1、大慶石油學(xué)院傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用主講人：康朝海主講人：康朝海山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院3.2 光電器件-電荷耦合器件山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院基于CCD光電耦器件的輸入設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字相機(jī)、平板掃描儀、指紋機(jī)山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院CCD結(jié)構(gòu)示意圖 顯微鏡下的MOS元表面 一、電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理1.基本結(jié)構(gòu)CCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：（1）MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體） 光敏元陣列；電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬）個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。（2）讀出移位寄存器。山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院

2、MOS電容 CCD 是由規(guī)則排列的金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor,MOS）電容陣列組成。 MetalOxideSemiconductor山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2. 電荷耦合器件的工作原理CCD光信息電脈沖脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱輸出脈沖的順序可以反映一個(gè)光敏元的位置完成圖像傳感山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院特點(diǎn)：以電荷作為信號基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作原理信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的存貯信號電荷的存貯信號電荷的傳輸信號電荷的傳輸信號電荷的檢測信號電荷的檢測山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院(1)信號電荷的產(chǎn)生山西

3、工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院v 當(dāng)金屬電極上加正電壓時(shí)，由于電場作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱”。有光線入射到硅片上時(shí)，光子作用下產(chǎn)生電子空穴對，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢阱（俘獲），此時(shí)勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。(2)信號電荷的存儲(chǔ)山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電荷存儲(chǔ)原理動(dòng)畫演示山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元或一個(gè)像素，把一個(gè)勢阱所收集的光生電子稱為一個(gè)電荷包； CCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的MOS元，每個(gè)金屬電極加電壓，就形成成百上千個(gè)勢阱； 如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感

4、生出一幅與光照度響應(yīng)的光生電荷圖象。這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院v讀出移位寄存器a.CCD電荷耦合器件是以電荷為信號。b.讀出移位寄存器也是MOS結(jié)構(gòu)。c.由三個(gè)十分鄰近的電極組成一個(gè)耦合單元,在三個(gè)電極上分別施加脈沖波三相時(shí)鐘脈沖123。 （3 3）電荷轉(zhuǎn)移原理）電荷轉(zhuǎn)移原理山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電荷轉(zhuǎn)移原理動(dòng)畫演示電荷轉(zhuǎn)移原理動(dòng)畫演示山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電荷轉(zhuǎn)移原理動(dòng)畫演示電荷轉(zhuǎn)移原理動(dòng)畫演示u CCD信號電荷的輸出的方式主要有電流輸出、電壓輸出兩種,以電壓輸出型為例：有浮置擴(kuò)散放大器（FDA）、浮置柵放大

5、器（FGA） (4)電荷耦合器信號輸出山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院(3)電荷耦合器信號輸出山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 CCD器件分為線陣CCD和面陣CCD，結(jié)構(gòu)上有多種不同形式，如單溝道CCD、雙溝道CCD、幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD、行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD。v 線陣CCD結(jié)構(gòu) 線陣CCD傳感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行構(gòu)成。光敏元和移位寄存器之間有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，1024位線陣，由1024個(gè)光敏元1024個(gè)讀出移位寄存器組成。讀出移位寄存器的輸出端Ga一位位輸出信息，這一過程是一個(gè)串行輸出過程。二、CCD器件山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院二、CCD器件電荷輸出控制波形電荷輸出控制波形山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院二、CCD器

6、件6464位線陣位線陣CCDCCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院二、CCD器件山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院二、CCD器件b.面陣電荷耦合器b面型CCD圖像傳感器 面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在三種典型結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。 圖(a)所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院二相驅(qū)動(dòng)二相驅(qū)動(dòng)視頻輸出視頻輸出 行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅(qū)動(dòng)感光區(qū)溝阻P1 P2P3

7、P1 P2P3P1 P2P3 感光區(qū) 存儲(chǔ)區(qū)析像單元 視頻輸出輸出柵串行讀出(a) (b)山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 圖（b）所示結(jié)構(gòu)增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲(chǔ)區(qū)。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲(chǔ)區(qū)。在垂直回掃結(jié)束后，感光區(qū)回復(fù)到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)的整個(gè)電荷圖像向下移動(dòng)，每次總是將存儲(chǔ)區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動(dòng)以視頻信號輸出。當(dāng)整幀視頻信號自存儲(chǔ)移出后，就開始下一幀信號的形成。該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、電極簡單等優(yōu)點(diǎn)，但增加了存儲(chǔ)器。光柵報(bào)時(shí)鐘光柵報(bào)時(shí)鐘二相驅(qū)動(dòng)二相驅(qū)

8、動(dòng)輸出寄存器輸出寄存器檢波二極管檢波二極管 視頻輸出視頻輸出垂直轉(zhuǎn)移垂直轉(zhuǎn)移寄存器寄存器感光區(qū)感光區(qū)二相驅(qū)動(dòng)二相驅(qū)動(dòng)(c)山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 圖(c)所示結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將圖(b)中感光元件與存儲(chǔ)元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲(chǔ)單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)。隨后，在每個(gè)水平回掃周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)中整個(gè)電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡單，但單元設(shè)計(jì)復(fù)雜，感光單元面積減小，圖像清晰。 目前，面型CCD圖像傳感器使用

9、得越來越多，所能生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來越多，最多已達(dá)10241024像元。我國也能生產(chǎn)512320像元的面型CCD圖像傳感器。山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院二、CCD器件 對不同型號的CCD器件而言，其工作機(jī)理是相同的。 不同型號的CCD器件具有完全不同的外型結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)時(shí)序，在實(shí)際使用時(shí)必須加以注意。 我們可以通過器件供貨商或直接向生產(chǎn)廠家索取相關(guān)資料，為CCD器件的應(yīng)用提供技術(shù)支持。 山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院CCD器件的物理性能可以用特性參數(shù)來描述內(nèi)部參數(shù)描述的是CCD存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移信號電荷有關(guān)的特性,是器件理論設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；外部參數(shù)描述的是與CCD應(yīng)用有關(guān)的性能指標(biāo)主要包括以下內(nèi)容：電荷轉(zhuǎn)移效率、轉(zhuǎn)移損

10、失率、工作頻率、電荷存儲(chǔ)容量、靈敏度、分辨率。 特性山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 CCD傳感器應(yīng)用時(shí)是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導(dǎo)纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學(xué)元件結(jié)合，主要用來裝配輕型攝像機(jī)、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。 CCD應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的高新技術(shù)，作為一種非常有效的非接觸檢測方法，CCD被廣泛用于在線檢測尺寸、位移、速度、定位和自動(dòng)調(diào)焦等方面。三、應(yīng)用舉例山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院利用利用CCDCCD測量測量幾何量幾何量，CCDCCD誕生后，首先在工業(yè)檢誕生后，首先在工業(yè)檢測中制成測量長度的光電傳感器，物體通過物鏡測中制成測量長度的光電傳感器，物體通過物鏡在在CCDCCD光敏元上造成影像

11、，光敏元上造成影像，CCDCCD輸出的脈沖表征測輸出的脈沖表征測量工件的尺寸或缺陷；量工件的尺寸或缺陷；用于用于傳真?zhèn)髡婕夹g(shù)，技術(shù)，文字、圖象識別文字、圖象識別。例如用。例如用CCDCCD識識別集別集成電路焊點(diǎn)圖案，代替光點(diǎn)穿孔機(jī)的作用；成電路焊點(diǎn)圖案，代替光點(diǎn)穿孔機(jī)的作用；自動(dòng)流水線裝置，機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)監(jiān)視自動(dòng)流水線裝置，機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)監(jiān)視裝置、指紋機(jī)；裝置、指紋機(jī)；山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院CCDCCD固態(tài)圖像傳感器作為固態(tài)圖像傳感器作為攝像機(jī)或像敏器件攝像機(jī)或像敏器件，取代攝像裝置的光學(xué)掃描系統(tǒng)（電子束掃描），取代攝像裝置的光學(xué)掃描系統(tǒng)（電子束掃描），與其它攝像器件相比，尺寸小

12、、價(jià)廉、工作電與其它攝像器件相比，尺寸小、價(jià)廉、工作電壓低、功耗小，且不需要高壓壓低、功耗小，且不需要高壓; ;作為機(jī)器人視覺系統(tǒng)；作為機(jī)器人視覺系統(tǒng)；M2AM2A攝影膠囊攝影膠囊（Mouth anusMouth anus）, ,由發(fā)光二極管做由發(fā)光二極管做光源，光源，CCDCCD做攝像機(jī)，每秒鐘兩次快門，信號做攝像機(jī)，每秒鐘兩次快門，信號發(fā)射到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器取下后接入計(jì)算機(jī)將圖發(fā)射到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器取下后接入計(jì)算機(jī)將圖像進(jìn)行下載。像進(jìn)行下載。 山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)例1： 測量拉絲過程中絲的線徑、軋鋼的直徑、機(jī)械加工的軸類測量拉絲過程中絲的線徑、軋鋼的直徑、機(jī)械加工的軸類或桿類的直徑等等，這里以玻璃管直徑與壁厚的測量為例?；驐U類的直徑等等，這里以玻璃管直徑與壁厚的測量為例。玻璃管玻璃管CCDCCD視頻信號視頻信號山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間亮帶反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的亮帶反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的壁厚像。壁厚像。 成像物鏡的放大倍率為成像物鏡的放大倍率為，CCDCCD相元尺寸為相元尺寸為t t，上壁厚、下壁厚分別為上壁厚、下壁