電荷耦合器件課件

1、 第4章光電式傳感器電荷耦合器件，又稱CCD圖象傳感器，是一種大規(guī)模集成電路光電器件電荷耦合器件。具有光電轉(zhuǎn)換，信息存儲(chǔ)、延時(shí)、傳輸、處理等功能。特點(diǎn)：集成度高、尺寸小、電壓低（DC712V）、功耗小。該技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各種視頻裝置的普及和微型化，應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個(gè)領(lǐng)域。 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器 4.3 光電器件 電荷耦合器件傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器 4.3 光電器件 電荷耦合器件基于CCD光電耦器件的輸入設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字相機(jī)、平板掃描儀、指紋機(jī)

2、傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器 CCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體） 光敏元陣列；讀出移位寄存器。電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬）個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD） CCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理CCD結(jié)構(gòu)示意圖 顯微鏡下的MOS元表面?zhèn)鞲衅髟砑皯?yīng)用第4章光電式傳感器 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）電荷存儲(chǔ)原理：當(dāng)金屬電極上加正電壓時(shí)，由于電場(chǎng)作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對(duì)電子而言，是一勢(shì)能很低的區(qū)域，稱“勢(shì)阱”。有光線入射到硅片上時(shí)，光子作用下產(chǎn)生

3、電子空穴對(duì)，空穴被電場(chǎng)作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢(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。一個(gè)MOS光敏元結(jié)構(gòu) 傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD） 一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元或一個(gè)像素，把一個(gè)勢(shì)阱所收集的光生電子稱為一個(gè)電荷包； CCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的MOS元，每個(gè)金屬電極加電壓，就形成成百上千個(gè)勢(shì)阱； 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。這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）265

4、1801339066453322分辨率不同的圖象比較4.3 電荷耦合器件4.3.1 電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理4.3.2 CCD圖像傳感器4.3.3 圖像傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返 回平帶條件下的能帶圖 Ec導(dǎo)帶底能量Ei禁帶中央能級(jí)Ef費(fèi)米能級(jí)Ev價(jià)帶頂能量 平帶條件：當(dāng)MOS電容的極板上無外加電壓時(shí)，在理想情況下，半導(dǎo)體從體內(nèi)到表面處是電中性的，因而能帶(代表電子的能量)從表面到內(nèi)部是平的。 上一頁下一頁返 回有信號(hào)電荷的勢(shì)阱當(dāng)MOS電容器柵壓大于開啟電壓UG，周圍電子迅速地聚集到電極下的半導(dǎo)體表面處，形成對(duì)于電子的勢(shì)阱。 勢(shì)阱：深耗盡條件下的表面勢(shì)。勢(shì)阱填滿：電子在半導(dǎo)體表面堆積后使平

5、面勢(shì)下降。 上一頁下一頁返 回信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移 CCD的基本功能是存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷為實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)換： 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MOS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)阱深處。3、在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。 上一頁下一頁返 回定向轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰MOS電荷為一單元的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)。每一單元稱為一位，將每位中對(duì)應(yīng)位置上的電容柵極分別連到各自共同電極上，此共同電極稱相線。一位CCD中含的電容個(gè)數(shù)即為CCD的相數(shù)。每相電極連接的電容個(gè)數(shù)一般來說即為CCD的

6、位數(shù)。通常CCD有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們所施加的時(shí)鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。當(dāng)這種時(shí)序脈沖加到CCD的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)上時(shí)，將實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的定向轉(zhuǎn)移。 上一頁下一頁返 回三相CCD信息電荷傳輸原理圖 上一頁下一頁返 回傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器 電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器） 光敏元上的電荷需要經(jīng)過電路進(jìn)行輸出，CCD電荷 耦合器件是以電荷為信號(hào)而不是電壓電流。 讀出移位寄存器也是MOS結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化 物、半導(dǎo)體三部分組成。 它與MOS光敏元的區(qū)別在于，半導(dǎo)體底部覆蓋了一 層遮光層，防止外來光線干擾。 由三個(gè)十分鄰近的電極組成一個(gè)耦合單元； 在三個(gè)電極上分別施加脈沖

7、波三相時(shí)鐘脈沖 123。 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）CCD電荷的產(chǎn)生方式： 電壓信號(hào)注入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。 上一頁下一頁返 回光信號(hào)注入 CCD用作固態(tài)圖像傳感器時(shí), 接收的是光信號(hào), 即光信號(hào)注入法。當(dāng)光信號(hào)照射到CCD硅片表面時(shí), 在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì), 其多數(shù)載流子（空穴）被排斥進(jìn)入襯底, 而少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢(shì)阱中, 形成信號(hào)電荷, 并存儲(chǔ)起來。存儲(chǔ)電荷的多少正比于照射的光強(qiáng)光信號(hào)注入背面光注人432 CCD圖像傳感器利用CCD的光

8、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。CCD圖像傳感器有線列和面陣上一頁下一頁返 回(1)CCD線列圖像器件1CCD轉(zhuǎn)移寄存器 2轉(zhuǎn)移控制柵 3積蓄控制電極 4PD陣列 SH轉(zhuǎn)移控制柵輸入端 RS復(fù)位控制 VOD漏極輸出 OS圖像信號(hào)輸出 OG輸出控制柵線型圖像傳感器結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返 回(a)x-y 選址 (b)行選址 (c)幀場(chǎng)傳輸式 (d)行間傳輸式4.3 光電器件 電荷耦合器件

9、（CCD）光電耦合器演示傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器對(duì)不同型號(hào)的CCD器件而言，其工作機(jī)理是相同的。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)際使用時(shí)必須加以注意。我們可以通過器件供貨商或直接向生產(chǎn)廠家索取相關(guān)資料，為CCD器件的應(yīng)用提供技術(shù)支持。 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD） 典型的CCD器件傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD） 典型的CCD器件CCD產(chǎn)品傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器TCD142D結(jié)構(gòu)示意圖 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器 TCD142D的驅(qū)動(dòng)電路可分為

10、兩部分： 一部分是脈沖產(chǎn)生電路； 另一部分是驅(qū)動(dòng)電路。脈沖電路產(chǎn)生HS、1、2、RS四路脈沖 由非門及晶體振蕩器構(gòu)成的晶體振蕩電路輸出頻率為4MHz的方波；經(jīng)JK觸發(fā)器分頻，得到頻率為2MHz的方波，將4MHz與2MHz脈沖相與，形成RS脈沖。 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器將RS經(jīng)JK觸發(fā)器分頻，產(chǎn)生頻率為1MHz的1脈沖，1脈沖送入分頻器；經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖SH，并且使SH周期TSH1061s；將SH和1相與產(chǎn)生2,1=2，至此，就產(chǎn)生了四路脈沖。將這四路脈沖經(jīng)反相器反相，再經(jīng)阻容加加速電路送至H0026驅(qū)動(dòng)器，放大至一定量以后用以驅(qū)動(dòng)TCD

11、142D。 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器TCD142D驅(qū)動(dòng)電路 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器CCD傳感器應(yīng)用時(shí)是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導(dǎo)纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學(xué)元件結(jié)合，主要用來裝配輕型攝像機(jī)、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。CCD應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的高新技術(shù)，作為一種非常有效的非接觸檢測(cè)方法，CCD被廣泛用于再線檢測(cè)尺寸、位移、速度、定位和自動(dòng)調(diào)焦等方面。 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）CCD傳感器的應(yīng)用 傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器利用CCD測(cè)量幾何量，CCD誕生后，首

12、先在工業(yè)檢測(cè)中制成測(cè)量長(zhǎng)度的光電傳感器，物體通過物鏡在CCD光敏元上造成影像，CCD輸出的脈沖表征測(cè)量工件的尺寸或缺陷；用于傳真技術(shù)，文字、圖象識(shí)別。例如用CCD識(shí)別集成電路焊點(diǎn)圖案，代替光點(diǎn)穿孔機(jī)的作用；自動(dòng)流水線裝置，機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)監(jiān)視裝置、指紋機(jī)； 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）CCD傳感器的應(yīng)用 傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器CCD固態(tài)圖像傳感器作為攝像機(jī)或像敏器件，取代攝像裝置的光學(xué)掃描系統(tǒng)（電子束掃描），與其它攝像器件相比，尺寸小、價(jià)廉、工作電壓低、功耗小，且不需要高壓;作為機(jī)器人視覺系統(tǒng)；M2A攝影膠囊（Mouth anus）,由發(fā)光二極管做光源，CCD做攝

13、像機(jī)，每秒鐘兩次快門，信號(hào)發(fā)射到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器取下后接入計(jì)算機(jī)將圖像進(jìn)行下載。 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）CCD傳感器的應(yīng)用 傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD） 實(shí)例1： 測(cè)量拉絲過程中絲的線徑、軋鋼的直徑、機(jī)械加工的軸類或桿類的直徑等等，這里以玻璃管直徑與壁厚的測(cè)量為例。玻璃管CCD視頻信號(hào)傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器測(cè)量原理:在熒光燈的玻璃管生產(chǎn)過程中，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)過程進(jìn)行調(diào)整，以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。玻璃管的平均外徑12mm,壁厚1.2mm,要求測(cè)量精度為外徑0.1mm,壁厚0.05m

14、m。利用CCD配合適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，對(duì)玻璃管相關(guān)尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 用平行光照射玻璃管，成像物鏡將尺寸影像投影在CCD光敏像元陣列面上。 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）實(shí)例1：傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間亮帶反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的壁厚像。成像物鏡的放大倍率為，CCD相元尺寸為t，上壁厚、下壁厚分別為n1、n2 ，外徑尺寸的脈沖數(shù)（即像元個(gè)數(shù)）為N，測(cè)量結(jié)果有： 分別為上壁厚、下壁厚，外徑尺寸。 傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器線陣CCD進(jìn)行工件尺寸測(cè)量實(shí)例2： 傳感器原理及應(yīng)用

15、第4章光電式傳感器M2A膠囊 CCD在醫(yī)療診斷中的應(yīng)用實(shí)例3： 433 圖像傳感器的應(yīng)用1尺寸測(cè)量2 用于光學(xué)文字識(shí)別裝置上一頁下一頁返 回1尺寸測(cè)量被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度Ll1 視場(chǎng)l2傳感器的長(zhǎng)度上一頁下一頁返 回2 用于光學(xué)文字識(shí)別裝置光學(xué)文字識(shí)別裝置(OCR)原理 上一頁返 回傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器） 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）讀出移位寄存器結(jié)構(gòu)傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器 電荷轉(zhuǎn)移原理 這一傳輸過程依次下去，信號(hào)電荷按設(shè)計(jì)好的方向，在時(shí)鐘脈沖控制下從寄存器的一端轉(zhuǎn)移到另一端。 這樣一個(gè)傳輸過程，實(shí)際上是一個(gè)電荷耦合過程，所以稱電荷耦合

16、器件，擔(dān)任電荷傳輸?shù)膯卧Q移位寄存器。 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器CCD信號(hào)電荷的輸出的方式主要有電流輸出、電壓輸出兩種,以電壓輸出型為例： 有浮置擴(kuò)散放大器（FDA）、浮置柵放大器（FGA） 由浮置擴(kuò)散區(qū)收集的信號(hào)電荷來控制放大管VT2的柵極電位：式中，為浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)上的總電容。 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）電荷耦合器信號(hào)輸出方式傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器 輸出信號(hào)電壓為 ：式中，為MOS管VT1柵極與源極之間的跨導(dǎo)。 復(fù)位管VT1導(dǎo)通，VT2的溝道抽走浮置擴(kuò)散區(qū)的剩余電荷，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期信號(hào)到來如此循環(huán)下去。 單溝道C

17、CD驅(qū)動(dòng) 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD）電荷信息轉(zhuǎn)移原理傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器CCD器件的物理性能可以用特性參數(shù)來描述內(nèi)部參數(shù)描述的是CCD存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷有關(guān)的特性,是器件理論設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；外部參數(shù)描述的是與CCD應(yīng)用有關(guān)的性能指標(biāo)主要包括以下內(nèi)容：電荷轉(zhuǎn)移效率、轉(zhuǎn)移損失率、工作頻率、電荷存儲(chǔ)容量、靈敏度、分辨率。 4.3 光電器件 電荷耦合器件（CCD） CCD的特性參數(shù)傳感器原理及應(yīng)用第4章光電式傳感器 CCD器件分為線陣CCD和面陣CCD，結(jié)構(gòu)上有多種不同形式，如單溝道CCD、雙溝道CCD、幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD、行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD。 線陣CCD結(jié)構(gòu) 線陣CCD傳感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行構(gòu)成。光敏元和移位寄存器之間有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，1024位線陣，由1024個(gè)光敏元1024個(gè)讀出移位寄存器組成。讀出移位寄存器的輸出端Ga一位位輸出信息，這一過程是一個(gè)串行