傳感器與檢測(cè)技術(shù)：第4章 光電式傳感器原理及應(yīng)用 (3)

1、1/79光電效應(yīng)和光電器件光電效應(yīng)和光電器件1.24.14.2電荷耦合器件、電荷耦合器件、4.34.4第4章 光電式傳感器原理及應(yīng)用傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)光電碼盤、光柵傳感器光電碼盤、光柵傳感器光纖傳感器光纖傳感器2/79第4章 光電式傳感器4.3電荷耦合器件電荷耦合器件電荷耦合器件（Charge Coupled Device， CCD）是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）電容器組成的陣列，它是在MOS集成電路基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能進(jìn)行圖像信息光電轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、延時(shí)和按順序傳送等功能。3/79第4章 光電式傳感器CCD的基本單元：一個(gè)由金屬-氧化物-半導(dǎo)體組成的電容器（簡(jiǎn)稱MOS

2、結(jié)構(gòu)）。CCD線陣：由多個(gè)像素（一個(gè)MOS單元稱為一個(gè)像素）組成。1.CCD的基本單元結(jié)構(gòu)的基本單元結(jié)構(gòu)4/79第4章 光電式傳感器2.MOS電容器的電學(xué)特性電容器的電學(xué)特性（1）柵極未加電壓時(shí)P型Si內(nèi)的多數(shù)載流子（空穴）均勻分布5/79第4章 光電式傳感器（2）柵極施加正電壓UG后在半導(dǎo)體上表面附近形成一層多子的耗盡區(qū)（勢(shì)阱）（3）電壓UG超過閾值電壓Uth時(shí)形成反型層（溝道）6/79第4章光電式傳感器3.CCD的基本功能（1）電荷包的存儲(chǔ)：其存儲(chǔ)能力可通過調(diào)節(jié)UG而加以控制。存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷7/79第4章光電式傳感器（2）電荷包的轉(zhuǎn)移：將電荷包從一個(gè)（因存儲(chǔ)了這些電荷

3、而變淺的）勢(shì)阱轉(zhuǎn)入相鄰的深勢(shì)阱。為實(shí)現(xiàn)電荷包的轉(zhuǎn)移： 3、在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。 1、必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢(shì)阱相互溝通，即相互耦合。2、控制相鄰MOC電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢(shì)阱深淺，使信號(hào)電荷由勢(shì)阱淺的地方流向勢(shì)阱深8/79第4章光電式傳感器三相三相CCD信息電荷傳輸原理圖信息電荷傳輸原理圖 9/79第4章 光電式傳感器CCD在用作信號(hào)處理或存儲(chǔ)器件時(shí)，電荷輸入采用電注入。 CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。4.電荷包的注入方式電荷包的注入方式光信號(hào)注入CCD在用作圖像傳感時(shí)，信號(hào)電荷由光生載流子得

4、到，即光注入 。電極下收集的電荷大小取決于照射光的強(qiáng)度和照射時(shí)間。10/79第4章光電式傳感器5.電荷包的輸出方式電荷包的輸出方式11/79第4章 光電式傳感器CCD工作過程概述：先將半導(dǎo)體產(chǎn)生的（與照度分布相對(duì)應(yīng)）信號(hào)電荷注入到勢(shì)阱中，再通過內(nèi)部驅(qū)動(dòng)脈沖控制勢(shì)阱的深淺，使信號(hào)電荷沿溝道朝一定的方向轉(zhuǎn)移，最后經(jīng)輸出電路形成一維時(shí)序信號(hào)。12/79第4章 光電式傳感器6.CCD的特性參數(shù)的特性參數(shù)（ 1）電荷轉(zhuǎn)移效率 一次轉(zhuǎn)移后到達(dá)下一個(gè)勢(shì)阱中的電荷量與原來勢(shì)阱中的電荷量之比。（2）暗電流：CCD在無光注入也無電注入情況下的輸出信號(hào)。（3）靈敏度：投射在光敏像元上的單位輻射功率所產(chǎn)生的輸出 信號(hào)

5、電壓或電流。13/79第4章 光電式傳感器（4）光譜響應(yīng)曲線（5）分辨率：一般用像素?cái)?shù)表示，像素越多，則分辨率越高 14/79第4章 光電式傳感器利用CCD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，從而將照射在CCD上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)移成了電信號(hào)“圖像”。由于CCD能實(shí)現(xiàn)低噪聲的電荷轉(zhuǎn)移，并且所有光生電荷都通過一個(gè)輸出電路檢測(cè)，且具有良好的致性，因此，對(duì)圖像的傳感具有優(yōu)越的性能。線列和面陣7.CCD圖像傳感器圖像傳感器15/79第4章 光電式傳感器單溝道線陣列單溝道線陣列雙溝道線陣列雙溝道線陣列16/79第4章 光電式傳感器(a)x-y 選址選址 (b)行選址行選址 (c)幀場(chǎng)傳輸式幀場(chǎng)傳輸式 (d)行間傳輸式行間傳輸式17/79第4章 光電式傳感器被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度L