电荷耦合器件ppt课件

1、4.3.1 电荷耦合器件的构造和任务原理电荷耦合器件的构造和任务原理4.3.2 CCD图像传感器图像传感器4.3.3 图像传感器的运用图像传感器的运用 一个完好的一个完好的CCD器件由光敏元、转移栅、器件由光敏元、转移栅、移位存放器及一些辅助输入、输出电路组成。移位存放器及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD任务时，在设定的积分时间内，光敏元对任务时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进展取样，将光的强弱转换为各光敏元光信号进展取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样终了后，各光敏元的电荷在转的电荷量。取样终了后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移

2、位存放内部的移位存放器相应单元中。移位存放器在驱动时钟的作用器相应单元中。移位存放器在驱动时钟的作用下，将信号电荷依次转移到输出端。输出信号下，将信号电荷依次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处置设备中，可对信号再现或进展存储处置。处置设备中，可对信号再现或进展存储处置。 CCD光敏元显微照片CCD读出移位存放器读出移位存放器的数据面显微照片的数据面显微照片 MOS电容的构造电容的构造 1金属或多晶硅金属或多晶硅 2绝缘层绝缘层SiO2CCDCCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个是一种固态检测器，由多个光敏像元

3、组成，其中每一个光敏像元就是一个光敏像元就是一个MOSMOS金属金属氧化物氧化物半导体电容器。半导体电容器。CCDCCD中的中的MOSMOS电容器的构成方法：在电容器的构成方法：在P P型或型或N N型单晶硅衬底上用氧化型单晶硅衬底上用氧化方法生成一层厚度约为方法生成一层厚度约为100100150nm150nm的的SiO2SiO2绝缘层，再在绝缘层，再在SiO2SiO2外外表按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间表按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压栅极电压，即构成了一个加上一个偏置电压栅极电压，即构成了一个MOSMOS电容器。电容器。CCDCCD

4、普通是以普通是以P P型硅为衬底，在这种型硅为衬底，在这种P P型硅衬底中，多数载型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。在电极施加栅极电压流子是空穴，少数载流子是电子。在电极施加栅极电压UGUG之之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压UGUG此时此时UGUG小于小于P P型半导体的阈值电压型半导体的阈值电压UthUth后，空穴被排斥，后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图产生耗尽区，如图B B所示。偏压继续添加，耗尽区将进所示。偏压继续添加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。当一步向半导体内延伸。当UGUthUGUth时时, ,半

5、导体与绝缘体截面上半导体与绝缘体截面上的电势的电势( (常称为外表势常称为外表势, ,用用S S 表示表示) )变得如此之高变得如此之高, ,以致于将以致于将半导体内的电子半导体内的电子( (少数载流子少数载流子) )吸引到外表吸引到外表, ,构成一层极薄的构成一层极薄的( (约约102um )102um )但电荷浓度很高的反型层但电荷浓度很高的反型层, ,如图如图(C)(C)。反型层电荷。反型层电荷的存在阐明了的存在阐明了MOSMOS构造存储电荷的功能构造存储电荷的功能. . 当一束光投射到当一束光投射到MOSMOS电容器时，光子透过金属电极和氧化层，进入电容器时，光子透过金属电极和氧化层，

6、进入SiSi衬底，衬底，衬底每吸收一个光子，就产生一个电子衬底每吸收一个光子，就产生一个电子空穴对，其中电子被吸引到电荷空穴对，其中电子被吸引到电荷反型区存储。从而阐明了反型区存储。从而阐明了CCDCCD存储电荷的功能。一个存储电荷的功能。一个CCDCCD检测像元的电荷存检测像元的电荷存储容量决议于反型区的大小，而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极储容量决议于反型区的大小，而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的资料和厚度、半导体资料的导电性和厚度等一些要素。电电压、绝缘层的资料和厚度、半导体资料的导电性和厚度等一些要素。电子所以被加有栅极电压子所以被加有栅极电压VgVg的的MO

7、SMOS构造吸引到构造吸引到Si-SiO2Si-SiO2的交接面处，是由于那的交接面处，是由于那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度与电极电压的关系深度与电极电压的关系为线性关系，图为线性关系，图(a)(a)为空势阱。图为空势阱。图(b)(b)为反型层电荷填充为反型层电荷填充1/31/3势阱时，外表势势阱时，外表势收缩，外表势收缩，外表势SS与反型层电荷填充量与反型层电荷填充量QP QP 间的关系。当反型层电荷足够多，间的关系。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，外表势下降到不再束缚多余的电子，电子将产生使势阱被填满时，外表势下降到不再束缚多余

8、的电子，电子将产生“溢出溢出景象，如图景象，如图c)c)所示。所示。 图示为图示为64位位CCD构造。光照射到光敏元上构造。光照射到光敏元上,会产生电子会产生电子-空穴对空穴对光生电荷光生电荷,电子被吸引存储在势阱中。入射光强那么光生电子被吸引存储在势阱中。入射光强那么光生电荷多电荷多,弱那么光生电荷少弱那么光生电荷少,无光照的光敏元那么无光生电荷。无光照的光敏元那么无光生电荷。这样就在转移栅实行转移前这样就在转移栅实行转移前,把光的强弱变成与其成比例的电把光的强弱变成与其成比例的电荷的数量荷的数量,实现了光电转换。假设停顿光照实现了光电转换。假设停顿光照,电荷在一定时间内电荷在一定时间内也不

9、会损失也不会损失,可实现对光照的记忆。图示的情况是可实现对光照的记忆。图示的情况是,第第62、64位位光敏元受光光敏元受光,而第而第1、2、63位等光敏元未受光照。位等光敏元未受光照。 lCCD的根本功能是存储与转移信息电荷的根本功能是存储与转移信息电荷l为实现信号电荷的转换：为实现信号电荷的转换： l1、必需使、必需使MOS电容阵列的陈列足够严密，以致电容阵列的陈列足够严密，以致相邻相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。电容的势阱相互沟通，即相互耦合。l2、控制相邻、控制相邻MOS电容栅极电压高低调理势阱深电容栅极电压高低调理势阱深浅，使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处。浅，使信号电荷由势

10、阱浅处流向势阱深处。l3、在、在CCD中电荷的转移必需按照确定的方向。中电荷的转移必需按照确定的方向。 三相三相CCD信息电荷传输原理图信息电荷传输原理图 (a) 选通电荷积分输出电路选通电荷积分输出电路 (b) 驱动时钟波形和输出波形驱动时钟波形和输出波形CCD的信号输出构造的信号输出构造 l利用利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，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，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信上的光学图像转移成了电信号号“图像。图像。l由于由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且一

11、切能实现低噪声的电荷转移，并且一切光生电荷都经过一个输出电路检测，且具有良光生电荷都经过一个输出电路检测，且具有良好的好的致性，因此，对图像的传感具有优越的致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。性能。l线列和面阵线列和面阵 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并行且对应的构成一并行且对应的构成一个主体个主体,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(a)所示。在每一个光敏元件所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极。当入射光照射在光敏元件阵列上上都有一个梳状公共电极。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加梳状电极施

12、加高电压时高电压时,光敏元件聚集光电荷光敏元件聚集光电荷,进展光积分进展光积分,光电荷与光照强度和光积分时光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间终了时间成正比。在光积分时间终了时,转移栅上的电压提高转移栅上的电压提高(平常低电压平常低电压),与与CCD对应的电极也同时处于高电压形状。然后对应的电极也同时处于高电压形状。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位存放器中。当转移终了中所积累的光电电荷并行地转移到移位存放器中。当转移终了,转移栅电压转移栅电压降低降低,梳妆电极电压回复原来的高电压形状梳妆电极电压回复原来的高电压形状,预

13、备下一次光积分周期。同时预备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位存放器上加上时钟脉冲在电荷耦合移位存放器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从将存储的电荷从CCD中转移中转移,由输由输出端输出。这个过程反复地进展就得到相继的行输出出端输出。这个过程反复地进展就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。从而读出电荷图形。线型线型CCD图像传感器图像传感器 目前，适用的线型目前，适用的线型CCD图像传感器为双行构造，如图图像传感器为双行构造，如图b所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位存放器中，然后，在控制脉冲的作用到上、下方的移位存放器中，然后，

14、在控制脉冲的作用下，自左向右挪动，在输出端交替合并输出，这样就构下，自左向右挪动，在输出端交替合并输出，这样就构成了原来光敏信号电荷的顺序。成了原来光敏信号电荷的顺序。线型线型CCD图像传感器图像传感器1. 1. 线阵线阵CCDCCD外形外形 (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 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。 l呼应度光电转换因子：指输出电信号与输呼应度光电转换因子：指输出电信号与输入光信号的能量比，描画传感器的光电转换效入光信号的能量比，描画传感器的光电转换效率。率。l光谱特性光谱特性:表示器

15、件的呼应度与入射光波长的表示器件的呼应度与入射光波长的关系。关系。l暗电流暗电流l分辨率：表示图像传感器分辨图像的才干。取分辨率：表示图像传感器分辨图像的才干。取决于光敏单元的间距，通常用决于光敏单元的间距，通常用CCD光敏单元数光敏单元数来表示。来表示。l组成测试仪器，可以丈量物位、尺寸、工组成测试仪器，可以丈量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。件损伤、自动焦点等。l用作光学信息处置安装的输入环节，例如用作光学信息处置安装的输入环节，例如技术。光学文字识别技术技术。光学文字识别技术(OCR)与图像识与图像识别技术、光谱丈量及空间遥感技术、机器别技术、光谱丈量及空间遥感技术、机器人视觉技术等。

16、人视觉技术等。l作为自动化流水线安装中的敏感器件，例作为自动化流水线安装中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车如可用于机床、自动售货机、自动搬运车及自动监视安装等。及自动监视安装等。被测对象长度被测对象长度LpnfanpML) 1(1pnllL21l1 视场视场l2传感器的长度传感器的长度光学文字识别安装光学文字识别安装(OCR)原理原理 l工件伤痕及外表污垢检测 l外形检测 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方式记录在存储器中。 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，部更有本质的区别，其快门构造也大不一样。 三基色分别原理三基色分别原理 CMOS图像传感器是采用互补金属图像传感器是采用互补金属-氧化物氧化物-半导体工艺制半导体工艺制造的另一类图像传感器，简称造的另一类图像传感器，简称CMOS。如