光电检测技术 第六章

1、第第6 6章章 光电成像器件概述光电成像器件概述 v掌握内容掌握内容掌握光电成像器件的基本分类，工作原理及特性参数掌握光电成像器件的基本分类，工作原理及特性参数掌握电荷耦合器件（掌握电荷耦合器件（CCDCCD）的工作原理，主要性能及）的工作原理，主要性能及使用要点使用要点v理解内容理解内容自扫描光电二极管阵列的工作原理，主要性能及使用自扫描光电二极管阵列的工作原理，主要性能及使用要点要点v了解内容了解内容了解真空摄像管的基本工作原理和特性了解真空摄像管的基本工作原理和特性第第6 6章章 主要内容主要内容6.16.1光电成像器件概述光电成像器件概述6.26.2真空摄像管真空摄像管6.36.3电荷

2、耦合器件电荷耦合器件6.46.4自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列 光电成像器件是指能输出图像信息的一类器件，光电成像器件是指能输出图像信息的一类器件，它包括真空成像器件和固体成像器件两大类。它包括真空成像器件和固体成像器件两大类。 真空成像器件根据管内有无扫描机构粗略地分为真空成像器件根据管内有无扫描机构粗略地分为像管和摄像管，像管的主要功能是能把不可见光（红像管和摄像管，像管的主要功能是能把不可见光（红外或紫外）图像或微弱光图像通过电子光学透镜直接外或紫外）图像或微弱光图像通过电子光学透镜直接转换成可见光图像，如变像管、像增强器、转换成可见光图像，如变像管、像增强器、X X射线像射线

3、像增强器等。摄像管是一种把可见光或不可见光（红外、增强器等。摄像管是一种把可见光或不可见光（红外、紫外或紫外或X X射线等）图像通过电子束扫描后转换成相应射线等）图像通过电子束扫描后转换成相应的电信号，通过显示器件再成像的光电成像器件。的电信号，通过显示器件再成像的光电成像器件。 固体成像器件不象真空摄像器件那样需用电子束固体成像器件不象真空摄像器件那样需用电子束在高真空度的管内进行扫描，只要通过某些特殊结构在高真空度的管内进行扫描，只要通过某些特殊结构或电路（即自扫描形式）读出电信号，然后通过显示或电路（即自扫描形式）读出电信号，然后通过显示器件再成像。器件再成像。第第6 6章章 光电成像器

4、件光电成像器件光电发射式摄像管光电型真空电子束扫描型光电导式摄像管光热型:热释电摄像管扫描型电荷耦合器件（CCD）固体自扫描型 自扫描光电二极管阵列（SSPD）电荷注入器件（CID）光电成像器件红外变像管变像管 紫外变像管X射线变像管非扫描型串联式像增强管级联式像增强管像增强管微通道板式像增强管负电子亲和势阴极像增强管6.1 6.1 光电成像器件概述光电成像器件概述光电成像器件的类型光电成像器件的类型光电成像器件概述光电成像器件概述图图6-2 6-2 光导电视摄像管光导电视摄像管 图图6-3 6-3 图像各部分顺序传送过程图像各部分顺序传送过程 成像原理成像原理光电成像器件概述光电成像器件概述

5、 光谱响应取决于光电转换材料的光谱响应，光谱响应取决于光电转换材料的光谱响应，其短波限有时受窗口材料的吸收特性影响。其短波限有时受窗口材料的吸收特性影响。 光谱响应光谱响应光电成像器件的基本特性光电成像器件的基本特性 转换特性通常被定义为光电成像器件的输出转换特性通常被定义为光电成像器件的输出物理量与对应物理量的比值关系。转换特性物理量与对应物理量的比值关系。转换特性的参量有灵敏度（或响应度）、转换系数及的参量有灵敏度（或响应度）、转换系数及亮度增益等。亮度增益等。 转换特性转换特性光电成像器件的基本特性光电成像器件的基本特性 分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细节分辨率是用来表示能够分辨图像

6、中明暗细节的能力。分辨率常用二种方式来描述：一种的能力。分辨率常用二种方式来描述：一种 为极限分辨率；另一种为调制传递函数。分为极限分辨率；另一种为调制传递函数。分辨率有时也称为鉴别率或解像力等。辨率有时也称为鉴别率或解像力等。 分辨率分辨率光电成像器件的基本特性光电成像器件的基本特性 真空摄像管的种类很多。按其光敏真空摄像管的种类很多。按其光敏面光电材料的光电效应来分，可分为外面光电材料的光电效应来分，可分为外光电效应与内光电效应两大类。光电效应与内光电效应两大类。 6.2 6.2 真空摄像管真空摄像管基本原理基本原理真空摄像管真空摄像管性能参数性能参数真空摄像管真空摄像管摄像管的光电转换特

7、性摄像管的光电转换特性光谱响应光谱响应时间响应特性时间响应特性 输出信噪比输出信噪比 动态范围动态范围 图像传递特性图像传递特性 光导摄像管出现于光导摄像管出现于2020世纪世纪6060年代年代, ,以后性能得到以后性能得到很大改善很大改善, ,广泛应用于电视摄像等方面。作为摄像装广泛应用于电视摄像等方面。作为摄像装置置, ,必须有三个功能必须有三个功能: :把图像的像素图转换为相应电荷把图像的像素图转换为相应电荷图的功能，把电荷图暂存器起来的功能和把各个像素图的功能，把电荷图暂存器起来的功能和把各个像素依次读出的功能。光导摄像管就具备这三个功能。依次读出的功能。光导摄像管就具备这三个功能。光

8、导摄像管光导摄像管真空摄像管真空摄像管图图1 1 光导摄像管的结构和等效电路光导摄像管的结构和等效电路 透明导电膜电极半导体电子射束电子透镜电子枪偏转线圈RLU电源RCUL输出电压入射光(a)(b)电子射束 在真空管的前屏幕上设置有光电导膜和透明导电在真空管的前屏幕上设置有光电导膜和透明导电膜的阵列小单元。由电子枪射出的电子经电子透镜聚膜的阵列小单元。由电子枪射出的电子经电子透镜聚焦成电子束射向光电导膜。通过电子束扫描焦成电子束射向光电导膜。通过电子束扫描, ,读取储存读取储存在光导电子靶面上的由于入射光的激励所产生的电子在光导电子靶面上的由于入射光的激励所产生的电子图像。图像。(1)光导摄像

9、管的结构光导摄像管的结构真空摄像管真空摄像管 图图1(b)1(b)示出了原理性的等效电路。示出了原理性的等效电路。R R与与C C并联电路代表光并联电路代表光电导膜的像素小单元电导膜的像素小单元, ,并假定为射束的撞击面积。工作时并假定为射束的撞击面积。工作时, ,用电用电子束逐点扫描像素小单元子束逐点扫描像素小单元, ,把各小单元均充至电源电压把各小单元均充至电源电压V,V,然后然后中断。在光的照射下中断。在光的照射下, ,由于光电导效应由于光电导效应,R,R会变小会变小,C,C则会放电则会放电, ,电电压降低。压降低。 电压降低的多少与光强成比例电压降低的多少与光强成比例,实现把图像的像素

10、图转换实现把图像的像素图转换为相应的电荷图为相应的电荷图,并把电荷图暂存起来。当用电子束再次逐点并把电荷图暂存起来。当用电子束再次逐点扫描时扫描时,如图如图1(b)所示形成闭合电路所示形成闭合电路,(电子束电子束)所放出的电荷量使所放出的电荷量使C充电。充电电流大小与小单元电压降低的程度成正比。充电充电。充电电流大小与小单元电压降低的程度成正比。充电电流流过负载电阻电流流过负载电阻RL,从而输出与强弱程度不同的光成正比的从而输出与强弱程度不同的光成正比的电压信号。根据这样的工作原理来扫描二维的光电膜表面电压信号。根据这样的工作原理来扫描二维的光电膜表面,就就可获得二维图像信号可获得二维图像信号

11、,完成各个像素信号的依次读出。电子束完成各个像素信号的依次读出。电子束的偏转有电磁方式和静电方式两种。为使电子加速必须外加的偏转有电磁方式和静电方式两种。为使电子加速必须外加300600V的电压。的电压。真空摄像管真空摄像管硅靶结构与工作原理硅靶结构与工作原理真空摄像管真空摄像管(2)硅靶视像管硅靶视像管 由于硅靶的量子效率高，在由于硅靶的量子效率高，在0.350.351.11.1 m m的光谱的光谱范围内能有效地工作，因此它是光谱响应最宽的一范围内能有效地工作，因此它是光谱响应最宽的一种视像管，可用于近红外电视种视像管，可用于近红外电视光电发射式摄像管光电发射式摄像管SITSIT管结构原理示

12、意图管结构原理示意图 光电发射式摄像管在结构光电发射式摄像管在结构上和工作原理上与视像管都不上和工作原理上与视像管都不相同，它带有移像部分，将光相同，它带有移像部分，将光电转换和信号存储分开。图像电转换和信号存储分开。图像的光电转换由光电阴极完成，的光电转换由光电阴极完成，存储靶进行光电信号的存储，存储靶进行光电信号的存储，通过电子束扫描拾取信号。通过电子束扫描拾取信号。 增强硅靶摄像管简称增强硅靶摄像管简称“SIT”(Silicon SIT”(Silicon Intensifled Target)Intensifled Target)管，它管，它是在硅靶视像管的基础上发明是在硅靶视像管的基础

13、上发明的。的。 真空摄像管真空摄像管 电荷耦合器件电荷耦合器件(Charge Coupled Devices,(Charge Coupled Devices,简称简称CCD)CCD)是贝尔实验室的是贝尔实验室的W.S.BoyleW.S.Boyle和和G.E.SmithG.E.Smith于于19701970年发明的年发明的, ,由于它有光电转换、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信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能, ,且集成度高、功耗低且集成度高、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的关键器件是图像采集及数字化处理

14、必不可少的关键器件, ,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。军事和消费领域。6.3 6.3 电荷耦合器件电荷耦合器件 CCDCCD以电荷作为信号。以电荷作为信号。CCDCCD的工作过程的主的工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。电荷耦合器件电荷耦合器件工作原理工作原理 CCD是按一定规律排列的是按一定规律排列的MOS（金属（金属氧化氧化物物半导体）电容器组成的阵列。在半导体）电容器组成的阵列。在P型或型或N型硅衬型硅衬底上生长一层很薄（约底上生长一层很薄（约1200）的二氧化硅

15、）的二氧化硅,再在二再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极）（栅极）,形成规则的形成规则的MOS电容器阵列，再加上两电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。芯片。 （1）电荷存储）电荷存储CCDCCD的基本结构是的基本结构是MOSMOS结构，它是一种工作在非稳态的器件。以结构，它是一种工作在非稳态的器件。以P P型衬底型衬底MOSMOS结构为例，结构为例，若在栅极上加正电压若在栅极上加正电压,衬底接地衬底接地,则带正电则带正电的空穴被排斥离开的空穴被排斥离开Si-SiO2界面界面,带负电的

16、电子被吸引到紧靠带负电的电子被吸引到紧靠Si-SiO2界面。当电压高到一定值界面。当电压高到一定值,形成对电子而言的所谓势阱形成对电子而言的所谓势阱,电子电子一旦进入就不能复出。电压愈高一旦进入就不能复出。电压愈高,产生的势阱愈深。可见产生的势阱愈深。可见MOS电电容器具有存储电荷的功能。容器具有存储电荷的功能。工作原理工作原理电荷耦合器件电荷耦合器件（2）电荷耦合）电荷耦合 三相电荷的转移过程三相电荷的转移过程工作原理工作原理电荷耦合器件电荷耦合器件 转移栅实行转移的转移栅实行转移的工作原理是工作原理是,t,t1 1时刻时刻1 1是高电平是高电平, ,于是在电极于是在电极下形成势阱下形成势阱

17、, ,并将少并将少数载流子数载流子( (电子电子) )吸引至吸引至聚集在聚集在Si-SiOSi-SiO2 2界面处界面处, ,而电极而电极、却因为加却因为加的是低电平的是低电平, ,形象地称形象地称为垒起阱壁。如图（为垒起阱壁。如图（a a）（2）电荷耦合）电荷耦合工作原理工作原理电荷耦合器件电荷耦合器件 t t2 2时刻时刻,1 1的高电平有的高电平有所下降所下降,2 2变为高电平变为高电平, ,而而3 3仍是低电平。这样在电极仍是低电平。这样在电极下面势阱最深下面势阱最深, ,且和电极且和电极1 1下面势阱交迭下面势阱交迭, ,因此储存在电因此储存在电极极下面势阱中的电荷逐渐下面势阱中的电

18、荷逐渐扩散漂移到电极扩散漂移到电极下的势阱下的势阱区。由于电极区。由于电极上的高电平上的高电平无变化无变化, ,所以仍高筑势垒所以仍高筑势垒, ,势势阱里的电荷不能往电极阱里的电荷不能往电极下下扩散和漂移。如图（扩散和漂移。如图（b b）（）（c c）(d)(d)所示。所示。（2）电荷耦合）电荷耦合工作原理工作原理电荷耦合器件电荷耦合器件 t t3 3时刻时刻,1 1变为低电变为低电平平,2 2为高电平为高电平, ,这样电极这样电极下面的势阱完全被撤除而下面的势阱完全被撤除而成为阱壁成为阱壁, ,电荷转移到电极电荷转移到电极下的势阱内。由于电极下的势阱内。由于电极下仍是阱壁下仍是阱壁, ,所以

19、不能继续所以不能继续前进前进, ,这样便完成了电荷由这样便完成了电荷由电极电极1 1下转移到电极下转移到电极2 2下的一下的一次转移次转移, ,如图如图(e)(e)所示。所示。 （2）电荷耦合）电荷耦合工作原理工作原理电荷耦合器件电荷耦合器件 图图2 2中所示为中所示为6464位位CCDCCD结构。每个光敏元（像素）结构。每个光敏元（像素）对应有三个相邻的转移栅电极对应有三个相邻的转移栅电极1 1、2 2、3,3,所有电极彼所有电极彼此间离得足够近此间离得足够近, ,以保证使硅表面的耗尽区和电荷的以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的势阱耦合及电荷转移。所有的1 1电极相连并

20、施加时钟电极相连并施加时钟脉冲脉冲1 1, ,所有的所有的2 2、3 3也是如此也是如此, ,并施加时钟脉冲并施加时钟脉冲2 2、3 3。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭, ,如图如图3 3所示。所示。12313123123123N12N626364P型衬底输入Gi123Go2SiO2输出 图图2 CCD2 CCD芯片的构造芯片的构造 （2）电荷耦合（图示电荷耦合过程）电荷耦合（图示电荷耦合过程）电荷耦合器件电荷耦合器件图图3 3 三个时钟脉冲的时序三个时钟脉冲的时序123t1t2t3t4t5电荷耦合器件电荷耦合器件图图4 4 完成一次转移的过程完成一次转移的过程

21、 123123123123t1t2t3t4t5电荷耦合器件电荷耦合器件 CCDCCD也可在输入端用电形式输入被转移的也可在输入端用电形式输入被转移的电荷电荷, ,或用以补偿器件在转移过程中的电荷损或用以补偿器件在转移过程中的电荷损失失, ,从而提高转移效率。电荷输入的多少从而提高转移效率。电荷输入的多少, ,可可用改变二极管偏置电压用改变二极管偏置电压, ,即改变即改变G Gi i来控制。来控制。 CCDCCD输出经由输出二极管。输出二极管加反向输出经由输出二极管。输出二极管加反向偏压的大小由输出栅控制电压偏压的大小由输出栅控制电压G G0 0来控制。来控制。电荷耦合器件电荷耦合器件CCDCC

22、D的输入实际上是对光信号或电信号进行电荷取样，并的输入实际上是对光信号或电信号进行电荷取样，并把取样的电荷存储于把取样的电荷存储于CCDCCD的势阱中，然后在时钟脉冲的作用下，的势阱中，然后在时钟脉冲的作用下， 把这些电荷转移到把这些电荷转移到CCDCCD的输出端。信号的输入有光注入和电注的输出端。信号的输入有光注入和电注入两种方式。入两种方式。CCDCCD作摄像光敏器件时，其信号电荷由光注入产作摄像光敏器件时，其信号电荷由光注入产生。器件受光照射时，光被半导体吸收，产生电子生。器件受光照射时，光被半导体吸收，产生电子- -空穴对，空穴对， 这时少数载流子被收集到较深的势阱中。光照愈强，产生的

23、电这时少数载流子被收集到较深的势阱中。光照愈强，产生的电子子- -空穴对愈多，势阱中收集的电子也愈多，反之亦然。就是空穴对愈多，势阱中收集的电子也愈多，反之亦然。就是说，势阱中收集的电子电荷的多少反映了光的强弱，从而可以说，势阱中收集的电子电荷的多少反映了光的强弱，从而可以反映图像的明暗程度，这样就实现了光信号与电信号之间的转反映图像的明暗程度，这样就实现了光信号与电信号之间的转换。换。 （3）电荷的注入和检测（输入和输出）电荷的注入和检测（输入和输出）电荷耦合器件电荷耦合器件00ATnqQeIP0en光注入电荷光注入电荷Q QIPIP为为为材料的量子效率；为材料的量子效率；q q为电子电为电

24、子电荷量；荷量； 为入射光的光子流速为入射光的光子流速率；率；A为光敏单元的受光面积；为光敏单元的受光面积；T0为光注入时间。为光注入时间。电荷的注入（电荷的注入（光注入）光注入）光照射到光敏元上光照射到光敏元上,会产生电子会产生电子-空穴对（光生电荷）空穴对（光生电荷）,电子被吸引电子被吸引存储在势阱中。入射光强则光生电荷多存储在势阱中。入射光强则光生电荷多,弱则光生电荷少弱则光生电荷少,无光照无光照的光敏元则无光生电荷。这样就在转移栅实行转移前的光敏元则无光生电荷。这样就在转移栅实行转移前,把光的强弱把光的强弱变成与其成比例的电荷的数量变成与其成比例的电荷的数量,实现了光电转换。若停止光照

25、实现了光电转换。若停止光照,电电荷在一定时间内也不会损失荷在一定时间内也不会损失,可实现对光照的记忆。可实现对光照的记忆。电荷耦合器件电荷耦合器件电荷的检测（输出方式）电荷的检测（输出方式） 电流输出电流输出 浮置扩散放大器输出浮置扩散放大器输出 浮置栅放大器输出浮置栅放大器输出电荷耦合器件电荷耦合器件 设原有的信号电荷量为设原有的信号电荷量为Q Q0 0，转移到下一个，转移到下一个电极下的信号电荷量为电极下的信号电荷量为Q Q1 1，其比值，其比值 (6-21)(6-21) 称为转移效率。称为转移效率。 没有被转移的电荷量设为没有被转移的电荷量设为 ，则与原信，则与原信号电荷号电荷Q Q0

26、0之比之比 (6-22) (6-22) 称为转移损失率。称为转移损失率。特性参数特性参数（1 1）转移效率）转移效率，转移损失率，转移损失率%10001QQ%1000QQQ电荷耦合器件电荷耦合器件（2）工作频率）工作频率 CCDCCD器件是工作在不平衡状态，所以驱动脉冲频器件是工作在不平衡状态，所以驱动脉冲频率的选择显然十分重要：频率太低，热激发少数载率的选择显然十分重要：频率太低，热激发少数载流子过多，它的加入降低了输出信号的信噪比；频流子过多，它的加入降低了输出信号的信噪比；频率太高，又会降低总转移效率，减小了输出信号的率太高，又会降低总转移效率，减小了输出信号的幅值，同样降低信噪比。幅值

27、，同样降低信噪比。31Lf 为驱动脉冲工作频率下限，即与少数载流子为驱动脉冲工作频率下限，即与少数载流子的寿命的寿命有关有关 231tfh 为工作频率的上限，与信号电荷从一个为工作频率的上限，与信号电荷从一个电极转移到另一个电极的转移时间应大于或等电极转移到另一个电极的转移时间应大于或等于于t t2 2 电荷耦合器件电荷耦合器件表示在电极下的势阱中能容纳的电荷量表示在电极下的势阱中能容纳的电荷量 。如果如果SiOSiO2 2氧化层的厚度为氧化层的厚度为d d，则每一个电极下，则每一个电极下的势阱中，最大电荷贮存容量的势阱中，最大电荷贮存容量 ：AVCQoxAdVqAVCNsox0max（3 3

28、）电荷贮存容量）电荷贮存容量电荷耦合器件电荷耦合器件（4）CCD的噪声的噪声散粒噪声、转移噪声及热噪声。散粒噪声、转移噪声及热噪声。电荷耦合器件电荷耦合器件 电荷耦合器件的一个重要应用是作为摄像电荷耦合器件的一个重要应用是作为摄像器件，电荷耦合摄像器件可分为一维（线阵）的器件，电荷耦合摄像器件可分为一维（线阵）的和二维（面阵）两种，它们的功能都能把二维光和二维（面阵）两种，它们的功能都能把二维光学图像信号转变成一维视频信号输出。它们的原学图像信号转变成一维视频信号输出。它们的原理是：首先用光学成像系统（光学镜头）将被摄理是：首先用光学成像系统（光学镜头）将被摄的景物图像成像在的景物图像成像在C

29、CDCCD的光敏面（光敏区）上，的光敏面（光敏区）上，在每一个光敏单元（在每一个光敏单元（MOSMOS电容器）的势阱中贮存电容器）的势阱中贮存与图像照度成正比的光生信号电荷一定完成了光与图像照度成正比的光生信号电荷一定完成了光电转换和电荷的积累。然后，转移到电转换和电荷的积累。然后，转移到CCDCCD的移位的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下有顺序的转移和寄存器中，在驱动脉冲的作用下有顺序的转移和输出，成为视频信号。输出，成为视频信号。电荷耦合摄像器件（电荷耦合摄像器件（ICCDICCD）电荷耦合器件电荷耦合器件（1 1）线型）线型CCDCCD摄像器件：摄像器件： 两种基本形式：两种基本形式：

30、单沟道单沟道 双沟道双沟道电荷耦合器件电荷耦合器件（2）面阵）面阵ICCD 帧转移面阵帧转移面阵ICCD 隔列转移型面阵隔列转移型面阵ICCD 线转移型面阵线转移型面阵ICCD(3)增强型电荷耦合器件增强型电荷耦合器件 线转移面阵线转移面阵CCD示意图示意图电荷耦合器件电荷耦合器件（4 4）ICCDICCD的基本特性参数的基本特性参数 光电转换特性光电转换特性 光谱响应和干涉效应光谱响应和干涉效应 动态范围动态范围 陷阱的最大电荷存储量陷阱的最大电荷存储量 噪声噪声 暗电流暗电流 分辨率和调制传递函数（分辨率和调制传递函数（MTFMTF） 电荷耦合器件电荷耦合器件 自扫描光电二极管阵列（自扫描

31、光电二极管阵列（SSPDSSPD）又叫）又叫MOSMOS型图像探测器，它的自扫描电路由型图像探测器，它的自扫描电路由MOSMOS移位寄移位寄存器构成。根据像元的排列形状不同，它又分存器构成。根据像元的排列形状不同，它又分为线阵列和面阵列。线阵列如不另加扫描机构，为线阵列和面阵列。线阵列如不另加扫描机构，则只能对移位的光强分布进行光电转换。但由则只能对移位的光强分布进行光电转换。但由于它的成本低，且许多被测对象本身在运动中，于它的成本低，且许多被测对象本身在运动中，自然形成另一维扫描，故在机器视觉检测方面自然形成另一维扫描，故在机器视觉检测方面用量很大。面阵列可以直接对二维图像进行光用量很大。面

32、阵列可以直接对二维图像进行光电转换。电转换。 6.4自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列SSPDSSPD线阵列线阵列SSPDSSPD线阵电路框图线阵电路框图（1 1）线阵的结构）线阵的结构自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列（2 2）移位寄存器电路）移位寄存器电路 自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列（3 3）电荷存储方式工作原理）电荷存储方式工作原理自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列（4 4）多相时钟线阵列）多相时钟线阵列 自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列SSPDSSPD面阵列面阵列（1 1）再充电采样型面阵列）再充电采样型面阵列 自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极

33、管阵列SSPDSSPD面阵列面阵列（2 2）电压采样型面阵）电压采样型面阵 自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列1 1 CCDCCD线阵在姿态检测中的应用线阵在姿态检测中的应用利用双线结构利用双线结构CCDCCD可以检测物体的空间姿态变化，可以检测物体的空间姿态变化，其基本原理如图其基本原理如图6-386-38所示。在物体的和上面各放置一所示。在物体的和上面各放置一套如图套如图6-386-38所示的装置，利用物体运动时成像在所示的装置，利用物体运动时成像在CCDCCD线阵上的位置变化检测出不同的电信号，再经过一定线阵上的位置变化检测出不同的电信号，再经过一定的数学处理便可以得出物体运动的姿

34、态信号。的数学处理便可以得出物体运动的姿态信号。 CCD器件的应用举例器件的应用举例图图6-38 6-38 物体成像基本原理图物体成像基本原理图 CCD线阵凸透镜反光带模型1)CCD1)CCD驱动电路驱动电路CCDCCD与一般的集成电路不同，后者通常只需要简与一般的集成电路不同，后者通常只需要简单的电源便能工作，而单的电源便能工作，而CCDCCD除了电源以外，还需与之除了电源以外，还需与之配套的驱动电路提供电荷转移所需的各种时钟脉冲以配套的驱动电路提供电荷转移所需的各种时钟脉冲以及输入输出所需的复位脉冲。及输入输出所需的复位脉冲。 CCDCCD的性能受驱动电路的性能受驱动电路的影响较大，如信号

35、处理能力、转移效率、信噪比等的影响较大，如信号处理能力、转移效率、信噪比等只在合适的时钟脉冲配合下才能达到器件设计和工艺只在合适的时钟脉冲配合下才能达到器件设计和工艺的最佳值。这里只简单介绍电路中用到的几种脉冲信的最佳值。这里只简单介绍电路中用到的几种脉冲信号：号： SHSH（电荷转移信号），（电荷转移信号），Q Q1 1、Q Q2 2（移位信号），（移位信号），RSRS1 1、RSRS2 2（复位信号）（复位信号）,QS,QS（采样信号），各信号的时（采样信号），各信号的时序如图序如图6-396-39所示。所示。 图图6-39 CCD6-39 CCD驱动信号驱动信号 QSRSQSH2)CCD

36、2)CCD信号的采样保持信号的采样保持为了消除时钟的影响，在为了消除时钟的影响，在CCDCCD的输出端应有一个低的输出端应有一个低通滤波器。通滤波器。 输出低通滤波器应有一定的增益以抵消输出低通滤波器应有一定的增益以抵消CCDCCD的电荷转移损失。的电荷转移损失。 低通滤波器如图低通滤波器如图6-406-40所示。所示。 在低通滤波器之后接信号放大与跟随电路，再接在低通滤波器之后接信号放大与跟随电路，再接采样电路，采样电路， 即可获得即可获得CCDCCD线阵的较规则的信号。放大线阵的较规则的信号。放大与采样电路可采用常用的电路。与采样电路可采用常用的电路。 图图 6-40 6-40 可调增益滤波器可调增益滤波器 180 k82 k220 p120 k33 p220 k15 V3140100 220 n输入输出3) 3) 位置信号的获取位置信号的获取由图由图6-386-38可知，可知，CCDCCD线阵的输出信号实际上是反线阵的输出信号实际上是反光带的宽度信号，但是所需要的是物体的位置信号，光带的宽度信号，但是所需要的是物体的位置信号，因此还需要进一步由这个宽度信号获取位置信号。因此还需要进一步由这个宽度信号获取位置信号。 因为因为CCDCCD在在SHSH信号的每个