光电子技术,CCD电荷耦合器件

1、 4.34.3电荷耦合器件电荷耦合器件如何准确地描述一幅图像如何准确地描述一幅图像实物图像?图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源A/D转换光电转换设备放大设备 PC数字采集卡数字相机 + 数字采集卡由于 光电转换设备 和 放大设备 都是针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。 我们常用的是CCD和CMOS我们这里介绍ccd（电荷耦合器件）电荷耦合器件电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,(ChargeCoupledDevi

2、ces,简简称称CCD)CCD)由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能, ,且且集成度高、功耗低集成度高、功耗低, ,因此随后得到飞速发展因此随后得到飞速发展, ,是图像采集及数字化处理必不可少是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件的关键器件, ,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。光学系统光学系统 CCD 图像处理图像处理CCDCCD的最基本单元的最基本单元MOSMOS电容器是构成电容器是构成CCDCCD的最基本单元是，它是的最基本单元是

3、，它是金属金属氧化物氧化物半导体半导体（MOSMOS）器件中结构最）器件中结构最为简单的。为简单的。金属电极氧化物半导体MOSMOS电容器电容器 CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD可以将入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光电效应（也就是光生伏特效应）。 CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。2 2、信号电荷的存储、信号电荷的存储 CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。3 3、信号电荷的传输（耦合）、信号电荷的传输（耦合） CCD工作过

4、程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。 输出类型，主要有以下三种： 1）电流输出 2）浮置栅放大器输出 3）浮置扩散放大器输出 4 4、信号电荷的检测、信号电荷的检测2 2线型线型CCDCCD图像传感器图像传感器 线型线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对并行且对应的构成一个主体应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅在它们之间设有一个转移控制栅,如图如图8(a)所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个由一个P型型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光

5、敏元件阵列上沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳梳状电极施加高电压时状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷光敏元件聚集光电荷,进行光积分进行光积分,光电荷光电荷与光照强度和光积分时间成正比。与光照强度和光积分时间成正比。3 3面型面型CCDCCD图像传感器图像传感器 面型面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。 图图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路

6、将光敏元件内的信息转移到和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。种结构易于引起图像模糊。CCD的性能参数1 电荷转移效率和转移损失率2 工作频率3光电特征4光谱特征5动态范围6暗电流7分辨率CCD主要有优点： (1) 体积小，重量轻，功耗低；耐冲击，可靠性高，寿命长； (2) 无象元烧伤、扭曲，不受电磁场干扰； (3) 象元尺寸精度优于1m,分辨率高；

7、(4) 基本上不保留残象（真空摄像管有15%20%的残象）。 (5) 视频信号与微机接口容易。CCD应用前景CCD作为一种易于与计算机连接的传感器，在位移检测、运动速度测量、热加工温度场模拟、激光加工研究、光谱分析、无损探伤等方面都有广泛的应用前景，尤其是数字CCD传感器的开发，CCD传感器与信号采集电路的大规模集成，新型快速图蒙处理软件的开发，使得CCD传感器在工业检测与自动控制应用中将发挥更重要的作用。CCD传感器在焊缝跟踪自动化系统中，已成功地应用于平面的焊缝跟踪，在未来的发展趋势中，运用CCD传感器在进行船体、储汽罐等复杂几何形状、三维几何形状的焊接跟踪实时控制中，更易于实现焊接实时控制，而且可以实现任意形状的焊缝实时跟踪，将起到更重要的作用。它在三维测量系统的开发和应用。CAD有广阔的应用前景。随着电脑网络系统的发展，CCD传感器作为电脑前端和图象输入系统，它将以不可阻挡的发展势头深入到各种电脑应用的方方面面。