电荷耦合器件.ppt

1,4.3电荷耦合器件,电荷耦合器件（CCD）是一种半导体器件，CCD的基本功能是存储与转移信息电荷。基本原理是：在一系列MOS（MetalOxideSemiconductor）电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生；若所转移的电荷通过外界诸多方式得到，则其可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。,2,4.3电荷耦合器件,4.3.1电荷耦合器件的结构和工作原理4.3.2CCD图像传感器4.3.3图像传感器的应用,3,4.3.1电荷耦合器件的结构和工作原理,CCD是一种半导体器件,MOS电容的结构1金属2绝缘层SiO2,4,平带条件下的能带,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。,5,加上正电压MOS电容的能带,(a)栅压UG较小时，MOS电容器处于耗尽状态。(b)栅压UG增大到开启电压Uth时,半导体表面的费米能级高于禁带中央能极,半导体表面上的电子层称为反型层。,6,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面势下降。,7,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MOC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。,8,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。,9,三相CCD信息电荷传输原理图,10,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。光信号注入CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。,11,(a)选通电荷积分输出电路(b)驱动时钟波形和输出波形,CCD的信号输出结构,12,4.3.2CCD图像传感器,它利用了CCD的光电转移和电荷转移的双重功能。当一定波长的入射光照射CCD时，若CCD的电极下形成势阱，则光生少数载流子就积聚到势阱中，其数目与光照时间和光照强度成正比，使用时钟控制将CCD的每一位下的光生电荷依次转移出来，分别从同一输出电路上检测，则可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，故对图像的传感具有优越的性能。CCD图像传感器按光敏元件排列方式结构可分为线列阵器件和面列阵器件两大类。基本组成部分是光敏元件阵列和电荷转移器，各具有不同结构和用途。,13,线列阵CCD是将光敏元件排列成直线的器件，由MOS的光敏元件阵列、转移栅、读出移位寄存器三部分组成，并分三个区排列，光敏单元与CCD移位寄存器一一对应，光敏单元通过转移栅与移位寄存器相连。图(a)为单排结构，用于低位数CCD传感器。图(b)为双排结构，分为CCD移位寄存器1和CCD移位寄存器2。奇、偶数位置上的光敏单元收到的光生电荷分别送到移位寄存器1、2串行输出，最后上、下输出的光生电荷合二为一，并恢复原来顺序。显然，双排结构的图像分辨率是单排结构的两倍。,(1)线列阵CCD图像传感器,(a)单排结构,(b)双排结构,14,当光敏元件进行嚗光后产生光生电荷。在转移柵作用下，将光生电荷耦合到各自对应的CCD移位寄存器中去，这是一个并行转换过程。然后光敏元件进入下一嚗光周期，同时在时钟作用下，从CCD移位寄存器中依次输出各位信息直至最后一位，这是一个串行输出的过程。可见，线列阵CCD器件输出的信息是一个个脉冲，脉冲幅度取决于对应光敏单元上的受光强度，而输出脉冲的频率则和驱动时钟频率一致。,线阵列CCD原理,15,面列阵CCD图像传感器按X、Y两个方向，实现了二维图像。它把光敏单元按二维矩阵排列，组了一个光敏元面阵。面列阵CCD按传输方式分为场传输面列阵CCD和行传输面列阵CCD两种。,（2）面列阵CCD图像传感器,16,场传输面列阵CCD结构,由光敏元面阵、存储器面阵、读出寄存器三部分组成。当光敏元面阵曝光后，产生光生电荷，在转移脉冲作用下，将光敏元面阵区的光生电荷，全部迅速地转移到对应的存储区暂存，因为存储器面阵上覆盖了一层遮光层，可防止外来光线的干扰。然后光敏元面阵进入下一次曝光周期，同时存储器面阵里存储的光生电荷信息从存储器底部开始向下，一排排地移到读出寄存器中，每向下移动一排，在时钟作用下，就从读出寄存器中顺序输出每行中各位的光信息。,场传输面列阵CCD结构和原理,17,由光敏元件、存储器、转移栅、读出移位寄存器四部分组成。一行光敏元件，一行不透光的存储器元件交替排列，一一对应，二者之间由转移栅控制，最下部是一个水平读出移位寄存器。当光敏元件进行嚗光后，产生光生电荷，在转移栅的控制下，光生电荷并行转移到存储器中暂存，然后光敏元件进入下一次曝光周期，同时存储器里的光生电荷信息移到读出移位寄存器中，在时钟作用下，从读出移位寄存器中顺序输出每列中各位的光信息。,行传输面列阵CCD结构,行传输面列阵CCD结构和原理,18,4.3.3图像传感器的应用,1尺寸测量2用于光学文字识别装置,19,当所用光源含红外光时，可在透镜与传感器间加红外滤光片。,线列阵CCD图像传感器测量物体尺寸的基本原理,1.尺寸测量,20,(4.3.1)式中，f为透镜焦距；a为物距；M为倍率；n为线列阵CCD图像传感器的像素数；p为像素间距。若选定透镜(即焦距f，视场长度l1已知)，已知物距为a，那么所需传感器的长度l2可由下式求出：(4.3.2)代入式（4.3.1）可得：可见，测量精度取决于线列阵CCD传感器的像素数与透镜视场的比值。为提高测量精度应当选用像素多的传感器，并且尽量缩小视场，以便能够测到被测对象的长度范围大。,利用几何光学知识可推导出被测对象长度L与系统各参数之间的关系式为,尺寸测量原理,21,图像传感器还可用作光学文字识别装置的“读取头”。光学文字识别装置(简称OCR)的结构原理如下图。主要由光源、红外滤光片、透镜、图像传感器、后向处理电路等组成。其中，OCR的光源可用卤素灯，光源与透镜间设置红外滤光片以消除红外光影响，每次扫描时间为300s，故可做到高速文