光电式传感器1

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1、光电 式传感器 授课教师：王 翥 1 传感器原理及工程应用 （第 四 版） 郁有文 常健 程继红 编著 西安电子科技大学出版社 光电 式传感器 授课教师：王 翥 2 目 录 01 传感器概述 （参考：第 2章） 02 应变式传感器 （参考：第 3章） 03 电容式传感器 （参考：第 5章） 04 霍尔元件 （参考：第 7章） 05 光电式传感器 （参考：第 8章） 06 热电式传感器 （参考：第 15章） 07 压电式传感器 （参考：第 6章） 08 超声波传感器 （参考：第 10章） 光电 式传感器 授课教师：王 翥 3 8.3 图像传感器 （ 电荷耦合器件 ） 电荷耦合器件 （简称 CCD

2、） ，是图像传感器。 图像传感器 两种形式： 线阵 面阵 基本组成： MOS光敏元列阵 读出移位寄存器 用途：图像识别 特点： 固体化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长，便于信号处理（可与微机直接接口） 光电 式传感器 授课教师：王 翥 4 1.CCD的结构及工作原理 （ 1） MOS光敏元 如图所示为 MOS光敏元的结构及势阱图。它是在半导体 (P型硅 )基片上形成一种氧化物，如 二氧化硅 ，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属氧化物半导体结构元 (MOS)。 图 8-24 MOS光敏元的结构 （ a） MOS光敏元截面 （ b）势阱图 光电 式传感器 授课教师：王 翥 5

3、 当 在金属电极上施加一正电压时 ，在电场的作用下，电极下面的 P型硅区里的空穴将被赶尽，从而在表面附近形成一个 带负电荷的耗尽区 。也就是说，对带负电的电子而言，这个耗尽区是一个势能很低的区域，成为电子的势阱，简称为“势阱”，势阱的深度 近似地与极板上所加的电压成正比。 图 8-24 MOS光敏元的结构 （ a） MOS光敏元截面 （ b）势阱图 （ 1） MOS光敏元 光电 式传感器 授课教师：王 翥 6 如果此时有光线入射到半导体硅片上，则在光子的作用下，半导体硅片上就形成电子和空穴，由此产生的 光 生电子 (少数载流子 )被附近的势阱所吸收 (或称俘获 )，而同时产生的 空穴 (多数载

4、流子 )则被电场排斥出耗尽区进入衬底 ，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。人们称这样一个 MOS结构元为 MOS光敏元，或称为一个像素，把一个势阱所收集的若干光生电荷称为一个 电荷包 。 （ 1） MOS光敏元 光电 式传感器 授课教师：王 翥 7 半导体硅片上可以形成几百个或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则在这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。即： 电荷耦合器件的光电效应的基本原理 。 势阱的产生 电荷的存储 信息的读取 （ 1） MOS光敏元 光电 式传感器 授课教师：王 翥 8 （ 1） MOS光敏元

5、施加正电压于电极上（势阱的产生） 势阱俘获电子（电荷的存储，与光强成正比） 移位寄存器（信息的读取） V1=5V V2=10V V3=15V V1=5V P型或 N型衬底 SiO2 电极 金 属氧 化 物 S i O2沟 阻耗 尽 区（ 势 阱 ）衬 底少 数 载 流 子P S i势 阱信 号 电 荷表 面 势( a ) 剖 面 图 ( c ) 有 信 号 电 荷 势 阱 图P - S iS i O2金 属栅 极GV( b ) 结 构GV光电 式传感器 授课教师：王 翥 9 （ 2） 电荷移位 图 8-25所示为以三相配线连接的读出移位寄存器的结构 、 控制时钟波形及电荷转移过程 ， 其转移过

6、程也是电荷耦合过程 。 各个单元组成 “读出移位寄存器”。 图 8-25 三相 CCD时钟电压与电荷转移的关系 (a) 三相时钟脉冲波形； (b) 电荷转移过程 解释转移过程。 光电 式传感器 授课教师：王 翥 10 （ 2） 电荷移位 解释转移过程。 1 2 3 1 2 3 1 2 3123t1t2t3t4t5光电 式传感器 授课教师：王 翥 11 CCD阵列的末端制作一个输出二极管 ， 当输出二极管加上反向偏压时 ， 转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管 ， 被二极管的 PN结所收集 ， 在负载RL上就形成脉冲电流 Io。 输出电流的大小与信号电荷大小成正比 ， 并通过负载电阻

7、RL变为信号电压 Uo输出 。 图 8-26 CCD输出端结构 （ 2）电荷移位 光电 式传感器 授课教师：王 翥 12 2. CCD固态图像传感器 CCD固态图像传感器可分为： 线型和面型两种。 （ 1）线型 CCD图像传感器 线型 CCD图像传感器是由一列 MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器对应构成的，光敏单元与移位寄存器之间有一个转移控制栅。 光电 式传感器 授课教师：王 翥 13 （ 1）线型 CCD图像传感器 单行结构如图所示 转移栅 光敏单元 不透光 输出 移位寄存器 感光区： 一列光敏单元组成； 传输区： 由转移栅及一系列移位寄存器组成。 原理： 光照产生的信号电荷存贮于感光区

8、的光敏单元中，接通转移栅后，信号电荷流入传输区。传输区是遮光的，以防因光生噪声电荷干扰导致图像模糊。 光电 式传感器 授课教师：王 翥 14 双行结构如图所示 （ 1）线型 CCD图像传感器 光敏分区 输出 转移栅 A寄存器 B寄存器 X原理： 有两个移位寄存器平行地配置在感光区的两侧。当光生信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移栅，信号电荷转移到移位寄存器，奇数光敏单元的电荷转移到 A寄存器，偶数光敏单元的电荷转移到 B寄存器。双通道线阵总的转移效率比单通道高。 光电 式传感器 授课教师：王 翥 15 两者比较 （ 双行结构特点 ） ： 可 以获得高出两倍的分辨率； 转移次数减少一半 ， 减少了

9、CCD电荷转移损失； 相同效果情况下 ， 可缩短器件尺寸 。 线型 CCD图像传感器可以直接接收一维光信息 ， 不能直接将二维图像转变为视频信号输出 ， 为了得到整个二维图像的视频信号 ， 就必须用扫描的方法 。 线型 CCD图像传感器主要用于测试 、 传真和光学文字识别技术等方面 。 （ 1）线型 CCD图像传感器 光电 式传感器 授课教师：王 翥 16 2. CCD固态图像传感器 (2) 面型 CCD图像传感器 按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列 ， 即可以构成面型 CCD图像传感器 光电 式传感器 授课教师：王 翥 17 2. CCD固态图像传感器 (2) 面型 C

10、CD图像 面型 CCD图像传感器有三种基本类型： 线转移型 、 帧转移型和行间转移型 ， 如图所示 。 图 8-28 面型 CCD图像传感器结构 (a) 线转移型； (b) 帧转移型； (c) 隔离转移型 光电 式传感器 授课教师：王 翥 18 线转移面型 CCD由 行扫描发生器 、感光区 和 输出寄存器 等组成 。 行扫描发生器将驱动脉冲将信号电荷一位位地按箭头方向转移 ， 并移入输出寄存器；输出寄存器亦在驱动脉冲的作用下使信号电荷经输出端输出 。 这种转移方式具有有效光敏面积大 ，转移速度快 ， 转移效率高等特点 ， 但电路比较复杂 ， 易引起图像模糊 。 (a) 线转移型 2. CCD固

11、态图像传感器 (2) 面型 CCD图像传感器 光电 式传感器 授课教师：王 翥 19 帧转移面型 CCD由 光敏元面阵（ 感光区 ） 、 存储器面阵 和 输出移位寄存器 三部分构成 。 图像成像到光敏元面阵 ， 当光积分周期结束时 ， 信号电荷迅速转移到存储器面阵 ， 经输出端输出一帧信息 。 这种面型 CCD的特点是结构简单 ， 光敏单元密度高 ， 但增加了存储区 。 (b) 帧转移型 2. CCD固态图像传感器 (2) 面型 CCD图像传感器 光电 式传感器 授课教师：王 翥 20 隔离转移型 CCD是将光敏单元与垂直转移寄存器交替排列 。 在光积分期间 ，光生电荷存储在感光区光敏单元的势

12、阱里；当光积分时间结束 ， 转移栅的电位由低变高 ， 信号电荷进入垂直转移寄存器中 。 (c) 隔离转移型 2. CCD固态图像传感器 (2) 面型 CCD图像传感器 光电 式传感器 授课教师：王 翥 21 然后 ， 一次一行地移动到输出移位寄存器中 ， 再由移位到输出器件 ， 在输出端得到与光学图像对应的一行行视频信号 。 这种结构的感光单元 面积减小 ， 图像清晰 ， 但 单元设计复杂 。 (c) 隔离转移型 2. CCD固态图像传感器 (2) 面型 CCD图像传感器 光电 式传感器 授课教师：王 翥 22 3. CCD图像传感器应用 CCD图像传感器具有高分辨率和高灵敏度 ， 具有较宽的

13、动态范围 ， 这些特点决定了它可以广泛应用于自动控制和自动测量 ， 尤其适用于图像识别技术 。CCD图像传感器在检测物体的位置 、 工件尺寸的精确测量及工件缺陷的检测方面有独到之处 。 下面是一个利用 CCD图像传感器进行工件尺寸检测的例子 。 光电 式传感器 授课教师：王 翥 23 图 8-37 CCD图像传感器工件尺寸检测系统 3. CCD图像传感器应用 MnpD （ 8-7） 式中： n覆盖的光敏像素数； p像素间距； M倍率。 光电 式传感器 授课教师：王 翥 24 图 8-37中 ， 物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上 ，视频处理器对输出的视频信号进行存储和数据处理 ， 整个过程由微

14、机控制完成 。 根据光学几何原理 ， 可以推导被测物体尺寸的计算公式 ， 即 MnpD （ 8-7） 式中： n覆盖的光敏像素数； p像素间距； M倍率。 3. CCD图像传感器应用 光电 式传感器 授课教师：王 翥 25 8.4 位置敏感器件 （ PSD） 位置敏感器件 (简称 PSD)是一种对感光面上入射光点位置敏感的器件 ， 也称为坐标光电池 ， 其输出信号与光点在光敏面上的位置有关 。 PSD具有高灵敏度 、 高分辨率 、 响应速度快和配置电路简单等优点 。 光电 式传感器 授课教师：王 翥 26 如图 ， PSD一般为 PIN结构 ， 上面为 P层 ， 下面为 N层 ， 在 P层和 N层之间有一层高电阻率的本征半导体 I层 。P层是光敏层 ， 也是一个均匀的电阻层 ， 在 P层表面电阻层的两端 、 N层表面各设置一输出极 。 图 8 29 PSD结构示意图 8.4 位置敏感器件（ PSD） 光电 式传感器 授课教师：王 翥 27 当入射光照射到 PSD的光敏层时 ， 在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷 ， 此电荷形成的光电流通过 P型电阻层分别由电极 和电极 输出 。 设电极 、 距光敏面中心点的距离分别为 L， 光束入射点的位置距中心点的距离