电荷耦合器件.ppt

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1、电荷耦合器件电荷耦合器件（Charge-CoupledDevices）是70年代发展起来的一种新型器件。它将MOS光敏单元阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图像传感器。CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。电荷耦合器件应用领域：摄像机、广播电视、可视电话、传真、自动检测、控制、军事、医学、天文、遥感。车身检测、钢管检测、芯片检测、指纹检测、虹膜检测、显微镜改造、工件尺寸及缺陷检测、刀仪、复杂形貌测量等。优点固体化、体积小、重量轻、功耗低、可

2、靠性高、寿命长图像畸变小、尺寸重现性好光敏单元之间几何尺寸精度高，可得到较高的定位精度和测量精度，具有较高分辨力自扫描，具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围视频信号便于与微机接口一、CCD的工作原理（一）信息电荷的产生和存储图7-15MOS光敏元的结构原理图MOS光敏元：在半导体基片上（如P型硅）生长一种具有介质作用的氧化物（如二氧化硅），又在其上沉积一层金属电极，形成的金属—氧化物—半导体结构。（a）、在栅极（金属电极）加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。（b）、当在金属电极上施

3、加一正向电压时，在电场的作用下，P型硅区域里的空穴被赶尽，从而形成一个耗尽区，也就是说，对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，称为势阱（c）、当有光线入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅片上就会产生电子和空穴，光生电子被附近的势阱所俘获，而同时光生空穴则被电场排斥出耗尽区。此时势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。这样的一个MOS结构元称为MOS光敏元或叫做一个像素，把一个势阱所收集的若干光生电荷称为一个电荷包。通常在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立的MOS光敏元，如果

4、照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏元就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。（二）读出移位寄存器是电荷图像的输出电路，也是MOS结构，由金属电极、氧化物和半导体，以及遮光层组成。由三组（也有二组、四组等）邻近的电极组成一个耦合单元（传输单元），在这三个电极上分别施加脉冲波Φ1、Φ2、Φ3信息电荷的转移二、CCD的结构（一）线阵电荷耦合摄像器件线阵电荷耦合器件是光敏元排列成直线的器件，由MOS光敏元阵列、转移栅和读出移位寄存器等部分组成。输入二极管VD1与输入栅Gi组成电荷注入电

5、路，放大管V1、复位管V2、输出二极管VD2组成输出电路，完成信号电荷到信号电压的转换。（二）面阵电荷耦合摄像器件面阵电荷耦合器件是把光敏元等排列成矩阵的器件图为场转移面阵电荷耦合器件结构示意图，由一个光敏元面阵、存储器面阵和读出移位寄存器（线阵）组成。光敏元面阵可视作为由若干列线阵电荷耦合器件组成、存储器面阵可视为由若干列线阵读出寄存器组成。三、CCD应用举例尺寸测量图7-20工件尺寸测量系统L——工件尺寸N——覆盖的光敏单元数d——相邻光敏单元中心距离1/M——放大率物体缺陷检测图7-21钞票检查

6、系统原理图只要缺陷与材料背景相比有足够的反差，并且缺陷面积大于两个光敏单元时，CCD图像传感器就能发现。光栅传感器结构原理莫尔条纹细分技术光栅传感器什么是光栅？在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。abW光栅传感器-栅距透射光栅示意图abW在直光栅中a为栅线的宽度，b为栅线间宽，W=a+b称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。特点精度高大量程测量兼

7、高分辨力可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化具有较强的抗干扰能力高精度光栅的制作成本高应用工具显微镜、三坐标测量、机床、数控机床、测振动、速度、应力、应变等。光栅传感器光栅数字传感器主要由光源、标尺光栅、指示光栅和光电器件等组成。透射式光栅计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。反射式光栅按应用类型：长光栅和圆光栅长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，刻线相互平行；用于测量长度或线位移圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.光栅数字传感

8、器功能主要用于线位移和角位移的测量。还可以扩展到速度、加速度、振动、质量和表面轮廓等方面。光栅数字传感器的原理：莫尔条纹标尺光栅指示光栅莫尔条纹形成当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时，由于挡光效应(当线纹密度≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度≥100条/mm时)，在与光栅线纹大致垂直的方向上(两线纹夹角的等分线上)产生出亮、暗相间的条纹——称为“莫尔条纹”。莫尔条纹演示横向莫尔条纹光闸莫尔条纹纵向莫尔条纹——两光栅的栅线夹角θ很小，