光電測試技術

1、光電測試技術 第1頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一電荷耦合器件第2頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一 CCDCCD是一種電荷耦合器件(Charge Coupled Device)CCD的突出特點：是以電荷作為信號，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。第3頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一 電荷耦合器件(chargeCoupled Devices)簡稱 CCD，是1970年由美國貝爾實驗室首先研制出來的新型固體器件。作

2、為MOS技術的延伸而產(chǎn)生的一種半導體器件。第4頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一CCD作為一種多功能器件，有三大應用領域：攝像、信號處理和存貯。特別是在攝像領域，作為二維傳感器件， CCD與真空攝像器件相比，具有無灼傷，無滯后，體積小，低功耗、低價格、長壽命等優(yōu)點。第5頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一廣播級電視攝像機中， CCD攝像機可與真空器件攝像機“平分秋色”。而在閉路電視、家庭用攝像方面， CCD攝像機則呈現(xiàn)出“一統(tǒng)天下”的趨勢。在工業(yè)、軍事和科學研究等領域中的應用，如方位測量、遙感遙測、圖像制導，圖像識別等方面更呈現(xiàn)出其高分辮力，高準確度，

3、高可靠性等突出優(yōu)點。第6頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一 圖像傳感器實際上只能記錄光線的灰度，也就是說，它能記錄光線的強弱，但卻沒有辦法分辨顏色，而我們最需要的卻是光線的顏色。目前CCD主要的解決方式是在每一個光電二極管上都采用了濾光器，使對應的光電二極管只能記錄相應單色光。第7頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一各種單色分別被相鄰的光電二極管記錄下來，生成的圖像顏色是分離的，最后還需要通過一些處理過程把這些數(shù)值合成為彩色的圖像。數(shù)碼相機里面，這個處理過程稱之為插值。通常的做法是計算1個像素周圍8個像素的顏色值，然后根據(jù)它自身所記錄的顏色值，結合計算

4、出最終像素的混合顏色值。第8頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一CCD攝像機技術的發(fā)展趨勢及應用前景由于CCD攝像機所具有的各種突出優(yōu)點，所以從發(fā)明至今僅20多年其發(fā)展速度驚人。近10年來，CCD攝像機的應用已深入到各個領域，可以說是跨行業(yè)、跨專業(yè)多方面應用的一種光電產(chǎn)品。它的用量以每年20%的速度遞增。具不完全統(tǒng)計，1997年1998年僅中國大陸彩色和黑白CCD攝像機的用量就達60-70萬臺，這些產(chǎn)品大多數(shù)來自國外或者由臺灣地區(qū)和國內(nèi)組裝。從1998年日本出版的技術市場雜志獲悉,世界上已把CCD列為未來10年可能增益100倍的高技術產(chǎn)品.據(jù)國外專家統(tǒng)計,1997年CCD世

5、界市場規(guī)劃為16億美元,而實際上1997年為50億美元,1998年為65億美元.日本松下公司對CCD攝像機的世界市場進行了統(tǒng)計和預測,如表1所示。一、概述由于CCD攝像機所具有的各種突出優(yōu)點，所以從發(fā)明至今僅20多年其發(fā)展速度驚人。近10年來，CCD攝像機的應用已深入到各個領域，可以說是跨行業(yè)、跨專業(yè)多方面應用的一種光電產(chǎn)品。它的用量以每年20%的速度遞增。一、概述第9頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一 CCD傳感器有兩種第一、特殊CCD傳感器，如紅外CCD芯片（紅外焦平面陣列器件）、高靈敏度背照式和電子轟擊式CCD、EBCCD等，另外還有大靶面如20482048、409

6、64096可見光CCD傳感器、寬光譜范圍（紫外光可見光近紅外光3-5m中紅外光8-14um遠紅外光)焦平面陣列傳感器等。目前已有商業(yè)化產(chǎn)品,并廣泛應用于各個領域。第10頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一CCD攝像機應用領域的發(fā)展趨勢1、CCD攝像機的應用領域 CCD攝像機應用領域在不斷的擴展，應用技術的深化又促進CCD攝像機的多樣化產(chǎn)品的生產(chǎn)?？傮w有MOBILE、PUBLIC、HOME三個方面，其中有：第11頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一（1）Camcorder攝錄一體化CCD攝像機。從中國電子工業(yè)部市場預測數(shù)據(jù)獲悉，2000年需求量可達150萬

7、臺。（2）TV phone據(jù)資料介紹，有些移動電話公司正在研發(fā)可帶視頻圖像攝入和顯示的手機即大哥大。第12頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一（3）PC camera到21世紀初，隨著電腦網(wǎng)絡系統(tǒng)的發(fā)展，PC Camera作為電腦前端和圖像輸入系統(tǒng)，CCD攝像機將以不可阻擋的發(fā)展勢頭深入到各種電腦應用的方方面面，也會很快進入家庭。借助電腦網(wǎng)絡，實現(xiàn)音、視頻同步遠程通訊。第13頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一（4）Door phone隨著住宅商品化，各種現(xiàn)代化住宅樓像雨后春筍般撥地而起，民用住宅的安全防范已提到日程上來，許多住宅可在室內(nèi)及時地看到來訪客

8、人的實時圖像和室外局部區(qū)域的情況，也為防范壞人入室作案起到有效的監(jiān)控作用。第14頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一（5）Scanner由于計算機網(wǎng)絡的普及，所以為了提高各種資料、文字的輸入速度，可采用各種掃描儀，讀取經(jīng)過文字識別的資料，可將讀入的文字資料轉(zhuǎn)換成文件存入計算機進行編輯，以便在網(wǎng)絡上交流。按PC機配套率10%計算，可需線陣和面陣CCD傳感器105.6萬臺。第15頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一（6）Bar Code Register（BCR）條形碼記錄器在各種商業(yè)流通領域如商場、倉儲連鎖店等普遍采用。條形碼物品記錄識別系統(tǒng)與計算機聯(lián)網(wǎng)可

9、隨時取得各種數(shù)據(jù)。（7）Medical醫(yī)用顯微內(nèi)窺鏡利用超小型的CCD攝像機或光纖圖像傳輸內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，可以實現(xiàn)人體顯微手術，減小手術刀口的尺寸，減小傷口感染的可能性，減輕病人的痛苦。同時還可進行實時遠程會診和現(xiàn)場教學。第16頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一（8）Vehicle Camera在各種車輛中加裝CCD攝像機可以使駕駛人員借助車內(nèi)CCD攝像機、車上的后視鏡系統(tǒng)和駕駛員前面的顯示器，不僅可隨時看到車內(nèi)的情況，而且可在倒車時觀察后面的道路情況，在向前行進過程中也能隨時看到后方車輛所保持的距離，提高了行車安全。第17頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星

10、期一（9）Closed Circuit Television（CCTV）CCTV是近幾年被大家廣泛注意的電視監(jiān)控系統(tǒng)，目前，已發(fā)展成為一種新的產(chǎn)業(yè)。以CCD攝像機為主要前端傳感器，帶動了一系列各種配套的主機和配套設備以及傳輸設備的研制和生產(chǎn)企業(yè)。第18頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一（11）Personal Data Assistant（PDA）個人數(shù)據(jù)秘書系統(tǒng)是一種體積小于筆記本的電腦，是功能齊全的計算機系統(tǒng)，可以完成多種數(shù)據(jù)管理功能，并可借助移動電話上的Internet網(wǎng)進行遠程傳送資料、發(fā)傳真等。第19頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一（12

11、）Digital Signal Camera（DSC）由CCD傳感器采集的圖像信號經(jīng)過數(shù)字處理后，可被記錄在磁卡上，由計算機讀取磁卡上的圖像數(shù)據(jù)再現(xiàn)出圖像，并可借助各種圖像處理軟件進行圖像編輯和圖像處理。第20頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一CCD的結構MOS 光敏元：構成CCD的基本單元是MOS(金屬氧化物半導體)結構。（型層）電極第21頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一在柵極加正偏壓之前，P型半導體中的空穴（多子）的分布是均勻的。加正偏壓后，空穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。當UG Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢變得非常高

12、，以致于將半導體內(nèi)的電子(少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。反型層電荷的存在表明了MOS結構存儲電荷的功能。電荷存儲第22頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）第23頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）第一個電極保持10V，第二個電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對應勢阱將合并在一起。原來在第一個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有。若此后第一個電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個電極下的勢阱中。這樣，深勢阱及電荷

13、包向右移動了一個位置。CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對絕大多數(shù)CCD，1m的間隙長度是足夠了。第24頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一第25頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一主要由三部分組成：信號輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號輸出。輸入部分：將信號電荷引入到的第一個轉(zhuǎn)移柵極下的勢阱中，稱為電荷注入。電荷注入的方法主要有兩類：光注入和電注入電注入：用于濾波、延遲線和存儲器等。通過輸入二極管給輸入柵極施加電壓。光注入：用于攝像機。用光敏元件代替輸入二極管。當光照射CCD硅片時，在柵極附近的半導體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，其多數(shù)載流子

14、被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。的工作原理P-Si輸入柵輸入二極管輸出二極管輸出柵SiO2第26頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一在柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，則在半導體表面形成不同深淺的勢阱。勢阱用于存儲信號電荷，其深度同步于信號電壓變化，使阱內(nèi)信號電荷沿半導體表面?zhèn)鬏敚詈髲妮敵龆O管送出視頻信號。為了實現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰MOS電荷為一單元的循環(huán)結構。一位CCD中含的MOS個數(shù)即為CCD的像數(shù)。以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡稱為N型CCD。而以空穴為信號電荷的CCD稱為P型

15、溝道CCD，簡稱為P型CCD。由于電子的遷移率遠大于空穴的遷移率，因此N型CCD比P型CCD的工作頻率高得多。的工作原理第27頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一CCD的特點體積小，功耗低，可靠性高，壽命長?？臻g分辨率高，可以獲得很高的定位精度和測量精度。光電靈敏度高，動態(tài)范圍大，紅外敏感性強，信噪比高 。高速掃描，基本上不保留殘象(電子束攝象管有1520的殘象)集成度高可用于非接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。無像元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。有數(shù)字掃描能力。象元的位置可由數(shù)字代碼確定，便于與計算機結合接口。第28頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一CCD的特性參數(shù)

16、像素數(shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等像素數(shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。44萬（768*576）、100萬（1024*1024）、200萬（1600*1200）、600萬（2832*2128）信噪比：典型值為46分貝感光范圍 可見光、紅外第29頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一 CCD按電荷存儲的位置分有兩種基本類型1、電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?表面溝道CCD(簡稱SCCD)。2、電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(nèi)沿一定方向傳輸， 體溝道或埋溝道器件(簡稱BCCD)。的類型第30頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29

17、分，星期一的類型線陣：光敏元排列為一行的稱為線陣，象元數(shù)從128位至5000位以至7000位不等，由于生產(chǎn)廠家象元數(shù)的不同，市場上有數(shù)十種型號的器件可供選用。面陣CCD：器件象元排列為一平面，它包含若干行和列的結合。目前達到實用階段的象元數(shù)由25萬至數(shù)百萬個不等，按照片子的尺寸不同有13英寸、l2英寸、23英寸以至1英寸之分。第31頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一線陣CCD：一行，掃描；體積小，價格低；面陣CCD: 整幅圖像；直觀；價格高，體積大；面陣CCD芯片第32頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一線陣CCD結構簡單，成本較低?？梢酝瑫r儲存一行電

18、視信號.由于其單排感光單元的數(shù)目可以做得很多，在同等測量精度的前提下，其測量范圍可以做的較大，并且由于線陣CCD實時傳輸光電變換信號和自掃描速度快、頻率響應高，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)測量，并能在低照度下工作，所以線陣CCD廣泛地應用在產(chǎn)品尺寸測量和分類、非接觸尺寸測量、條形碼等許多領域。 面陣CCD可以同時接受一幅完整的光像.面陣CCD有行間轉(zhuǎn)移（IT）型、幀間轉(zhuǎn)移（FT）型和行幀間轉(zhuǎn)移（FIT）型三種。 第33頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一面陣CCD：優(yōu)點是可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。缺點是像元總數(shù)多，而每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀幅率受到限制 第34頁，共40頁，2

19、022年，5月20日，4點29分，星期一線陣CCD：優(yōu)點是一維像元數(shù)可以做得很多，而總像元數(shù)角較面陣CCD相機少，而且像元尺寸比較靈活，幀幅數(shù)高，特別適用于一維動態(tài)目標的測量。分辨力高，價格低廉 可滿足大多數(shù)測量視場的要求缺點：圖像獲取時間長，測量效率低；由于掃描運動及相應的位置反饋環(huán)節(jié)的存在，增加了系統(tǒng)復雜性和成本；圖像精度可能受掃描運動精度的影響而降低，最終影響測量精度。 線陣CCD加掃描運動獲取圖像的方案目前仍使用廣泛，尤其是在要求視場大，圖像分辨率高的情況下 第35頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一CCD在檢測方面的應用幾何量測量自動步槍激光模擬射擊系統(tǒng)。光譜測量

20、光譜儀輸出信號測量。第36頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一CCD攝像機大致可分為下列幾大類 依成像色彩劃分 (1)彩色攝像機：適用于景物細部辨別，如辨別衣著或景物的顏色。因有顏色而使信息量增大，信息量一般認為是黑白攝像機的10倍。 (2)黑白攝像機：是用于光線不足地區(qū)及夜間無法安裝照明設備的地區(qū)，在僅監(jiān)視景物的位置或移動時，可選用分辨率通常高于彩色攝像機的黑白攝像機。 第37頁，共40頁，2022年，5月20日，4點29分，星期一依攝像機分辨率劃分 (1)影像像素在25萬像素（pixel）左右、彩色分辨率為330線、黑白分辨率420線左右的低檔型。 (2)影像像素在25萬38萬之間、彩色分辨率為420線、黑白分辨率在500線上下的中檔型 (3)影像在38萬點以上、彩色分辨率大于或等于480線