7_3电荷耦合器件20101115

第7章光电式传感器—传感器与检测技术—2本章内容光电编码器光电效应和光电器件7.17.2电荷耦合器件（CCD）7.3光纤传感器7.4光栅传感器7.5—传感器与检测技术—37.3电荷耦合器件（CCD）•CCD的工作原理7.3.1•CCD应用7.3.27.3电荷耦合器件（CCD）—传感器与检测技术—电荷耦合器件，又称CCD图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件；电荷耦合器件具有光电转换，信息存储、转移传输、处理以及电子快门等功能。特点：1.集成度高、尺寸小、电压低（DC7～12V）功耗小。2.空间分辨率高，线阵分辨能力可达7μm，面阵分辨率在1000电视线以上；3.光电灵敏度高，好的器件可达0.01lx；动态范围大，106：1；信噪比60-70dB；4.可选模拟、数字不同输出形式，便于和计算机连机。1、电荷耦合器件（CCD）Charge—CoupledDevices—传感器与检测技术—该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域。—传感器与检测技术—基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机—传感器与检测技术—图象传感器发展趋势高性能小容量廉价高容量专用显示系统控制器在线动态分析医学低功耗空间设备汽车计算机显示生物科学光学显微镜可视电话玩具条形码识别—传感器与检测技术—8CCD图像传感器CCD全称电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)，是20世纪70年代初期最先由Bell实验室发明的。CCD器件以其灵敏度高、动态范围大和光谱响应范围宽等优点特别引人注目。各种线阵、面阵像感器已成功地用于天文、遥感、传真、卡片阅读、光测试和电视摄像等领域，微光CCD和红外CCD在航遥空感、热成像等军事应用中显示出很大的优越性。—传感器与检测技术—97.3.1CCD的工作原理一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。—传感器与检测技术—CCD基本结构分两部分：MOS光敏元阵列；MOS（金属—氧化物—半导体）读出移位寄存器。•电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。CCD结构示意图显微镜下的MOS元表面①CCD基本结构和工作原理—传感器与检测技术—一个MOS光敏元当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子—空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而光电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。一个MOS光敏元结构电荷存储原理：①CCD基本结构和工作原理—传感器与检测技术—电荷存储原理：一个MOS光敏元结构一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金属电极加电压就形成成百上千个势阱，产生成百上千的电荷包；如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。①CCD基本结构和工作原理—传感器与检测技术—传感器原理及应用第8章固体传感器265×180133×9066×4533×22分辨率（像素）不同的图象比较8.2.2光电器件（8）电荷耦合器件—传感器与检测技术—14MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片—传感器与检测技术—彩色CCD显微照片（放大7000倍）—传感器与检测技术—162CCD图像传感器的分类(1)线阵CCD—传感器与检测技术—17由成直线排列的光敏单元和移位寄存器组成图7.3.2线阵CCD图像传感器的结构光学成像系统将被测图像成像在CCD光敏面上，光敏单元将其转变成电荷信号。—传感器与检测技术—18(2)面阵CCD面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。—传感器与检测技术—19面阵CCD外形（续）200万和1600万像素的面阵CCD—传感器与检测技术—20面阵CCD外形（续）—传感器与检测技术—21图7.3.3面阵型CCD结构示意图—传感器与检测技术—22(3)CCD的基本特性参数1）分辨率2)量子效率和光谱响应3)暗电流4)动态范围分辨率表示CCD分辨图像的能力，其取决于光敏单元（及像素）之间的间距，因此用单位面积上的像素数来表示。CCD器件光敏单元在没有光信号输入时，仍有少数载流子聚集在电极下形成转移电流CCD列阵整体接受光信号时，能检测出的最强信号与最弱信号之比。动态范围越大，所成的图像颜色层次细节越多。CCD的量子效率是指入射光所产生的光电子数量与入射光子数量之比。对于不同的入射光波具有不同的量子效率，这就是探测器的光谱响应。—传感器与检测技术—23广泛应用于物体尺寸、位移、表面形状、温度以及图形文字识别、图像检测等领域。7.3.2CCD图像传感器的应用—传感器与检测技术—24利用CCD对尺寸检测按原理可分为三种：衍射法、投影法及光学成像法。这三种测量方法分别适合不同的尺寸物体。1.尺寸检测7.3.5细丝直径检测系统原理尺度等于或略大于波长量级的微隙、细丝或小孔一般采用衍射方法(1)衍射法()aLdLNl—传感器与检测技术—25投影法适合小尺寸物体或者对物体边缘进行测量的情形，当一束平行光照射到被测物体后再投射到CCD时，物体的阴影也同时投射到CCD上，若光的准直度很好，其阴影的尺寸就代表了待测物体的尺寸。图7.3.6投影法测量的应用(2)投影法—传感器与检测技术—26光学成像法测量物体尺寸的范围非常宽，通过光学系统物体在CCD上成一个放大或缩小的实像，CCD测得像的大小再乘以光学系统的放大倍率便可获得物体的尺寸，这种方法可以实现零件尺寸的在线自动检测。(3)光学成像法图7.3.7基于CCD的零件尺寸在线检测系统—传感器与检测技术—27图7.3.8CCD邮政编码识别系统统通过CCD把邮编图像扫描入计算机，通过软件对邮编图像进行数字识别，根据识别出的数字，计算机控制分类机构把信件送入相应的分类箱中。类似系统还可用于货币识别和分类、商品条形码识别等。2.图形文字识别—传感器与检测技术—28线阵CCD用于字符识别—传感器与检测技术—29线阵CCD在扫描仪中的应用—传感器与检测技术—30CCD数码照相机数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。—传感器与检测技术—31CCD用于图像记录—传感器与检测技术—32数码相机的结构解剖（索尼F828）CCD—传感器与检测技术—33CMOS图像传感器CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，CMOS的各项技术指标有望超过CCD，它在图像传感器中的应用也将日趋广泛。—传感器与检测技术—34CMOS视频摄像头带红外LED照明的CMOS视频摄像头—传感器与检测技术—35CMOS视频摄像头的外形及内部结构