第4讲 CCD图像传感器new

传感器原理及应用大庆石油学院传感器原理及应用主讲人：康朝海集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用3.2光电器件-电荷耦合器件光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用CCD结构示意图显微镜下的MOS元表面一、电荷耦合器件的结构和工作原理1.基本结构CCD基本结构分两部分：（1）MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列；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，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。（2）读出移位寄存器。是由规则排列的金属—氧化物—半导体（MetalOxideSemiconductor,MOS）电容阵列组成。MetalOxideSemiconductor集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用特点：以电荷作为信号基本功能：电荷的存贮和转移CCD基本工作原理信号电荷的产生信号电荷的存贮信号电荷的传输信号电荷的检测集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用光电导效应(1)信号电荷的产生集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用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。(2)信号电荷的存储集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用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。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。电荷耦合器件的光电物理效应集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用读出移位寄存器a.CCD电荷耦合器件是以电荷为信号。b.读出移位寄存器也是MOS结构。c.由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元,在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲Φ1Φ2Φ3。（3）电荷转移原理集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用电荷转移原理动画演示CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种,以电压输出型为例：有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA）(4)电荷耦合器信号输出集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用(3)电荷耦合器信号输出、分类CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构CCD。线阵CCD结构线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位寄存器组成。读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出信息，这一过程是一个串行输出过程。二、CCD器件线阵型二、CCD器件电荷输出控制波形集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用二、CCD器件64位线阵CCD结构集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用二、CCD器件集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用二、CCD器件b.面阵电荷耦合器b．面型CCD图像传感器面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。感光区存储区析像单元视频输出输出栅串行读出(a)(b)集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用图（b）所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器。光栅报时钟二相驱动输出寄存器检波二极管视频输出垂直转移寄存器感光区二相驱动(c)集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图(b)中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生产的产品的单元数也越来越多，最多已达1024×1024像元。我国也能生产512×320像元的面型CCD图像传感器。集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用二、CCD器件对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同的。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。我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索取相关资料，为CCD器件的应用提供技术支持。器件的物理性能可以用特性参数来描述内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据；外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。2、特性参数集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。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被广泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。三、应用举例集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用•利用CCD测量几何量，CCD诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，CCD输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷；•用于传真技术，文字、图象识别。例如用CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；•自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机；集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用•CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描），与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压;•作为机器人视觉系统；•M2A摄影胶囊（Mouthanus）,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。CCD传感器应用：测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。玻璃管CCD视频信号章光电式传感器由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。成像物镜的放大倍率为β，CCD相元尺寸为t，上壁厚、下壁厚分别为n1、n2，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为N，测量结果有：1122///dntdntDNt分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。1d2dD线阵CCD进行工件尺寸测量：M2A胶囊CCD在医疗诊断中的应用