付小宁版“光电检测技术及系统”第六章3、4.ppt

1、6.3 .电荷耦合器件(CCD)、固态成像器件、电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CMOS)、CCD立体相机、前、中、后三层图像合成三维图像、激光高度计(高度5m，分辨率1m)、干涉成像光谱仪、x光相机、微波探测器(土壤厚度，氦-3)、高能粒子探测器、低能离子探测器、元素探测、探测地球与月球之间的环境、电荷耦合器件CCD、线阵CCD、面阵CCD、面阵CCD(。体通道电荷耦合器件(BCCD)，电荷包存储在离半导体表面一定深度的体中，并在半导体中沿一定方向转移，电荷耦合器件类型，6.3.1电荷耦合器件的工作原理，1.1，电荷耦合器件的工作原理，电荷耦合器件，光信息

2、，电脉冲，脉冲只反映光敏元件的受光情况，而脉冲幅度反映光敏元件的受光强度。输出脉冲序列可以反映光敏元件的位置并完成图像感测。特点：电荷用作信号。基本功能：电荷存储和转移、电荷耦合器件基本工作原理、信号电荷产生、信号电荷存储、信号电荷传输和信号电荷检测。1.1.1电荷储存，电荷耦合器件是由规则排列的金属氧化物半导体(metal，oxide，semiconductor)组成，如果有光入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅片产生电子空穴对，产生的光电子被表面的势阱吸收。而空穴被电场从耗尽区排斥。当向金属电极施加正电压VG时，在电场的作用下，电极下部区域中的大多数载流子空穴被排斥并被赶走，形成耗

3、尽区。对于少数载流子电子，电场将它们吸引到电极下的耗尽区。耗尽区是带负电电子的低势能区，称为“势阱”。在势阱中积累电子的能力取决于势阱的“深度”，而表面电势大约与栅极电压VG成比例。势阱中吸收的光电子数与入射势阱附近的光强成正比。这种金属氧化物半导体结构单元被称为光敏单元或像素；被势阱吸收的几个光生电荷称为电荷包。通常，在半导体硅片上有数千个独立的金属氧化物半导体光敏单元。如果向金属电极施加正电压，将在半导体硅晶片上形成数千个独立的势阱。如果此时在这些光敏单元上照射了明暗图像，那么这些光敏单元将产生对应于照射强度的光电荷图像，从而获得图像信号。1.1.2 .电荷耦合，每个单元(每个像素)的电荷

4、耦合器件称为一位，有256位，1024位和2160位的线阵电荷耦合器件。一位电荷耦合器件中金属氧化物半导体电容的数量是电荷耦合器件的相数，电荷耦合器件通常具有两相、三相和四相结构，它们所施加的时钟脉冲也分为两相、三相和四相。两相脉冲的两个脉冲之间的相位差为1800；三相和四相脉冲的相位差分别为1200和900。当该定时脉冲被施加到电荷耦合器件驱动电路进行循环时，将实现信号电荷的定向转移和耦合。图中所示的TCD1206的相邻两个像素包含两个金属氧化物半导体电容器，并且表面电势增加的方向是向下的。工作过程如图所示：当at=t1时，1个电极处于高电平，2个电极处于低电平。因为电极1上的栅极电压大于导

5、通电压，所以在1处形成势阱。假设光电二极管此时接收光，光电二极管的每个比特(每个像素)的电荷从相应的电极1落入势阱。当b=T2时，电极1上的栅极电压低于电极2上的栅极电压，因此电极1下方的势阱变得更浅更深，更多的电荷流向电极2。(由于势阱的不对称性，“左边浅，右边深”，电荷只能转移到右边。当c t=t3时，2个电极处于高电平，而1个电极处于低电平，因此电荷聚集在2个电极下，实现了因此，在一个时钟脉冲周期后，电荷包在电荷耦合器件上移动一位。1.1.3电荷注入，光注入模式当光照射电荷耦合器件硅片时，在靠近栅极的体中产生电子空穴对，大多数载流子被栅极电压取代，而少数载流子被收集到势阱中形成信号电荷。

6、在电荷耦合器件中，电荷注入可以分为两种类型：光注入和电注入。n是入射光的光子流率；a是光敏单元的光接收区域，t是光注入时间，4是电荷检测。电荷耦合器件输出结构的功能是将电荷耦合器件中的信号电荷转换成电流或电压输出，以检测信号电荷。浮动扩散放大器属于电压输出模式，目前应用广泛。其基本结构和工作原理如下：如图所示，给出了电荷耦合器件的电压输出电路。随着被称为门控电荷积分器的T2管的打开和关闭，放大管T1、复位管T2和输出二极管T3处于门控和关闭状态。放大管T1是源极跟随器，复位管T2工作在开关状态，输出二极管T3总是处于强反向偏置状态。点A处的等效电容C由T3管的结电容加上T1管的栅极电容组成，构

7、成电荷积分器，如图所示，为电压输出波形图。电荷耦合器件电压输出的工作原理如下：在每个时钟脉冲周期内，随着时钟脉冲1或2的下降过程，电荷包从电荷耦合器件转移到输出二极管T3的N区，即电荷积分器，使A点的电位变化为：由于公式中的MOS管T1的电压增益为，gm为电导，RL为负载电阻，T1管源的输出电压变为：读出Vout。然后，在复位脉冲r的作用下，T2管的栅极RG被打开，电荷包q通过T2管的沟道被抽走，从而点a的电位被复位到VRD值，为下一次Vout读出做准备。因为它是n通道的，信息电荷是电子的，所以加一个负号。当r完成并且T2管关闭时，因为T1管在点a处处于VRD电位的强反向偏置状态，所以该积分器

8、没有放电电路，所以点a处的电位保持在VRD值，直到下一个时钟脉冲信号电荷到达。2、电荷耦合器件的特征参数，2.1电荷转移效率和转移损失率，转移后剩余电量为2.2驱动频率，即驱动频率的下限。在信号电荷转移过程中，为了避免少数载流子热激发引起的注入信号电荷的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极的时间t必须小于少数载流子的平均寿命。对于两个阶段，周期为t，载流子的平均寿命与器件的工作温度有关。工作温度越高，热激发少数载流子的平均寿命越短，驱动频率的下限和上限越高。当驱动频率上升时，驱动电荷从一个电极转移到另一个电极的时间t应该大于从一个电极转移到另一个电极以确保电荷完全转移的固有时间。否则，信号

9、电荷不能跟上驱动脉冲的变化，这将大大降低传输效率。电荷转移的速度与载流子迁移率、电极长度、衬底杂质浓度和温度有关。3.2 .有几种常用的电荷耦合器件驱动方法。产生电荷耦合器件驱动时序的方法有很多。常用的方法如下：该方法利用数字门电路和定时电路组成CCD驱动定时电路。一般来说，它由振荡器、单稳态触发器和计数器组成。它可以由标准逻辑器件或可编程逻辑器件组成。其特点是驱动频率高，但逻辑设计复杂。一种是直接数字电路驱动法，二种是可编程逻辑器件CPLD，其驱动频率和积分时间可以调节，三种是单片机驱动法，单片机产生CCD驱动时序的方法主要依靠编程，驱动时序信号由单片机的输入输出端口直接输出。定时信号由程序

10、指令之间的延迟产生。该方法的特点是定时调整灵活方便电子顺磁共振驱动法，即专用集成电路驱动法，利用专用集成电路产生电荷耦合器件驱动时序，集成度高，功能强，使用方便。在大规模生产中，这种方法在视频领域(如驱动摄像机)是首选，但在工业测量中不灵活。可编程逻辑器件法可以代替“专用集成电路驱动法”。3.3，电荷耦合器件图像传感器的应用，电荷耦合器件的七个应用领域，小型化黑白和彩色电视摄像机(面阵CCD)是应用最广泛的领域。)、2)。传真通信系统，使用10242048像素的线阵CCD作为传真机，可以在不到一秒钟的时间内扫描A4原稿。光学字符识别，而不是人眼，将字符转换成电信号，数字化，然后通过计算机识别。

11、4)。广播电视，5)。工业检测和自动控制，这是一个有大量电荷耦合器件应用的领域，统称为机器视觉应用。钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域。对零件尺寸、产品质量、包装、形状识别、表面缺陷或粗糙度进行动态检查。在自动控制方面，它主要是作为计算机获取受控信息的一种手段。它也可以用作机器人视觉传感器。6)。可用于各种标本分析(如血细胞分析仪)、眼球运动检测、x光摄影、胃镜检查、结肠镜检查等。例如，在美国，五个2048位的电荷耦合器件被拼接成10240位长的侦察胶片，而不是用作地球卫星传感器的125毫米宽的侦察胶片。航空遥感和卫星侦察。例如，1985年，欧洲航天局首次在SPOT卫星上使用了大型线阵电

12、荷耦合器件扫描，地面分辨率提高到10米。它还有军事应用：微光夜视、导弹制导、目标跟踪、军事图像通信等。天文观测，微小尺寸探测(10500微米)，利用衍射方法测量细丝、狭缝、微小位移、微小孔洞等。根据夫琅和费衍射公式：我们可以得到：例：尺寸测量，d灯丝直径；k衍射暗颗粒级k=1，2，3；激光波长；l从被测灯丝到电荷耦合器件光敏表面的距离；被测灯丝与第K暗粒子的连接，以及与光主轴的夹角；xk是从第k个暗颗粒到光轴的距离。3，当Sintg=xk/L很小时(即L足够大)，代入，得到：S暗颗粒宽度，S=XK/K相等，然后用电荷耦合器件将测量细丝直径D转换成测量S，误差分析，因为激光波长误差很小，可以忽略不计，那么，例如，He-Ne激光为632.8 nm，l=1000测量误差：线is越细，测量精度越高(D越小，S越大)， 图像传感器输出的视频信号经放大器放大后，再经峰值保持电