第7章-光电式传感器2.ppt

1、CCD基本结构分两部分： MOS（金属氧化物半导体）光敏元阵列； 读出移位寄存器 。,一、CCD（ChargeCoupled Devices）的工作原理,电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千万个光敏元，一个光敏元又称一个像素或“像点” ，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。它们本身在空间上、电气上是彼此独立的。,CCD光敏元显微照片,（一）MOS光敏元阵列,在P型硅上生长一层具有介质作用的二氧化硅，在二 氧化硅上又淀积一层金属电极，于是就形成了一个金 属-氧化物-半导体电容器，也就是MOS电容。,电荷存储原理：,当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入

2、地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子空穴对，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强度成正比。,一个MOS光敏元结构,一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包； CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱； 如果照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。,电荷耦合器件的光电物理效应基本原理,分辨率不同的图象比较,（二）电荷转移（读出移位寄存器）,采用MOS电容

3、虽可以获得光生电子图像，但无法把这种电子图像信号依次读取出来。电荷耦合器件就是完成电子图像读取功能的一个器件。 电荷耦合器件的基本结构如图。,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： 1、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。 2、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。 3、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。,CCD的基本工作原理,二、CCD的结构（一）线

4、型固态图像传感器,线阵电荷耦合器件是光敏元排列成直线的器件。 它由MOS光敏元列阵、转移栅（控制栅）和读出移位寄存器等部分组成。 分单通道（分离式）和双通道（双读式）两类。,对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同的。不过，不同型号的CCD器件具有完全不同的外型结构和驱动时序，在实际使用时必须加以注意。以TCD142D型CCD为例做简单介绍,TCD142D是一种具有2048位像元的两相线阵CCD器件,TCD142D有22个引脚，其中12个是空脚。图中1A、2A、1B、2B均为时钟端，SH为转移栅，RS为复位栅，OS为信号输出端，DOS为补偿输出端，SS为地，NC空闲。,DOS是补偿输出单元

5、的输出端，用于检取驱动（尤其是复位脉冲）对输出电路的容性干扰信号，若将OS和DOS分别送到差分放大器的两个输入端，在输出端将得到被放大的没有干扰的光电信号。,TCD142D结构示意图,图中的光敏区有2110个像元构成线型阵列，其中Dn 表示“哑元”，共有62个，前51个、后11个，被铝膜遮盖用于暗电流检测。Sn表示中间2048个像元，用以感光，像元之间的中心间距是14m，光敏像元阵列总长为28672m。光敏元两边是转移栅电极SH,转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿输出单元构成。,线阵CCD外形,（二）面型固态图像传感器,面阵电荷耦合器件是光敏元排列成矩阵的器件。

6、 分为 1）X-Y选址式； 2）行选址式； 3）帧场传输式； 4）行间传输式。,面阵CCD外形,三、应用,固态图像传感器的应用主要目标之一是构成固态摄像装置的光敏器件。 由于它取消了光学扫描系统或电子束扫描，所以在很大程度上降低了再生图像的失真度。 这些特色就决定了它可以广泛用于自动控制和自动测量，尤其是适用于图像识别技术。 其输出信号的特点： 1）能够输出与光像位置对应的时序信号； 2）能够输出各个脉冲彼此独立相间的模拟信号； 3）能够输出反映焦点面信息的信号。,CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCD被广泛用于再线检测尺寸、位移、速度、定

7、位和自动调焦等方面。,(一) 图像采集(输入环节)(1)数(字)码相机的基本结构,光学镜头 分色系统 图像传感器 图像处理电路 图像数据存储设备 图像数据传输接口 总体控制电路 取景器和LCD显示屏 闪光灯 供电系统,CCD,(2)扫描仪,光学系统 光电转换器件 电子系统 机械系统组成,反射式扫描仪的光路图 透射式扫描仪的光路图,（3）传真技术,光源是荧光灯，将传感器输出信号放大后，进行适当频带压缩（编码），并通过调制与解调电路送入发射电路。为读取全版面，需令所摄稿纸依次移动。,（4）光学文字识别装置（OCR）,可用于 a)标准信件识别分选； b)贴有价格标签的商品计价； c)文字阅读机； d

8、)月票自动发售机等。,（二）尺寸测量,（1）线型传感器测量物体尺寸的基本原理,利用几何光学知识可以很容易推导出被测对象长度L与系统诸参数之间的关系。 f-透镜焦距 a-物距 b-像距 M-倍率 n-像素数 p-像素间距 传感器长度l2 ，视场l1,（2）实例：热轧铝板宽度测量,（三）缺陷检测（1）工件伤痕及表面污垢测试,（2）透明液体内混浊物的检查（3）伪钞检查,（四）机器人的眼睛和安全监测,M2A微型内窥镜的内部结构：1、光学圆盖 2、透镜固定环 3、透镜 4、照明发光二极管 5、互补金属氧化物半导体成像器 6、电池 7、专用集成电路 8、天线,由发光二极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。,五、微型内窥镜,第五节 位置敏感器件,