电荷耦合器课件

CCD它具有结构简单，基础度高，制造工序少，功耗低，信噪比好等优点。CCD有线阵和面阵二种，CCD是一种半导体集成器件，它由MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。

一．MOS光敏元的工作原理

所谓MOS结构；一般都以硅作为半导体衬底，在其上热生长一层二氧化硅(SiO2)，并在二氧化硅上面淀积具有一定形状的金属层。因为它是由金属(M)—氧化物(O)—半导体(S)三层所组成，故称MOS结构。

二．移位寄存器移位寄存器由金属电极、氧化物介质及半导体三部分组成，也是MOS结构，它不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。上一节三．光敏单元中的电荷向移位寄存器转移

现在来说明光敏单元中的电荷是怎样转移(读出)至移位寄存器的。

如图，光敏区中产生的电荷，由转移门Z控制转移至a1、a2、----an极下的势阱。但如何解决光敏区中的光敏单元数与移位寄存器的传输单元数相等，而转移电极2只有一个矛盾呢?现以A-A截面的电极为例进行分析。把A-A截面的电极旋转900后画于图3.2.2-5。由图中可看出，从t0到t2光敏单元a1'中的电荷已转移至a1极下的势阶。同理，光敏单元a1'、a2'…an'中的电荷同时转移至a1、a2…an极下的势阱。这是一个平行转移的过程。由于t2以后转移电极Z上的电压恢复为零，相当于把光敏区和移位寄存器之间的“门”阻塞。自t3以后，光敏单元又重新进行光积累(光积分)，§3.2.2电荷耦合器（CCD）移位寄存器a1、b1

、c1；a2、b2

、c2；----an、bn

、cn等进行移位(电荷传输)，各自执行自己的任务。

光敏单元a1'中的电荷不移至b1和c1极下，是靠制造适当的沟道及b1、c1极上加适当的电压来实现的。当t＝t1时，转移电极Z上加正脉冲，这时Ua＝U，Ub＝0，Uc＝0，即这时b1、c1极下不产生势阱，因此a1'中的电荷沿沟道转移至a1极下的势阱。上述光敏区中的电荷信号靠移位寄存器传输给输出二极管读出，故移位寄存器一般称它为读出寄存器。

四．面阵CCD

面阵CCD是按图象信息的处理要求而输出信号的。面阵CCD实际上是由许多线阵CCD排成二维形式，它主要用于电视摄像中。

面阵CCD也可以用作固体摄像传感器来测量各种几何量，俗称摄像测量。

五．CCD输出信号的处理方式

CCD输出信号一般为负极性视频信号，对CCD输出信号的处理方式很多，以下是几种典型的用于检测和控制的信号处理方式。

1．CCD－放大―二值化处理－计数。

2．CCD－放大－滤波－比较整形－高频填脉冲－计数

3．CCD－放大－同步采样保持－高速A/D转换－存储－计算机图象处理

4．CCD－放大－滤波－变成全电视信号－存储（面阵CCD）§3.2.2电荷耦合器（CCD）六．CCD在动态测量直径中的应用

CCD动态测量细丝直径的原理如图3.2.2-7所示。

设所用的CCD有N0个光敏元，每个光敏元的大小为13μ，计数器计数为N，则细丝直径D为：

D＝13（N0-N）在上述测量中，由于是用脉冲计数测量，故光源的波动对测量精度影响不大，细丝的抖动也不影响测量精度，故可达到较高的测量精度。如需要测量达到更高的分辨率，可用光学放大，如图3.2.2-8所示。如k=x/y=1/13，则实际上放大了13倍，此时

D＝13k(N0-N0=(N0-N)

注意，采用光学放大后，细丝在垂直于CCD反向的抖动将影响测量精度。§3.2.2电荷耦合器（CCD）如测量大物体，可用二块CCD，距离固定为L（如图3.2.2-9所示），假定CCD1的计数值为N1，CCD2的计数值为N2，则