华东理工大学概率论6讲义

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1、1,CCD(Charge Coupled Device)- 电荷耦合元件 一种半导体器件 - 光学影像转化为数字信号 CCD 上植入的微小光敏物质 - 称像素（Pixel) CCD 上包含的像素数越多 - 提供的画面分辨率越高,4.6.2 CCD 图像传感器,2,CCD (电荷耦合元件）作用 光信号 - 转换成电荷信号 CCD 上 - 有许多排列整齐的光电二极管 能感应光线 - 光信号转换成电信号 经外部采样放大及模数转换电路 - 转换成数字图像信号,3,1.CCD 图像传感器 - 基本结构和工作原理 (1)基本结构 CCD 单元结构(图 34),4,(2)电荷存储的原理 以其建构的 P 型硅

2、半导体 - 为例 金属电极（或称栅极）上 - 加正偏向电压 Ug 时（衬底接地） 正电压 Ug - 超过 MOS 晶体管的开启电压 由此形成的电场穿过氧化物（SiO）薄层 - 在 Si-SiO 界面处的表面势能发生相应的变化 半导体内的电子吸引到界面处来，从而在表面附近形成一个带负电荷的耗尽区 - 也称表面势阱,5,带负电的电子来说 - 耗尽区是个势能很低的区域 若此时 - 有光照射在硅片上 光子作用下 - 半导体硅产生电子-空穴对 产生的光生电子 - 被附近的势阱所吸收 势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比，存储了电荷的势阱 - 被称电荷包 同时产生的空穴 - 被电场排斥

3、出耗尽区,6,(3)电荷转移 - 电荷转移过程(图 35),7,电荷在两栅极间转移的过程 图 a) 三相时钟脉冲 - 随时间变化波形图 图 b) 三相时钟脉冲 - 控制转移存储电荷的过程,8,三相时钟脉冲 - 为例 MOS 光敏元电极 - 分为三组 图 b)中 MOS 元电极序号 1，4 - 由时钟脉冲 控制 MOS 元电极序号 2，5 - 由时钟脉冲 控制 MOS 元电极序号 3，6 - 由时钟脉冲 控制,9,2.电荷的注入和输出 (1) 电荷的注入方法 CCD 电荷的注入方法 - 有 电注入 光注入,10,电荷注入方法(图 36),11,(2)电荷的输出方法 CCD 的信号电荷传输到输出端

4、 - 被读出的方法有 1)利用二极管的输出结构 2)浮置栅 MOS 管输出结构,12,1)利用二极管的输出结构(图 37),13,2)浮置栅 MOS 管输出结构(图 38),14,时钟脉冲的作用下 信号电荷包 - 通过输出栅 OG 被浮置扩散结收集 收集的信号电荷 - 成为控制 MOS 场效应晶体管的 VF2（集成在基片上）的栅极电压 MOS 管组成的源极跟随器的输出端 - 获得随信号电荷变化的输出电压 U0,15,3.线阵与面阵图像传感器 (1)电荷耦合图像传感器 - 可分（从结构） 线阵 CCD 用于 - 获取线图像的 面阵 CCD 用于 - 获取面图像的,16,线阵 CCD 主要用于 产

5、品外部尺寸 - 非接触检测 产品表面质量 - 评定 传真和光学文字 - 识别技术 面阵 CCD 主要用于 摄像领域 绝大数领域 - 面阵 CCD 已取代普通的光导摄像管,17,(1)线阵 CCD 图像传感器 可以接受 - 一维光信号 不能直接 - 二维图像转换为一维的电信号输出 为得到 - 二维图像的输出 必须用扫描的方式来实现,18,线阵 CCD 传感器 - 组成 光敏区 转移栅 模拟位移寄存器 偏置电荷电路 输出栅和信号读出（检测）电路,19,线阵 CCD 图像传感器 - 基本形式 单沟道线阵 CCD 图像传感器 双沟道线阵 CCD 图像传感器,20,有 个光敏单元的线阵 CCD 图像传感

6、器结构(图 39),21,有 个光敏单元的线阵 CCD 图像传感器结构 光敏区 - 由 个光敏单元排成一列 每个单元为 - MOS 电容结构 用透明的低阻多晶硅薄条作为 个 MOS 电容的共同电极 - 称光栅 MOS 电容的衬底电极为半导体 P 型单晶硅 在硅表面相邻单元用沟道隔开 - 以保证 个 MOS 电容相互独立,22,转移光栅 与光栅 一样 - 做成长条结构 位于 - 敏感光栅和 CCD 之间 用来控制 - 光敏单元势阱中的信号电荷向 CCD 中转移的,23,CCD 移位寄存器在排列上 维 CCD - 与 个光敏单元一一对齐 各光敏单元通向 CCD 的各转移沟道之间 - 有沟阻隔开 使

7、之只能 - 通向每位 CCD 中的某一相 由移位传感器 - 将信号按序输出,24,一般 - 使信号转移时间小于摄像时间（光积分时间） 光敏单元势阱收集光信号电荷 - 经过一定的积分时间 形成 - 与空间分布的光强信号对应的信号电荷图像 积分周期结束时 - 转移栅打开 各光敏单元收集的信号电荷 - 并行地转移到 CCD 移位寄存器的相应单元中,25,转移栅 - 关闭后 光敏单元开始对下一行图像信号 - 进行积分 已转移到移位寄存器内上一行信号电荷 通过移位寄存器 - 串行输出 如此 - 从复上述过程,26,(2)面阵 CCD (电荷耦合元件）图像传感器 面阵 CCD 图像传感器感光单元 - 呈二

8、维矩阵排列 能检测 - 二维平面图像 由 - 传输与读出方式不同 面阵图像传感器 - 有许多类型,27,面阵 CCD (电荷耦合元件）图像传感器 - 常见方式 行传输 帧传输 行间传输,28,面阵 CCD 图像传感器的结构(图 40),29,行传输（LT）面阵 CCD 结构 - 图 40 a 由选址电路、感光区、输出寄存器（即普通机构 CCD) - 组成 感光区 - 光积分结束后 由行选址电路分别一行行地将信号电荷通过输出寄存器 - 转移到输出端,30,行传输的缺点 需要选址电路 - 结构较复杂 电荷转移过程中 - 光积分还在进行 会产生 - “拖影” 采用 - 较少,31,帧传输（FT）面阵

9、 CCD 结构 - 图 40 b 由感光区、暂存区、输出寄存器 - 组成 感光区 - 完成光积分后 先将信号电荷 - 迅速转移到暂存区 然后再从暂存区一行一行地将信号电荷通过输出寄存器 - 转移到输出端 由这种结构时钟电路简单 - 拖影问题比行传输小,32,行间传输图像传感器结构 - 图 40 c 特点 - 感光区和暂存区行与行相间排列 感光区 - 结束光积分后 同时将每列信号电荷 - 转移入相邻的暂存区中 然后再进行 - 下一帧图像的光积分 并同时将暂存区的信号电荷 - 逐行通过输出寄存器转移到输出端,33,行间传输图像传感器结构 - 优点 不存在 - 拖影问题 但这种结构 - 不适宜从光背

10、面照射,34,4. CCD 图像传感器的特性参数 CCD 的性能参数 - 包括 灵敏度 分辨率 信噪比 光谱响应 动态范围 暗电流,35,(1)光电转换特性 曝光量 - 等于光强乘以积分时间 - 光强 - 积分时间 即起始脉冲的周期,36,CCD 光电转换特性(图 41),37,(2) 灵敏度和灵敏度不均匀性 CCD 传感器的灵敏度或称量子效率 标志 - 器件光敏区的光电转换效率 用在一定光谱范围内 - 单位曝光量下器件输出的电流或电压表示 实际 - 图 41 中 CCD 光电转换特性曲线的斜率 器件的灵敏度,38,实际 - 由半导体材料不均匀和工艺条件因素的影响 均匀光照下 - CCD 的输

11、出幅度出现不均匀现象 通常用 NU 值表示 - 其不均匀性 定义,39,(3) 光谱响应特性 光谱响应特性 - 表示 CCD 对于各种单色光的相对响应能力 响应度最大的波长 - 称峰值响应波长 通常响应度等于峰值响应 50% 所对应的波长范围 - 称波长响应范围 图 42 - 使用硅衬底的不同像元结构的光谱响应曲线,40,CCD 的光谱响应特性(图 42),41,(4) 暗电流特性和动态范围 CCD 在既无光注又无电注入的情况下的输出信号 - 称暗信号 暗信号 - 由暗电流引起 CCD 传感器的动态范围 DR 饱和输出信号（最亮色调）与最暗信号的比值,42,产生暗电流的原因 - 在于半导体的热

12、激发 主要 - 包括 耗尽层产生复合中心的热激发 耗尽层边缘的少数载流子的热扩散 界面上产生中心的热激发,43, 耗尽层产生复合中心的热激发的影响 主要的 暗电流 - 受温度的强烈影响且与积分时间成正比 为减少 - 暗电流的影响 应尽量缩短 - 信号电荷的积分时间和转移时间,44,(5) 分辨率 用来表示 - 能够分辨图像中明暗细节的能力 分辨率 - 通常有两种表示方法 极限分辨率 调制传递函数 为客观地表示 - CCD 传感器的分辨率 一般采用 - 调制传递函数（Modulation Transfer Function,MTF)来表示,45,调制传递函数（MTF）- 定义 各个空间频率下 -

13、 CCD 输出信号的调制度 与输入信号的调制度 的比值 即 - 空间频率,46,(6)转移效率和工作效率 1)转移效率 CCD 中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时 - 转移效率定义为 - 转移一次后的电荷量 - 原始电荷量,47,同样 - 可定义转移损耗 信号电荷进行 N 次转移时 - 总效率,48,2)工作效率 CCD 的下限工作频率 - 主要受暗电流限制 电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间 - 须小于载流子的寿命 三相 CCD - 转移时间 即,49,CCD 器件的上限工作频率 - 主要受电荷转移快慢限制 电荷在 CCD 相邻像元之间移动所需要的平均时间 - 称转移时间 为使 -

14、电荷有效转移 对于三相 CCD - 转移时间应为 即,50,(7) CCD 的噪声 CCD 的噪声源 - 可归纳为 散粒噪声 暗电流噪声 转移噪声,51,散粒噪声 光注入光敏区 - 产生信号电荷的过程 可看作 - 独立、均匀连续发生的随机过程 单位时间内光产生的信号电荷数并非绝对不变 - 在一个平均值上作微小波动 微小的起伏便形成散粒噪声 - 又称白噪声 散粒噪声与频率无关 - 很宽的范围内都有均匀的功率分布,52,5. CCD 应用举例 (1)尺寸自动检测 CCD 应用于尺寸检测(图 44),53,CCD 应用于尺寸检测 玻璃管像的两条暗带 - 最外的边界距离 玻璃管外径成像的大小 中间亮带

15、 - 反映玻璃管内径像的大小 暗带 - 玻璃管壁厚的像,54,(2)文字和图像识别 利用 - 线阵 CCD 的自扫描特性 可实现 - 文字和图像识别 组成 - 功能很强的扫描识别系统 下图 - 邮政编码识别系统,55,邮政编码的识别系统(图 45),56,(3)射线成像检测 X 射线成像检测系统 (图 46),57,X 射线成像检测系统 射线经过构建后 - 直接由射线-可见光转换屏转换 后由 CCD 相机 - 获取转换后的图像 经过数字图像处理系统处理后 - 转换为数字图像进行分析处理和识别 完成 - 构建缺陷的射线实时检测,58,光电位置敏感器（PSD） 一种对入射到光敏面上的 - 光点位置

16、敏感的光敏器件 输出信号 与光点在光敏面上的位置有关,4.6.3 光电位置传感器,59,PIN 型光电位置敏感器（PSD）的端面结构示意图,60,入射光照射到 - 光电位置敏感器（PSD）的光敏层时 入射位置上产生 - 与光能成比例的电荷 此电荷作为光电流 - 通过电阻层由电极输出 设左右电极 - 距离光敏面中心点的距离都为 L 左右电极输出的光电流分别 和 ，总电流为 则,61,若以光电位置敏感器（PSD）的中心点位置作为原点 - 光点离中心点的距离为 则 利用式 - 可确定光斑能量中心的位置 总电流的大小（即入射光强度的大小）无关,62,主要内容 法拉第效应 磁光克尔效应 塞曼效应 磁致线双折射效应 磁光效应的应用,4.7 磁光效应及磁光式传感器,63,线偏振光沿磁场方向 - 通过置于磁场中的磁光介质时 偏振面发生旋转的现象 - 称磁致旋光效应 通常 - 又称法拉第旋转效应,4.7.1 法拉第(Faraday)效应,64,法拉第磁光效应原理图(图 48),65,给定的介质 振动面的转角 - 与介