§3.2光电信息转换集成器件 5322电荷合器(CCD) 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MO光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等第 部分组成 MOS光元的工作原理 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(SO2),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) 章光电信息 层所组成,故称MOS结构 移位寄存器 换 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 的千扰。 第三堂上回首页下一回大页结束回写上一艺
1 第 三 章 光 电 信 息 转 换 第三章上一页回首页下一页回末页 结束 ☺ §3.2.2 电荷耦合器（CCD） 回目录 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
§3.2光电信息转换集成器件 5322电荷合器(CCD) ⊙|=单的的向 般下的势阱。但如何解决光敏区中的光敏单元数与器 存器的。 如图,光敏区中产生的电荷,由转移门Z控制转移至a12)章 寄存器的传输单元 光 数相等,而转移电 电 极2只有一个矛盾呢?WH, 现以A截面的电t 极为例进行分析 图 咽 换 把AA截面的电极 旋转90后画于图U A-A 3.2.2-5 移位器 第三营上回页下一回大页结束回写灵
2 第 三 章 光 电 信 息 转 换 第三章上一页回首页下一页回末页 结束 ☺ §3.2.2 电荷耦合器（CCD） 回目录 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
§3.2光电信息转换集成器件 5322电荷合器(CCD) 光积黑 图.3.2.2-5Ua、Ux、Ua的波形 第三章光电信息转换 由图中可看出,从t到t光敏单元a1中的电荷己转移至a1极 下的势阶。同理,光敏单元a1、a2an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) 第三营上回页下一回大页结束回写灵
3 第 三 章 光 电 信 息 转 换 第三章上一页回首页下一页回末页 结束 ☺ §3.2.2 电荷耦合器（CCD） 回目录 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）
§3.2光电信息转换集成器件 5322电荷合器(CCD) 移位寄存器a1、b1、c1:a2、b2、C2 进 移位(电荷传输),各自执行自己的任务 光敏单元a中的电荷不移至b1和c1极下,是靠制造适当 第 的沟道及b1、c极上加适当的电压来实现的。当t=t1时,转 移电极Z加正脉冲,这时U=U,U=0,U=0,即这时章 b、c极下不产生势阱,因此a中的电荷沿沟道转移至a1极 光 下的势阱。 电 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。 换 第三营上回页下一回大页结束回写灵
4 第 三 章 光 电 信 息 转 换 第三章上一页回首页下一页回末页 结束 ☺ §3.2.2 电荷耦合器（CCD） 回目录 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＝t 1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
§3.2光电信息转换集成器件 5322电荷合器(CCD) 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,它主要用于电视第 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。 章光电 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/息 方式 换 ⑧|1CD=放大值化处理一计数 2.CCD一放大一滤波一比较整形一高频填脉冲一计数 3.CCD放大一同步采样保持一高速A/D转换一存储一计 算机图象处理 4.CCD一放大一滤波一变成全电视信号一存储(面阵CCD) 第三营上回页下一回大页结束回写灵
5 第 三 章 光 电 信 息 转 换 第三章上一页回首页下一页回末页 结束 ☺ §3.2.2 电荷耦合器（CCD） 回目录 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）
§3.2光电信息转换集成器件 5322电荷合器(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3.22-7所示。 第 CD 章光电信息 ↑↑↑↑↑↑↑↑↑ 换 TccD测量细丝直径 设所用的CCD有N个光敏元,每个光敏元的大小为 13,计数器计数为N,则细丝直径D为: D=13(No-N) 第三营上回页下一回大页结束回写灵
6 第 三 章 光 电 信 息 转 换 第三章上一页回首页下一页回末页 结束 ☺ §3.2.2 电荷耦合器（CCD） 回目录 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）
§3.2光电信息转换集成器件 5322电荷合器(CCD) 在上述测量中,由于是用 脉冲计数测量,故光源 波动对测量精度影响不大, 第 细丝的抖动也不影响测量y 精度,故可达到较高的汲 量精度。如需要测量达到 更高的分辨率,可用光学x 放大,如图322-8所示。 章光电信息 如kxy=1/13,则实际上 放大了13倍,此时 换 D=13k(NO-NO=(NO-N) 注意,采用光学放大后 细丝在垂直于CD反向的图3.2.2-8光学放大示意图 抖动将影响测量精度 第三营上回页下一回大页结束回写灵
7 第三章光电信息转换 第三章上一页回首页下一页回末页 结束 ☺ §3.2.2 电荷耦合器（CCD ） 回目录 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(N 0 - N 0=(N 0 -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 ）
§3.2光电信息转换集成器件 5322电荷合器(CCD) 如测量大物体,可用二块 CCD,距离固定为L(如图 CCD 1 CCD 2 3229所示),假定CCD 第 的计数值为N1,CCD2的计 数值为N2,则 D=L3N1+13(N0-N2) 测量大物体也可用面阵 章光电信息 CCD进行摄像测量,再用计 算机进行数字图象处理得 换 到处理结果。但测量精度 要比用线阵CD测量差些。图3.2.2-9cCD测量大物体 第三堂上回首页下一回大页结束回写灵3.3
8 第三章光电信息转换 第三章上一页回首页下一页回末页 结束 ☺ §3.2.2 电荷耦合器（CCD ） 回目录 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 N 1 ，CCD2的计 数值为 N 2，则 D ＝ L －3N 1+13(N 0 - N 2 ) 测量大物体也可用面阵 CCD进行摄像测量，再用计 算机进行数字图象处理得 到处理结果。但测量精度 要比用线阵CCD测量差些。 3.3