光电成像器件CCD

光电检测器件—CCD光电成像器件光电成像器件（photo-electronicimagingdevice）是利用光电效应将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可观察、记录、传输、存储以及可进行处理的图像的器件系列的总称。其作用是光电转换，增强原始输入光子信号，进而提高图像探测的效率和精度。目的在于弥补人眼在灵敏度、响应波段、细节的视见能力以及空间和时间上的局限等方面的不足。最早的一种光电成像器件──光电析像管出现于1931年。按工作原理和结构的不同分为﹕像增强器；电子照相机；电视型探测器；固体二极管阵列。本文主要介绍固体二极管阵列中的电荷耦合器件(CCD)。电荷耦合器件(CCD)

CCD，英文全称：Charge-coupledDevice，中文全称：电荷耦合元件。可称为CCD图像传感器。它是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。它具备光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。工作原理一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成，CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。栅电极G氧化层P型半导体耗尽区反型层uG>uthuG<uthuG=0构成CCD的基本单元是MOS（金属－氧化物－半导体）结构。当栅极G施加正偏压UG之前（UG=0），P型半导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的；当栅极电压加正向偏压（UG<Uth）后，空穴被排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区进一步向半导体内延伸；当UG>Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势（表面势ФS）变得如此之高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层，反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储电荷的功能。性能参数1.电荷转移效率

电荷转移效率η

转移损失率ε

电荷传输效率η‘2.工作频率控制CCD中信号电荷在移位寄存器中转移的时钟脉冲频率f=1/T。

对于二相CCD，

通常情况3.光谱特性CCD积分灵敏度S=Uo/H

单位:Vcm2/μJ曝光量H=LτL:光照度

τ:曝光时间(光积分TSH)H的单位:μJ/cm2;lxs4.分辨率CCD所能分辨的最小间距就是像元间距d，因而由像元的尺寸可确定极限分辨率。线阵CCD：极限分辨率为1/d(线对/mm)面阵CCD:像元数越多，分辨率越高。更多用水平方向、垂直方向各自的线数来表示。

CCD是低照度器件，光电靶γ可达99.7%，摄像头常带有γ选择。5.光电特性

CCD像元的饱和输出电压与它在暗场下的峰-峰噪声电压的比值Usat/Udn

。Usat决定于势阱中可存储的最大电荷量，一般为数百mv-数v；CCD是低噪声器件，可用于微光成像，Udn一般为数mv以下。普通CCD的动态范围1000:1左右。6.动态范围

CCD器件可控制在1mA/cm2

。7.暗电流CCD类型及特点

1.类型

表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输；体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输。工作过程：电荷的产生-存储-传输-检测。2.特点

固体化摄像器件高空间分辨率高光电灵敏度和大的动态范围光敏元间距位置精确,可获得很高的定位和测量精度信号与微机接口容易线阵CCD驱动电路介绍线阵CCD驱动电路就是要产生正确的SH、1、2、RS信号，它是CCD芯片赖以正常工作的基础。以TCD1200D为例，介绍线阵CCD驱动电路：TCD1200D有2160个光敏单元，其前后各有64及12个哑单元。因此：TSH2236TRS，fRS=1MHz，fφ1、φ2=0.5MHz。驱动电路由单片机(AT89C2051)、可编程门阵列芯片（GAL16V8）构成。

AT89C2051是带2K字节可编程电擦除EPROM的CMOS8位单片机。具有8031单片机的功能，可输出20MHz时钟。

GAL16V8是一种可编辑器件。图示中未标的管脚可自由定义，通过编程，形成所需的逻辑关系。

SH信号的产生：将Q信号送往单片机P1.7口，单片机查询后由P3.7口输出P信号。

4路驱动信号－SH、1、2、RS都由GAL器件产生。GAL芯片有足够的驱动能力，管脚可自由定义，使驱动电路紧凑、连线简单。单片机除协同产生SH外，可充分用于CCD数据测量工作。以上介绍的设计思想可用于任何型号的线阵CCD。线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描面阵CCD的应用