第9章 新型光電傳感器

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 所謂新型傳感器是指最近十幾年來(lái)研究開(kāi)發(fā)出來(lái)的，所謂新型傳感器是指最近十幾年來(lái)研究開(kāi)發(fā)出來(lái)的， 已經(jīng)或正在走向?qū)嵱没A段的傳感器。已經(jīng)或正在走向?qū)嵱没A段的傳感器。 新型光電傳感器包括：新型光電傳感器包括： 固態(tài)光電傳感器固態(tài)光電傳感器: 象限探測(cè)器、象限探測(cè)器、光敏器件陣列、光敏器件陣列、 光電位置光電位置敏感器件（敏感器件（PSD） 自?huà)呙枳話(huà)呙韫怆姸O管陣列（光電二極管陣列（SSPD）、）、 電荷耦合器件電荷耦合器件（CCD） 光纖傳感器光纖傳感器概述概述概述概述指紋鎖指紋鎖指紋門(mén)指紋門(mén)禁禁光纖光纖 象限探測(cè)器可用來(lái)確定光點(diǎn)在象限探測(cè)器可用來(lái)確定光點(diǎn)在二維平面上的位置

2、二維平面上的位置坐標(biāo)坐標(biāo); 用于用于準(zhǔn)直準(zhǔn)直、定位定位、跟蹤跟蹤。器件工作原理基于各種。器件工作原理基于各種光電效應(yīng)光電效應(yīng)。F 象限探測(cè)器結(jié)構(gòu)：象限探測(cè)器結(jié)構(gòu)：利用光刻技術(shù)將光敏器件的敏感面分割成利用光刻技術(shù)將光敏器件的敏感面分割成若干若干面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱(chēng)的區(qū)域面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱(chēng)的區(qū)域，背面為一整體。，背面為一整體。各分割面引出導(dǎo)線就構(gòu)成了象限探測(cè)器。典型的象限探測(cè)器各分割面引出導(dǎo)線就構(gòu)成了象限探測(cè)器。典型的象限探測(cè)器有：有：四象四象限限光電光電二極管、硅二極管、硅光電池光電池、光電倍增管光電倍增管、二象限硅、二象限硅光電池、光電池、光敏電阻光敏電阻等。等。9.1 9.

3、1 新型固態(tài)光電傳感器新型固態(tài)光電傳感器9.1.1 9.1.1 象限探測(cè)器象限探測(cè)器9.1.1 9.1.1 象限探測(cè)器象限探測(cè)器 四象限探測(cè)器四象限探測(cè)器來(lái)確定光斑的中心位置來(lái)確定光斑的中心位置(如如激光準(zhǔn)直激光準(zhǔn)直); 根據(jù)根據(jù)探測(cè)器坐標(biāo)軸線探測(cè)器坐標(biāo)軸線和和測(cè)量系統(tǒng)基準(zhǔn)線測(cè)量系統(tǒng)基準(zhǔn)線的安裝位置角度不同，的安裝位置角度不同，可采用不同的數(shù)據(jù)運(yùn)算電路。可采用不同的數(shù)據(jù)運(yùn)算電路。(UA-UC)/(UA+UB+UC+UD)(UD-UB)/(UA+UB+UC+UD)UA+UB+UC+UD4321 1UAUDUBUC減減法法加加法法器器減減法法除除法法除除法法YXX XY Y光斑位置光斑位置四象限探

4、測(cè)器直差電路四象限探測(cè)器直差電路9.1.1 9.1.1 象限探測(cè)器象限探測(cè)器 器件坐標(biāo)和測(cè)量系統(tǒng)基線成器件坐標(biāo)和測(cè)量系統(tǒng)基線成45角角安裝，安裝，X、Y軸各自具有軸各自具有兩個(gè)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)的光電器件，可分別的光電器件，可分別兩兩獨(dú)立兩兩獨(dú)立地計(jì)算坐標(biāo)值。對(duì)地計(jì)算坐標(biāo)值。對(duì)角線信號(hào)直接相減，就可確定光點(diǎn)位置，故稱(chēng)角線信號(hào)直接相減，就可確定光點(diǎn)位置，故稱(chēng)“直差直差”。UY = K （UA-UC）/（UA+UB+UC+UD）UX = K （UD-UB）/（UA+UB+UC+UD）（UA+UB+UC+UD）為光斑自身幅值總量為光斑自身幅值總量; K為電路放大系數(shù)，與光斑直徑和功率有關(guān)；為電路放大系數(shù)，

5、與光斑直徑和功率有關(guān)； UA、UB、UC、UD 代表探測(cè)器放大代表探測(cè)器放大后輸出電壓后輸出電壓值值.X XY Y0 0D DC CB BA AX XY Y基線基線光電器件光電器件光斑位置光斑位置 輸出偏移量為輸出偏移量為（1）直差電路直差電路形式形式 器件坐標(biāo)和基線成器件坐標(biāo)和基線成水平安裝水平安裝，只要有兩塊相對(duì)，只要有兩塊相對(duì) X軸對(duì)稱(chēng)的軸對(duì)稱(chēng)的光電器件就可以判斷光電器件就可以判斷Y坐標(biāo)。坐標(biāo)。 1、4 象限合并象限合并（UA+UD），），2、3 象限合并象限合并（UB+UC），）， 兩者相減兩者相減（UA+UD）-（UB+UC）得到得到Y(jié)坐標(biāo)電壓值；坐標(biāo)電壓值； X坐標(biāo)同理。電路連接是

6、先計(jì)算相鄰象限信號(hào)和，再計(jì)算坐標(biāo)同理。電路連接是先計(jì)算相鄰象限信號(hào)和，再計(jì)算信號(hào)的差，所以稱(chēng)為信號(hào)的差，所以稱(chēng)為“和差和差”電路。電路。42 3UY = K （UA+UD）-（UB+UC）UX = K （UA+UB）-（UC+UD） UX 、UY分別代表在分別代表在X方向、方向、Y方向方向偏離探測(cè)器中心點(diǎn)的情況。偏離探測(cè)器中心點(diǎn)的情況。XYX XY Y0 0 輸出偏移量為輸出偏移量為（2）和差電路和差電路形式形式9.1.1 9.1.1 象限探測(cè)器象限探測(cè)器 為消除光斑自身總量的變化，采用為消除光斑自身總量的變化，采用和差比幅電路和差比幅電路。 輸出電壓為：輸出電壓為：UY=K （UA+UD）-

7、（UB+UC）/(UA+UB+UC+UD)UX=K （UA+UB）-（UC+UD）/(UA+UB+UC+UD )UA+UDUB+UCUC+UDUA+UB加加法法加加法法加加法法除除法法除除法法UAUDUBUC42 3加加法法減減法法加加法法減減法法(UA+UD）-（UB+UC）（UA+UB）-（UC+UD）UA+UB+UC+UDBACDY YX X9.1.1 9.1.1 象限探測(cè)器象限探測(cè)器 以上兩種電路只是運(yùn)算電路不同以上兩種電路只是運(yùn)算電路不同, ,實(shí)際應(yīng)用時(shí)不同探測(cè)實(shí)際應(yīng)用時(shí)不同探測(cè) 器放大電路類(lèi)型不同器放大電路類(lèi)型不同, ,不同敏感元件需采用不同的電路不同敏感元件需采用不同的電路. .

8、v 象限探測(cè)器的幾個(gè)缺點(diǎn)象限探測(cè)器的幾個(gè)缺點(diǎn): : 分割產(chǎn)生分割產(chǎn)生死區(qū)死區(qū), ,當(dāng)光斑很小時(shí)死區(qū)影響明顯當(dāng)光斑很小時(shí)死區(qū)影響明顯; ; 若光斑全部落入某個(gè)象限若光斑全部落入某個(gè)象限, ,輸出信號(hào)無(wú)法表示光斑位置輸出信號(hào)無(wú)法表示光斑位置, , 測(cè)量范圍受限測(cè)量范圍受限; ;3. 3. 測(cè)量精度與光強(qiáng)有關(guān)測(cè)量精度與光強(qiáng)有關(guān), ,與漂移有關(guān)與漂移有關(guān), ,分辨率、精度受限。分辨率、精度受限。42 3（3）放大）放大圖中兩個(gè)光電位置計(jì)算結(jié)果相同圖中兩個(gè)光電位置計(jì)算結(jié)果相同光電位置光電位置傳感器傳感器PSDPSD（Position sensitive detector ）是一種）是一種新型的新型的橫向

9、光電效應(yīng)橫向光電效應(yīng)器件，器件，也也是是光點(diǎn)位置敏感，輸出信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上光點(diǎn)位置敏感，輸出信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的的位置位置有關(guān)。有關(guān)。當(dāng)入射光點(diǎn)照在光敏面上時(shí)由于光生載流子的流動(dòng)產(chǎn)生當(dāng)入射光點(diǎn)照在光敏面上時(shí)由于光生載流子的流動(dòng)產(chǎn)生光生電流光生電流I，經(jīng)運(yùn)算后即可知光點(diǎn)的位置。，經(jīng)運(yùn)算后即可知光點(diǎn)的位置。廣泛應(yīng)用于廣泛應(yīng)用于激光光束對(duì)準(zhǔn)激光光束對(duì)準(zhǔn)、位移位移、振動(dòng)測(cè)量振動(dòng)測(cè)量、平面度檢測(cè)平面度檢測(cè)、坐標(biāo)、坐標(biāo) 平面度檢測(cè)、二維坐標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)。平面度檢測(cè)、二維坐標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)。與象限探測(cè)器相比與象限探測(cè)器相比特點(diǎn)是特點(diǎn)是：9.1.2 9.1.2 光電位置式傳感器（光電位置式傳感器（PSDPSD）對(duì)

10、光斑的形狀無(wú)要求對(duì)光斑的形狀無(wú)要求，輸出信號(hào)與光的聚焦無(wú)關(guān)，只，輸出信號(hào)與光的聚焦無(wú)關(guān)，只與光的能量中心位置有關(guān)，給測(cè)量帶來(lái)方便；與光的能量中心位置有關(guān)，給測(cè)量帶來(lái)方便；光敏面無(wú)須分割光敏面無(wú)須分割，消除了死區(qū)消除了死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑位置，可連續(xù)測(cè)量光斑位置，分辨率高；分辨率高；可同時(shí)檢測(cè)位置和光強(qiáng)可同時(shí)檢測(cè)位置和光強(qiáng)，輸出總電流與入射光強(qiáng)有關(guān)。，輸出總電流與入射光強(qiáng)有關(guān)。（1 1）PSDPSD的工作原理的工作原理I I本征區(qū)本征區(qū)P PN NL LL LI01 12 23 3XAI I1 1I I2 2A A 中心中心 P層層作作光敏層光敏層，還是個(gè)均勻的，還是個(gè)均勻的電阻層電阻層， 在外

11、電場(chǎng)作用下光電流通過(guò)電阻層在外電場(chǎng)作用下光電流通過(guò)電阻層由電極輸出；由電極輸出； 電極電極1、電極、電極2，分別輸出電流，分別輸出電流I1、I2; 電流與光點(diǎn)到各電極的距離（電阻）電流與光點(diǎn)到各電極的距離（電阻）成反比；成反比； PSD的斷面結(jié)構(gòu)為的斷面結(jié)構(gòu)為PIN型半導(dǎo)體，在硅片上分為三層：型半導(dǎo)體，在硅片上分為三層： P 上層，上層，N 下層，下層，I 中間層（本征區(qū)）中間層（本征區(qū)） 設(shè)電極距光敏面設(shè)電極距光敏面中心點(diǎn)距離為中心點(diǎn)距離為L(zhǎng)，電極電極3處中心位置，處中心位置，XA為光點(diǎn)距中為光點(diǎn)距中心點(diǎn)的距離；心點(diǎn)的距離； 電極上光電流分別為電極上光電流分別為I1、I2，I0為總為總電流電

12、流。（1 1）PSDPSD的工作原理的工作原理 I I0 0為總電流不變?yōu)榭傠娏鞑蛔?02ALXIIL202ALXIIL2121210AIIIIXLLIII012IIIv 可見(jiàn)，光斑能量中心相對(duì)器件中心的位置只與電極電流的可見(jiàn)，光斑能量中心相對(duì)器件中心的位置只與電極電流的差值和總電流的比值差值和總電流的比值有關(guān)，與有關(guān)，與入射光能量入射光能量的大小無(wú)關(guān)。的大小無(wú)關(guān)。 光斑離中心點(diǎn)的距離為：光斑離中心點(diǎn)的距離為：I I本征區(qū)本征區(qū)P PN NL LL LI I0 01 12 23 3X XA AI I1 1I I2 2A A 中心中心 電極上光電流分別為電極上光電流分別為I I1 1、I I2

13、2 （2 2）一維）一維PSDPSD及等效電路及等效電路 一維一維PSD主要用來(lái)測(cè)量光點(diǎn)在一維坐標(biāo)（主要用來(lái)測(cè)量光點(diǎn)在一維坐標(biāo)（X）方向上的位置）方向上的位置PSD; 等效電路中：等效電路中：IP 光電流、光電流、VD理想二極管、理想二極管、RD 定位電阻、定位電阻、 Cj 結(jié)電容、結(jié)電容、Rsh 結(jié)電阻結(jié)電阻1 12 23 31 12 2R RD D3 3V VD DR RshshI IP PC Cj j等效電路等效電路結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖9.1.2 9.1.2 光電位置式傳感器（光電位置式傳感器（PSDPSD） 二維二維PSDPSD主要用來(lái)測(cè)量平面光點(diǎn)的（主要用來(lái)測(cè)量平面光點(diǎn)的（X X、Y

14、 Y）坐標(biāo)，感光的）坐標(biāo)，感光的方型面比一維多一對(duì)電極，按結(jié)構(gòu)分為兩類(lèi)：方型面比一維多一對(duì)電極，按結(jié)構(gòu)分為兩類(lèi)：兩面分離型兩面分離型PSDPSD 兩對(duì)垂直信號(hào)電極在上下兩個(gè)表面，與光點(diǎn)位置有關(guān)的信號(hào)電流先兩對(duì)垂直信號(hào)電極在上下兩個(gè)表面，與光點(diǎn)位置有關(guān)的信號(hào)電流先在一個(gè)面上（上）形成在一個(gè)面上（上）形成IxIx和和IxIx，匯總后又在另一個(gè)面（下）形成兩，匯總后又在另一個(gè)面（下）形成兩路電流路電流IyIy和和IyIy。表面分離型表面分離型PSDPSD1 12 23 34 4V VDRsh hI IP PC Cj1 12 2RDI Iy yI Iy y3 34 4I Ix xI Ix xRD（3

15、3）二維）二維PSDPSD及等效電路及等效電路二維二維PSDPSD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)等效電路等效電路9.1.2 9.1.2 光電位置式傳感器（光電位置式傳感器（PSDPSD）（4 4）PSDPSD及轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換電路首先對(duì)轉(zhuǎn)換電路首先對(duì)PSD輸出的光電流進(jìn)行輸出的光電流進(jìn)行電流電流-電壓轉(zhuǎn)換放大電壓轉(zhuǎn)換放大，通過(guò)加、減運(yùn)算放大器進(jìn)行預(yù)置相加和加減運(yùn)算，最后通通過(guò)加、減運(yùn)算放大器進(jìn)行預(yù)置相加和加減運(yùn)算，最后通過(guò)模擬除法器得到光的位置信號(hào)（與光的能量無(wú)關(guān)）。過(guò)模擬除法器得到光的位置信號(hào)（與光的能量無(wú)關(guān)）。 所有運(yùn)放采用低漂移運(yùn)算放大器，所有運(yùn)放采用低漂移運(yùn)算放大器，反饋電阻反饋電阻Rf的阻值大小決

16、定入射光的阻值大小決定入射光強(qiáng)以及后續(xù)電路最大輸入電壓。強(qiáng)以及后續(xù)電路最大輸入電壓。 二維系統(tǒng)可分別采用兩套這樣的轉(zhuǎn)二維系統(tǒng)可分別采用兩套這樣的轉(zhuǎn)換電路。換電路。IxIxI Ix xIyIyI Iy yU UR R9.1.2 9.1.2 光電位置式傳感器（光電位置式傳感器（PSDPSD）（4 4）PSDPSD及轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換電路一維一維PSDPSD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 IxIxI Ix xIyIyI Iy yU UR RR Rf fR Rf f9.1.2 9.1.2 光電位置式傳感器（光電位置式傳感器（PSDPSD）2121210AIIIIXLLIII加法器加法器減法器減法器9.1 9.1 新型固

17、態(tài)光電傳感器新型固態(tài)光電傳感器 器件封裝形式器件封裝形式MUXV+V+A AB BC COUTOUT9.1.3 9.1.3 光敏管陣列光敏管陣列電路連接電路連接v 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): 將將N個(gè)光敏管集成在一個(gè)硅片上，各管的一端連接個(gè)光敏管集成在一個(gè)硅片上，各管的一端連接在一起，另一端各自單獨(dú)輸出。工作原理與光敏二極管在一起，另一端各自單獨(dú)輸出。工作原理與光敏二極管（晶體管）完全相同，只是組成的結(jié)構(gòu)形式不同而已。（晶體管）完全相同，只是組成的結(jié)構(gòu)形式不同而已。 陣列的每個(gè)光敏管陣列的每個(gè)光敏管稱(chēng)稱(chēng)像元像元，也稱(chēng)，也稱(chēng)連續(xù)工作方式連續(xù)工作方式。光敏像元的個(gè)數(shù)。光敏像元的個(gè)數(shù)為為10-32個(gè)，外圍電路根據(jù)普

18、通光敏管電路設(shè)計(jì)。個(gè)，外圍電路根據(jù)普通光敏管電路設(shè)計(jì)。每個(gè)像元信號(hào)需要一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)放大和處理電路，過(guò)于復(fù)雜，每個(gè)像元信號(hào)需要一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)放大和處理電路，過(guò)于復(fù)雜，為化減外圍電路結(jié)構(gòu)采用多路模擬開(kāi)關(guān)，通過(guò)為化減外圍電路結(jié)構(gòu)采用多路模擬開(kāi)關(guān)，通過(guò)地址地址A、B、C選通選通陣列中每個(gè)光敏元；陣列中每個(gè)光敏元； 掃描檢測(cè)輸出可用放大解調(diào)電路，這種形式適用微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。掃描檢測(cè)輸出可用放大解調(diào)電路，這種形式適用微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。如果像元很多（如果像元很多（64路以上）光敏元陣列外圍電路過(guò)于復(fù)雜。這種路以上）光敏元陣列外圍電路過(guò)于復(fù)雜。這種器件主要用于器件主要用于光信號(hào)位移檢測(cè)光信號(hào)位移檢測(cè)。MUXV+A

19、BCOUT9.1.3 9.1.3 光敏管陣列光敏管陣列9.1.3 9.1.3 光敏管陣列光敏管陣列自?huà)呙韫怆姸O管也是將自?huà)呙韫怆姸O管也是將N個(gè)光敏管集成在一個(gè)硅片上，在個(gè)光敏管集成在一個(gè)硅片上，在器件器件內(nèi)部?jī)?nèi)部集成了光敏管和數(shù)字集成了光敏管和數(shù)字移位寄存器移位寄存器電路。電路。工作方式為工作方式為電荷存儲(chǔ)方式電荷存儲(chǔ)方式，根據(jù)像元的排列不同自?huà)呙瓒O管陣列可，根據(jù)像元的排列不同自?huà)呙瓒O管陣列可分為分為線陣線陣、面陣面陣、特殊陣列特殊陣列。線陣像元有線陣像元有64、128、256、512.4096等。等。UcUcV VB B1 1V VB BN NV VT T2 2V VD2D2CdCd

20、R RL LI I0 0V VT TN NV VDNDNCdCdV VT T1 1V VD1D1CdCd數(shù)字移位寄存器數(shù)字移位寄存器E EOSOSS SU U0 09.1.4 9.1.4 自?huà)呙韫怆姸O管陣列（自?huà)呙韫怆姸O管陣列（SSPDSSPD）1. SSPD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) SSPDSSPD的像元依據(jù)的像元依據(jù)預(yù)充電預(yù)充電 放電放電 充電充電 放電放電 充電充電 這樣的循環(huán)往復(fù)過(guò)程工作，主要有這樣的循環(huán)往復(fù)過(guò)程工作，主要有放電（積分）放電（積分） 充電充電 （輸出）（輸出）兩個(gè)階段。兩個(gè)階段。 一個(gè)像元結(jié)構(gòu)一個(gè)像元結(jié)構(gòu) SSPD器件單元結(jié)構(gòu)與普通器件單元結(jié)構(gòu)與普通MOSFET結(jié)構(gòu)幾乎相同，區(qū)別是

21、結(jié)構(gòu)幾乎相同，區(qū)別是氧化層部分氧化層部分裸露裸露，光線可以透過(guò)，光線可以透過(guò)氧化層直接照到半導(dǎo)體層。氧化層直接照到半導(dǎo)體層。源極源極S ShvhvALAL膜膜漏極漏極D D柵極柵極G GSiOSiO2 2 光電二極管光電二極管NSiSiOSiO2 2P P9.1.4 9.1.4 自?huà)呙韫怆姸O管陣列（自?huà)呙韫怆姸O管陣列（SSPDSSPD）2. 電荷存儲(chǔ)工作原理電荷存儲(chǔ)工作原理V VD DV VT TU Ug g=L=LC Cd dR RL LI I0 0U Uc cI IP P+I+ID DSSPDSSPD器件一個(gè)像元結(jié)構(gòu)等效電路器件一個(gè)像元結(jié)構(gòu)等效電路V V0 0V VT TV VD DU

22、 Ug g=H=HC Cd dR RL LI I0 0U Uc c柵極柵極G G9.1.4 9.1.4 自?huà)呙韫怆姸O管陣列（自?huà)呙韫怆姸O管陣列（SSPDSSPD） 圖為一個(gè)像元電路，虛線框內(nèi)為圖為一個(gè)像元電路，虛線框內(nèi)為光電二極管光電二極管等效電路；等效電路； Cd等效結(jié)電容；等效結(jié)電容；Uc二極管反向偏置電壓；二極管反向偏置電壓；RL負(fù)載電阻；負(fù)載電阻； 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管VT充當(dāng)開(kāi)關(guān)，柵極充當(dāng)開(kāi)關(guān)，柵極Ug電壓高、低控制電壓高、低控制VD通斷，通斷， 使結(jié)電容使結(jié)電容Cd處于不同工作狀態(tài)。處于不同工作狀態(tài)。U URLRLU Ug gt tonont toffoffU UD DU Uc c

23、U Ucdcd預(yù)充電過(guò)程曲線在預(yù)充電過(guò)程曲線在t tonon段段I IP P+I+ID D9.1.4 9.1.4 自?huà)呙韫怆姸O管陣列（自?huà)呙韫怆姸O管陣列（SSPDSSPD）V V0 0V VT TV VD DU Ug g=H=HC Cd dR RL LI I0 0U Uc c柵極柵極G G 預(yù)充電預(yù)充電柵極柵極Ug高電平，開(kāi)關(guān)管高電平，開(kāi)關(guān)管VT閉合；偏置電壓閉合；偏置電壓Uc通過(guò)負(fù)載通過(guò)負(fù)載電阻電阻RL向光電二極管充電；向光電二極管充電；由于由于光電流光電流Ip和和暗電流暗電流Id相對(duì)電源相對(duì)電源電流電流I0很小，所以二極管等效結(jié)很小，所以二極管等效結(jié)電容電容Cd的主要充電電流以電源為的

24、主要充電電流以電源為主；當(dāng)充電達(dá)到穩(wěn)定后，主；當(dāng)充電達(dá)到穩(wěn)定后，P-N結(jié)結(jié)上電壓基本為電源電壓上電壓基本為電源電壓Uc ；等效結(jié)電容等效結(jié)電容Cd上的電荷為上的電荷為 Q = Cd Uc 柵極柵極Ug（L）低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管）低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管VT（off）斷開(kāi)；由于光電流）斷開(kāi)；由于光電流Ip和暗電和暗電流流Id的存在，二極管等效結(jié)電容的存在，二極管等效結(jié)電容Cd上電壓將緩慢放電；上電壓將緩慢放電；設(shè)設(shè)VT斷開(kāi)時(shí)間斷開(kāi)時(shí)間Ts為電荷積分時(shí)間為電荷積分時(shí)間，暴光過(guò)程在積分時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的暴光過(guò)程在積分時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的平均平均光電流為光電流為Ip，暴光過(guò)程中暴光過(guò)程中Cd上釋放上釋放的電荷是：的電荷是： Q

25、 =（Ip + Id)Ts IpTs室溫下暗電流很?。ㄊ覝叵掳惦娏骱苄。╬A）可忽略，）可忽略，此時(shí)結(jié)電容上電壓因放電而下降，此時(shí)結(jié)電容上電壓因放電而下降，下降到下降到 Ucd = Uc - Q/Cd暴光過(guò)程曲線在（暴光過(guò)程曲線在（tofftoff）段）段9.1.4 9.1.4 自?huà)呙韫怆姸O管陣列（自?huà)呙韫怆姸O管陣列（SSPDSSPD）U URLRLU Ug gt tonont toffoffU UD DU Uc cU UcdcdV V0 0V VT TV VD DU Ug g=L=LC Cd dR RL LI I0 0U Uc c柵極柵極G GI IP P+I+ID D 暴光過(guò)程暴光過(guò)程

26、 循環(huán)再充電循環(huán)再充電再充電曲線在（再充電曲線在（t tonon）段）段9.1.4 9.1.4 自?huà)呙韫怆姸O管陣列（自?huà)呙韫怆姸O管陣列（SSPDSSPD）v 顯然顯然補(bǔ)充的電荷補(bǔ)充的電荷等于暴光等于暴光過(guò)程中過(guò)程中 Cd上釋放的電荷上釋放的電荷，再次充電電流再次充電電流I0在在RL上的壓上的壓降降URL等于光電流在負(fù)載電等于光電流在負(fù)載電阻上的壓降。最大值為：阻上的壓降。最大值為： ULMax = UcUcd = Q / Cd V V0 0V VT TV VD DU Ug g=L=LC Cd dR RL LI I0 0U Uc c柵極柵極G GI IP P+I+ID D柵極柵極Ug再次高電

27、平時(shí)開(kāi)關(guān)管再次高電平時(shí)開(kāi)關(guān)管VT閉合；閉合；光電二極管上信號(hào)經(jīng)過(guò)光電二極管上信號(hào)經(jīng)過(guò)Ts積分時(shí)間后，積分時(shí)間后，結(jié)電容結(jié)電容Cd上的電壓為上的電壓為Ucd，以該電壓做，以該電壓做起始值，電源起始值，電源Uc經(jīng)負(fù)載經(jīng)負(fù)載RL向結(jié)電容向結(jié)電容Cd再次充電直到再次充電直到 Cd上電壓再次達(dá)到上電壓再次達(dá)到Uc。U URLRLU Ug gt tonont toffoffU UD DU Uc cU Ucdcdton， 輸出信號(hào)輸出信號(hào)UL9.1.4 9.1.4 自?huà)呙韫怆姸O管陣列（自?huà)呙韫怆姸O管陣列（SSPDSSPD）輸出信號(hào)輸出信號(hào)與照度和積分時(shí)間與照度和積分時(shí)間成正比，與時(shí)間常數(shù)成反比，成正比，

28、與時(shí)間常數(shù)成反比，減小電容減小電容Cd可提高靈敏度?？商岣哽`敏度。MOSFET周期通斷電路不斷周期通斷電路不斷充、放電過(guò)程，負(fù)載上信號(hào)充、放電過(guò)程，負(fù)載上信號(hào)反映該像元的光照度大小。反映該像元的光照度大小。URLUgt tonont toffoffUDUcUcd負(fù)載電阻上的壓降最大值：負(fù)載電阻上的壓降最大值：ULMax = UcUcd = Q/Cd 輸出峰值電壓反映光電二極管的輸出峰值電壓反映光電二極管的光生電信號(hào)光生電信號(hào)的大小，的大小，帶入后有：帶入后有：ULMax = Q/Cd = IpTs/Cd = SpETs/Cd 負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL上的電流為：上的電流為：I0 =ULMax/RL

29、= IpTs/CdRL= IpTs/ = CdRL為電路時(shí)間常數(shù)，為電路時(shí)間常數(shù)，E為積分時(shí)間內(nèi)平均輻照度；為積分時(shí)間內(nèi)平均輻照度；（1 1）線陣）線陣SSPD SSPD 主要由三部分組成主要由三部分組成 感光部分感光部分, ,由由N N個(gè)光電二極管等間距直線排列組成陣列；個(gè)光電二極管等間距直線排列組成陣列； 多路開(kāi)關(guān)多路開(kāi)關(guān), ,由由N N個(gè)個(gè)MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管（場(chǎng)效應(yīng)管（V VT1T1V VTNTN）組成，源極接光）組成，源極接光電二極管，漏極相連組成視頻輸出線電二極管，漏極相連組成視頻輸出線U U0 0； 移位寄存器移位寄存器，提供各路，提供各路MOSFETMOSFET的柵極掃描控制信

30、號(hào)。的柵極掃描控制信號(hào)。U Uc cV VB1B1V VBNBNV VT1T1V VD2D2CdCdR RL LI Io oV VTNTNV VDNDNC Cd dV VT1T1V VD1D1CdCd數(shù)字移位寄存器數(shù)字移位寄存器E EOSOSS SU U0 09.1.5 SSPD9.1.5 SSPD器件器件（1 1）線陣）線陣SSPD SSPD 移位寄存器控制移位寄存器控制時(shí)鐘信號(hào)時(shí)鐘信號(hào),使移位寄存器的使移位寄存器的UB1UBN依次輸出延遲一拍的掃依次輸出延遲一拍的掃 描信號(hào)負(fù)描信號(hào)負(fù)脈沖（實(shí)際器件有兩相、三相、四相和六相）；脈沖（實(shí)際器件有兩相、三相、四相和六相）； S為起始脈沖，為起始脈

31、沖，一個(gè)幀脈沖啟動(dòng)后掃描開(kāi)始；一個(gè)幀脈沖啟動(dòng)后掃描開(kāi)始； 移位寄存器移位寄存器,順序輸出的控制信號(hào)使順序輸出的控制信號(hào)使VT按次序依次閉合、斷開(kāi)，按次序依次閉合、斷開(kāi)， 把光把光電二極管上的光電信號(hào)從視頻輸出線上輸出，形成電二極管上的光電信號(hào)從視頻輸出線上輸出，形成U0 。UcUcU UB1B1U UBNBNV VT2T2V VD2D2CdCdR RL LV VTNTNV VDNDNCdCdV VT1T1V VD1D1CdCd數(shù)字移位寄存器數(shù)字移位寄存器EOSEOSS SU U0 0I Io oU U0 0S SU UB1B1U UB2B2U UBNBN9.1.5 SSPD9.1.5 SSPD

32、器件器件 感光部分二維陣列；移位寄存器，分水平垂直掃描電路；感光部分二維陣列；移位寄存器，分水平垂直掃描電路；多路開(kāi)關(guān)多路開(kāi)關(guān)MOSFETMOSFET。水平掃描控制每水平掃描控制每列列 MOS管開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)通斷通斷；垂直掃描信號(hào)控垂直掃描信號(hào)控制每一像元內(nèi)的制每一像元內(nèi)的MOS開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)的柵極柵極；從視頻線從視頻線UO上串上串行輸出，工作原行輸出，工作原理與線陣相同。理與線陣相同。R RL LI I0 0E EOSOSU U0 0水平水平X X掃描電路掃描電路垂垂直直Y Y掃掃描描感光器件感光器件9.1.5 SSPD9.1.5 SSPD器件器件（2 2）面陣）面陣SSPDSSPD 電荷耦合器件，

33、又稱(chēng)電荷耦合器件，又稱(chēng)CCD圖象傳感器，是一種大規(guī)模圖象傳感器，是一種大規(guī)模集成電路光電器件；集成電路光電器件； 電荷耦合器件具有電荷耦合器件具有光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換，信息存儲(chǔ)信息存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移傳輸轉(zhuǎn)移傳輸、處理以及電子快門(mén)處理以及電子快門(mén)等功能。等功能。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：高集成度、尺寸小、電壓低（高集成度、尺寸小、電壓低（DC-712V）、功耗?。?、功耗小;線陣分辨能力幾線陣分辨能力幾m，空間分辨率高，面陣分辨率在，空間分辨率高，面陣分辨率在1000電視線以上；電視線以上；光電靈敏度高，可達(dá)光電靈敏度高，可達(dá)0.01lx ；信噪比；信噪比6070dB；動(dòng)態(tài)；動(dòng)態(tài)范圍大范圍大;可選模擬、數(shù)字不同輸出形式，

34、便于和計(jì)算機(jī)連機(jī)。可選模擬、數(shù)字不同輸出形式，便于和計(jì)算機(jī)連機(jī)。9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件CCD （ Charge Coupled Devices ） CCD 技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各種視技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各種視頻裝置的普及和微型化頻裝置的普及和微型化; ; 應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個(gè)領(lǐng)域。個(gè)領(lǐng)域。 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件 數(shù)字?jǐn)?shù)字?jǐn)z像機(jī)攝像機(jī) 數(shù)字照數(shù)字照相機(jī)相機(jī) 平板平板掃描儀掃描儀 指紋機(jī)指紋機(jī)等等基于基于CCD電荷耦合器件設(shè)備電荷耦合器件設(shè)備圖象傳感器發(fā)展趨勢(shì)高性能高性能小容量小容量

35、廉價(jià)廉價(jià)高容量高容量專(zhuān)用顯示系統(tǒng)專(zhuān)用顯示系統(tǒng)控制器控制器在線動(dòng)態(tài)分析在線動(dòng)態(tài)分析醫(yī)學(xué)儀器醫(yī)學(xué)儀器低功耗空間設(shè)備低功耗空間設(shè)備汽車(chē)汽車(chē)計(jì)算機(jī)顯示計(jì)算機(jī)顯示生物科學(xué)生物科學(xué)光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡可視電話(huà)可視電話(huà)玩具玩具條形碼識(shí)別條形碼識(shí)別 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件CCD結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 9.2.1 9.2.1 CCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千個(gè)光敏元成百上千個(gè)光敏元一個(gè)光敏元又稱(chēng)一個(gè)像素；一個(gè)光敏元又稱(chēng)一個(gè)像素；光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。顯微鏡下的

36、顯微鏡下的MOS元表面元表面2651801339066453322 相同面積上的光敏元不同時(shí)分辨率（像素）不同相同面積上的光敏元不同時(shí)分辨率（像素）不同 圖象比較圖象比較1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) CCD基本基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分兩部分：分兩部分：MOS光敏元光敏元陣列陣列 讀出讀出移位寄存器移位寄存器9.2.1 9.2.1 CCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)讀出移位寄存器讀出移位寄存器一個(gè)一個(gè)MOSMOS光敏元結(jié)構(gòu)光敏元結(jié)構(gòu) v 一個(gè)一個(gè)MOS光敏元光敏元（金屬金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體半導(dǎo)體） 當(dāng)金屬電極上加正電壓時(shí)，由于電場(chǎng)作用，電極下形成當(dāng)金屬電極上加正電壓時(shí)，由于電場(chǎng)作用，電極下形成耗

37、盡區(qū)。對(duì)電子而言是一勢(shì)能很低的區(qū)域，稱(chēng)耗盡區(qū)。對(duì)電子而言是一勢(shì)能很低的區(qū)域，稱(chēng)“勢(shì)阱勢(shì)阱”。v 有光線入射到硅片上時(shí)，產(chǎn)生光生電子有光線入射到硅片上時(shí)，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，空穴被空穴對(duì)，空穴被電場(chǎng)作用排斥出耗盡區(qū)，而光電子被附近勢(shì)阱俘獲，此電場(chǎng)作用排斥出耗盡區(qū)，而光電子被附近勢(shì)阱俘獲，此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。時(shí)勢(shì)阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。勢(shì)井深度與電極電壓有關(guān)勢(shì)井深度與電極電壓有關(guān) 2. 電荷存儲(chǔ)原理電荷存儲(chǔ)原理一個(gè)一個(gè)MOSMOS光敏元結(jié)構(gòu)光敏元結(jié)構(gòu) 把把一個(gè)勢(shì)阱一個(gè)勢(shì)阱所收集的光生電子稱(chēng)為一個(gè)所收集的光生電子稱(chēng)為一個(gè)電荷包電荷包； CCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的器件

38、內(nèi)是在硅片上制作成百上千的MOS元，每個(gè)金元，每個(gè)金屬電極就是成百上千個(gè)屬電極就是成百上千個(gè)勢(shì)阱勢(shì)阱，產(chǎn)生成百上千的，產(chǎn)生成百上千的電荷包電荷包； 如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的光生電荷圖象。這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的光生電荷圖象。 這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。2. 電荷存儲(chǔ)原理電荷存儲(chǔ)原理v CCD電荷耦合器件是以電荷耦合器件是以電荷電荷為信號(hào)，而不是電壓電流作信號(hào)為信號(hào)，而不是電壓電流作信號(hào)輸出的。光敏元上的電荷還需經(jīng)輸出電

39、路輸出，這個(gè)輸出過(guò)輸出的。光敏元上的電荷還需經(jīng)輸出電路輸出，這個(gè)輸出過(guò)程由程由讀出移位寄存器讀出移位寄存器完成完成. 讀出移位寄存器也是讀出移位寄存器也是MOS結(jié)構(gòu)，由結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化物、半導(dǎo)金屬電極、氧化物、半導(dǎo)體體三部分組成。它與三部分組成。它與MOS光敏元的區(qū)別在于，半導(dǎo)體底部覆光敏元的區(qū)別在于，半導(dǎo)體底部覆蓋一層遮光層，不接收光信號(hào)并防止外來(lái)光線干擾。蓋一層遮光層，不接收光信號(hào)并防止外來(lái)光線干擾。讀出移位寄存器結(jié)構(gòu)讀出移位寄存器結(jié)構(gòu) 由三個(gè)十分鄰近的電極組成由三個(gè)十分鄰近的電極組成一個(gè)耦合單元；一個(gè)耦合單元； 在三個(gè)電極上分別施加脈沖在三個(gè)電極上分別施加脈沖波波1 12 23 3

40、，稱(chēng)，稱(chēng)三相時(shí)鐘脈三相時(shí)鐘脈沖沖（還有兩相、四相）。（還有兩相、四相）。 3.3.電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器）電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器）t = t1 時(shí)刻，時(shí)刻，1 電極下出現(xiàn)勢(shì)阱存入光電荷電極下出現(xiàn)勢(shì)阱存入光電荷t = t2 時(shí)刻，時(shí)刻，12下兩個(gè)勢(shì)阱形成大勢(shì)阱存入電荷下兩個(gè)勢(shì)阱形成大勢(shì)阱存入電荷t = t3 時(shí)刻，時(shí)刻，2 中電荷向中電荷向3勢(shì)阱轉(zhuǎn)移勢(shì)阱轉(zhuǎn)移讀出移位寄存器三相時(shí)鐘脈沖讀出移位寄存器三相時(shí)鐘脈沖 F 電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程 三相時(shí)鐘脈沖頻率相同，相位差三相時(shí)鐘脈沖頻率相同，相位差120；讀出移位寄存器三相時(shí)鐘脈沖控制電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程讀出移位寄存器三相時(shí)鐘脈沖控制電荷轉(zhuǎn)移過(guò)

41、程 F 電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程 不同時(shí)刻勢(shì)阱深度變化，使電荷按設(shè)計(jì)好的方向，在時(shí)鐘不同時(shí)刻勢(shì)阱深度變化，使電荷按設(shè)計(jì)好的方向，在時(shí)鐘脈沖控制下，電荷從寄存器的一端轉(zhuǎn)移到另一端。脈沖控制下，電荷從寄存器的一端轉(zhuǎn)移到另一端。 這樣一個(gè)傳輸過(guò)程，實(shí)際上是一個(gè)這樣一個(gè)傳輸過(guò)程，實(shí)際上是一個(gè)電荷耦合過(guò)程電荷耦合過(guò)程，所以稱(chēng)，所以稱(chēng)電荷耦合器件電荷耦合器件，擔(dān)任電荷傳輸?shù)膯卧Q(chēng)移位寄存器。，擔(dān)任電荷傳輸?shù)膯卧Q(chēng)移位寄存器。 CCD信號(hào)電荷的輸出的方式主要有：信號(hào)電荷的輸出的方式主要有： 電流輸出、電壓輸出兩種電流輸出、電壓輸出兩種 以電壓輸出型為例，根據(jù)以電壓輸出型為例，根據(jù)(工藝結(jié)構(gòu)工藝結(jié)構(gòu))電壓輸出

42、型電壓輸出型有：有： 浮置擴(kuò)散放大器（浮置擴(kuò)散放大器（FDA）(集成集成) 浮置柵放大器（浮置柵放大器（FGA） 浮置擴(kuò)散放大器浮置擴(kuò)散放大器浮置柵放大器浮置柵放大器1. 1. 輸出電路結(jié)構(gòu)輸出電路結(jié)構(gòu)9.2.2 9.2.2 電荷耦合器信號(hào)輸出方式電荷耦合器信號(hào)輸出方式浮置擴(kuò)散放大器浮置擴(kuò)散放大器浮置柵極放大器浮置柵極放大器1. 1. 輸出電路結(jié)構(gòu)輸出電路結(jié)構(gòu)9.2.2 9.2.2 電荷耦合器信號(hào)輸出方式電荷耦合器信號(hào)輸出方式在在CCD陣列的末端制作（擴(kuò)散）一個(gè)陣列的末端制作（擴(kuò)散）一個(gè)N+區(qū)區(qū)，形成反向偏置二極管，形成反向偏置二極管，二極管反偏形成一個(gè)深勢(shì)阱，收集信號(hào)電荷控制二極管反偏形成一

43、個(gè)深勢(shì)阱，收集信號(hào)電荷控制A點(diǎn)電位變化；點(diǎn)電位變化；當(dāng)轉(zhuǎn)移柵當(dāng)轉(zhuǎn)移柵3電極下的電荷包越過(guò)輸出柵電極下的電荷包越過(guò)輸出柵OG流入勢(shì)阱中時(shí)，在輸出極流入勢(shì)阱中時(shí)，在輸出極形成輸出電流形成輸出電流I0，輸出電流在負(fù)載電阻，輸出電流在負(fù)載電阻RL 上產(chǎn)生的電壓與電荷成正上產(chǎn)生的電壓與電荷成正比。擴(kuò)散區(qū)收集的信號(hào)控制放大管比。擴(kuò)散區(qū)收集的信號(hào)控制放大管VT2的柵極電位，即控制輸出電壓。的柵極電位，即控制輸出電壓。1. 1. 輸出電路結(jié)構(gòu)輸出電路結(jié)構(gòu) 電壓輸出型浮置擴(kuò)散放大器（電壓輸出型浮置擴(kuò)散放大器（FDA）A 輸出信號(hào)電壓為輸出信號(hào)電壓為1mLoutAmLg RUUg R 式中式中 為為MOSMOS管

44、柵極與源極之間的跨導(dǎo)管柵極與源極之間的跨導(dǎo)。 mgVTVT1 1為復(fù)位管，由為復(fù)位管，由 R R 控制控制， VTVT1 1導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)VTVT2 2的溝道抽走擴(kuò)散區(qū)的溝道抽走擴(kuò)散區(qū)剩余電荷（剩余電荷（C CFDFD放電），直到下個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)循環(huán)下去。放電），直到下個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)循環(huán)下去。 由由浮置擴(kuò)散浮置擴(kuò)散區(qū)收集的信號(hào)電荷控制放大器區(qū)收集的信號(hào)電荷控制放大器VTVT2 2柵極電位柵極電位/AFDUQ C式中式中FDC為為浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)上的總電容浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)上的總電容A光敏元曝光光敏元曝光 金屬電極加正向金屬電極加正向脈沖電壓脈沖電壓p p勢(shì)井出現(xiàn)，光敏元曝勢(shì)井出現(xiàn)，光敏元曝光后勢(shì)井吸收光生

45、電荷，光積分時(shí)間（快門(mén)），積累很快結(jié)束；光后勢(shì)井吸收光生電荷，光積分時(shí)間（快門(mén)），積累很快結(jié)束；轉(zhuǎn)移脈沖轉(zhuǎn)移脈沖T T 打開(kāi)轉(zhuǎn)移控制柵，光敏元俘獲的光生電荷經(jīng)轉(zhuǎn)移控制打開(kāi)轉(zhuǎn)移控制柵，光敏元俘獲的光生電荷經(jīng)轉(zhuǎn)移控制柵耦合到移位寄存器，轉(zhuǎn)移柵立刻關(guān)閉柵耦合到移位寄存器，轉(zhuǎn)移柵立刻關(guān)閉. .這是一這是一并行輸出過(guò)程并行輸出過(guò)程；接著三個(gè)時(shí)鐘脈沖接著三個(gè)時(shí)鐘脈沖1 12 23 3工作工作，讀出移位寄存器的輸出端，讀出移位寄存器的輸出端Ga Ga 一一位位輸出信息，這一過(guò)程是一位位輸出信息，這一過(guò)程是一串行輸出過(guò)程串行輸出過(guò)程。單溝道單溝道CCDCCD結(jié)構(gòu)電荷讀出結(jié)構(gòu)電荷讀出電荷輸出控制波形電荷輸出控制

46、波形2.2.電荷輸出控制電荷輸出控制 CCD CCD器件分為器件分為線陣線陣CCDCCD和和面陣面陣CCDCCD： 結(jié)構(gòu)形式有：如單溝道結(jié)構(gòu)形式有：如單溝道CCDCCD、雙溝道、雙溝道CCDCCD、 幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCDCCD、行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)、行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCDCCD。 CCDCCD器件器件9.2.3 9.2.3 電荷耦合器件電荷耦合器件 線陣線陣CCDCCD傳感器由傳感器由一列一列MOSMOS光敏元光敏元和和一列移位寄存器一列移位寄存器并行并行構(gòu)成。構(gòu)成。 光敏元和移位寄存器之間有一個(gè)光敏元和移位寄存器之間有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，轉(zhuǎn)移控制柵，加轉(zhuǎn)移控制信加轉(zhuǎn)移控制信號(hào)號(hào)T 。雙溝道雙溝道CCD

47、CCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)1. 1. 線陣線陣CCDCCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 線陣線陣CCD傳感器只有一排光敏元，只能進(jìn)行線寬測(cè)量。傳感器只有一排光敏元，只能進(jìn)行線寬測(cè)量。線陣線陣CCD又分為又分為: 單通道單通道、雙通道雙通道， 雙通道可以加速轉(zhuǎn)換時(shí)間，提高分辨率雙通道可以加速轉(zhuǎn)換時(shí)間，提高分辨率1.1.線陣線陣CCDCCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)線陣線陣CCD結(jié)構(gòu)單通道和雙通道的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程結(jié)構(gòu)單通道和雙通道的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程線型線型CCD傳感器傳感器主要用于幾何尺寸測(cè)試主要用于幾何尺寸測(cè)試、傳真、光、傳真、光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等。學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等。面型面型CCD主要用于圖像采集主要用于圖像采集，攝象機(jī)及測(cè)量技術(shù)，攝象機(jī)及測(cè)量技術(shù)，結(jié)

48、構(gòu)上是把光敏元件排列成二維結(jié)構(gòu)上是把光敏元件排列成二維矩陣形式矩陣形式， 面型面型CCD根據(jù)傳輸?shù)淖x出結(jié)構(gòu)有不同類(lèi)型，根據(jù)傳輸?shù)淖x出結(jié)構(gòu)有不同類(lèi)型， 基本構(gòu)成有：基本構(gòu)成有：線轉(zhuǎn)移方式（由掃描、感光和輸出寄存器組成）線轉(zhuǎn)移方式（由掃描、感光和輸出寄存器組成）幀轉(zhuǎn)送方式（幀轉(zhuǎn)送方式（Frame Transfer CCD）行間轉(zhuǎn)送方式（行間轉(zhuǎn)送方式（Inter Line Transfer CCD）2.2.面陣電荷耦合器（二維）面陣電荷耦合器（二維） 幀間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)：由幀間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)：由光敏元光敏元、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器、輸出移位寄存器輸出移位寄存器三三部分組成，視頻信號(hào)部分組成，視頻信號(hào)整幀整幀輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

49、。輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。2.2.面陣電荷耦合器面陣電荷耦合器 行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)：光敏單元光敏單元與與寄存器交替寄存器交替排列，光積分后排列，光積分后一次一行地輸出，在輸出端得到一次一行地輸出，在輸出端得到一行行一行行視頻信號(hào)。視頻信號(hào)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，圖象清晰質(zhì)量高，是目前使用最多的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，圖象清晰質(zhì)量高，是目前使用最多的一種結(jié)構(gòu)。一種結(jié)構(gòu)。2.2.面陣電荷耦合器面陣電荷耦合器r 3CCD一臺(tái)攝像機(jī)使用了片一臺(tái)攝像機(jī)使用了片CCD，一片，一片CCD接受每一種顏色接受每一種顏色并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。而這三種顏色就是我們電視使用的三基并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。而這三種顏色就是我們電視使用的三基色：紅

50、，綠，藍(lán)三種顏色。色：紅，綠，藍(lán)三種顏色。由于一片由于一片CCD同時(shí)完成亮度信號(hào)和色度信號(hào)的轉(zhuǎn)換難免兩同時(shí)完成亮度信號(hào)和色度信號(hào)的轉(zhuǎn)換難免兩全，使得拍攝出來(lái)的圖像在彩色還原上達(dá)不到專(zhuān)業(yè)水平很全，使得拍攝出來(lái)的圖像在彩色還原上達(dá)不到專(zhuān)業(yè)水平很的要求。為了解決這個(gè)問(wèn)題，便出現(xiàn)了的要求。為了解決這個(gè)問(wèn)題，便出現(xiàn)了3CCD 攝像機(jī)。攝像機(jī)。r 三維三維CCD2.2.面陣電荷耦合器面陣電荷耦合器 CCDCCD器件的物理性能可以用特性參數(shù)來(lái)描述器件的物理性能可以用特性參數(shù)來(lái)描述 內(nèi)部參數(shù)內(nèi)部參數(shù)描述的是描述的是CCDCCD存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷有關(guān)有關(guān)的特性的特性, ,是器件理論設(shè)計(jì)的重要依

51、據(jù)；是器件理論設(shè)計(jì)的重要依據(jù)； 外部參數(shù)外部參數(shù)描述的是與描述的是與CCDCCD應(yīng)用有關(guān)的性能指標(biāo)，應(yīng)用有關(guān)的性能指標(biāo)，主要包括以下內(nèi)容：主要包括以下內(nèi)容： 電荷轉(zhuǎn)移效率電荷轉(zhuǎn)移效率、轉(zhuǎn)移損失率轉(zhuǎn)移損失率、 工作頻率工作頻率、電荷存儲(chǔ)容量、電荷存儲(chǔ)容量、 靈敏度、分辨率。靈敏度、分辨率。 9.2.49.2.4 CCD CCD的特性參數(shù)的特性參數(shù) CCD CCD器件與信號(hào)同步處理器件與信號(hào)同步處理對(duì)不同型號(hào)的對(duì)不同型號(hào)的CCD器件而言，其工作機(jī)理是相同的。器件而言，其工作機(jī)理是相同的。不同型號(hào)的不同型號(hào)的CCD器件具有完全不同的外型結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)時(shí)序，在實(shí)際器件具有完全不同的外型結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)時(shí)序，在實(shí)

52、際使用時(shí)必須加以注意?？梢酝ㄟ^(guò)器件供貨商或直接向生產(chǎn)廠家索取使用時(shí)必須加以注意?？梢酝ㄟ^(guò)器件供貨商或直接向生產(chǎn)廠家索取相關(guān)資料，為相關(guān)資料，為CCD器件的應(yīng)用提供技術(shù)支持。器件的應(yīng)用提供技術(shù)支持。以以TCD142D型型CCD為例做簡(jiǎn)單介紹，其它型號(hào)的器件大同小異。為例做簡(jiǎn)單介紹，其它型號(hào)的器件大同小異。TCD142D是一種具有是一種具有2048位位像元的像元的兩相（雙通道）線陣兩相（雙通道）線陣CCD器件，器件，TCD142D有有22個(gè)引腳（個(gè)引腳（其中其中12個(gè)是空腳）。個(gè)是空腳）。TCD142DTCD142D引腳引腳 TCD142D9.2.5 9.2.5 典型的典型的CCDCCD器件器件

53、TCD142D CD142D是一種具有是一種具有2048位像元的位像元的兩相（雙通道）線陣兩相（雙通道）線陣CCD 22個(gè)引腳個(gè)引腳，其中其中10個(gè)是引腳分別為：個(gè)是引腳分別為： 時(shí)鐘端時(shí)鐘端-1A、2A，1B、2B；轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵-SH；復(fù)位柵復(fù)位柵-RS； 地地-SS；電源；電源-OD；信號(hào)輸信號(hào)輸出出-OS，補(bǔ)償輸出，補(bǔ)償輸出-DOS；NC-空閑?？臻e。TCD142DTCD142D內(nèi)部引腳內(nèi)部引腳 TCD142D9.2.5 9.2.5 典型的典型的CCDCCD器件器件 TCD142D TCD142DTCD142D的外部輸入電路可分為兩部分：的外部輸入電路可分為兩部分： 一部分是一部分是脈沖

54、產(chǎn)生電路脈沖產(chǎn)生電路；另一部分是；另一部分是驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路。 積分時(shí)間積分時(shí)間SHSH2AB2ABRSRSOSOS啞元輸出啞元輸出6464元元信號(hào)信號(hào)20482048檢驗(yàn)檢驗(yàn)2 2元元啞元輸出啞元輸出1212元元1AB1AB0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1059 1060 10610 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1059 1060 10619.2.5 9.2.5 典型的典型的CCDCCD器件器件 TCD142D脈沖電路產(chǎn)生脈沖電路產(chǎn)生HSHS、1 1、2 2、RSRS四路脈沖四路脈沖，由非門(mén)及晶體振蕩器構(gòu)，由非門(mén)及晶體振蕩器構(gòu)成的晶體振蕩電路輸出頻率為成的晶體振

55、蕩電路輸出頻率為4MHz4MHz方波；方波；經(jīng)經(jīng)JKJK觸發(fā)器分頻，得到頻率為觸發(fā)器分頻，得到頻率為2MHz2MHz的方波，將的方波，將4MHz4MHz與與2MHz2MHz脈沖相與，脈沖相與，形成形成RSRS脈沖。脈沖。9.2.5 9.2.5 典型的典型的CCDCCD器件器件 TCD142D將將RS經(jīng)經(jīng)JK觸發(fā)器分頻，觸發(fā)器分頻，產(chǎn)生頻率為產(chǎn)生頻率為1MHz的的1脈沖，脈沖，1脈沖送入分頻器；脈沖送入分頻器；經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖SH并且使并且使SH周期周期TSH1061s（雙通道）；（雙通道）；將將SH和和1相與產(chǎn)生相與產(chǎn)生2，1=-2，至此就產(chǎn)生了四，至此就產(chǎn)生了四路

56、脈沖；路脈沖；將這四路脈沖經(jīng)反相器反相，再經(jīng)阻容加速電路送至將這四路脈沖經(jīng)反相器反相，再經(jīng)阻容加速電路送至H0026驅(qū)動(dòng)器，放大至一定量以后用以驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，放大至一定量以后用以驅(qū)動(dòng)TCD142D。9.2.5 9.2.5 典型的典型的CCDCCD器件器件 TCD142D 利用利用CCD測(cè)量幾何量測(cè)量幾何量CCD誕生后首先在工業(yè)檢測(cè)中制成測(cè)量長(zhǎng)度的傳感器；誕生后首先在工業(yè)檢測(cè)中制成測(cè)量長(zhǎng)度的傳感器；物體通過(guò)物鏡在物體通過(guò)物鏡在CCD光敏元上造成影像，光敏元上造成影像，CCD輸出的脈輸出的脈沖數(shù)表征測(cè)量工件的尺寸。沖數(shù)表征測(cè)量工件的尺寸。9.2.6 9.2.6 CCD傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用線陣線陣

57、CCD進(jìn)行工件尺寸測(cè)量進(jìn)行工件尺寸測(cè)量 CCD應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的高電和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的高新技術(shù)，作為一種有效新技術(shù)，作為一種有效的非接觸檢測(cè)方法；的非接觸檢測(cè)方法； 如測(cè)量拉絲過(guò)程中絲的如測(cè)量拉絲過(guò)程中絲的線徑線徑、軋鋼的、軋鋼的直徑直徑、軸、軸類(lèi)或桿類(lèi)的直徑等。類(lèi)或桿類(lèi)的直徑等。 這里以玻璃管直徑與壁厚的測(cè)量為例。這里以玻璃管直徑與壁厚的測(cè)量為例。 由于玻璃管的透射率分布的不同，由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管在玻璃管在CCD上成像上成像的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間亮帶的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間亮帶反映了玻璃管內(nèi)徑大小，

58、而暗帶則是玻璃管的壁厚成像反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的壁厚成像。玻璃管玻璃管CCDCCD視頻信號(hào)視頻信號(hào) CCD傳感器應(yīng)用傳感器應(yīng)用實(shí)例實(shí)例：u 測(cè)量原理測(cè)量原理: : 在熒光燈的玻璃管生產(chǎn)過(guò)程中，總是需要不斷測(cè)量玻璃在熒光燈的玻璃管生產(chǎn)過(guò)程中，總是需要不斷測(cè)量玻璃管的外圓直徑及壁厚，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行管的外圓直徑及壁厚，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)整，以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。調(diào)整，以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。 用平行光照射玻璃管，成像物鏡將尺寸影像投影在用平行光照射玻璃管，成像物鏡將尺寸影像投影在CCDCCD光敏像元陣列面上。視頻信號(hào)經(jīng)二值化處理后輸出。光敏像元陣列面上。視頻信號(hào)經(jīng)二

59、值化處理后輸出。視頻信號(hào)二值化視頻信號(hào)二值化時(shí)鐘信號(hào)時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)（像元個(gè)數(shù)）計(jì)數(shù)（像元個(gè)數(shù)）1122/dntdn tDN t上壁厚上壁厚下壁厚下壁厚外徑外徑 玻璃管的平均外徑玻璃管的平均外徑12mm；壁厚；壁厚1.2mm； 要求測(cè)量精度為外徑要求測(cè)量精度為外徑0.1mm；壁厚；壁厚0.05mm。 利用利用CCD配合適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，對(duì)玻璃管尺寸進(jìn)行監(jiān)測(cè)；配合適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，對(duì)玻璃管尺寸進(jìn)行監(jiān)測(cè)； 實(shí)際尺寸：上壁厚實(shí)際尺寸：上壁厚d1、下壁厚、下壁厚d2、外徑、外徑D 為為成像物鏡的成像物鏡的放大倍率放大倍率； t 為為CCD像元尺寸；像元尺寸； 上壁、下壁、外徑的像元個(gè)數(shù)（即脈沖數(shù)）分別為：上壁

60、、下壁、外徑的像元個(gè)數(shù)（即脈沖數(shù)）分別為： n1（上壁）、（上壁）、 n2 （下壁）、（下壁）、 N（外徑）（外徑）2d1dD 根據(jù)已知條件（玻璃管外徑根據(jù)已知條件（玻璃管外徑12mm），選擇光學(xué)系統(tǒng)的），選擇光學(xué)系統(tǒng)的放大率放大率為為0.8倍，倍，玻璃管的像玻璃管的像大小為大小為9.6mm； 產(chǎn)品的測(cè)量精度要求反映在像面上的外徑（產(chǎn)品的測(cè)量精度要求反映在像面上的外徑（0.1mm ）為為0.08mm，壁厚（壁厚（0.05mm ）為）為0.04mm； 根據(jù)根據(jù)CCD測(cè)量精度要求測(cè)量精度要求，最小尺寸，最小尺寸0.04mm，必須要大必須要大于兩個(gè)于兩個(gè)CCD光敏元空間尺寸光敏元空間尺寸。 給定線陣