CCD工作原理

（1）电荷存贮在栅极未施加电压时，P型半导体分布均匀的空穴（多数载流子）－栅极加正向电压，空穴远离栅极，形成耗尽层－电压提高，耗尽层扩散，形成反型层（电子被表面势吸引，极薄，密度极高）－反型层形成时的外加电压称为阈值电压－MOS电容的衬底材料由P型换成N型，偏置电压也反号，则反型层为空穴－深度耗尽状态，CCD工作状态（因为少数载流子缺乏，反型层不能立即形成）CCD工作原理表面势与栅极电压的关系•氧化层厚度对表面势的影响•同样栅极电压下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势（2）电荷耦合－电极电压的变化使得电荷从一个势阱转移到另一个势阱－CCD电极间的距离必须很小,才能保证电荷的转移•势阱产生－势阱合并－电荷转移－电荷共有－电荷转移－势阱及电荷转移一个位置。•电荷包的转移是由势阱的不对称和势阱耦合引起的3）电荷的注入和检测•光注入：当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的体内产生电子-空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被其收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又可分为正面照射式及背面照射式。CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。•光注入的电荷量Neo与入射的光谱辐射通量成线性关系hNAtqNQeeoceoin,•检测二极管、二极管偏置电阻、源极输出放大器和复位场效应管等构成•CR2下的势阱－输出栅下的势阱－反向偏置二极管（相对于深势阱）－产生电流Id–Qs＝Iddt•Id使得A点的电位变化，反应注入到二极管电荷量的大小•通过隔直电容检测出A点的电位变化，就可以检测出电荷量的大小电荷的检测（输出方式）CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，但在输出端则不可避免。•R太小，信号电荷的持续时间太短，不利于检测；R太大，利于信号电荷的检测，但容易产生不同周期内，信号电荷的重叠•复位电路的作用：在转移脉冲的一个周期的末端，使场效应管导通，将剩余电荷流向电源，避免信号电荷的重叠，保持A的初始高电平电荷的检测（输出方式）CCD摄像原理•电荷耦合摄像器件•ICCD摄像器件具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点，且具有分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面的优越性•CCD摄像器件在文件复印、传真，零件尺寸的自动测量和文字识别等民用领域；在空间遥感遥测、卫星侦察、导弹制导及潜望镜水平扫描摄像机等军事侦察系统中都发挥着重要作用。•ICCD有两大类型：线型和面型。N型沟道三相线阵CCD摄像原理实际结构是把光敏的CCD和读出的移位寄存器分开在Φ1下的耗尽区内由于光学的本征激发产生电子空穴对，（光）电子将作为少数载流子在Φ1势阱之中。光束是通过透明电极或电极之间进入半导体的，所激发出来的光电子数与光强有关，也与积分时间长短有关。于是光强分布图就变成CCD势阱中光电子电荷量分布图。积分完毕后，电极上的电压变成三相重叠的快速脉冲，把电荷包依次从输出端读出。（1）面阵CCD摄像器件分成三个区域：成像区、存贮区和读出移位寄存区。（2）每读出一行以后，存贮区再转移一行。如此重复，直到全部像素被输出。在存贮区信号逐行输出的同时，成像区中另一电极正处于合适电压，对光强进行积分，这样隔行成像分辨率高。（1）面阵CCD摄像器件分成三个区域：成像区、存贮区和读出移位寄存区。（2）每读出一行以后，存贮区再转移一行。如此重复，直到全部像素被输出。在存贮区信号逐行输出的同时，成像区中另一电极正处于合适电压，对光强进行积分，这样隔行成像分辨率高。面阵CCD摄像器件的特性分辨率CCD的分辨率主要取决于CCD芯片的像素数、像素尺寸、像素的密度同时还受到转移传输效率的影响。分辨率通常用电视线（TVL）表示。高集成度的光敏单元可获得高的分辨率，采用一些新的工艺结构，例如双层结构，将光电转换层和电荷转移层分开，可提高灵敏度和饱和信号的电荷量。灵敏度：单位光功率产生的信号电流影响灵敏度的因素：开口率，（感光单元面积与一个像素总面积之比）、感光单元电极形式和材料、CCD内的噪声面阵CCD摄像器件的特性噪声和动态范围动态范围：输出端峰值电压与均方根噪声电压之比动态范围由它的信号处理能力和噪声电平决定，反映了器件的工作范围，取决于势阱能收集的最大电荷量与受噪声限制的最小电荷量之差。噪声：半导体的热噪声、CCD芯片的放大噪声，放大器的输入电容。暗电流：热激励产生的电子－空穴对形成，是随机噪声。光谱灵敏度：光敏单元在可见光谱内响应较均匀。光谱响应：微光，红外光，可见光一、PSD工作原理PSD的结构一维PSD工作原理①外部引出端子②外封装③PN结④窗口①入射光点，②受光面（电阻层），③输出电极1，④输出电极2，⑤电流1，⑥电流2，⑦正电荷移动，⑧负电荷移动一维PSD的位置检测入射光在半导体内产生正负等量电荷，即通过PN结在入射点附近的P层产生正电荷，在N层产生负电荷。P层不均匀的正电荷形成电流，引出端输出与到输出电极距离成反比的电流。LxLII01012IIILxIII21215只要测出频率，就可以得到转速带孔的盘带锯齿的盘带黑白反射块的盘转速计测量原理mfn60光电探测器件：光电池、光敏二极管或光敏三极管，光源：发光二极管16系统构成电路转换：放大器、计数器发光二极管光敏探测器光学调制系统17当长光栅固定，指示光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹就变化一个周期。一般情况下指示光栅与工作台固定在一起。通过对指示光栅和长光栅形成的莫尔条纹计数得到工作台前后移动的距离。指示光栅移动的距离x：x=NP+δP为光栅栅距，N为指示光栅移动距离中包含的光栅线对数，δ小于一个光栅栅距的小数。（1）简单的莫尔条纹测长仪只对指示光栅移过的光栅线对数N进行计数；（2）实际系统利用电子细分方法将莫尔条纹的一个周期细分。莫尔条纹测长原理18细分判向原理（1）四倍频细分透镜读数头1、灯泡2、聚光镜3、长光栅4、指示光栅5、四个柱面聚光镜6、狭缝7、四个光电二极管19（2）读数头构成特点及信号处理过程（1）四个柱面聚光镜布置在莫尔条纹的一个周期内，接受光栅透过的光能，它们相互之间相差1/4个莫尔条纹周期。（2）在每个柱面聚光镜的焦点上布置一个光电二极管，进行光电转换。（3）指示光栅移动一个栅距，莫尔条纹变化一个周期，则四个光电二极管分别输出相位差为90度的近似正弦信号，该信号整形后得到相差90度的方波脉冲信号（4）莫尔条纹变化一个周期，计数器中的到4个方波脉冲，提高分辨力20脉冲激光测距仪测距原理由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收系统接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来算出目标的距离。tcL2L为目标距离，2L为光脉冲往返所走过的距离。t为光脉冲往返所经过的时间。21脉冲激光测距仪发射系统接收系统接收光学系统光电探测器低噪声宽带放大器整形电路门控电路时钟脉冲振荡器计数显示器激光器：LD，ND：YAG（调Q/锁模）电源发射望远系统物镜小孔光阑干涉滤光片22脉冲测距仪步骤(1)开关15闭合：清计数器13；置触发器8、9为1,即Q[8]＝1,O[9]=1；发射激光脉冲。(2)取样参考信号回波：使触发器8置0，即Q[8]=0,打开异或门11，计数器13计数。(3)测量信号回波：同或门10使得信号负脉冲可以通过，置触发器9为0，关闭11，13停止计数。cnctL2223发射系统发射系统一般由激光器、电源和发射望远系统组成。激光器输出的光脉冲峰值功率极高，峰值功率在兆瓦量级，脉冲宽度在几十毫微秒量级。发射望远系统是倒置的伽利略望远镜，它可使激光的发散角进一步压缩，一般输出激光发散角在（10e-2~10e-3）rad范围以内。单位立体角的光能量得到提高，目标所得到的照度也相应提高，有利于提高作用距离。24接收系统接收系统由接收光学系统、光电探测器、低噪声宽带放大器和整形电路组成。接受系统包括接收物镜、小孔光阑及干涉滤光片光电探测器：光电探测器把光信号转变成电信号，再经过低噪声宽带放大器送到整形电路。25系统分析光源：不同测试要求对光源的要求增强信号的光学方法的考虑：光电探测系统的光谱响应和响应时间测量分辨率分析•时钟振荡频率•激光脉冲的上升时间影响系统测量精度的因素系统的噪声分析26相位测距原理（1）发射系统发射按频率f0变化的正弦调制光波（2）接收系统得到调制的光波回波，并转换成与其频率完全相同的电信号（3）测得发射与接收光波之间的相位差（角），即可测得距离反射棱镜相位激光测距仪27（2）计算过程：0t021cL00012()()22NLcLNLNN002/fcL2/N，其中φ为相位差角，ω0为光波调制频率（1）相位和时间的关系（2）（3）其中，称为光尺；问题：相位计只能测量尾数，不能测量周期数28（3）“多尺”测量的概念（注意相对精度）解决办法29相位测距原理（1）发射系统发射按频率f0变化的正弦调制光波（2）接收系统得到调制的光波回波，并转换成与其频率完全相同的电信号（3）测得发射与接收光波之间的相位差（角），即可测得距离反射棱镜相位激光测距仪30（2）计算过程：0t021cL00012()()22NLcLNLNN002/fcL2/N，其中φ为相位差角，ω0为光波调制频率（1）相位和时间的关系（2）（3）其中，称为光尺；问题：相位计只能测量尾数，不能测量周期数31（3）“多尺”测量的概念（注意相对精度）解决办法32相位测距仪原理（1）为某频率的正弦电流驱动发光二极管输出同相位正弦变化的光波。（2）两个测尺，频率分别为f1=15MHz,,f2=150kHz（3）两个本振信号为f1-fc,f2-fc(fc=4kHZ)（4）主振信号与本振信号混频后得到低频信号，但保持高频的相位。33测量误差分析及校正实际仪器中电路各环节总会有时间延迟而引入相移，仪器内部光学系统中有一段光路长度，并且光学零件有折射率等，这些相移将引入误差误差校正在测量以前，光路转换设备将三角棱镜移近发光二极管前面，对内光路测一次，然后把这个测量结果在正式测距结果中减去，就可得到校正值。347.4激光多普勒测速仪（1）激光多普勒测速仪（简称LDV）是利用激光多普勒效应来测量流体或固体运动速度的一种仪器。因其大多用在流速测量方面，也称为激光测速计或激光流速计（简称LD）。概述35（2）激光测速仪利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息。由于流体分子的散射光很弱，为了得到足够的光强，需要在流体中悬浮有适当尺寸和浓度的微粒起示踪作用。（3）激光测速仪实际测得的是这些悬浮微粒的运动速度。多数自然微粒能够较好跟随流体流动。人工散播的微粒在微米数量级时，可以兼顾流动的跟随性和激光多普勒测速要求。36（4）光源与探测器处于相对运动状态时，探测器所接收到的光频率将发生变化。（5）光源固定，光波从运动的物体散射或者反射并由固定的探测器接收时，光频率也将发生变化。（6）多普勒频移与物体运动速度的方向、大小以及探测器的探测方位有关系。37激光多普勒测速仪的组成激光多普勒测速仪示意图激光多普勒测速仪由激光器、光学系统、信号处理系统等部分组成。38（1）激光器多普勒频移相对光波频率来说变化很小，因此，必须用频带窄及能量集中的激光作光源。为便于连续工作，通常使用气体激光器，如He-Ne激光器或氩离子激光器。He-Ne激光器功率较小，适用于流速较低或者被测粒子较大的情况；氩离子激光器功率较大，信号较强，应用最广泛。39（2）光学系统LDV按光学系统的结构不同，可分为双散射型、参考光束型和单光束型三种光路。前向散射光路图40光学系统分发射和接收两部分。发射部分由分束器及反射器S把光线分成强度相等的两束平行光，然后通过会聚透镜L1聚焦在待测粒子P上，接收部分用接收透镜L2把散射光束收集，送到光电接收器PM上。为避免直接入射光及外界杂光也进入接收器，在相应位置上设有挡光器R及小孔光阑D。41激光多普