第4章 光电测试常用器件及检测电路5课件

1、1七、固体摄像器件七、固体摄像器件1. 电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices）-CCD应用应用- - 摄像、广播电视摄像机、闭路电视、家用摄像；摄像、广播电视摄像机、闭路电视、家用摄像； 工业、军事、科学研究工业、军事、科学研究1970年美国贝尔实验室研制出来的新型光电成像器件年美国贝尔实验室研制出来的新型光电成像器件特点特点 - 体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、功耗低、体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、功耗低、 动态范围大动态范围大1) 1) 工作原理工作原理基于基于MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物-半导体）电容器在非稳态下工作半导体）电容器在非稳态

2、下工作 MOS MOS电容的平衡态特性电容的平衡态特性CCD单元部分单元部分- MOS结构电容结构电容2- 硅衬底上生长一层硅衬底上生长一层SiO2，再镀上一层金属铝作为栅极，再镀上一层金属铝作为栅极电子迁移率较高电子迁移率较高U UG G- - 加在栅极上的偏压加在栅极上的偏压U UG G为正为正-栅极电压对地为正栅极电压对地为正衬底衬底 - P- P型、型、N N型型衬底硅下制成欧姆接触衬底硅下制成欧姆接触 - MOS电容器电容器UGP P型硅衬底型硅衬底MOSMOS电容（状态随电容（状态随U UG G变化）变化）32）电荷耦合摄像器件）电荷耦合摄像器件- 一块硅片上同时制作出光敏二极管阵

3、列和一块硅片上同时制作出光敏二极管阵列和CCD移位寄存器移位寄存器光敏二极管光敏二极管-光电转换和光积分；光电转换和光积分；排列方式排列方式- - 线阵列、面阵列线阵列、面阵列CCD移位寄存器移位寄存器 -光生电荷转移；光生电荷转移；自扫描自扫描-不用借助于外来的扫描，不用借助于外来的扫描，仅依靠驱动脉冲完成仅依靠驱动脉冲完成 线阵列线阵列CCD摄像器件摄像器件单边传输单边传输- - 结构简单、结构简单、极板数多、传输效率低极板数多、传输效率低双边传输双边传输- - 结构复杂、结构复杂、极板数少（一半）、损耗极板数少（一半）、损耗小、传输效率高，两路输小、传输效率高，两路输出不对称（缺点）出不

4、对称（缺点）（位数少）（位数少）（位数多）（位数多）4 p-p-行扫描电压；行扫描电压；衬底衬底- P- P硅；硅；（SiOSiO2 2隔开）隔开）- - 像素像素 x -栅极转移电压；栅极转移电压； 1 3-三相移位寄存器三相移位寄存器CCD的驱动时钟的驱动时钟高电平高电平-光敏二极管反偏置光敏二极管反偏置（转移栅（转移栅- 铝条铝条/多晶硅）多晶硅）光积分光积分-低电平；高电平低电平；高电平- 电荷转移电荷转移5线阵列固体摄像器件的工作过程：线阵列固体摄像器件的工作过程： 光信号的积分；光信号的积分； 电信号的转移；电信号的转移； 信号电荷包的传输；信号电荷包的传输；驱动周期的计数；驱动周

5、期的计数； 信号电荷的读取信号电荷的读取按一定时序工作按一定时序工作-同步关系（无限循环过程）同步关系（无限循环过程）像素数像素数 -512-512、10241024、20482048、50005000、72007200等；等；像素间距像素间距-612-612 m m（最小可达（最小可达2 2 m ）6 面面阵阵CCD摄像器件摄像器件-简称简称ACCIDACCID-行间转移、帧转移、行间转移、帧转移、 行帧混合转移行帧混合转移三部分三部分- 光敏区、光敏区、存储区、水平读出区存储区、水平读出区光敏区光敏区-光敏光敏CCD阵列阵列（光电变换、光积分）（光电变换、光积分）暂存区暂存区-遮光遮光CC

6、D阵列阵列（列数及位数和光敏区（列数及位数和光敏区一一对应，每一列相互一一对应，每一列相互衔接）衔接）像素数像素数-512 512、595 796、1000 1000、1000 2000；帧速帧速-950、1200帧帧/秒；秒；波长波长- 可见、红外、紫外可见、红外、紫外73）CCD器件的特点：器件的特点： 光敏单元阵列难与其驱动电路及信号处理电路单片集光敏单元阵列难与其驱动电路及信号处理电路单片集成成 - 不易完成一些模拟和数字功能（包括转换器、精密不易完成一些模拟和数字功能（包括转换器、精密放大器、存储器、运算单元）放大器、存储器、运算单元） 驱动脉冲复杂，需要使用相对较高的工作电压驱动脉

7、冲复杂，需要使用相对较高的工作电压 - 不不能与深亚微米超大规模集成能与深亚微米超大规模集成VLSI技术兼容技术兼容时钟频率的上时钟频率的上限限fH优点：优点： 应用技术较成熟应用技术较成熟 可以大批量生产、设计简单、灵敏度高可以大批量生产、设计简单、灵敏度高缺点：缺点： CCD芯片尺寸芯片尺寸 ：面阵面阵CCDCCD芯片芯片 制式制式：PAL制式：标准为制式：标准为625行、行、50场，中国采用隔行扫描（黑白为场，中国采用隔行扫描（黑白为CCIR） （西欧、亚洲、澳大利亚）（西欧、亚洲、澳大利亚） NTSC制式：标准为制式：标准为525行，行，60场（黑白为场（黑白为EIA）（美加、日本）（

8、美加、日本）非标准制式非标准制式 - - 只有医疗或其它专业领域才用到只有医疗或其它专业领域才用到 4) 4) CCDCCD摄像机的参数摄像机的参数： CCD分辨率分辨率：作用：是作用：是CCDCCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度；的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度； 分辨率越高，图像细节的表现越好。分辨率越高，图像细节的表现越好。 像素：像素：CCD每一个元素，像素越多，图像越清晰；每一个元素，像素越多，图像越清晰； 例：例：44万万(768*576)、100万万(1024*1024)、200万万(1600*1200)灰度级：灰度分辨率、色彩分辨率，灰度级：灰度分辨率、色

9、彩分辨率， 1/2n 位数越多，图像越清晰：位数越多，图像越清晰：8位、位、10位、位、12位。位。 普通型普通型 正常工作所需照度正常工作所需照度13LUX 月光型月光型 正常工作所需照度正常工作所需照度0.1LUX左右左右 星光型星光型 正常工作所需照度正常工作所需照度0.01LUX以下以下 红外型红外型 采用红外灯照明，在没有光线的情况下也可以成像采用红外灯照明，在没有光线的情况下也可以成像 根据照度划分，根据照度划分，CCD又分为：又分为： 最低照度最低照度 ： 是是CCD对环境光线的敏感程度（最暗光线）对环境光线的敏感程度（最暗光线）;单位单位-勒克斯，勒克斯，LUX，数值越小，需要

10、的光线越少，越灵敏，数值越小，需要的光线越少，越灵敏;有人称灵敏度，有人称灵敏度， 不准确，应为灵敏阈或阈值。不准确，应为灵敏阈或阈值。 信噪比信噪比：典型值为典型值为4646分贝，分贝，如果为如果为5050分贝，则图像有少量噪声，但图像质量较好；分贝，则图像有少量噪声，但图像质量较好；如果能达到如果能达到6060分贝，就不会出现噪声。分贝，就不会出现噪声。 电源：电源：交流交流220伏、伏、24伏；伏；直流直流12伏、伏、9伏。伏。 光谱光谱：感光范围感光范围：可见光、红外等；：可见光、红外等；注意与光源匹配。注意与光源匹配。121）CMOS图像传感器的总体结构图像传感器的总体结构图像传感器

11、阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模数转换图像传感器阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模数转换器、全数字接口电路完全集成在一起器、全数字接口电路完全集成在一起 - 单芯片成像系统单芯片成像系统- 标准的逻辑电源电压工作，功耗仅为几十毫瓦。标准的逻辑电源电压工作，功耗仅为几十毫瓦。片内模拟信号处理器片内模拟信号处理器在片模数转换器在片模数转换器(更高级的更高级的CMOS图像传感器图像传感器)光敏单元阵列光敏单元阵列-光敏光敏二极管阵列二极管阵列行选通逻辑行选通逻辑/列选通逻辑列选通逻辑- 移位寄存器移位寄存器/译码器译码器定时和控制电路定时和控制电路2. CMOS图像传感器图像传感器13-模

12、拟开关模拟开关X、Y方向移位寄存器方向移位寄存器-逐行扫描逐行扫描/隔行扫描隔行扫描线阵线阵CCD-某一行某一行/列列观测点观测点-i行，行，j列列光敏二极管光敏二极管+放大器一体放大器一体-提高灵敏度提高灵敏度/信噪比信噪比2）CMOS图像传感器阵列图像传感器阵列143）CMOS图像传感器像敏单元结构图像传感器像敏单元结构15 优点：功耗小、成本低、可以将驱动电路和模数转换器一起集优点：功耗小、成本低、可以将驱动电路和模数转换器一起集成在单芯片上成在单芯片上4） CMOS图像传感器特点：图像传感器特点：缺点：暗电流大、灵敏度低、噪声大缺点：暗电流大、灵敏度低、噪声大5）基于）基于CCD和和C

13、MOS技术的混合数字图像传感器技术的混合数字图像传感器 - BCMD（Body Charge Modulation Device，体电荷调制器件），体电荷调制器件）CCD和和CMOS性能比较性能比较 CCDCMOS基本原理基本原理光信号光信号电荷，传输，自扫描电荷，传输，自扫描光信号光信号模拟电压，放大，扫描模拟电压，放大，扫描电信号读出方式电信号读出方式逐行读取逐行读取从晶体管开关阵列中直接读取从晶体管开关阵列中直接读取结构结构较复杂，较复杂，CCDCCD电路电路简单，集成一体简单，集成一体制造成本制造成本高高低低灵敏度灵敏度高（高（5 51010倍）倍）较低较低分辨率分辨率高高较低较低暗电

14、流暗电流小小大大信噪比（信噪比（S/N）高高较低较低放大器放大器单一单一多个多个摄像机系统组成摄像机系统组成多芯片多芯片单芯片单芯片数据传输速度数据传输速度较低较低高高色彩还原能力色彩还原能力较好较好较差较差电源电压电源电压12VDC5V或或3.3VDC功耗功耗高高低（是低（是CCD的的1/31/8）尺寸尺寸大大小小应用应用广泛广泛广泛广泛22八、光电耦合器件八、光电耦合器件实际的光电检测电路系统中实际的光电检测电路系统中 - 干扰信号干扰信号 模拟电路模拟电路- 滤波、屏蔽、接地等技术，有效降低各种干扰的滤波、屏蔽、接地等技术，有效降低各种干扰的影响，保证光电测量的准确性和可靠性影响，保证光

15、电测量的准确性和可靠性 数字电路（光电开关电路、光电脉冲电路）数字电路（光电开关电路、光电脉冲电路）- 比模拟电路更比模拟电路更严重的干扰噪声（光电耦合与隔离技术）严重的干扰噪声（光电耦合与隔离技术）技术关键技术关键 - 破坏破坏“地地”干扰传播途径，切断干扰信号进入光电干扰传播途径，切断干扰信号进入光电检测电路及后续电路系统的途径，可有效地提高系统的抗干扰能检测电路及后续电路系统的途径，可有效地提高系统的抗干扰能力（硬件上常用光电耦合器件实现）力（硬件上常用光电耦合器件实现）231. 光耦合器原理光耦合器原理发光器件（如发光二极管）和光敏发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏晶体管）组装

16、在一起器件（如光敏晶体管）组装在一起 - 通过光线实现耦合构成电通过光线实现耦合构成电光光和光和光电的转换器件电的转换器件 24252. 特点：特点：1）输入阻抗小（几百欧姆）输入阻抗小（几百欧姆）- 而干扰源的阻抗较大，通常为而干扰源的阻抗较大，通常为105106105106。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的噪声电压会很小，只能形成很微弱的电流，由光电耦合器输入端的噪声电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。 2

17、）输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地（分）输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地（分布电容极小，而绝缘电阻又很大布电容极小，而绝缘电阻又很大 - 回路一边的各种干扰噪声回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合干都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合干扰信号的产生）扰信号的产生）3）输入端）输入端 - 发光二极管（只有通过一定强度的电流才能发发光二极管（只有通过一定强度的电流才能发光）。而大多数的干扰信号即便有很高的幅值，也会由于没有足光）。而大多数的干扰信号即便有很高的幅值，也会由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而达到了

18、抑制高峰尖脉冲的冲够的能量而不能使二极管发光，从而达到了抑制高峰尖脉冲的冲击，这就使得来自光电器件或输入电路的各种干扰噪声都被挡在击，这就使得来自光电器件或输入电路的各种干扰噪声都被挡在输入回路这一边。输入回路这一边。 264）安全保障作用）安全保障作用 - 即使外部设备出现故障，甚至输入信号线短即使外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表（光耦合器件的输入回路和输出回路之间可接时，也不会损坏仪表（光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压）以承受几千伏的高压） 5）响应速度极快，其响应延迟时间只有）响应速度极快，其响应延迟时间只有10s左右，适于对响应速左右，适于对

19、响应速度要求很高的场合。度要求很高的场合。 6）输入信号在电平上不必与）输入信号在电平上不必与TTL或或CMOS完全兼容，也不必设置完全兼容，也不必设置电平转换电路，无论输入值电平转换电路，无论输入值UI多大，都可以通过调整限流电阻多大，都可以通过调整限流电阻R1的大小，使光电耦合器件内部的发光二极管导通或关断电流。也的大小，使光电耦合器件内部的发光二极管导通或关断电流。也可以通过设计不同的输出端电路形式，实现高低电平的转换，使可以通过设计不同的输出端电路形式，实现高低电平的转换，使用灵活方便。用灵活方便。 7）若光敏三极管的基极有引出线，则可以设计相应电路来满足）若光敏三极管的基极有引出线，则可以设计相