电荷耦合器件ppt课件

1、4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理电荷耦合器件的结构和工作原理4.3.2 CCD图像传感器图像传感器4.3.3 图像传感器的应用图像传感器的应用 一个完整的一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、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。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，转移到移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移

2、位寄存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、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。处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。 CCD光敏元显微照片CCD读出移位寄存器读出移位寄存器的的数据面显微照片数据面显微照片 MOS电容的结构电容的结构 1金属或多晶硅金属或多晶硅 2绝缘层绝缘层SiO2CCDCCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个是一种固态检测器，由多个光敏像元

3、组成，其中每一个光敏像元就是一个光敏像元就是一个MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）电容器。半导体）电容器。CCDCCD中的中的MOSMOS电容器的形成方法：在电容器的形成方法：在P P型或型或N N型单晶硅衬底上用氧化型单晶硅衬底上用氧化办法生成一层厚度约为办法生成一层厚度约为100100150nm150nm的的SiOSiO2 2绝缘层，再在绝缘层，再在SiOSiO2 2表表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOSMOS电容器。

4、电容器。CCDCCD一般是以一般是以P P型硅为衬底，在这种型硅为衬底，在这种P P型硅衬底中，多数载型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。流子是空穴，少数载流子是电子。在电极施加栅极电压在电极施加栅极电压U UG G之之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压U UG G（此时（此时U UG G小于小于P P型半导体的阈值电压型半导体的阈值电压U Uthth）后，空穴被排斥，）后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图（产生耗尽区，如图（B B）所示。偏压继续增加，耗尽区将进）所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。当一步

5、向半导体内延伸。当U UG GUUthth时时, ,半导体与绝缘体截面上的半导体与绝缘体截面上的电势电势( (常称为表面势常称为表面势, ,用用S S 表示表示) )变得如此之高变得如此之高, ,以至于将半以至于将半导体内的电子导体内的电子( (少数载流子少数载流子) )吸引到表面吸引到表面, ,形成一层极薄的形成一层极薄的( (约约10102 2um )um )但电荷浓度很高的反型层但电荷浓度很高的反型层, ,如图如图(C)(C)。反型层电荷的存反型层电荷的存在表明了在表明了MOSMOS结构存储电荷的功能结构存储电荷的功能. . 当一束光投射到当一束光投射到MOSMOS电容器时，光子透过金属

6、电极和氧化层，进入电容器时，光子透过金属电极和氧化层，进入SiSi衬底，衬底，衬底每吸收一个光子，就产生一个电子衬底每吸收一个光子，就产生一个电子空穴对，其中电子被吸引到电荷空穴对，其中电子被吸引到电荷反型区存储。从而表明了反型区存储。从而表明了CCDCCD存储电荷的功能。一个存储电荷的功能。一个CCDCCD检测像元的电荷存检测像元的电荷存储容量决定于反型区的大小，而储容量决定于反型区的大小，而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材料和厚度、半导体材料的导电性和厚度电压、绝缘层的材料和厚度、半导体材料的导电性和厚度等一些因素。等一些因素。电电子

7、所以被加有栅极电压子所以被加有栅极电压Vg的的MOS结构吸引到结构吸引到Si-SiO2的交接面处，是因为那的交接面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度深度”与电极电压的关系与电极电压的关系为线性关系，图为线性关系，图(a)为空势阱。图为空势阱。图(b)为反型层电荷填充为反型层电荷填充1/3势阱时，表面势势阱时，表面势收缩，表面势收缩，表面势S与反型层电荷填充量与反型层电荷填充量QP 间的关系。当反型层电荷足够多，间的关系。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，表面势下降到不再束缚多余的电子，电子将产生使势阱被填满时，表面势下降到不再束

8、缚多余的电子，电子将产生“溢出溢出”现象，如图（现象，如图（c)所示。所示。 图示为图示为64位位CCD结构。光照射到光敏元上结构。光照射到光敏元上,会产生电子会产生电子-空穴对空穴对（光生电荷）（光生电荷）,电子被吸引存储在势阱中。入射光强则光生电电子被吸引存储在势阱中。入射光强则光生电荷多荷多,弱则光生电荷少弱则光生电荷少,无光照的光敏元则无光生电荷。这样就无光照的光敏元则无光生电荷。这样就在转移栅实行转移前在转移栅实行转移前,把光的强弱变成与其成比例的电荷的数把光的强弱变成与其成比例的电荷的数量量,实现了光电转换。若停止光照实现了光电转换。若停止光照,电荷在一定时间内也不会损电荷在一定时

9、间内也不会损失失,可实现对光照的记忆。图示的情况是可实现对光照的记忆。图示的情况是,第第62、64位光敏元受位光敏元受光光,而第而第1、2、63位等光敏元未受光照。位等光敏元未受光照。 lCCD的基本功能是存储与转移信息电荷的基本功能是存储与转移信息电荷l为实现信号电荷的转换为实现信号电荷的转换： 1、必须使、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相电容阵列的排列足够紧密，以致相邻邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2、控制相邻、控制相邻MOS电容栅极电压高低调节势阱深浅，电容栅极电压高低调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处。使信号电荷由势阱浅处

10、流向势阱深处。3、在、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。中电荷的转移必须按照确定的方向。 三相三相CCD信息电荷传输原理图信息电荷传输原理图 CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。采用电注入。 CCD通过输入结构对信号电压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或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。号电荷。 CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入子得到，即光注入 。电极下收集的电荷大小取。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。决于照射光的

11、强度和照射时间。 (a) 选通电荷积分输出电路选通电荷积分输出电路 (b) 驱动时钟波形和输出波形驱动时钟波形和输出波形CCD的信号输出结构的信号输出结构 l利用利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，的光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，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信上的光学图像转移成了电信号号“图像图像”。l由于由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有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，且具有良光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的好的致性，因此，对图

12、像的传感具有优越的致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。性能。l线列和面阵线列和面阵 线型线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一并行且对应的构成一个主体个主体,在它们之间设有一个转移控制栅在它们之间设有一个转移控制栅,如图如图(a)所示。在每一个光敏元件所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极。当入射光照射在光敏元件阵列上上都有一个梳状公共电极。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加梳状电极施加高电压时高电压时,光敏元件聚集光电荷光敏元件聚集光电荷,进行光积分进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时光电荷与光照强度和光积分时间成正

13、比。在光积分时间结束时间成正比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高转移栅上的电压提高(平时低电压平时低电压),与与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压转移栅电压降低降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从将

14、存储的电荷从CCD中转移中转移,由输由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。从而读出电荷图形。线型线型CCD图像传感器图像传感器 目前，实用的线型目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图图像传感器为双行结构，如图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷

15、的顺序。成了原来光敏信号电荷的顺序。线型线型CCD图像传感器图像传感器1. 1. 线阵线阵CCD外形外形 (a)x-y 选址选址 (b)行选址行选址 (c)帧场传输式帧场传输式 (d)行间传输式行间传输式 面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。 l响应度（光电转换因子）：指输出电信号与输响应度（光电转换因子）：指输出电信号与输入光信号的能量比，描述传感器的光电转换效入光信号的能量比，描述传感器的光电转换效率。率。l光谱特性光谱特性:表示器件的响应度与入射光波长的表示器件的响应度与入射光波长的关系。关系。l暗电流暗电流l分辨率：表示图像传感器分辨图像的能力。取分辨率：

16、表示图像传感器分辨图像的能力。取决于光敏单元的间距，通常用决于光敏单元的间距，通常用CCD光敏单元数光敏单元数来表示。来表示。l组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。件损伤、自动焦点等。l用作光学信息处理装置的输入环节，例如用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真技术。光学文字识别技术传真技术。光学文字识别技术(OCR)与图与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等。机器人视觉技术等。l作为自动化流水线装置中的敏感器件，例作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运

17、车如可用于机床、自动售货机、自动搬运车及自动监视装置等。及自动监视装置等。被测对象长度被测对象长度LpnfanpML) 1(1pnllL21l1 视场视场l2传感器的长度传感器的长度光学文字识别装置光学文字识别装置(OCR)原理原理 l工件伤痕及表面污垢检测 l形状检测 数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。 数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器LCD，部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。 三基色分离原理三基色分离原理 CMOS图像传感器是采用互补金属图像传感器是采用互补金属-氧化物氧化物-半导体工艺制半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称作的另一类图像