第9章 新光电传感器

1、主要内容：主要内容： 所谓新型传感器是指最近十几年来研究开发出来的，所谓新型传感器是指最近十几年来研究开发出来的， 已经或正在走向实用化阶段的传感器。已经或正在走向实用化阶段的传感器。 新型光电传感器包括：新型光电传感器包括： 固态光电传感器固态光电传感器: 象限探测器、象限探测器、光敏器件阵列、光敏器件阵列、 光电位置光电位置敏感器件（敏感器件（PSD） 自扫描自扫描光电二极管阵列（光电二极管阵列（SSPD）、）、 电荷耦合器件电荷耦合器件（CCD） 光纤传感器光纤传感器概述概述概述概述指纹锁指纹锁指纹门指纹门禁禁光纤光纤 象限探测器可用来确定光点在象限探测器可用来确定光点在二维平面上的位置

2、二维平面上的位置坐标坐标; 用于用于准直准直、定位定位、跟踪跟踪。器件工作原理基于各种。器件工作原理基于各种光电效应光电效应。F 象限探测器结构：象限探测器结构：利用光刻技术将光敏器件的敏感面分割成利用光刻技术将光敏器件的敏感面分割成若干若干面积相等、形状相同、位置对称的区域面积相等、形状相同、位置对称的区域，背面为一整体。，背面为一整体。各分割面引出导线就构成了象限探测器。典型的象限探测器各分割面引出导线就构成了象限探测器。典型的象限探测器有：有：四象四象限限光电光电二极管、硅二极管、硅光电池光电池、光电倍增管光电倍增管、二象限硅、二象限硅光电池、光电池、光敏电阻光敏电阻等。等。9.1 9.

3、1 新型固态光电传感器新型固态光电传感器9.1.1 9.1.1 象限探测器象限探测器9.1.1 9.1.1 象限探测器象限探测器 四象限探测器四象限探测器来确定光斑的中心位置来确定光斑的中心位置(如如激光准直激光准直); 根据根据探测器坐标轴线探测器坐标轴线和和测量系统基准线测量系统基准线的安装位置角度不同，的安装位置角度不同，可采用不同的数据运算电路。可采用不同的数据运算电路。(UA-UC)/(UA+UB+UC+UD)(UD-UB)/(UA+UB+UC+UD)UA+UB+UC+UD4321 1UAUDUBUC减减法法加加法法器器减减法法除除法法除除法法YXX XY Y光斑位置光斑位置四象限探

4、测器直差电路四象限探测器直差电路9.1.1 9.1.1 象限探测器象限探测器 器件坐标和测量系统基线成器件坐标和测量系统基线成45角角安装，安装，X、Y轴各自具有轴各自具有两个两个对称对称的光电器件，可分别的光电器件，可分别两两独立两两独立地计算坐标值。对地计算坐标值。对角线信号直接相减，就可确定光点位置，故称角线信号直接相减，就可确定光点位置，故称“直差直差”。UY = K （UA-UC）/（UA+UB+UC+UD）UX = K （UD-UB）/（UA+UB+UC+UD）（UA+UB+UC+UD）为光斑自身幅值总量为光斑自身幅值总量; K为电路放大系数，与光斑直径和功率有关；为电路放大系数，

5、与光斑直径和功率有关； UA、UB、UC、UD 代表探测器放大代表探测器放大后输出电压后输出电压值值.X XY Y0 0D DC CB BA AX XY Y基线基线光电器件光电器件光斑位置光斑位置 输出偏移量为输出偏移量为（1）直差电路直差电路形式形式 器件坐标和基线成器件坐标和基线成水平安装水平安装，只要有两块相对，只要有两块相对 X轴对称的轴对称的光电器件就可以判断光电器件就可以判断Y坐标。坐标。 1、4 象限合并象限合并（UA+UD），），2、3 象限合并象限合并（UB+UC），）， 两者相减两者相减（UA+UD）-（UB+UC）得到得到Y坐标电压值；坐标电压值； X坐标同理。电路连接是

6、先计算相邻象限信号和，再计算坐标同理。电路连接是先计算相邻象限信号和，再计算信号的差，所以称为信号的差，所以称为“和差和差”电路。电路。42 3UY = K （UA+UD）-（UB+UC）UX = K （UA+UB）-（UC+UD） UX 、UY分别代表在分别代表在X方向、方向、Y方向方向偏离探测器中心点的情况。偏离探测器中心点的情况。XYX XY Y0 0 输出偏移量为输出偏移量为（2）和差电路和差电路形式形式9.1.1 9.1.1 象限探测器象限探测器 为消除光斑自身总量的变化，采用为消除光斑自身总量的变化，采用和差比幅电路和差比幅电路。 输出电压为：输出电压为：UY=K （UA+UD）-

7、（UB+UC）/(UA+UB+UC+UD)UX=K （UA+UB）-（UC+UD）/(UA+UB+UC+UD )UA+UDUB+UCUC+UDUA+UB加加法法加加法法加加法法除除法法除除法法UAUDUBUC42 3加加法法减减法法加加法法减减法法(UA+UD）-（UB+UC）（UA+UB）-（UC+UD）UA+UB+UC+UDBACDY YX X9.1.1 9.1.1 象限探测器象限探测器 以上两种电路只是运算电路不同以上两种电路只是运算电路不同, ,实际应用时不同探测实际应用时不同探测 器放大电路类型不同器放大电路类型不同, ,不同敏感元件需采用不同的电路不同敏感元件需采用不同的电路. .

8、v 象限探测器的几个缺点象限探测器的几个缺点: : 分割产生分割产生死区死区, ,当光斑很小时死区影响明显当光斑很小时死区影响明显; ; 若光斑全部落入某个象限若光斑全部落入某个象限, ,输出信号无法表示光斑位置输出信号无法表示光斑位置, , 测量范围受限测量范围受限; ;3. 3. 测量精度与光强有关测量精度与光强有关, ,与漂移有关与漂移有关, ,分辨率、精度受限。分辨率、精度受限。42 3（3）放大）放大图中两个光电位置计算结果相同图中两个光电位置计算结果相同光电位置光电位置传感器传感器PSDPSD（Position sensitive detector ）是一种）是一种新型的新型的横向

9、光电效应横向光电效应器件，器件，也也是是光点位置敏感，输出信号与光点在光敏面上光点位置敏感，输出信号与光点在光敏面上的的位置位置有关。有关。当入射光点照在光敏面上时由于光生载流子的流动产生当入射光点照在光敏面上时由于光生载流子的流动产生光生电流光生电流I，经运算后即可知光点的位置。，经运算后即可知光点的位置。广泛应用于广泛应用于激光光束对准激光光束对准、位移位移、振动测量振动测量、平面度检测平面度检测、坐标、坐标 平面度检测、二维坐标检测系统。平面度检测、二维坐标检测系统。与象限探测器相比与象限探测器相比特点是特点是：9.1.2 9.1.2 光电位置式传感器（光电位置式传感器（PSDPSD）对

10、光斑的形状无要求对光斑的形状无要求，输出信号与光的聚焦无关，只，输出信号与光的聚焦无关，只与光的能量中心位置有关，给测量带来方便；与光的能量中心位置有关，给测量带来方便；光敏面无须分割光敏面无须分割，消除了死区消除了死区，可连续测量光斑位置，可连续测量光斑位置，分辨率高；分辨率高；可同时检测位置和光强可同时检测位置和光强，输出总电流与入射光强有关。，输出总电流与入射光强有关。（1 1）PSDPSD的工作原理的工作原理I I本征区本征区P PN NL LL LI01 12 23 3XAI I1 1I I2 2A A 中心中心 P层层作作光敏层光敏层，还是个均匀的，还是个均匀的电阻层电阻层， 在外

11、电场作用下光电流通过电阻层在外电场作用下光电流通过电阻层由电极输出；由电极输出； 电极电极1、电极、电极2，分别输出电流，分别输出电流I1、I2; 电流与光点到各电极的距离（电阻）电流与光点到各电极的距离（电阻）成反比；成反比； PSD的断面结构为的断面结构为PIN型半导体，在硅片上分为三层：型半导体，在硅片上分为三层： P 上层，上层，N 下层，下层，I 中间层（本征区）中间层（本征区） 设电极距光敏面设电极距光敏面中心点距离为中心点距离为L，电极电极3处中心位置，处中心位置，XA为光点距中为光点距中心点的距离；心点的距离； 电极上光电流分别为电极上光电流分别为I1、I2，I0为总为总电流电

12、流。（1 1）PSDPSD的工作原理的工作原理 I I0 0为总电流不变为总电流不变102ALXIIL202ALXIIL2121210AIIIIXLLIII012IIIv 可见，光斑能量中心相对器件中心的位置只与电极电流的可见，光斑能量中心相对器件中心的位置只与电极电流的差值和总电流的比值差值和总电流的比值有关，与有关，与入射光能量入射光能量的大小无关。的大小无关。 光斑离中心点的距离为：光斑离中心点的距离为：I I本征区本征区P PN NL LL LI I0 01 12 23 3X XA AI I1 1I I2 2A A 中心中心 电极上光电流分别为电极上光电流分别为I I1 1、I I2

13、2 （2 2）一维）一维PSDPSD及等效电路及等效电路 一维一维PSD主要用来测量光点在一维坐标（主要用来测量光点在一维坐标（X）方向上的位置）方向上的位置PSD; 等效电路中：等效电路中：IP 光电流、光电流、VD理想二极管、理想二极管、RD 定位电阻、定位电阻、 Cj 结电容、结电容、Rsh 结电阻结电阻1 12 23 31 12 2R RD D3 3V VD DR RshshI IP PC Cj j等效电路等效电路结构示意图结构示意图9.1.2 9.1.2 光电位置式传感器（光电位置式传感器（PSDPSD） 二维二维PSDPSD主要用来测量平面光点的（主要用来测量平面光点的（X X、Y

14、 Y）坐标，感光的）坐标，感光的方型面比一维多一对电极，按结构分为两类：方型面比一维多一对电极，按结构分为两类：两面分离型两面分离型PSDPSD 两对垂直信号电极在上下两个表面，与光点位置有关的信号电流先两对垂直信号电极在上下两个表面，与光点位置有关的信号电流先在一个面上（上）形成在一个面上（上）形成IxIx和和IxIx，汇总后又在另一个面（下）形成两，汇总后又在另一个面（下）形成两路电流路电流IyIy和和IyIy。表面分离型表面分离型PSDPSD1 12 23 34 4V VDRsh hI IP PC Cj1 12 2RDI Iy yI Iy y3 34 4I Ix xI Ix xRD（3

15、3）二维）二维PSDPSD及等效电路及等效电路二维二维PSDPSD结构结构等效电路等效电路9.1.2 9.1.2 光电位置式传感器（光电位置式传感器（PSDPSD）（4 4）PSDPSD及转换电路及转换电路 转换电路首先对转换电路首先对PSD输出的光电流进行输出的光电流进行电流电流-电压转换放大电压转换放大，通过加、减运算放大器进行预置相加和加减运算，最后通通过加、减运算放大器进行预置相加和加减运算，最后通过模拟除法器得到光的位置信号（与光的能量无关）。过模拟除法器得到光的位置信号（与光的能量无关）。 所有运放采用低漂移运算放大器，所有运放采用低漂移运算放大器，反馈电阻反馈电阻Rf的阻值大小决

16、定入射光的阻值大小决定入射光强以及后续电路最大输入电压。强以及后续电路最大输入电压。 二维系统可分别采用两套这样的转二维系统可分别采用两套这样的转换电路。换电路。IxIxI Ix xIyIyI Iy yU UR R9.1.2 9.1.2 光电位置式传感器（光电位置式传感器（PSDPSD）（4 4）PSDPSD及转换电路及转换电路一维一维PSDPSD转换电路转换电路 IxIxI Ix xIyIyI Iy yU UR RR Rf fR Rf f9.1.2 9.1.2 光电位置式传感器（光电位置式传感器（PSDPSD）2121210AIIIIXLLIII加法器加法器减法器减法器9.1 9.1 新型固

17、态光电传感器新型固态光电传感器 器件封装形式器件封装形式MUXV+V+A AB BC COUTOUT9.1.3 9.1.3 光敏管阵列光敏管阵列电路连接电路连接v 结构结构: 将将N个光敏管集成在一个硅片上，各管的一端连接个光敏管集成在一个硅片上，各管的一端连接在一起，另一端各自单独输出。工作原理与光敏二极管在一起，另一端各自单独输出。工作原理与光敏二极管（晶体管）完全相同，只是组成的结构形式不同而已。（晶体管）完全相同，只是组成的结构形式不同而已。 阵列的每个光敏管阵列的每个光敏管称称像元像元，也称，也称连续工作方式连续工作方式。光敏像元的个数。光敏像元的个数为为10-32个，外围电路根据普

18、通光敏管电路设计。个，外围电路根据普通光敏管电路设计。每个像元信号需要一个独立的信号放大和处理电路，过于复杂，每个像元信号需要一个独立的信号放大和处理电路，过于复杂，为化减外围电路结构采用多路模拟开关，通过为化减外围电路结构采用多路模拟开关，通过地址地址A、B、C选通选通阵列中每个光敏元；阵列中每个光敏元； 扫描检测输出可用放大解调电路，这种形式适用微机测试系统。扫描检测输出可用放大解调电路，这种形式适用微机测试系统。如果像元很多（如果像元很多（64路以上）光敏元阵列外围电路过于复杂。这种路以上）光敏元阵列外围电路过于复杂。这种器件主要用于器件主要用于光信号位移检测光信号位移检测。MUXV+A

19、BCOUT9.1.3 9.1.3 光敏管阵列光敏管阵列9.1.3 9.1.3 光敏管阵列光敏管阵列自扫描光电二极管也是将自扫描光电二极管也是将N个光敏管集成在一个硅片上，在个光敏管集成在一个硅片上，在器件器件内部内部集成了光敏管和数字集成了光敏管和数字移位寄存器移位寄存器电路。电路。工作方式为工作方式为电荷存储方式电荷存储方式，根据像元的排列不同自扫描二极管阵列可，根据像元的排列不同自扫描二极管阵列可分为分为线阵线阵、面阵面阵、特殊阵列特殊阵列。线阵像元有线阵像元有64、128、256、512.4096等。等。UcUcV VB B1 1V VB BN NV VT T2 2V VD2D2CdCd

20、R RL LI I0 0V VT TN NV VDNDNCdCdV VT T1 1V VD1D1CdCd数字移位寄存器数字移位寄存器E EOSOSS SU U0 09.1.4 9.1.4 自扫描光电二极管阵列（自扫描光电二极管阵列（SSPDSSPD）1. SSPD结构结构 SSPDSSPD的像元依据的像元依据预充电预充电 放电放电 充电充电 放电放电 充电充电 这样的循环往复过程工作，主要有这样的循环往复过程工作，主要有放电（积分）放电（积分） 充电充电 （输出）（输出）两个阶段。两个阶段。 一个像元结构一个像元结构 SSPD器件单元结构与普通器件单元结构与普通MOSFET结构几乎相同，区别是

21、结构几乎相同，区别是氧化层部分氧化层部分裸露裸露，光线可以透过，光线可以透过氧化层直接照到半导体层。氧化层直接照到半导体层。源极源极S ShvhvALAL膜膜漏极漏极D D栅极栅极G GSiOSiO2 2 光电二极管光电二极管NSiSiOSiO2 2P P9.1.4 9.1.4 自扫描光电二极管阵列（自扫描光电二极管阵列（SSPDSSPD）2. 电荷存储工作原理电荷存储工作原理V VD DV VT TU Ug g=L=LC Cd dR RL LI I0 0U Uc cI IP P+I+ID DSSPDSSPD器件一个像元结构等效电路器件一个像元结构等效电路V V0 0V VT TV VD DU

22、 Ug g=H=HC Cd dR RL LI I0 0U Uc c栅极栅极G G9.1.4 9.1.4 自扫描光电二极管阵列（自扫描光电二极管阵列（SSPDSSPD） 图为一个像元电路，虚线框内为图为一个像元电路，虚线框内为光电二极管光电二极管等效电路；等效电路； Cd等效结电容；等效结电容；Uc二极管反向偏置电压；二极管反向偏置电压；RL负载电阻；负载电阻； 场效应管场效应管VT充当开关，栅极充当开关，栅极Ug电压高、低控制电压高、低控制VD通断，通断， 使结电容使结电容Cd处于不同工作状态。处于不同工作状态。U URLRLU Ug gt tonont toffoffU UD DU Uc c

23、U Ucdcd预充电过程曲线在预充电过程曲线在t tonon段段I IP P+I+ID D9.1.4 9.1.4 自扫描光电二极管阵列（自扫描光电二极管阵列（SSPDSSPD）V V0 0V VT TV VD DU Ug g=H=HC Cd dR RL LI I0 0U Uc c栅极栅极G G 预充电预充电栅极栅极Ug高电平，开关管高电平，开关管VT闭合；偏置电压闭合；偏置电压Uc通过负载通过负载电阻电阻RL向光电二极管充电；向光电二极管充电；由于由于光电流光电流Ip和和暗电流暗电流Id相对电源相对电源电流电流I0很小，所以二极管等效结很小，所以二极管等效结电容电容Cd的主要充电电流以电源为的

24、主要充电电流以电源为主；当充电达到稳定后，主；当充电达到稳定后，P-N结结上电压基本为电源电压上电压基本为电源电压Uc ；等效结电容等效结电容Cd上的电荷为上的电荷为 Q = Cd Uc 栅极栅极Ug（L）低电平时，开关管）低电平时，开关管VT（off）断开；由于光电流）断开；由于光电流Ip和暗电和暗电流流Id的存在，二极管等效结电容的存在，二极管等效结电容Cd上电压将缓慢放电；上电压将缓慢放电；设设VT断开时间断开时间Ts为电荷积分时间为电荷积分时间，暴光过程在积分时间内产生的暴光过程在积分时间内产生的平均平均光电流为光电流为Ip，暴光过程中暴光过程中Cd上释放上释放的电荷是：的电荷是： Q

25、 =（Ip + Id)Ts IpTs室温下暗电流很小（室温下暗电流很小（pA）可忽略，）可忽略，此时结电容上电压因放电而下降，此时结电容上电压因放电而下降，下降到下降到 Ucd = Uc - Q/Cd暴光过程曲线在（暴光过程曲线在（tofftoff）段）段9.1.4 9.1.4 自扫描光电二极管阵列（自扫描光电二极管阵列（SSPDSSPD）U URLRLU Ug gt tonont toffoffU UD DU Uc cU UcdcdV V0 0V VT TV VD DU Ug g=L=LC Cd dR RL LI I0 0U Uc c栅极栅极G GI IP P+I+ID D 暴光过程暴光过程

26、 循环再充电循环再充电再充电曲线在（再充电曲线在（t tonon）段）段9.1.4 9.1.4 自扫描光电二极管阵列（自扫描光电二极管阵列（SSPDSSPD）v 显然显然补充的电荷补充的电荷等于暴光等于暴光过程中过程中 Cd上释放的电荷上释放的电荷，再次充电电流再次充电电流I0在在RL上的压上的压降降URL等于光电流在负载电等于光电流在负载电阻上的压降。最大值为：阻上的压降。最大值为： ULMax = UcUcd = Q / Cd V V0 0V VT TV VD DU Ug g=L=LC Cd dR RL LI I0 0U Uc c栅极栅极G GI IP P+I+ID D栅极栅极Ug再次高电

27、平时开关管再次高电平时开关管VT闭合；闭合；光电二极管上信号经过光电二极管上信号经过Ts积分时间后，积分时间后，结电容结电容Cd上的电压为上的电压为Ucd，以该电压做，以该电压做起始值，电源起始值，电源Uc经负载经负载RL向结电容向结电容Cd再次充电直到再次充电直到 Cd上电压再次达到上电压再次达到Uc。U URLRLU Ug gt tonont toffoffU UD DU Uc cU Ucdcdton， 输出信号输出信号UL9.1.4 9.1.4 自扫描光电二极管阵列（自扫描光电二极管阵列（SSPDSSPD）输出信号输出信号与照度和积分时间与照度和积分时间成正比，与时间常数成反比，成正比，

28、与时间常数成反比，减小电容减小电容Cd可提高灵敏度。可提高灵敏度。MOSFET周期通断电路不断周期通断电路不断充、放电过程，负载上信号充、放电过程，负载上信号反映该像元的光照度大小。反映该像元的光照度大小。URLUgt tonont toffoffUDUcUcd负载电阻上的压降最大值：负载电阻上的压降最大值：ULMax = UcUcd = Q/Cd 输出峰值电压反映光电二极管的输出峰值电压反映光电二极管的光生电信号光生电信号的大小，的大小，带入后有：带入后有：ULMax = Q/Cd = IpTs/Cd = SpETs/Cd 负载电阻负载电阻RL上的电流为：上的电流为：I0 =ULMax/RL

29、= IpTs/CdRL= IpTs/ = CdRL为电路时间常数，为电路时间常数，E为积分时间内平均辐照度；为积分时间内平均辐照度；（1 1）线阵）线阵SSPD SSPD 主要由三部分组成主要由三部分组成 感光部分感光部分, ,由由N N个光电二极管等间距直线排列组成阵列；个光电二极管等间距直线排列组成阵列； 多路开关多路开关, ,由由N N个个MOSMOS场效应管（场效应管（V VT1T1V VTNTN）组成，源极接光）组成，源极接光电二极管，漏极相连组成视频输出线电二极管，漏极相连组成视频输出线U U0 0； 移位寄存器移位寄存器，提供各路，提供各路MOSFETMOSFET的栅极扫描控制信

30、号。的栅极扫描控制信号。U Uc cV VB1B1V VBNBNV VT1T1V VD2D2CdCdR RL LI Io oV VTNTNV VDNDNC Cd dV VT1T1V VD1D1CdCd数字移位寄存器数字移位寄存器E EOSOSS SU U0 09.1.5 SSPD9.1.5 SSPD器件器件（1 1）线阵）线阵SSPD SSPD 移位寄存器控制移位寄存器控制时钟信号时钟信号,使移位寄存器的使移位寄存器的UB1UBN依次输出延迟一拍的扫依次输出延迟一拍的扫 描信号负描信号负脉冲（实际器件有两相、三相、四相和六相）；脉冲（实际器件有两相、三相、四相和六相）； S为起始脉冲，为起始脉

31、冲，一个帧脉冲启动后扫描开始；一个帧脉冲启动后扫描开始； 移位寄存器移位寄存器,顺序输出的控制信号使顺序输出的控制信号使VT按次序依次闭合、断开，按次序依次闭合、断开， 把光把光电二极管上的光电信号从视频输出线上输出，形成电二极管上的光电信号从视频输出线上输出，形成U0 。UcUcU UB1B1U UBNBNV VT2T2V VD2D2CdCdR RL LV VTNTNV VDNDNCdCdV VT1T1V VD1D1CdCd数字移位寄存器数字移位寄存器EOSEOSS SU U0 0I Io oU U0 0S SU UB1B1U UB2B2U UBNBN9.1.5 SSPD9.1.5 SSPD

32、器件器件 感光部分二维阵列；移位寄存器，分水平垂直扫描电路；感光部分二维阵列；移位寄存器，分水平垂直扫描电路；多路开关多路开关MOSFETMOSFET。水平扫描控制每水平扫描控制每列列 MOS管开关管开关通断通断；垂直扫描信号控垂直扫描信号控制每一像元内的制每一像元内的MOS开关的开关的栅极栅极；从视频线从视频线UO上串上串行输出，工作原行输出，工作原理与线阵相同。理与线阵相同。R RL LI I0 0E EOSOSU U0 0水平水平X X扫描电路扫描电路垂垂直直Y Y扫扫描描感光器件感光器件9.1.5 SSPD9.1.5 SSPD器件器件（2 2）面阵）面阵SSPDSSPD 电荷耦合器件，

33、又称电荷耦合器件，又称CCD图象传感器，是一种大规模图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件；集成电路光电器件； 电荷耦合器件具有电荷耦合器件具有光电转换光电转换，信息存储信息存储、转移传输转移传输、处理以及电子快门处理以及电子快门等功能。等功能。 特点：特点：高集成度、尺寸小、电压低（高集成度、尺寸小、电压低（DC-712V）、功耗小）、功耗小;线阵分辨能力几线阵分辨能力几m，空间分辨率高，面阵分辨率在，空间分辨率高，面阵分辨率在1000电视线以上；电视线以上；光电灵敏度高，可达光电灵敏度高，可达0.01lx ；信噪比；信噪比6070dB；动态；动态范围大范围大;可选模拟、数字不同输出形式，

34、便于和计算机连机。可选模拟、数字不同输出形式，便于和计算机连机。9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD （ Charge Coupled Devices ） CCD 技术的发展促进了各种视技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化频装置的普及和微型化; ; 应用遍及航天、遥感、天文、应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各通讯、工业、农业、军用等各个领域。个领域。 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件 数字数字摄像机摄像机 数字照数字照相机相机 平板平板扫描仪扫描仪 指纹机指纹机等等基于基于CCD电荷耦合器件设备电荷耦合器件设备图象传感器发展趋势高性能高性能小容量小容量

35、廉价廉价高容量高容量专用显示系统专用显示系统控制器控制器在线动态分析在线动态分析医学仪器医学仪器低功耗空间设备低功耗空间设备汽车汽车计算机显示计算机显示生物科学生物科学光学显微镜光学显微镜可视电话可视电话玩具玩具条形码识别条形码识别 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD结构示意图结构示意图 9.2.1 9.2.1 CCD基本结构和工作原理基本结构和工作原理1. 结构结构电荷耦合器件是在半导体硅片上制作电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个光敏元成百上千个光敏元一个光敏元又称一个像素；一个光敏元又称一个像素；光敏元按线阵或面阵有规则地排列。光敏元按线阵或面阵有规则地排列。显微镜下的

36、显微镜下的MOS元表面元表面2651801339066453322 相同面积上的光敏元不同时分辨率（像素）不同相同面积上的光敏元不同时分辨率（像素）不同 图象比较图象比较1. 结构结构 CCD基本基本结构结构分两部分：分两部分：MOS光敏元光敏元阵列阵列 读出读出移位寄存器移位寄存器9.2.1 9.2.1 CCD基本结构和工作原理基本结构和工作原理1. 结构结构读出移位寄存器读出移位寄存器一个一个MOSMOS光敏元结构光敏元结构 v 一个一个MOS光敏元光敏元（金属金属氧化物氧化物半导体半导体） 当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下形成当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下形成耗

37、尽区。对电子而言是一势能很低的区域，称耗尽区。对电子而言是一势能很低的区域，称“势阱势阱”。v 有光线入射到硅片上时，产生光生电子有光线入射到硅片上时，产生光生电子-空穴对，空穴被空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而光电子被附近势阱俘获，此电场作用排斥出耗尽区，而光电子被附近势阱俘获，此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。时势阱内吸的光子数与光强度成正比。势井深度与电极电压有关势井深度与电极电压有关 2. 电荷存储原理电荷存储原理一个一个MOSMOS光敏元结构光敏元结构 把把一个势阱一个势阱所收集的光生电子称为一个所收集的光生电子称为一个电荷包电荷包； CCD器件内是在硅片上制作成百上千的器件

38、内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金元，每个金属电极就是成百上千个属电极就是成百上千个势阱势阱，产生成百上千的，产生成百上千的电荷包电荷包； 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。 这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。2. 电荷存储原理电荷存储原理v CCD电荷耦合器件是以电荷耦合器件是以电荷电荷为信号，而不是电压电流作信号为信号，而不是电压电流作信号输出的。光敏元上的电荷还需经输出电

39、路输出，这个输出过输出的。光敏元上的电荷还需经输出电路输出，这个输出过程由程由读出移位寄存器读出移位寄存器完成完成. 读出移位寄存器也是读出移位寄存器也是MOS结构，由结构，由金属电极、氧化物、半导金属电极、氧化物、半导体体三部分组成。它与三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体底部覆光敏元的区别在于，半导体底部覆盖一层遮光层，不接收光信号并防止外来光线干扰。盖一层遮光层，不接收光信号并防止外来光线干扰。读出移位寄存器结构读出移位寄存器结构 由三个十分邻近的电极组成由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；一个耦合单元； 在三个电极上分别施加脉冲在三个电极上分别施加脉冲波波1 12 23 3

40、，称，称三相时钟脉三相时钟脉冲冲（还有两相、四相）。（还有两相、四相）。 3.3.电荷转移原理（读出移位寄存器）电荷转移原理（读出移位寄存器）t = t1 时刻，时刻，1 电极下出现势阱存入光电荷电极下出现势阱存入光电荷t = t2 时刻，时刻，12下两个势阱形成大势阱存入电荷下两个势阱形成大势阱存入电荷t = t3 时刻，时刻，2 中电荷向中电荷向3势阱转移势阱转移读出移位寄存器三相时钟脉冲读出移位寄存器三相时钟脉冲 F 电荷转移过程电荷转移过程 三相时钟脉冲频率相同，相位差三相时钟脉冲频率相同，相位差120；读出移位寄存器三相时钟脉冲控制电荷转移过程读出移位寄存器三相时钟脉冲控制电荷转移过

41、程 F 电荷转移过程电荷转移过程 不同时刻势阱深度变化，使电荷按设计好的方向，在时钟不同时刻势阱深度变化，使电荷按设计好的方向，在时钟脉冲控制下，电荷从寄存器的一端转移到另一端。脉冲控制下，电荷从寄存器的一端转移到另一端。 这样一个传输过程，实际上是一个这样一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过程电荷耦合过程，所以称，所以称电荷耦合器件电荷耦合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。，担任电荷传输的单元称移位寄存器。 CCD信号电荷的输出的方式主要有：信号电荷的输出的方式主要有： 电流输出、电压输出两种电流输出、电压输出两种 以电压输出型为例，根据以电压输出型为例，根据(工艺结构工艺结构)电压输出

42、型电压输出型有：有： 浮置扩散放大器（浮置扩散放大器（FDA）(集成集成) 浮置栅放大器（浮置栅放大器（FGA） 浮置扩散放大器浮置扩散放大器浮置栅放大器浮置栅放大器1. 1. 输出电路结构输出电路结构9.2.2 9.2.2 电荷耦合器信号输出方式电荷耦合器信号输出方式浮置扩散放大器浮置扩散放大器浮置栅极放大器浮置栅极放大器1. 1. 输出电路结构输出电路结构9.2.2 9.2.2 电荷耦合器信号输出方式电荷耦合器信号输出方式在在CCD阵列的末端制作（扩散）一个阵列的末端制作（扩散）一个N+区区，形成反向偏置二极管，形成反向偏置二极管，二极管反偏形成一个深势阱，收集信号电荷控制二极管反偏形成一

43、个深势阱，收集信号电荷控制A点电位变化；点电位变化；当转移栅当转移栅3电极下的电荷包越过输出栅电极下的电荷包越过输出栅OG流入势阱中时，在输出极流入势阱中时，在输出极形成输出电流形成输出电流I0，输出电流在负载电阻，输出电流在负载电阻RL 上产生的电压与电荷成正上产生的电压与电荷成正比。扩散区收集的信号控制放大管比。扩散区收集的信号控制放大管VT2的栅极电位，即控制输出电压。的栅极电位，即控制输出电压。1. 1. 输出电路结构输出电路结构 电压输出型浮置扩散放大器（电压输出型浮置扩散放大器（FDA）A 输出信号电压为输出信号电压为1mLoutAmLg RUUg R 式中式中 为为MOSMOS管

44、栅极与源极之间的跨导管栅极与源极之间的跨导。 mgVTVT1 1为复位管，由为复位管，由 R R 控制控制， VTVT1 1导通时导通时VTVT2 2的沟道抽走扩散区的沟道抽走扩散区剩余电荷（剩余电荷（C CFDFD放电），直到下个时钟信号到来循环下去。放电），直到下个时钟信号到来循环下去。 由由浮置扩散浮置扩散区收集的信号电荷控制放大器区收集的信号电荷控制放大器VTVT2 2栅极电位栅极电位/AFDUQ C式中式中FDC为为浮置扩散节点上的总电容浮置扩散节点上的总电容A光敏元曝光光敏元曝光 金属电极加正向金属电极加正向脉冲电压脉冲电压p p势井出现，光敏元曝势井出现，光敏元曝光后势井吸收光生

45、电荷，光积分时间（快门），积累很快结束；光后势井吸收光生电荷，光积分时间（快门），积累很快结束；转移脉冲转移脉冲T T 打开转移控制栅，光敏元俘获的光生电荷经转移控制打开转移控制栅，光敏元俘获的光生电荷经转移控制栅耦合到移位寄存器，转移栅立刻关闭栅耦合到移位寄存器，转移栅立刻关闭. .这是一这是一并行输出过程并行输出过程；接着三个时钟脉冲接着三个时钟脉冲1 12 23 3工作工作，读出移位寄存器的输出端，读出移位寄存器的输出端Ga Ga 一一位位输出信息，这一过程是一位位输出信息，这一过程是一串行输出过程串行输出过程。单沟道单沟道CCDCCD结构电荷读出结构电荷读出电荷输出控制波形电荷输出控制

46、波形2.2.电荷输出控制电荷输出控制 CCD CCD器件分为器件分为线阵线阵CCDCCD和和面阵面阵CCDCCD： 结构形式有：如单沟道结构形式有：如单沟道CCDCCD、双沟道、双沟道CCDCCD、 帧转移结构帧转移结构CCDCCD、行间转移结构、行间转移结构CCDCCD。 CCDCCD器件器件9.2.3 9.2.3 电荷耦合器件电荷耦合器件 线阵线阵CCDCCD传感器由传感器由一列一列MOSMOS光敏元光敏元和和一列移位寄存器一列移位寄存器并行并行构成。构成。 光敏元和移位寄存器之间有一个光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，转移控制栅，加转移控制信加转移控制信号号T 。双沟道双沟道CCD

47、CCD结构结构1. 1. 线阵线阵CCDCCD结构结构 线阵线阵CCD传感器只有一排光敏元，只能进行线宽测量。传感器只有一排光敏元，只能进行线宽测量。线阵线阵CCD又分为又分为: 单通道单通道、双通道双通道， 双通道可以加速转换时间，提高分辨率双通道可以加速转换时间，提高分辨率1.1.线阵线阵CCDCCD结构结构线阵线阵CCD结构单通道和双通道的电荷转移过程结构单通道和双通道的电荷转移过程线型线型CCD传感器传感器主要用于几何尺寸测试主要用于几何尺寸测试、传真、光、传真、光学文字识别技术等。学文字识别技术等。面型面型CCD主要用于图像采集主要用于图像采集，摄象机及测量技术，摄象机及测量技术，结

48、构上是把光敏元件排列成二维结构上是把光敏元件排列成二维矩阵形式矩阵形式， 面型面型CCD根据传输的读出结构有不同类型，根据传输的读出结构有不同类型， 基本构成有：基本构成有：线转移方式（由扫描、感光和输出寄存器组成）线转移方式（由扫描、感光和输出寄存器组成）帧转送方式（帧转送方式（Frame Transfer CCD）行间转送方式（行间转送方式（Inter Line Transfer CCD）2.2.面阵电荷耦合器（二维）面阵电荷耦合器（二维） 帧间转移结构：由帧间转移结构：由光敏元光敏元、存储器存储器、输出移位寄存器输出移位寄存器三三部分组成，视频信号部分组成，视频信号整帧整帧输出，结构简单

49、。输出，结构简单。2.2.面阵电荷耦合器面阵电荷耦合器 行间转移结构：行间转移结构：光敏单元光敏单元与与寄存器交替寄存器交替排列，光积分后排列，光积分后一次一行地输出，在输出端得到一次一行地输出，在输出端得到一行行一行行视频信号。视频信号。 特点：特点：结构简单，图象清晰质量高，是目前使用最多的结构简单，图象清晰质量高，是目前使用最多的一种结构。一种结构。2.2.面阵电荷耦合器面阵电荷耦合器r 3CCD一台摄像机使用了片一台摄像机使用了片CCD，一片，一片CCD接受每一种颜色接受每一种颜色并转换为电信号。而这三种颜色就是我们电视使用的三基并转换为电信号。而这三种颜色就是我们电视使用的三基色：红

50、，绿，蓝三种颜色。色：红，绿，蓝三种颜色。由于一片由于一片CCD同时完成亮度信号和色度信号的转换难免两同时完成亮度信号和色度信号的转换难免两全，使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平很全，使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平很的要求。为了解决这个问题，便出现了的要求。为了解决这个问题，便出现了3CCD 摄像机。摄像机。r 三维三维CCD2.2.面阵电荷耦合器面阵电荷耦合器 CCDCCD器件的物理性能可以用特性参数来描述器件的物理性能可以用特性参数来描述 内部参数内部参数描述的是描述的是CCDCCD存储和转移信号电荷存储和转移信号电荷有关有关的特性的特性, ,是器件理论设计的重要依

51、据；是器件理论设计的重要依据； 外部参数外部参数描述的是与描述的是与CCDCCD应用有关的性能指标，应用有关的性能指标，主要包括以下内容：主要包括以下内容： 电荷转移效率电荷转移效率、转移损失率转移损失率、 工作频率工作频率、电荷存储容量、电荷存储容量、 灵敏度、分辨率。灵敏度、分辨率。 9.2.4 CCD9.2.4 CCD的特性参数的特性参数 CCD CCD器件与信号同步处理器件与信号同步处理对不同型号的对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同的。器件而言，其工作机理是相同的。不同型号的不同型号的CCD器件具有完全不同的外型结构和驱动时序，在实际器件具有完全不同的外型结构和驱动时序，在实

52、际使用时必须加以注意。可以通过器件供货商或直接向生产厂家索取使用时必须加以注意。可以通过器件供货商或直接向生产厂家索取相关资料，为相关资料，为CCD器件的应用提供技术支持。器件的应用提供技术支持。以以TCD142D型型CCD为例做简单介绍，其它型号的器件大同小异。为例做简单介绍，其它型号的器件大同小异。TCD142D是一种具有是一种具有2048位位像元的像元的两相（双通道）线阵两相（双通道）线阵CCD器件，器件，TCD142D有有22个引脚（个引脚（其中其中12个是空脚）。个是空脚）。TCD142DTCD142D引脚引脚 TCD142D9.2.5 9.2.5 典型的典型的CCDCCD器件器件

53、TCD142D CD142D是一种具有是一种具有2048位像元的位像元的两相（双通道）线阵两相（双通道）线阵CCD 22个引脚个引脚，其中其中10个是引脚分别为：个是引脚分别为： 时钟端时钟端-1A、2A，1B、2B；转移栅转移栅-SH；复位栅复位栅-RS； 地地-SS；电源；电源-OD；信号输信号输出出-OS，补偿输出，补偿输出-DOS；NC-空闲。空闲。TCD142DTCD142D内部引脚内部引脚 TCD142D9.2.5 9.2.5 典型的典型的CCDCCD器件器件 TCD142D TCD142DTCD142D的外部输入电路可分为两部分：的外部输入电路可分为两部分： 一部分是一部分是脉冲

54、产生电路脉冲产生电路；另一部分是；另一部分是驱动电路驱动电路。 积分时间积分时间SHSH2AB2ABRSRSOSOS哑元输出哑元输出6464元元信号信号20482048检验检验2 2元元哑元输出哑元输出1212元元1AB1AB0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1059 1060 10610 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1059 1060 10619.2.5 9.2.5 典型的典型的CCDCCD器件器件 TCD142D脉冲电路产生脉冲电路产生HSHS、1 1、2 2、RSRS四路脉冲四路脉冲，由非门及晶体振荡器构，由非门及晶体振荡器构成的晶体振荡电路输出频率为成的晶体振

55、荡电路输出频率为4MHz4MHz方波；方波；经经JKJK触发器分频，得到频率为触发器分频，得到频率为2MHz2MHz的方波，将的方波，将4MHz4MHz与与2MHz2MHz脉冲相与，脉冲相与，形成形成RSRS脉冲。脉冲。9.2.5 9.2.5 典型的典型的CCDCCD器件器件 TCD142D将将RS经经JK触发器分频，触发器分频，产生频率为产生频率为1MHz的的1脉冲，脉冲，1脉冲送入分频器；脉冲送入分频器；经译码电路产生转移脉冲经译码电路产生转移脉冲SH并且使并且使SH周期周期TSH1061s（双通道）；（双通道）；将将SH和和1相与产生相与产生2，1=-2，至此就产生了四，至此就产生了四路

56、脉冲；路脉冲；将这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加速电路送至将这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加速电路送至H0026驱动器，放大至一定量以后用以驱动驱动器，放大至一定量以后用以驱动TCD142D。9.2.5 9.2.5 典型的典型的CCDCCD器件器件 TCD142D 利用利用CCD测量几何量测量几何量CCD诞生后首先在工业检测中制成测量长度的传感器；诞生后首先在工业检测中制成测量长度的传感器；物体通过物镜在物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，光敏元上造成影像，CCD输出的脉输出的脉冲数表征测量工件的尺寸。冲数表征测量工件的尺寸。9.2.6 9.2.6 CCD传感器的应用传感器的应用线阵线阵

57、CCD进行工件尺寸测量进行工件尺寸测量 CCD应用技术是光、机、应用技术是光、机、电和计算机相结合的高电和计算机相结合的高新技术，作为一种有效新技术，作为一种有效的非接触检测方法；的非接触检测方法； 如测量拉丝过程中丝的如测量拉丝过程中丝的线径线径、轧钢的、轧钢的直径直径、轴、轴类或杆类的直径等。类或杆类的直径等。 这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。 由于玻璃管的透射率分布的不同，由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管在玻璃管在CCD上成像上成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，

58、而暗带则是玻璃管的壁厚成像反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚成像。玻璃管玻璃管CCDCCD视频信号视频信号 CCD传感器应用传感器应用实例实例：u 测量原理测量原理: : 在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测量玻璃在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生产过程进行管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生产过程进行调整，以便提高产品质量。调整，以便提高产品质量。 用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影在用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影在CCDCCD光敏像元阵列面上。视频信号经二值化处理后输出。光敏像元阵列面上。视频信号经二

59、值化处理后输出。视频信号二值化视频信号二值化时钟信号时钟信号计数（像元个数）计数（像元个数）1122/dntdn tDN t上壁厚上壁厚下壁厚下壁厚外径外径 玻璃管的平均外径玻璃管的平均外径12mm；壁厚；壁厚1.2mm； 要求测量精度为外径要求测量精度为外径0.1mm；壁厚；壁厚0.05mm。 利用利用CCD配合适当的光学系统，对玻璃管尺寸进行监测；配合适当的光学系统，对玻璃管尺寸进行监测； 实际尺寸：上壁厚实际尺寸：上壁厚d1、下壁厚、下壁厚d2、外径、外径D 为为成像物镜的成像物镜的放大倍率放大倍率； t 为为CCD像元尺寸；像元尺寸； 上壁、下壁、外径的像元个数（即脉冲数）分别为：上壁

60、、下壁、外径的像元个数（即脉冲数）分别为： n1（上壁）、（上壁）、 n2 （下壁）、（下壁）、 N（外径）（外径）2d1dD 根据已知条件（玻璃管外径根据已知条件（玻璃管外径12mm），选择光学系统的），选择光学系统的放大率放大率为为0.8倍，倍，玻璃管的像玻璃管的像大小为大小为9.6mm； 产品的测量精度要求反映在像面上的外径（产品的测量精度要求反映在像面上的外径（0.1mm ）为为0.08mm，壁厚（壁厚（0.05mm ）为）为0.04mm； 根据根据CCD测量精度要求测量精度要求，最小尺寸，最小尺寸0.04mm，必须要大必须要大于两个于两个CCD光敏元空间尺寸光敏元空间尺寸。 给定线阵