電荷耦合器件ppt課件

1、4.3.1 電荷耦合器件的構(gòu)造和任務(wù)原理電荷耦合器件的構(gòu)造和任務(wù)原理4.3.2 CCD圖像傳感器圖像傳感器4.3.3 圖像傳感器的運用圖像傳感器的運用 一個完好的一個完好的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位存放器及一些輔助輸入、輸出電路組成。移位存放器及一些輔助輸入、輸出電路組成。 CCD任務(wù)時，在設(shè)定的積分時間內(nèi)，光敏元對任務(wù)時，在設(shè)定的積分時間內(nèi)，光敏元對光信號進展取樣，將光的強弱轉(zhuǎn)換為各光敏元光信號進展取樣，將光的強弱轉(zhuǎn)換為各光敏元的電荷量。取樣終了后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)的電荷量。取樣終了后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號驅(qū)動下，轉(zhuǎn)移到移柵信號驅(qū)動下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移

2、位存放內(nèi)部的移位存放器相應(yīng)單元中。移位存放器在驅(qū)動時鐘的作用器相應(yīng)單元中。移位存放器在驅(qū)動時鐘的作用下，將信號電荷依次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號下，將信號電荷依次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號可接到示波器、圖象顯示器或其他信號存儲、可接到示波器、圖象顯示器或其他信號存儲、處置設(shè)備中，可對信號再現(xiàn)或進展存儲處置。處置設(shè)備中，可對信號再現(xiàn)或進展存儲處置。 CCD光敏元顯微照片CCD讀出移位存放器讀出移位存放器的數(shù)據(jù)面顯微照片的數(shù)據(jù)面顯微照片 MOS電容的構(gòu)造電容的構(gòu)造 1金屬或多晶硅金屬或多晶硅 2絕緣層絕緣層SiO2CCDCCD是一種固態(tài)檢測器，由多個光敏像元組成，其中每一個是一種固態(tài)檢測器，由多個光敏像元

3、組成，其中每一個光敏像元就是一個光敏像元就是一個MOSMOS金屬金屬氧化物氧化物半導體電容器。半導體電容器。CCDCCD中的中的MOSMOS電容器的構(gòu)成方法：在電容器的構(gòu)成方法：在P P型或型或N N型單晶硅襯底上用氧化型單晶硅襯底上用氧化方法生成一層厚度約為方法生成一層厚度約為100100150nm150nm的的SiO2SiO2絕緣層，再在絕緣層，再在SiO2SiO2外外表按一定層次蒸鍍一金屬電極或多晶硅電極，在襯底和電極間表按一定層次蒸鍍一金屬電極或多晶硅電極，在襯底和電極間加上一個偏置電壓柵極電壓，即構(gòu)成了一個加上一個偏置電壓柵極電壓，即構(gòu)成了一個MOSMOS電容器。電容器。CCDCCD

4、普通是以普通是以P P型硅為襯底，在這種型硅為襯底，在這種P P型硅襯底中，多數(shù)載型硅襯底中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。在電極施加柵極電壓流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。在電極施加柵極電壓UGUG之之前，空穴的分布是均勻的，當電極相對于襯底施加正柵壓前，空穴的分布是均勻的，當電極相對于襯底施加正柵壓UGUG此時此時UGUG小于小于P P型半導體的閾值電壓型半導體的閾值電壓UthUth后，空穴被排斥，后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖B B所示。偏壓繼續(xù)添加，耗盡區(qū)將進所示。偏壓繼續(xù)添加，耗盡區(qū)將進一步向半導體內(nèi)延伸。當一步向半導體內(nèi)延伸。當UGUthUGUth時時, ,半

5、導體與絕緣體截面上半導體與絕緣體截面上的電勢的電勢( (常稱為外表勢常稱為外表勢, ,用用S S 表示表示) )變得如此之高變得如此之高, ,以致于將以致于將半導體內(nèi)的電子半導體內(nèi)的電子( (少數(shù)載流子少數(shù)載流子) )吸引到外表吸引到外表, ,構(gòu)成一層極薄的構(gòu)成一層極薄的( (約約102um )102um )但電荷濃度很高的反型層但電荷濃度很高的反型層, ,如圖如圖(C)(C)。反型層電荷。反型層電荷的存在闡明了的存在闡明了MOSMOS構(gòu)造存儲電荷的功能構(gòu)造存儲電荷的功能. . 當一束光投射到當一束光投射到MOSMOS電容器時，光子透過金屬電極和氧化層，進入電容器時，光子透過金屬電極和氧化層，

6、進入SiSi襯底，襯底，襯底每吸收一個光子，就產(chǎn)生一個電子襯底每吸收一個光子，就產(chǎn)生一個電子空穴對，其中電子被吸引到電荷空穴對，其中電子被吸引到電荷反型區(qū)存儲。從而闡明了反型區(qū)存儲。從而闡明了CCDCCD存儲電荷的功能。一個存儲電荷的功能。一個CCDCCD檢測像元的電荷存檢測像元的電荷存儲容量決議于反型區(qū)的大小，而反型區(qū)的大小又取決于電極的大小、柵極儲容量決議于反型區(qū)的大小，而反型區(qū)的大小又取決于電極的大小、柵極電壓、絕緣層的資料和厚度、半導體資料的導電性和厚度等一些要素。電電壓、絕緣層的資料和厚度、半導體資料的導電性和厚度等一些要素。電子所以被加有柵極電壓子所以被加有柵極電壓VgVg的的MO

7、SMOS構(gòu)造吸引到構(gòu)造吸引到Si-SiO2Si-SiO2的交接面處，是由于那的交接面處，是由于那里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度與電極電壓的關(guān)系深度與電極電壓的關(guān)系為線性關(guān)系，圖為線性關(guān)系，圖(a)(a)為空勢阱。圖為空勢阱。圖(b)(b)為反型層電荷填充為反型層電荷填充1/31/3勢阱時，外表勢勢阱時，外表勢收縮，外表勢收縮，外表勢SS與反型層電荷填充量與反型層電荷填充量QP QP 間的關(guān)系。當反型層電荷足夠多，間的關(guān)系。當反型層電荷足夠多，使勢阱被填滿時，外表勢下降到不再束縛多余的電子，電子將產(chǎn)生使勢阱被填滿時，外表勢下降到不再束縛多余

8、的電子，電子將產(chǎn)生“溢出溢出景象，如圖景象，如圖c)c)所示。所示。 圖示為圖示為64位位CCD構(gòu)造。光照射到光敏元上構(gòu)造。光照射到光敏元上,會產(chǎn)生電子會產(chǎn)生電子-空穴對空穴對光生電荷光生電荷,電子被吸引存儲在勢阱中。入射光強那么光生電子被吸引存儲在勢阱中。入射光強那么光生電荷多電荷多,弱那么光生電荷少弱那么光生電荷少,無光照的光敏元那么無光生電荷。無光照的光敏元那么無光生電荷。這樣就在轉(zhuǎn)移柵實行轉(zhuǎn)移前這樣就在轉(zhuǎn)移柵實行轉(zhuǎn)移前,把光的強弱變成與其成比例的電把光的強弱變成與其成比例的電荷的數(shù)量荷的數(shù)量,實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。假設(shè)停頓光照實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。假設(shè)停頓光照,電荷在一定時間內(nèi)電荷在一定時間內(nèi)也不

9、會損失也不會損失,可實現(xiàn)對光照的記憶。圖示的情況是可實現(xiàn)對光照的記憶。圖示的情況是,第第62、64位位光敏元受光光敏元受光,而第而第1、2、63位等光敏元未受光照。位等光敏元未受光照。 lCCD的根本功能是存儲與轉(zhuǎn)移信息電荷的根本功能是存儲與轉(zhuǎn)移信息電荷l為實現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)換：為實現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)換： l1、必需使、必需使MOS電容陣列的陳列足夠嚴密，以致電容陣列的陳列足夠嚴密，以致相鄰相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。l2、控制相鄰、控制相鄰MOS電容柵極電壓高低調(diào)理勢阱深電容柵極電壓高低調(diào)理勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺處流向勢阱深處。淺，使信號電荷由勢

10、阱淺處流向勢阱深處。l3、在、在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必需按照確定的方向。中電荷的轉(zhuǎn)移必需按照確定的方向。 三相三相CCD信息電荷傳輸原理圖信息電荷傳輸原理圖 (a) 選通電荷積分輸出電路選通電荷積分輸出電路 (b) 驅(qū)動時鐘波形和輸出波形驅(qū)動時鐘波形和輸出波形CCD的信號輸出構(gòu)造的信號輸出構(gòu)造 l利用利用CCD的光電轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移的雙重功能，的光電轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移的雙重功能，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在從而將照射在CCD上的光學圖像轉(zhuǎn)移成了電信上的光學圖像轉(zhuǎn)移成了電信號號“圖像。圖像。l由于由于CCD能實現(xiàn)低噪聲的電荷轉(zhuǎn)移，并且一

11、切能實現(xiàn)低噪聲的電荷轉(zhuǎn)移，并且一切光生電荷都經(jīng)過一個輸出電路檢測，且具有良光生電荷都經(jīng)過一個輸出電路檢測，且具有良好的好的致性，因此，對圖像的傳感具有優(yōu)越的致性，因此，對圖像的傳感具有優(yōu)越的性能。性能。l線列和面陣線列和面陣 線型線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應(yīng)的構(gòu)成一并行且對應(yīng)的構(gòu)成一個主體個主體,在它們之間設(shè)有一個轉(zhuǎn)移控制柵在它們之間設(shè)有一個轉(zhuǎn)移控制柵,如圖如圖(a)所示。在每一個光敏元件所示。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極。當入射光照射在光敏元件陣列上上都有一個梳狀公共電極。當入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加梳狀電極施

12、加高電壓時高電壓時,光敏元件聚集光電荷光敏元件聚集光電荷,進展光積分進展光積分,光電荷與光照強度和光積分時光電荷與光照強度和光積分時間成正比。在光積分時間終了時間成正比。在光積分時間終了時,轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平常低電壓平常低電壓),與與CCD對應(yīng)的電極也同時處于高電壓形狀。然后對應(yīng)的電極也同時處于高電壓形狀。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位存放器中。當轉(zhuǎn)移終了中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位存放器中。當轉(zhuǎn)移終了,轉(zhuǎn)移柵電壓轉(zhuǎn)移柵電壓降低降低,梳妝電極電壓回復原來的高電壓形狀梳妝電極電壓回復原來的高電壓形狀,預(yù)

13、備下一次光積分周期。同時預(yù)備下一次光積分周期。同時,在電荷耦合移位存放器上加上時鐘脈沖在電荷耦合移位存放器上加上時鐘脈沖,將存儲的電荷從將存儲的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移中轉(zhuǎn)移,由輸由輸出端輸出。這個過程反復地進展就得到相繼的行輸出出端輸出。這個過程反復地進展就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。從而讀出電荷圖形。線型線型CCD圖像傳感器圖像傳感器 目前，適用的線型目前，適用的線型CCD圖像傳感器為雙行構(gòu)造，如圖圖像傳感器為雙行構(gòu)造，如圖b所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位存放器中，然后，在控制脈沖的作用到上、下方的移位存放器中，然后，

14、在控制脈沖的作用下，自左向右挪動，在輸出端交替合并輸出，這樣就構(gòu)下，自左向右挪動，在輸出端交替合并輸出，這樣就構(gòu)成了原來光敏信號電荷的順序。成了原來光敏信號電荷的順序。線型線型CCD圖像傳感器圖像傳感器1. 1. 線陣線陣CCDCCD外形外形 (a)x-y 選址選址 (b)行選址行選址 (c)幀場傳輸式幀場傳輸式 (d)行間傳輸式行間傳輸式 面陣CCD能在x、y兩個方向都能實現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。 l呼應(yīng)度光電轉(zhuǎn)換因子：指輸出電信號與輸呼應(yīng)度光電轉(zhuǎn)換因子：指輸出電信號與輸入光信號的能量比，描畫傳感器的光電轉(zhuǎn)換效入光信號的能量比，描畫傳感器的光電轉(zhuǎn)換效率。率。l光譜特性光譜特性:表示器

15、件的呼應(yīng)度與入射光波長的表示器件的呼應(yīng)度與入射光波長的關(guān)系。關(guān)系。l暗電流暗電流l分辨率：表示圖像傳感器分辨圖像的才干。取分辨率：表示圖像傳感器分辨圖像的才干。取決于光敏單元的間距，通常用決于光敏單元的間距，通常用CCD光敏單元數(shù)光敏單元數(shù)來表示。來表示。l組成測試儀器，可以丈量物位、尺寸、工組成測試儀器，可以丈量物位、尺寸、工件損傷、自動焦點等。件損傷、自動焦點等。l用作光學信息處置安裝的輸入環(huán)節(jié)，例如用作光學信息處置安裝的輸入環(huán)節(jié)，例如技術(shù)。光學文字識別技術(shù)技術(shù)。光學文字識別技術(shù)(OCR)與圖像識與圖像識別技術(shù)、光譜丈量及空間遙感技術(shù)、機器別技術(shù)、光譜丈量及空間遙感技術(shù)、機器人視覺技術(shù)等。

16、人視覺技術(shù)等。l作為自動化流水線安裝中的敏感器件，例作為自動化流水線安裝中的敏感器件，例如可用于機床、自動售貨機、自動搬運車如可用于機床、自動售貨機、自動搬運車及自動監(jiān)視安裝等。及自動監(jiān)視安裝等。被測對象長度被測對象長度LpnfanpML) 1(1pnllL21l1 視場視場l2傳感器的長度傳感器的長度光學文字識別安裝光學文字識別安裝(OCR)原理原理 l工件傷痕及外表污垢檢測 l外形檢測 數(shù)碼相機簡稱DC，它采用CCD作為光電轉(zhuǎn)換器件，將被攝物體的圖像以數(shù)字方式記錄在存儲器中。 數(shù)碼相機從外觀看，也有光學鏡頭、取景器、對焦系統(tǒng)、光圈、內(nèi)置電子閃光燈等，但比傳統(tǒng)相機多了液晶顯示器LCD，部更有本質(zhì)的區(qū)別，其快門構(gòu)造也大不一樣。 三基色分別原理三基色分別原理 CMOS圖像傳感器是采用互補金屬圖像傳感器是采用互補金屬-氧化物氧化物-半導體工藝制半導體工藝制造的另一類圖像傳感器，簡稱造的另一類圖像傳感器，簡稱CMOS。如