電荷耦合器件

第4章

光電式傳感器電荷耦合器件，又稱(chēng)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（DC7～12V）、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）

Charge—CoupledDevices

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)傳感器原理及應(yīng)用第4章

光電式傳感器4.3光電器件

電荷耦合器件圖象傳感器發(fā)展趨勢(shì)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(wàn)）個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱(chēng)一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線(xiàn)陣或面陣有規(guī)則地排列。4.3光電器件

電荷耦合器件（CCD）

①CCD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(chēng)“勢(shì)阱”。有光線(xiàn)入射到硅片上時(shí)，光子作用下產(chǎn)生電子—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(chēng)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））265×180133×9066×4533×22分辨率不同的圖象比較4.3電荷耦合器件 在MOS電容金屬電極上，加以脈沖電壓，排斥掉半導(dǎo)體襯底內(nèi)的多數(shù)載流子，形成“勢(shì)阱”的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到信號(hào)電荷（少數(shù)載流子）的轉(zhuǎn)移。 圖像傳感器：轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷是由光像照射產(chǎn)生； 若所轉(zhuǎn)移的電荷通過(guò)外界諸如方式得到，則其可以具備延時(shí)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及邏輯運(yùn)算等功能。上一頁(yè)下一頁(yè)返回光電耦合器演示的形成勢(shì)阱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4.3.2CCD圖像傳感器4.3.3圖像傳感器的應(yīng)用上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3.1電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理CCD是一種半導(dǎo)體器件

圖4.3.1MOS電容的結(jié)構(gòu)1．金屬電極2．絕緣層SiO2上一頁(yè)下一頁(yè)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(wú)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(yè)下一頁(yè)返回加上正電壓MOS電容的能帶(a)柵壓UG較小時(shí)，MOS電容器處于耗盡狀態(tài)。(b)柵壓UG增大到開(kāi)啟電壓Uth時(shí),半導(dǎo)體表面的費(fèi)米能級(jí)高于禁帶中央能極,半導(dǎo)體表面上的電子層稱(chēng)為反型層。上一頁(yè)下一頁(yè)返回有信號(hào)電荷的勢(shì)阱當(dāng)MOS電容器柵壓大于開(kāi)啟電壓UG，周?chē)娮友杆俚鼐奂诫姌O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(mǎn)：電子在半導(dǎo)體表面堆積后使平面勢(shì)下降。上一頁(yè)下一頁(yè)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(lái)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(yè)下一頁(yè)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(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)。每一單元稱(chēng)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(chēng)相線(xiàn)。 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(lái)說(shuō)即為CCD的位數(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(wú)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(yè)下一頁(yè)返回三相CCD信息電荷傳輸原理圖上一頁(yè)下一頁(yè)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(guò)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(lái)光線(xiàn)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波三相時(shí)鐘脈沖Φ1Φ2Φ3。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

光電式傳感器當(dāng)t=t1時(shí)刻，Φ1電極下出現(xiàn)勢(shì)阱存入光電荷當(dāng)t=t2時(shí)刻，兩個(gè)勢(shì)阱形成大的勢(shì)阱存入光電荷。當(dāng)t=t3時(shí)刻，Φ1中電荷全部轉(zhuǎn)移至Φ2。當(dāng)t=t4時(shí)刻，Φ2中電荷向Φ3勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。當(dāng)t=t5時(shí)刻，Φ3中電荷向下一個(gè)Φ1勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。4.3光電器件

電荷耦合器件（CCD））讀出移位寄存器三相時(shí)鐘脈沖

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(guò)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(yè)下一頁(yè)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(lái)。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(a)

選通電荷積分輸出電路(b)

驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘波形和輸出波形CCD的信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)上一頁(yè)下一頁(yè)返回4．3．2CCD圖像傳感器利用CCD的光電轉(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(guò)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(xiàn)列和面陣上一頁(yè)下一頁(yè)返回(1)CCD線(xiàn)列圖像器件1－CCD轉(zhuǎn)移寄存器2－轉(zhuǎn)移控制柵3－積蓄控制電極4—PD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(xiàn)型圖像傳感器結(jié)構(gòu)上一頁(yè)下一頁(yè)返回（2）面型固態(tài)圖像傳感器(a)x-y選址(b)行選址(c)幀場(chǎng)傳輸式(d)行間傳輸式上一頁(yè)下一頁(yè)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（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(guò)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）

⑤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）

⑤典型的CCD器件CCD產(chǎn)品傳感器原理及應(yīng)用第4章

光電式傳感器以TCD142D型CCD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2048位像元的兩相線(xiàn)陣CCD器件，TCD142D有22個(gè)引腳，其中12個(gè)是空腳；Φ1A、Φ2A、Φ1B、Φ2B均為時(shí)鐘端，ΦSH為轉(zhuǎn)移柵，ΦRS為復(fù)位柵，OS為信號(hào)輸出端，DOS為補(bǔ)償輸出端，SS為地，NC空閑。4.3光電器件

電荷耦合器件（CCD）TCD142D引腳

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ΦHS、Φ1、Φ2、ΦRS四路脈沖由非門(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ΦRS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ΦRS經(jīng)JK觸發(fā)器分頻，產(chǎn)生頻率為1MHz的Φ1脈沖，Φ1脈沖送入分頻器；經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖ΦSH，并且使ΦSH周期TSH＞1061μs；將ΦSH和Φ1相與產(chǎn)生Φ2,Φ1=Φ2，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)TCD142D。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(lái)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(xiàn)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）

⑥CCD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(guò)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(xiàn)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）

⑥CCD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(jué)系統(tǒng)；M2A攝影膠囊（Mouthanus）,由發(fā)光二極管做光源，CCD做攝像機(jī)，每秒鐘兩次快門(mén)，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）

⑥CCD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(guò)程中絲的線(xiàn)徑、軋鋼的直徑、機(jī)械加工的軸類(lèi)或桿類(lèi)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)