238

5.6.1 CCD芯片组成的相机 238

5.6.2 CMOS芯片级相机 238

5.7 航天光学遥感器CMOS传感器成像中的新技术 239

5.7.1 TDICMOS时间延迟积分技术 239

5.7.2 混合智能化电路集成探测成像技术 244

5.7.3 高性能背照CMOS传感器技术 245

5.7.4 高填充因子技术 246

5.7.5 彩色CMOS传感器技术 248

5.8 航天光学遥感器CMOS器件及应用 250

第6章 航天光学遥感器CCD/CMOS传感器的主要性能指标 252

6.1 CCD/CMOS图像传感器的性能指标概述 252

6.2 CCD/CMOS光电探测功能 253

6.2.1 半导体光电吸收 253

6.2.2 电荷转移效率 254

6.2.3 像元满阱度 254

6.2.4 像元尺寸及像元中心距 254

6.2.5 电荷收集效率 255

6.2.6 电荷转换效率 255

6.2.7 饱和输出电压 255

6.3 CCD/CMOS光电转换特性 256

6.3.1 量子效率 256

6.3.2 填充因子 257

6.3.3 光电转换效率 257

6.3.4 响应度 257

6.3.5 感光度或者灵敏度 258

6.3.6 信噪比 259

6.3.7 饱和等效曝光量 260

6.3.8 噪声等效曝光量 260

6.3.9 动态范围 260

6.3.10 线性度 261

6.3.11 串扰 261

6.4 CCD/CMOS图像传感器的噪声 262

6.4.1 空域固定图形噪声 263

6.4.2 时域随机或者瞬态噪声 266

6.4.3 图像质量噪声 269

6.5 CCD/CMOS图像传感器阵列的性能 272

6.5.1 传递函数 272

6.5.2 电子快门 272

第7章 航天光学遥感器CCD/CMOS成像应用领域中的新技术 276

7.1 微光成像应用领域新技术 276

7.1.1 微光夜视技术概述 276

7.1.2 电子倍增EMCCD图像传感器成像技术 282

7.1.3 sCMOS图像传感器成像技术 287

7.1.4 InGaAs铟镓砷短波红外传感器在微光夜视成像技术中的应用 298

7.2 面阵CCD/CMOS传感器推扫式TDI成像应用新技术 298

7.2.1 面阵CCD传感器推扫式TDI成像技术 298

7.2.2 基于数字域TDI的面阵CMOS传感器推扫成像技术 309

7.3 超分辨率亚像元CCD/CMOS成像采样技术 316

7.3.1 超分辨率亚像元CCD/CMOS成像采样技术概述 316

7.3.2 双线阵CCD/CMOS高模超分辨率采样原理 316

7.3.3 双线阵CCD/CMOS超模超分辨率采样原理 317

7.3.4 航天CCD/CMOS传感器超分亚像元结构原理 317

7.3.5 高模超分采样与超模超分采样的比较 321

参考文献 322

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