电荷耦合器件课件

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,4.3,电荷耦合器件,电荷耦合器件（,CCD,）是一种半导体器件，,CCD,的基本功能是存储与转移信息电荷。基本原理是：在一系列,MOS,（,Metal Oxide Semiconductor,）电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。,图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生；,若所转移的电荷通过外界诸多方式得到，则其可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。,4.3,电荷耦合器件,4.3.1,电荷耦合器件的结构和工作原理,4.3.2 CCD,图像传感器,4.3.3,图像传感器的应用,4.3.1,电荷耦合器件的结构和工作原理,CCD,是一种半导体器件,MOS,电容的结构,1,金属,2,绝缘层,SiO,2,平带条件下的能带,E,c,导带底能量,E,i,禁带中央能级,E,f,费米能级,E,v,价带顶能量,平带条件：,当,MOS,电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从,体内到表面处是电中性的，因而能带,(,代表电子的能量,),从表面到,内部是平的。,加上正电压,MOS,电容的能带,(a),栅压,U,G,较小时，,MOS,电容器处于耗尽状态。,(b),栅压,U,G,增大到开启电压,U,th,时,半导体表面的费米能级,高于禁带中央能极,半导体表面上的电子层称为反型层。,有信号电荷的势阱,当,MOS,电容器栅压大于开启电压,U,G,，周围电子迅速地聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。,势阱：深耗尽条件下的表面势。,势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。,信号电荷转移,CCD,的基本功能是存储与转移信息电荷,为实现信号电荷的转换,：,1,、必须使,MOS,电容阵列的排列足够紧密，以致相邻,MOS,电容的势阱相互沟通，即相互耦合。,2,、控制相邻,MOC,电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。,3,、在,CCD,中电荷的转移必须按照确定的方向。,定向转移的实现,在,CCD,的,MOS,阵列上划分成以几个相邻,MOS,电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每,位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。,一位,CCD,中含的电容个数即为,CCD,的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为,CCD,的位数。,通常,CCD,有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。,当这种时序脉冲加到,CCD,的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。,三相,CCD,信息电荷传输原理图,CCD,电荷的产生方式,电压信号注入,CCD,在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。,CCD,通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。,光信号注入,CCD,在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。,(a),选通电荷积分输出电路,(b),驱动时钟波形和输出波形,CCD,的信号输出结构,4.3.2 CCD,图像传感器,它利用了,CCD,的,光电转移,和,电荷转移,的双重功能。,当一定波长的入射光照射,CCD,时，若,CCD,的电极下形成势阱，则光生少数载流子就积聚到势阱中，其数目与光照时间和光照强度成正比，使用时钟控制将,CCD,的每一位下的光生电荷依次转移出来，分别从同一输出电路上检测，则可得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在,CCD,上的光学图像转移成了电信号“图像”。,由于,CCD,能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的,致性，故对图像的传感具有优越的性能。,CCD,图像传感器按光敏元件排列方式结构可分为,线列阵器件和面列阵器件,两大类。基本组成部分是光敏元件阵列和电荷转移器，各具有不同结构和用途。,线列阵,CCD,是将光敏元件排列成直线的器件，由,MOS,的光敏元件阵列、转移栅、读出移位寄存器三部分组成，并分三个区排列，光敏单元与,CCD,移位寄存器一一对应，光敏单元通过转移栅与移位寄存器相连。,图,(a),为单排结构，用于低位数,CCD,传感器。图,(b),为双排结构，分为,CCD,移位寄存器,1,和,CCD,移位寄存器,2,。奇、偶数位置上的光敏单元收到的光生电荷分别送到移位寄存器,1,、,2,串行输出，最后上、下输出的光生电荷合二为一，并恢复原来顺序。显然，双排结构的图像分辨率是单排结构的两倍。,(1),线列阵,CCD,图像传感器,(a),单排结构,(b),双排结构,当光敏元件进行嚗光后产生光生电荷。在转移柵作用下，将光生电荷耦合到各自对应的,CCD,移位寄存器中去，这是一个,并行转换,过程。然后光敏元件进入下一嚗光周期，同时在时钟作用下，从,CCD,移位寄存器中依次输出各位信息直至最后一位，这是一个,串行输出,的过程。,可见，线列阵,CCD,器件输出的信息是一个个脉冲，脉冲幅度取决于对应光敏单元上的受光强度，而输出脉冲的频率则和驱动时钟频率一致。,线阵列,CCD,原理,面列阵,CCD,图像传感器按,X,、,Y,两个方向，实现了二维图像。它把光敏单元按二维矩阵排列，组了一个光敏元面阵。,面列阵,CCD,按传输方式分为,场传输,面列阵,CCD,和,行传输,面列阵,CCD,两种。,（,2,）面列阵,CCD,图像传感器,场传输面列阵,CCD,结构,由光敏元面阵、存储器面阵、读出寄存器三部分组成。,当光敏元面阵曝光后，产生光生电荷，在转移脉冲作用下，将光敏元面阵区的光生电荷，全部迅速地转移到对应的存储区暂存，因为存储器面阵上覆盖了一层遮光层，可防止外来光线的干扰。然后光敏元面阵进入下一次曝光周期，同时存储器面阵里存储的光生电荷信息从存储器底部开始向下，一排排地移到读出寄存器中，每向下移动一排，在时钟作用下，就从读出寄存器中顺序输出每行中各位的光信息。,场传输面列阵,CCD,结构和原理,由光敏元件、存储器、转移栅、读出移位寄存器四部分组成。,一行光敏元件，一行不透光的存储器元件交替排列，一一对应，二者之间由转移栅控制，最下部是一个水平读出移位寄存器。当光敏元件进行嚗光后，产生光生电荷，在转移栅的控制下，光生电荷并行转移到存储器中暂存，然后光敏元件进入下一次曝光周期，同时存储器里的光生电荷信息移到读出移位寄存器中，在时钟作用下，从读出移位寄存器中顺序输出每列中各位的光信息。,行传输面列阵,CCD,结构,行传输面列阵,CCD,结构和原理,4.3.3,图像传感器的应用,1,尺寸测量,2,用于光学文字识别装置,当所用光源含红外光时，可在透镜与传感器间加红外滤光片。,线列阵,CCD,图像传感器测量物体尺寸的基本原理,1.,尺寸测量,(4.3.1),式中，,f,为透镜焦距；,a,为物距；,M,为倍率；,n,为线列阵,CCD,图像传感器的像素数；,p,为像素间距。,若选定透镜,(,即焦距,f,，视场长度,l,1,已知,),，已知物距为,a,，那么所需传感器的长度,l,2,可由下式求出：,(4.3.2),代入式（）可得：,可见，测量精度取决于线列阵,CCD,传感器的像素数与透镜视场的比值。为提高测量精度应当选用像素多的传感器，并且尽量缩小视场，以便能够测到被测对象的长度范围大。,利用几何光学知识可推导出被测对象长度,L,与系统各参数之间的关系式为,尺寸测量原理,图像传感器还可用作光学文字识别装置的“读取头”。,光学文字识别装置,(,简称,OCR),的结构原理如下图。主要由光源、红外滤光片、透镜、图像传感器、后向处理电路等组成。其中，,OCR,的光源可用卤素灯，光源与透镜间设置红外滤光片以消除红外光影响，每次扫描时间为,300s,，故可做到高速文字识别。,把,OCR,的“读取头”传感过来的信号放大后，经,A/D,变换后的二进制信号通过特别滤光片后，文字更加清晰，然后把文字逐个断切出来。经过上述前置处理后，以固定方式对各个文字进行特征抽取。最后将抽取所得特征与预先置入的诸文字特征相比较，以判断与识别输入的文字。,2.,用于光学文字识别装置,OCR,原理,OCR,的原理,