电荷耦合器件课件

1、 第4章光电式传感器电荷耦合器件，又称CCD图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件电荷耦合器件。具有光电转换，信息存储、延时、传输、处理等功能。特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC712V）、功耗小。该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域。 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices 传感器原理及应用第4章光电式传感器 4.3 光电器件 电荷耦合器件传感器原理及应用第4章光电式传感器 4.3 光电器件 电荷耦合器件基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机

2、传感器原理及应用第4章光电式传感器 CCD基本结构分两部分：MOS（金属氧化物半导体） 光敏元阵列；读出移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD） CCD基本结构和工作原理CCD结构示意图 显微镜下的MOS元表面传感器原理及应用第4章光电式传感器 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）电荷存储原理：当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生

3、电子空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。一个MOS光敏元结构 传感器原理及应用第4章光电式传感器 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD） 一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包； CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱； 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。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。传感器原理及应用第4章光电式传感器 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）265

4、1801339066453322分辨率不同的图象比较4.3 电荷耦合器件4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理4.3.2 CCD图像传感器4.3.3 图像传感器的应用上一页下一页返 回平带条件下的能带图 Ec导带底能量Ei禁带中央能级Ef费米能级Ev价带顶能量 平带条件：当MOS电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从体内到表面处是电中性的，因而能带(代表电子的能量)从表面到内部是平的。 上一页下一页返 回有信号电荷的势阱当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。 势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平

5、面势下降。 上一页下一页返 回信号电荷转移 CCD的基本功能是存储与转移信息电荷为实现信号电荷的转换： 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MOS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处。3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。 上一页下一页返 回定向转移的实现在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的

6、位数。通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。 上一页下一页返 回三相CCD信息电荷传输原理图 上一页下一页返 回传感器原理及应用第4章光电式传感器 电荷转移原理（读出移位寄存器） 光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，CCD电荷 耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化 物、半导体三部分组成。 它与MOS光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一 层遮光层，防止外来光线干扰。 由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元； 在三个电极上分别施加脉冲

7、波三相时钟脉冲 123。 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）CCD电荷的产生方式： 电压信号注入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。 上一页下一页返 回光信号注入 CCD用作固态图像传感器时, 接收的是光信号, 即光信号注入法。当光信号照射到CCD硅片表面时, 在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对, 其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底, 而少数载流子（电子）则被收集在势阱中, 形成信号电荷, 并存储起来。存储电荷的多少正比于照射的光强光信号注入背面光注人432 CCD图像传感器利用CCD的光

8、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。CCD图像传感器有线列和面阵上一页下一页返 回(1)CCD线列图像器件1CCD转移寄存器 2转移控制栅 3积蓄控制电极 4PD阵列 SH转移控制栅输入端 RS复位控制 VOD漏极输出 OS图像信号输出 OG输出控制栅线型图像传感器结构上一页下一页返 回(a)x-y 选址 (b)行选址 (c)帧场传输式 (d)行间传输式4.3 光电器件 电荷耦合器件

9、（CCD）光电耦合器演示传感器原理及应用第4章光电式传感器对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同的。不同型号的CCD器件具有完全不同的外型结构和驱动时序，在实际使用时必须加以注意。我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索取相关资料，为CCD器件的应用提供技术支持。 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD） 典型的CCD器件传感器原理及应用第4章光电式传感器 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD） 典型的CCD器件CCD产品传感器原理及应用第4章光电式传感器TCD142D结构示意图 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）传感器原理及应用第4章光电式传感器 TCD142D的驱动电路可分为

10、两部分： 一部分是脉冲产生电路； 另一部分是驱动电路。脉冲电路产生HS、1、2、RS四路脉冲 由非门及晶体振荡器构成的晶体振荡电路输出频率为4MHz的方波；经JK触发器分频，得到频率为2MHz的方波，将4MHz与2MHz脉冲相与，形成RS脉冲。 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）传感器原理及应用第4章光电式传感器将RS经JK触发器分频，产生频率为1MHz的1脉冲，1脉冲送入分频器；经译码电路产生转移脉冲SH，并且使SH周期TSH1061s；将SH和1相与产生2,1=2，至此，就产生了四路脉冲。将这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加加速电路送至H0026驱动器，放大至一定量以后用以驱动TCD

11、142D。 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）传感器原理及应用第4章光电式传感器TCD142D驱动电路 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）传感器原理及应用第4章光电式传感器CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCD被广泛用于再线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）CCD传感器的应用 传感器原理及应用第4章光电式传感器利用CCD测量几何量，CCD诞生后，首

12、先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，CCD输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷；用于传真技术，文字、图象识别。例如用CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机； 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）CCD传感器的应用 传感器原理及应用第4章光电式传感器CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描），与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压;作为机器人视觉系统；M2A摄影胶囊（Mouth anus）,由发光二极管做光源，CCD做摄

13、像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）CCD传感器的应用 传感器原理及应用第4章光电式传感器 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD） 实例1： 测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。玻璃管CCD视频信号传感器原理及应用第4章光电式传感器测量原理: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。玻璃管的平均外径12mm,壁厚1.2mm,要求测量精度为外径0.1mm,壁厚0.05m

14、m。利用CCD配合适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测， 用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影在CCD光敏像元阵列面上。 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）实例1：传感器原理及应用第4章光电式传感器由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。成像物镜的放大倍率为，CCD相元尺寸为t，上壁厚、下壁厚分别为n1、n2 ，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为N，测量结果有： 分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。 传感器原理及应用第4章光电式传感器线阵CCD进行工件尺寸测量实例2： 传感器原理及应用

15、第4章光电式传感器M2A胶囊 CCD在医疗诊断中的应用实例3： 433 图像传感器的应用1尺寸测量2 用于光学文字识别装置上一页下一页返 回1尺寸测量被测对象长度Ll1 视场l2传感器的长度上一页下一页返 回2 用于光学文字识别装置光学文字识别装置(OCR)原理 上一页返 回传感器原理及应用第4章光电式传感器电荷转移原理（读出移位寄存器） 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）读出移位寄存器结构传感器原理及应用第4章光电式传感器 电荷转移原理 这一传输过程依次下去，信号电荷按设计好的方向，在时钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到另一端。 这样一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过程，所以称电荷耦合

16、器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）传感器原理及应用第4章光电式传感器CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种,以电压输出型为例： 有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA） 由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管VT2的栅极电位：式中，为浮置扩散节点上的总电容。 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）电荷耦合器信号输出方式传感器原理及应用第4章光电式传感器 输出信号电压为 ：式中，为MOS管VT1栅极与源极之间的跨导。 复位管VT1导通，VT2的沟道抽走浮置扩散区的剩余电荷，直到下一个时钟周期信号到来如此循环下去。 单沟道C

17、CD驱动 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）传感器原理及应用第4章光电式传感器 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD）电荷信息转移原理传感器原理及应用第4章光电式传感器CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据；外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。 4.3 光电器件 电荷耦合器件（CCD） CCD的特性参数传感器原理及应用第4章光电式传感器 CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构CCD。 线阵CCD结构 线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位寄存器组成。读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出信息，这一过程是一个串行