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文檔簡介
光電檢測器件—CCD光電成像器件光電成像器件(photo-electronicimagingdevice)是利用光電效應(yīng)將可見或非可見的輻射圖像轉(zhuǎn)換或增強(qiáng)為可觀察、記錄、傳輸、存儲以及可進(jìn)行處理的圖像的器件系列的總稱。其作用是光電轉(zhuǎn)換,增強(qiáng)原始輸入光子信號,進(jìn)而提高圖像探測的效率和精度。目的在于彌補(bǔ)人眼在靈敏度、響應(yīng)波段、細(xì)節(jié)的視見能力以及空間和時間上的局限等方面的不足。最早的一種光電成像器件──光電析像管出現(xiàn)于1931年。按工作原理和結(jié)構(gòu)的不同分為﹕像增強(qiáng)器;電子照相機(jī);電視型探測器;固體二極管陣列。本文主要介紹固體二極管陣列中的電荷耦合器件(CCD)。電荷耦合器件(CCD)
CCD,英文全稱:Charge-coupledDevice,中文全稱:電荷耦合元件??煞Q為CCD圖像傳感器。它是一種半導(dǎo)體器件,能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。它具備光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ?,具有集成度高、功耗小、分辨力高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。CCD圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。工作原理一個完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成,CCD工作時,在設(shè)定的積分時間內(nèi),光敏元對光信號進(jìn)行取樣,將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏元的電荷量。取樣結(jié)束后,各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號驅(qū)動下,轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位寄存器相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下,將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號可接到示波器、圖象顯示器或其他信號存儲、處理設(shè)備中,可對信號再現(xiàn)或進(jìn)行存儲處理。柵電極G氧化層P型半導(dǎo)體耗盡區(qū)反型層uG>uthuG<uthuG=0構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。當(dāng)柵極G施加正偏壓UG之前(UG=0),P型半導(dǎo)體中的空穴(多數(shù)載流子)的分布是均勻的;當(dāng)柵極電壓加正向偏壓(UG<Uth)后,空穴被排斥,產(chǎn)生耗盡區(qū),偏壓繼續(xù)增加,耗盡區(qū)進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸;當(dāng)UG>Uth時,半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(表面勢ФS)變得如此之高,以至于將半導(dǎo)體體內(nèi)的電子(少數(shù)載流子)吸引到表面,形成電荷濃度極高的極薄反型層,反型層電荷的存在說明了MOS結(jié)構(gòu)具有存儲電荷的功能。性能參數(shù)1.電荷轉(zhuǎn)移效率
電荷轉(zhuǎn)移效率η
轉(zhuǎn)移損失率ε
電荷傳輸效率η‘2.工作頻率控制CCD中信號電荷在移位寄存器中轉(zhuǎn)移的時鐘脈沖頻率f=1/T。
對于二相CCD,
通常情況3.光譜特性CCD積分靈敏度S=Uo/H
單位:Vcm2/μJ曝光量H=LτL:光照度
τ:曝光時間(光積分TSH)H的單位:μJ/cm2;lxs4.分辨率CCD所能分辨的最小間距就是像元間距d,因而由像元的尺寸可確定極限分辨率。線陣CCD:極限分辨率為1/d(線對/mm)面陣CCD:像元數(shù)越多,分辨率越高。更多用水平方向、垂直方向各自的線數(shù)來表示。
CCD是低照度器件,光電靶γ可達(dá)99.7%,攝像頭常帶有γ選擇。5.光電特性
CCD像元的飽和輸出電壓與它在暗場下的峰-峰噪聲電壓的比值Usat/Udn
。Usat決定于勢阱中可存儲的最大電荷量,一般為數(shù)百mv-數(shù)v;CCD是低噪聲器件,可用于微光成像,Udn一般為數(shù)mv以下。普通CCD的動態(tài)范圍1000:1左右。6.動態(tài)范圍
CCD器件可控制在1mA/cm2
。7.暗電流CCD類型及特點(diǎn)
1.類型
表面溝道CCD(SCCD):電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面,并沿界面?zhèn)鬏敚惑w溝道CCD(BCCD):電荷包存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi),并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸。工作過程:電荷的產(chǎn)生-存儲-傳輸-檢測。2.特點(diǎn)
固體化攝像器件高空間分辨率高光電靈敏度和大的動態(tài)范圍光敏元間距位置精確,可獲得很高的定位和測量精度信號與微機(jī)接口容易線陣CCD驅(qū)動電路介紹線陣CCD驅(qū)動電路就是要產(chǎn)生正確的SH、1、2、RS信號,它是CCD芯片賴以正常工作的基礎(chǔ)。以TCD1200D為例,介紹線陣CCD驅(qū)動電路:TCD1200D有2160個光敏單元,其前后各有64及12個啞單元。因此:TSH2236TRS,fRS=1MHz,fφ1、φ2=0.5MHz。驅(qū)動電路由單片機(jī)(AT89C2051)、可編程門陣列芯片(GAL16V8)構(gòu)成。
AT89C2051是帶2K字節(jié)可編程電擦除EPROM的CMOS8位單片機(jī)。具有8031單片機(jī)的功能,可輸出20MHz時鐘。
GAL16V8是一種可編輯器件。圖示中未標(biāo)的管腳可自由定義,通過編程,形成所需的邏輯關(guān)系。
SH信號的產(chǎn)生:將Q信號送往單片機(jī)P1.7口,單片機(jī)查詢后由P3.7口輸出P信號。
4路驅(qū)動信號-SH、1、2、RS都由GAL器件產(chǎn)生。GAL芯片有足夠的驅(qū)動能力,管腳可自由定義,使驅(qū)動電路緊湊、連線簡單。單片機(jī)除協(xié)同產(chǎn)生SH外,可充分用于CCD數(shù)據(jù)測量工作。以上介紹的設(shè)計思想可用于任何型號的線陣CCD。線陣CCD攝像機(jī)可用于彩色印刷中的套色工藝監(jiān)控風(fēng)云一號衛(wèi)星可以對地球上空的云層分布進(jìn)行逐行掃描面陣CCD的應(yīng)用
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