“光電檢測技術(shù)及系統(tǒng)”第六章3、課件4

1、6.3 、電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)固體成像器件電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device, CCD)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 CMOS圖像傳感器（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）6.3 、電荷耦合器件(Charge Coupled DeCCD立體相機(jī)前中后三層影像合成三維圖片激光高度計(jì)(高度5m、分辨率1m)干涉成像光譜儀射線相機(jī)X射線相機(jī)微波探測儀(土壤厚度、氦-3)高能粒子探測器低能離子探測器元素探測探測地月間的環(huán)境CCD立體相機(jī)激光高度計(jì)干涉成像光譜儀射線相機(jī)X射線相機(jī)

2、微電荷耦合器件CCD 線陣CCD 面陣CCD表面溝道CCD(SCCD),電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面轉(zhuǎn)移。體溝道CCD(BCCD),電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移CCD類型電荷耦合器件CCD 線陣CCD 面陣CCD表面溝道CCD(S6.3.1 電荷耦合器件的工作原理1.1、CCD工作原理CCD光信息電脈沖脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱輸出脈沖的順序可以反映一個(gè)光敏元的位置完成圖像傳感6.3.1 電荷耦合器件的工作原理1.1、CCD工作原理CC特點(diǎn)：以電荷作為信號基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作原

3、理信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的存貯信號電荷的傳輸信號電荷的檢測特點(diǎn)：以電荷作為信號基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作1.1.1 電荷存貯 CCD 是由規(guī)則排列的金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor,MOS）電容陣列組成。 MetalOxideSemiconductor1.1.1 電荷存貯 CCD 是由規(guī)則排列的金屬金屬VG氧化物（SiO2）半導(dǎo)體(PSi)電子勢阱界面勢如果有光入射到半導(dǎo)體硅片上，在光子的作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生電子空穴對，由此產(chǎn)生的光電子被表面的勢阱所吸收。而空穴被電場排斥出耗盡區(qū)。 當(dāng)在金屬電極上加正電壓VG時(shí)，在電場的作用下，電極下型區(qū)域里的

4、多數(shù)載流子空穴被排斥、驅(qū)趕，形成了一個(gè)耗盡區(qū)。而對于少數(shù)載流子電子，電場則吸引它到電極下的耗盡區(qū)。耗盡區(qū)對于帶負(fù)電的電子來講是一個(gè)勢能很低的區(qū)域稱為“勢阱”。勢阱積累電子的容量取決于勢阱的“深度”，而表面勢的大小近似與柵壓VG成正比。金屬VG氧化物半導(dǎo)體電子勢阱界面勢如果有光入射到半導(dǎo)體硅片上勢阱內(nèi)吸收的光電子數(shù)量與入射光勢阱附近的光強(qiáng)成正比。這樣一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)單元就稱光敏單元或一個(gè)象素；而將一個(gè)勢阱所吸收集的若干個(gè)光生電荷稱為一個(gè)電荷包。 通常在半導(dǎo)體硅片上制有成千上萬個(gè)相互獨(dú)立的MOS光敏單元，如果在金屬電極上加上正電壓，則在半導(dǎo)體硅片上就形成成千上萬的個(gè)相互獨(dú)立的勢阱。如果此時(shí)照射在這些

5、光敏單元上是一副明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就會(huì)產(chǎn)生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光電荷圖像，因而得到影像信號。勢阱內(nèi)吸收的光電子數(shù)量與入射光勢阱附近的光強(qiáng)成正比。這樣一個(gè)1.1.2.電荷耦合 CCD器件每一單元（每一像素）稱為一位，有256位、1024位、2160位等線陣CCD。CCD一位中含的MOS電容個(gè)數(shù)即為CCD的相數(shù)，通常有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們施加的時(shí)鐘脈沖也分為二相、三相、四相。二相脈沖的兩路脈沖相位相差1800；三相及四相脈沖的相位差分別為1200、900 。當(dāng)這種時(shí)序脈沖加到CCD驅(qū)動(dòng)電路上循環(huán)時(shí)，將實(shí)現(xiàn)信號電荷的定向轉(zhuǎn)移及耦合。 圖所示TCD1206的相鄰兩像元，每一

6、位含MOS電容2個(gè) 取表面勢增加的方向向下，工作過程如圖所示： 1.1.2.電荷耦合 CCD器件每一單元（每一像素）稱不對稱勢阱每一位下兩個(gè)12 t=t1時(shí) t=t2時(shí) t=t3時(shí) t=t4時(shí)12t1t2t3TCD1206二相驅(qū)動(dòng)波形（1、2相位差1800）t4at=t1時(shí) ，1電極處于高電平，而2電極處于低電平。由于1電極上柵壓大于開啟電壓，故在1下形成勢阱，假設(shè)此時(shí)光敏二極管接收光照，它每一位（每一像元）的電荷都從對應(yīng)的1電極下放入勢阱。 不對稱勢阱12 t=t1時(shí) t=b t=t2時(shí) ，1電極上柵壓小于2電極上柵壓，故1電極下勢阱變淺，勢阱變深，電荷更多流向2電極下。（由于勢阱的不對稱性

7、，“左淺右深”，電荷只能朝右轉(zhuǎn)移 c t=t3時(shí) ，2電極處于高電平，而1電極處于低電平，故電荷聚集到2電極下，實(shí)現(xiàn)了電荷從1電極下到2電極下的轉(zhuǎn)移。 d 同理可知，t=t4時(shí) ，電荷包從上一位的1電極下轉(zhuǎn)移到下一位的1電極下。因此，時(shí)鐘脈沖經(jīng)過一個(gè)周期，電荷包在CCD上移動(dòng)一位。 b t=t2時(shí) ，1電極上柵壓小于2電極上柵壓，故1.1.3 電荷注入 光注入方式 當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被其收集到勢阱中形成信號電荷。在CCD中，電荷注入分為兩類：光注入和電注入。N為入射光的光子流速率；A為光敏單元的受光面積，t為光注入

8、時(shí)間1.1.3 電荷注入 光注入方式在CCD中，電荷注入分為兩12G0RGVRDT2ACRLVoutVODT3T1MOSFET（場效應(yīng)管）漏極柵極源極（直流偏置）輸出柵（器件內(nèi)部，總打開）注：. 對二相CCD，只有1、2電極 ；.2下電荷耦合進(jìn)T3 。（復(fù)位脈沖R）4 電荷檢測 CCD輸出結(jié)構(gòu)的作用是將CCD中信號電荷變?yōu)殡娏骰螂妷狠敵?，以檢測信號電荷的大小。 浮置擴(kuò)散放大器屬于電壓輸出方式，目前采用較多。其基本結(jié)構(gòu)和工作原理如下：如圖所示，給出了CCD的電壓輸出電路。放大管T1 復(fù)位管T2輸出二極管T312G0RGVRDT2ACRLVoutVODT3T1MO此電荷積分器隨T2管的開與關(guān)，處于

9、選通和關(guān)閉狀態(tài)，稱為選通電荷積分器 放大管T1是源跟隨器復(fù)位管T2工作在開關(guān)狀態(tài)輸出二極管T3始終處于強(qiáng)反偏狀態(tài)A點(diǎn)的等效電容C由T3管的結(jié)電容加上T1管的柵電容構(gòu)成，它構(gòu)成一個(gè)電荷積分器12G0RGVRDT2ACRLVoutVODT3T1MOSFET（場效應(yīng)管）漏極柵極源極（直流偏置）輸出柵（器件內(nèi)部，總打開）注：. 對二相CCD，只有1、2電極 ；.2下電荷耦合進(jìn)T3 。（復(fù)位脈沖R）此電荷積分器隨T2管的開與關(guān)，處于選通和關(guān)閉狀態(tài)，稱為選通電21RVout如圖所示為電壓輸出工作波形圖。 CCD電壓輸出工作原理為： 在每個(gè)時(shí)鐘脈沖周期內(nèi)，隨著時(shí)鐘脈沖1或2的下降過程，就有一個(gè)電荷包從CCD

10、轉(zhuǎn)移到輸出二極管T3的N區(qū)，即轉(zhuǎn)移到電荷積分器上，引起A點(diǎn)電位變化為： 21RVout如圖所示為電壓輸出工作波形圖。 CCD電由于MOS管T1的電壓增益為 式中g(shù)m為電導(dǎo)，RL為負(fù)載電阻，故T1管源極輸出電壓變化為： 對Vout進(jìn)行讀出，然后T2管柵極RG在復(fù)位脈沖R的作用下導(dǎo)通，將電荷包Q通過T2管的溝道抽走，使A點(diǎn)電位重新置在VRD值，為下一次Vout讀出作準(zhǔn)備。因?yàn)槭荖溝道，信息電荷為電子，故加負(fù)號 當(dāng)R結(jié)束，T2管關(guān)閉后，由于T1管處于A點(diǎn)的VRD電位的強(qiáng)反偏狀態(tài)，此積分器無放電回路，所以A點(diǎn)電位一直維持在VRD值，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號電荷到來為止。 由于MOS管T1的電壓增益為 式

11、中g(shù)m為電導(dǎo)，RL為負(fù)載電阻2、電荷耦合器件的特性參數(shù)2.1 電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率N個(gè)電極轉(zhuǎn)移后所剩余的電量為2、電荷耦合器件的特性參數(shù)2.1 電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率N2.2 驅(qū)動(dòng)頻率驅(qū)動(dòng)頻率的下限 在信號電荷的轉(zhuǎn)移過程中，為了避免由于熱激發(fā)少數(shù)載流子而對注入信號電荷的干擾，注入電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所用時(shí)間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命，對于二相來講，周期為T 載流子的平均壽命與器件的工作溫度有關(guān)，工作溫度越高，熱激發(fā)的少數(shù)載流子平均壽命越短，驅(qū)動(dòng)頻率的下限越高2.2 驅(qū)動(dòng)頻率驅(qū)動(dòng)頻率的下限 在信號電荷的轉(zhuǎn)移過驅(qū)動(dòng)頻率的上限 驅(qū)動(dòng)頻率升高時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)使電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一

12、個(gè)電極的時(shí)間t應(yīng)大于從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的固有時(shí)間，才能保證電荷的完全轉(zhuǎn)移，否則信號電荷跟不上驅(qū)動(dòng)脈沖的變化，將會(huì)使轉(zhuǎn)移效率大大下降。電荷轉(zhuǎn)移的快慢與載流子的遷移率、電極長度、襯底雜質(zhì)的濃度和溫度等因素有關(guān)。驅(qū)動(dòng)頻率的上限 驅(qū)動(dòng)頻率升高時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)使電荷3.2、幾種常用的CCD驅(qū)動(dòng)方法CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生方法多種多樣，常用的方法有：這種方法用數(shù)字門電路及時(shí)序電路搭成CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路。一般由振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等組成?？捎脴?biāo)準(zhǔn)邏輯器件搭成或可編程邏輯器件制成。特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)頻率高，但邏輯設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。 a 直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)方法 b.可編程邏輯器件CPLD驅(qū)動(dòng)頻率和積分時(shí)間可以調(diào)節(jié)3.

13、2、幾種常用的CCD驅(qū)動(dòng)方法CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生方法多種多c 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法 單片機(jī)產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的方法，主要依靠程序編制，直接由單片機(jī)I/O口輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號。時(shí)序信號是由程序指令間的延時(shí)產(chǎn)生。這種方法的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)時(shí)序靈活方便、編程簡單，但通常具有驅(qū)動(dòng)頻率低的缺點(diǎn)。如果使用指令周期很短單片機(jī)（高速單片機(jī)），則可以克服這一缺點(diǎn)。 在EPROM中事先存放驅(qū)動(dòng)CCD的所有時(shí)序信號數(shù)據(jù)，并由計(jì)數(shù)電路產(chǎn)生EPROM的地址使之輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序。這種方法結(jié)構(gòu)簡明，與單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法相似。 d EPROM驅(qū)動(dòng)方法c 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法 單片機(jī)產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序e 專用IC驅(qū)動(dòng)方法 利用專用集成電路產(chǎn)生CCD驅(qū)

14、動(dòng)時(shí)序，集成度高、功能強(qiáng)、使用方便。在大批量生產(chǎn)中，驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)等視頻領(lǐng)域首選此法，但在工業(yè)測量中又顯得靈活性不好?？捎每删幊踢壿嬈骷ù妗皩Ｓ肐C驅(qū)動(dòng)方法”。 e 專用IC驅(qū)動(dòng)方法 利用專用集成電路產(chǎn)生CC3.3、CCD圖象傳感器的應(yīng)用 CCD的七個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域 ).小型化黑白、彩色TV攝像機(jī) (面陣CCD應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。 )2).傳真通訊系統(tǒng) 用10242048像元的線陣CCD作傳真機(jī)，可在不到一秒鐘內(nèi)完成A4開稿件的掃描。 3).光學(xué)字符識(shí)別 代替人眼，把字符變成電信號，進(jìn)行數(shù)字化，然后用計(jì)算機(jī)識(shí)別。 4). 廣播TV 3.3、CCD圖象傳感器的應(yīng)用 CCD的七個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域 ).5). 工業(yè)

15、檢測與自動(dòng)控制 這是CCD應(yīng)用量很大的一個(gè)領(lǐng)域，統(tǒng)稱機(jī)器視覺應(yīng)用。 a. 在鋼鐵、木材、紡織、糧食、醫(yī)藥、機(jī)械等領(lǐng)域作零件尺寸的動(dòng)態(tài)檢測，產(chǎn)品質(zhì)量、包裝、形狀識(shí)別、表面缺陷或粗糙度檢測。b. 在自動(dòng)控制方面，主要作計(jì)算機(jī)獲取被控信息的手段。 c. 還可作機(jī)器人視覺傳感器。 5). 工業(yè)檢測與自動(dòng)控制 這是CCD應(yīng)用量很大的一個(gè)領(lǐng)域，6).可用于各種標(biāo)本分析（如血細(xì)胞分析儀），眼球運(yùn)動(dòng)檢測，X射線攝像，胃鏡、腸鏡攝像等。 a. 天文攝像觀測b. 從衛(wèi)星遙感地面 如：美國用5個(gè)2048位CCD拼接成10240位長取代125mm寬偵察膠卷，作地球衛(wèi)星傳感器。c. 航空遙感、衛(wèi)星偵察 如：1985年歐

16、洲空間局首次在SPOT衛(wèi)星上使用大型線陣CCD掃描，地面分辨率提高到10m。 還在軍事上應(yīng)用：微光夜視、導(dǎo)彈制導(dǎo)、目標(biāo)跟蹤、軍用圖象通信等。 7). 天文觀測6).可用于各種標(biāo)本分析（如血細(xì)胞分析儀），眼球運(yùn)動(dòng)檢測，XHe-Ne信號讀出信號處理時(shí)鐘發(fā)生控制器計(jì)數(shù)顯示器透鏡細(xì)絲線陣CCDL、微小尺寸的檢測（10500um）用衍射的方法對細(xì)絲、狹縫、微小位移、微小孔等進(jìn)行測量。 根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射公式 :可以得到：例：尺寸測量He-Ne信號讀出信號處理時(shí)鐘發(fā)生控制器計(jì)數(shù)顯示器透鏡細(xì)絲線d細(xì)絲直徑；K衍射暗紋級次K=1,2,3；激光波長； L被測細(xì)絲到CCD光敏面的距離； 被測細(xì)絲到第K級暗紋的連線，

17、與光線主軸的夾角； xk第K級暗紋到光軸的距離。 3012XkSdLd細(xì)絲直徑；K衍射暗紋級次K=1,2,3；L當(dāng)很小時(shí)（即L足夠大時(shí)）Sintg= xk/L 代入 得到：S暗紋寬度，S=XK/K是相等的，則測細(xì)絲直徑d轉(zhuǎn)化為用CCD測S 誤差分析當(dāng)很小時(shí)（即L足夠大時(shí)）Sintg= xk/L 代入由于激光波長誤差很小可忽略不計(jì)，則 例：He-Ne激光632.8nm, L=1000mm0.5mm, d=500m, 當(dāng)CCD像元選用131m測量誤差：由于激光波長誤差很小可忽略不計(jì)，則 例：He-Ne激光6絲越細(xì)，測量精度越高（d越小S越大），甚至可達(dá)到d=10-2m. S的測量方法 S=nspVn圖象傳感器(IS)輸出的視頻信號經(jīng)放大器A放大，再經(jīng)峰值保持電路PH和采樣保持電路S/H處理，變成箱形波，送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行逐位A/D轉(zhuǎn)換，最后讀入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)