CCD自动寻星系统

1、图形绘制图片处理图表设计典型案例1 自动寻星系统构成与原理12* CCD传感器简介CCD自动寻星系统自动寻星系统1图形绘制图片处理图表设计典型案例2 CCDCCD传感器简介传感器简介CCD未来发展方向自动寻星系统构成与原理CCDCCD（Charge Coupled Device Charge Coupled Device 感光耦合组件）是贝尔实验室的发明的感光耦合组件）是贝尔实验室的发明的, ,由于由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能, ,其集成度高、功耗其集成度高、功耗低低, ,因此得到飞速发展因此得到飞速发展, ,

2、是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件。是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件。CCDCCD图像传感器是按一定规律排列的图像传感器是按一定规律排列的MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）电容器组半导体）电容器组成的阵列。在成的阵列。在P P型或型或N N型硅衬底上生长一层很薄（约型硅衬底上生长一层很薄（约120nm120nm）的二氧化硅）的二氧化硅, ,再在二氧再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极）化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极）, ,形成规则的形成规则的MOSMOS电容器阵电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了列，再加上两端的输入及输出二

3、极管就构成了CCDCCD芯片。芯片。CCD传感器简介自动寻星系统构成与原理图形绘制图片处理图表设计典型案例3 CCDCCD传感器简介传感器简介CCD未来发展方向自动寻星系统构成与原理 电荷耦合器件是在半导体硅片上电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个光敏元，一个光敏元制作成百上千个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。敏元按线阵或面阵有规则地排列。CCDCCD基本结构分两部分：基本结构分两部分：1.MOS1.MOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）光敏半导体）光敏元阵列；元阵列；2.2.读出移位寄存器。读出移位寄存器。

4、CCD传感器简介自动寻星系统构成与原理图形绘制图片处理图表设计典型案例4 CCD未来发展方向自动寻星系统构成与原理CCDCCD传感器简介传感器简介常见的CCD以及用到CCD的设备CCD传感器简介自动寻星系统构成与原理图形绘制图片处理图表设计典型案例5 CCDCCD传感器简介传感器简介CCD未来发展方向自动寻星系统构成与原理1.1.信号电荷的产生信号电荷的产生2.2.信号电荷的存贮信号电荷的存贮3.3.信号电荷的传输信号电荷的传输4.4.信号电荷的检测信号电荷的检测 工作原理工作原理CCD基本工作原理CCD传感器简介自动寻星系统构成与原理图形绘制图片处理图表设计典型案例6 CCDCCD传感器简介

5、传感器简介CCD未来发展方向自动寻星系统构成与原理1.1.信号电荷的产生信号电荷的产生 CCDCCD工作过程的第一步是工作过程的第一步是电荷的产生。电荷的产生。CCDCCD可以将入射可以将入射光信号转换为电荷输出，依据光信号转换为电荷输出，依据的是半导体光电效应。的是半导体光电效应。金属电极氧化物半导体e-e-e-e-e-e-e-光生电子入射光MOSMOS电容器电容器CCD传感器简介自动寻星系统构成与原理图形绘制图片处理图表设计典型案例7 CCDCCD传感器简介传感器简介CCD未来发展方向自动寻星系统构成与原理2 2、信号电荷的存储、信号电荷的存储 CCD CCD工作过程的第二步是信号电荷的收

6、集，就是将入射工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。当金光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P P型硅区里空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，称域，称“势阱势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子生电子空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子空穴对，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

7、强度成被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。正比。CCD传感器简介自动寻星系统构成与原理图形绘制图片处理图表设计典型案例8 CCDCCD传感器简介传感器简介CCD未来发展方向自动寻星系统构成与原理e-e-势阱势阱入射光入射光MOSMOS电容器电容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe- e-势阱势阱入射光入射光MOSMOS电容器电容器+UGe-e-e- e-e-e-+UthUG Uth 时 在栅极在栅极G G电压为零时，电压为零时，P P型半导体中的空穴的分布型半导体中的空穴的分布是均匀的。是均匀的。 当施加正偏压当施加正偏压UG( (此时此时UG小于小于p p型半导体的

8、闽值电型半导体的闽值电压压Uth) )，空穴被排斥，产，空穴被排斥，产生耗尽区。生耗尽区。 电压继续增加，则耗电压继续增加，则耗尽区将进一步向半导体内尽区将进一步向半导体内延伸。延伸。CCD传感器简介自动寻星系统构成与原理图形绘制图片处理图表设计典型案例9 CCDCCD传感器简介传感器简介CCD未来发展方向自动寻星系统构成与原理 CCD CCD器件内是在硅片上制作成百上千的器件内是在硅片上制作成百上千的MOSMOS元，照元，照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些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。光敏元就感生出一幅与光照度响应的

9、光生电荷图象。 而而CCDCCD的分辨率指的是：中有多少像素，的分辨率指的是：中有多少像素，也就是上有多少感光组件，分辨率是图像传感也就是上有多少感光组件，分辨率是图像传感器的重要特性。器的重要特性。 （像素（像素= =分辨率长宽数值相乘，如：分辨率长宽数值相乘，如：640X480=307200640X480=307200，就是，就是30W30W像素）像素） C CCDCD分辨率主要取决于分辨率主要取决于CCDCCD芯片的像素数。芯片的像素数。CCD传感器简介自动寻星系统构成与原理图形绘制图片处理图表设计典型案例10 CCDCCD传感器简介传感器简介CCD未来发展方向自动寻星系统构成与原理 C

10、CDCCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。 通过按一定的时序在电极上通过按一定的时序在电极上施加高低电平，施加高低电平，可以实现光电荷在相邻势阱间的转移。可以实现光电荷在相邻势阱间的转移。3 3、信号电荷的传输（耦合）、信号电荷的传输（耦合）CCD传感器简介自动寻星系统构成与原理图形绘制图片处理图表设计典型案例11 CCDCCD传感器简介传感器简介CCD未来发展方向自动寻星系统构成与原理123

11、t1t2t3t4t5 每个光敏元（像素）对应有三个每个光敏元（像素）对应有三个相邻的转移栅电极相邻的转移栅电极1 1、2 2、3,3,所有电极所有电极彼此间离得足够近彼此间离得足够近, ,以保证使硅表面的以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的所有的1 1电极相连并施加时钟脉冲电极相连并施加时钟脉冲1,1,所有的所有的2 2、3 3也是如此也是如此, ,并施加时钟脉冲并施加时钟脉冲22、33。这三个时钟脉冲在时序上。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭。相互交迭。CCD传感器简介自动寻星系统构成与原理图形绘制图片处理图表设计典型案例12 CCDCCD

12、传感器简介传感器简介CCD未来发展方向自动寻星系统构成与原理3P型型Si耗尽区耗尽区电荷转移方向电荷转移方向12输出栅输出栅输入栅输入栅输入二极管输入二极管输出二极管输出二极管 SiO2CCD传感器简介自动寻星系统构成与原理图形绘制图片处理图表设计典型案例13 CCDCCD传感器简介传感器简介CCD未来发展方向自动寻星系统构成与原理4 4、信号电荷的检测、信号电荷的检测 CCDCCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。 输出类型，主要有以下三种：输出类型，主要有以下三种：

13、 1 1）电流输出电流输出 2 2）浮置栅放大器输出浮置栅放大器输出 3 3）浮置扩散放大器输出浮置扩散放大器输出 CCD传感器简介自动寻星系统构成与原理图形绘制图片处理图表设计典型案例14 CCDCCD传感器简介传感器简介CCD传感器简介自动寻星系统构成与原理光输入光输入1电荷生成电荷生成2电荷存储电荷存储3电荷转移电荷转移复位复位输出输出4电荷检测电荷检测半导体半导体图形绘制图片处理图表设计典型案例15 自动寻星系统构成与原理自动寻星系统构成与原理 天文摄影是一项观测星座、月亮、太阳等的特殊摄影技术天文摄影是一项观测星座、月亮、太阳等的特殊摄影技术, ,天文相机可用于拍摄星空、天象等深空天

14、体。天文相机可用于拍摄星空、天象等深空天体。 但是，地球的自转出现了天体的周日视运动但是，地球的自转出现了天体的周日视运动, ,也就是说也就是说, ,在在深空拍摄过程中深空拍摄过程中, ,星星是不断在运动中的。而一般深空摄影的对星星是不断在运动中的。而一般深空摄影的对象大多十分暗淡象大多十分暗淡, ,因此需要长时间的曝光因此需要长时间的曝光, ,在长时间曝光过程中在长时间曝光过程中拍摄的星星难免会出现拉线现象拍摄的星星难免会出现拉线现象, ,这并不是我们想要的。这并不是我们想要的。 因此因此, ,若要在长曝光时间下拍摄到质量好的深空照片若要在长曝光时间下拍摄到质量好的深空照片, ,就需就需要一

15、台和地球自转方向相反的赤道仪带动天文望远镜对星点进要一台和地球自转方向相反的赤道仪带动天文望远镜对星点进行跟踪拍摄行跟踪拍摄, ,也就是最踪摄影。追踪星点一般需要用到导星系统。也就是最踪摄影。追踪星点一般需要用到导星系统。 自动寻星系统构成与原理CCD传感器简介图形绘制图片处理图表设计典型案例16 自动寻星系统构成与原理自动寻星系统构成与原理 目前国际上先进的天文望目前国际上先进的天文望远镜都普遍采用了远镜都普遍采用了CCDCCD闭环自闭环自动导星跟踪技术，用动导星跟踪技术，用CCDCCD图像图像传感器作为检测元件，实时检传感器作为检测元件，实时检测星像偏离视场的信号并实时测星像偏离视场的信号并实时提供误差补偿信号。提供误差补偿信号。 我国大天区面积多目标光纤我国大天区面积多目标光纤光谱望远镜光谱望远镜LAMOSTLAMOST也采用也采用CCDCCD作为导星系统的探测器件。作为导星系统的探测器件。自动寻星系统构成与原理CCD传感器简介图形绘制图片处理图表设计典型案例17 自动寻星系统构成与原理自动寻星系统构成与原理CCD寻星系统工作原理1.CCD定期对天体拍摄来获取引导星的图像；2.采用星