光電成像器件CCD

光電檢測(cè)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(chǔ)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(hào)，進(jìn)而提高圖像探測(cè)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(shí)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(cè)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(hào)。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、?dòng)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(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。工作原理一個(gè)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(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)，光敏元對(duì)光信號(hào)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(hào)驅(qū)動(dòng)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(dòng)時(shí)鐘的作用下，將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號(hào)可接到示波器、圖象顯示器或其他信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備中，可對(duì)信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)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(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)（表面勢(shì)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(chǔ)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(hào)電荷在移位寄存器中轉(zhuǎn)移的時(shí)鐘脈沖頻率f=1/T。

對(duì)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(shí)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(duì)/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(chǎng)下的峰-峰噪聲電壓的比值Usat/Udn

。Usat決定于勢(shì)阱中可存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)范圍1000:1左右。6.動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)-傳輸-檢測(cè)。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(dòng)態(tài)范圍光敏元間距位置精確,可獲得很高的定位和測(cè)量精度信號(hào)與微機(jī)接口容易線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路介紹線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路就是要產(chǎn)生正確的SH、1、2、RS信號(hào)，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(dòng)電路：TCD1200D有2160個(gè)光敏單元，其前后各有64及12個(gè)啞單元。因此：TSH2236TRS，fRS=1MHz，fφ1、φ2=0.5MHz。驅(qū)動(dòng)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(shí)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(hào)的產(chǎn)生：將Q信號(hào)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(hào)。

4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)－SH、1、2、RS都由GAL器件產(chǎn)生。GAL芯片有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，管腳可自由定義，使驅(qū)動(dòng)電路緊湊、連線簡(jiǎn)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(cè)量工作。以上介紹的設(shè)計(jì)思想可用于任何型號(hào)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(hào)衛(wèi)星可以對(duì)地球上空的云層分布進(jìn)行逐行掃描面陣CCD的應(yīng)用