传感器与检测技术：第4章 光电式传感器原理及应用 (3)

1、1/79光电效应和光电器件光电效应和光电器件1.24.14.2电荷耦合器件、电荷耦合器件、4.34.4第4章 光电式传感器原理及应用传感器与检测技术传感器与检测技术光电码盘、光栅传感器光电码盘、光栅传感器光纤传感器光纤传感器2/79第4章 光电式传感器4.3电荷耦合器件电荷耦合器件电荷耦合器件（Charge Coupled Device， CCD）是按一定规律排列的MOS（金属氧化物半导体）电容器组成的阵列，它是在MOS集成电路基础上发展起来的，能进行图像信息光电转换、存储、延时和按顺序传送等功能。3/79第4章 光电式传感器CCD的基本单元：一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器（简称MOS

2、结构）。CCD线阵：由多个像素（一个MOS单元称为一个像素）组成。1.CCD的基本单元结构的基本单元结构4/79第4章 光电式传感器2.MOS电容器的电学特性电容器的电学特性（1）栅极未加电压时P型Si内的多数载流子（空穴）均匀分布5/79第4章 光电式传感器（2）栅极施加正电压UG后在半导体上表面附近形成一层多子的耗尽区（势阱）（3）电压UG超过阈值电压Uth时形成反型层（沟道）6/79第4章光电式传感器3.CCD的基本功能（1）电荷包的存储：其存储能力可通过调节UG而加以控制。存储与转移信息电荷存储与转移信息电荷7/79第4章光电式传感器（2）电荷包的转移：将电荷包从一个（因存储了这些电荷

3、而变浅的）势阱转入相邻的深势阱。为实现电荷包的转移： 3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。 1、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2、控制相邻MOC电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深8/79第4章光电式传感器三相三相CCD信息电荷传输原理图信息电荷传输原理图 9/79第4章 光电式传感器CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。 CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。4.电荷包的注入方式电荷包的注入方式光信号注入CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得

4、到，即光注入 。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。10/79第4章光电式传感器5.电荷包的输出方式电荷包的输出方式11/79第4章 光电式传感器CCD工作过程概述：先将半导体产生的（与照度分布相对应）信号电荷注入到势阱中，再通过内部驱动脉冲控制势阱的深浅，使信号电荷沿沟道朝一定的方向转移，最后经输出电路形成一维时序信号。12/79第4章 光电式传感器6.CCD的特性参数的特性参数（ 1）电荷转移效率 一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与原来势阱中的电荷量之比。（2）暗电流：CCD在无光注入也无电注入情况下的输出信号。（3）灵敏度：投射在光敏像元上的单位辐射功率所产生的输出 信号

5、电压或电流。13/79第4章 光电式传感器（4）光谱响应曲线（5）分辨率：一般用像素数表示，像素越多，则分辨率越高 14/79第4章 光电式传感器利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。线列和面阵7.CCD图像传感器图像传感器15/79第4章 光电式传感器单沟道线阵列单沟道线阵列双沟道线阵列双沟道线阵列16/79第4章 光电式传感器(a)x-y 选址选址 (b)行选址行选址 (c)帧场传输式帧场传输式 (d)行间传输式行间传输式17/79第4章 光电式传感器被测对象长度被测对象长度L