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1、1第第三三章章光光电电信信息息转转换换上一页上一页下一页下一页回首页回首页回末页回末页 结束结束第三章第三章3.2.2 3.2.2 电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（CCDCCD）回目录回目录 CCDCCD它具有结构简单，基础度高，制造工序少，功耗低，它具有结构简单，基础度高，制造工序少，功耗低，信噪比好等优点。信噪比好等优点。CCDCCD有线阵和面阵二种，有线阵和面阵二种，CCDCCD是一种半导是一种半导体集成器件，它由体集成器件，它由MOSMOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。部分组成。一一一一MOSMOS光敏元的工作原理光敏元的工作
2、原理光敏元的工作原理光敏元的工作原理 所谓所谓MOSMOS结构；一般都以硅作为半导体衬底，在其上热结构；一般都以硅作为半导体衬底，在其上热生长一层二氧化硅生长一层二氧化硅( (SiO2)SiO2)，并在二氧化硅上面淀积具有一定并在二氧化硅上面淀积具有一定形状的金属层。因为它是由金属形状的金属层。因为它是由金属( (M)M)氧化物氧化物( (O)O)半导体半导体( (S)S)三层所组成，故称三层所组成，故称MOSMOS结构。结构。 二移位寄存器二移位寄存器二移位寄存器二移位寄存器 移位寄存器由金属电极、氧化物介质及半导体三部分组移位寄存器由金属电极、氧化物介质及半导体三部分组成，也是成，也是MO
3、SMOS结构，它不能使它受光照射，应防止外来光线结构，它不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。的干扰。上一节上一节2第第三三章章光光电电信信息息转转换换上一页上一页下一页下一页回首页回首页回末页回末页 结束结束第三章第三章3.2.2 3.2.2 电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（CCDCCD）回目录回目录三光敏单元中的电荷向移位寄存器转移三光敏单元中的电荷向移位寄存器转移三光敏单元中的电荷向移位寄存器转移三光敏单元中的电荷向移位寄存器转移 现在来说明光敏单元中的电荷是怎样转移现在来说明光敏单元中的电荷是怎样转移( (读出读出) )至移位寄至移位寄存器的。存器的。 如图，光敏区中
4、产生的电荷，由转移门如图，光敏区中产生的电荷，由转移门Z Z控制转移至控制转移至a a1 1、a a2 2、-a-an n极下的势阱。但如何解决光敏区中的光敏单元数与移位极下的势阱。但如何解决光敏区中的光敏单元数与移位寄存器的传输单元寄存器的传输单元数相等，而转移电数相等，而转移电极极2 2只有一个矛盾呢只有一个矛盾呢? ?现以现以A-AA-A截面的电截面的电极为例进行分析。极为例进行分析。把把A-AA-A截面的电极截面的电极旋转旋转90900 0后画于图后画于图3.2.2-53.2.2-5。3第第三三章章光光电电信信息息转转换换上一页上一页下一页下一页回首页回首页回末页回末页 结束结束第三章
5、第三章3.2.2 3.2.2 电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（CCDCCD）回目录回目录由由图图中中可可看看出出，从从t t0 0到到t t2 2光光敏敏单单元元a a1 1 中中的的电电荷荷已已转转移移至至a a1 1极极下下的的势势阶阶。同同理理，光光敏敏单单元元a a1 1 、a a2 2aan n 中中的的电电荷荷同同时时转移至转移至 a a1 1、a a2 2aan n极下的势阱。这是一个平行转移的过程。极下的势阱。这是一个平行转移的过程。 由由于于t t2 2以以后后转转移移电电极极Z Z上上的的电电压压恢恢复复为为零零，相相当当于于把把光光敏敏区区和和移移位位寄寄
6、存存器器之之间间的的“ “门门” ”阻阻塞塞。自自t t3 3以以后后，光光敏敏单单元又重新进行光积累元又重新进行光积累( (光积分光积分) )，3.2.2 电荷耦合器（CCD）4第第三三章章光光电电信信息息转转换换上一页上一页下一页下一页回首页回首页回末页回末页 结束结束第三章第三章3.2.2 3.2.2 电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（CCDCCD）回目录回目录移位寄存器移位寄存器a a1 1、b b1 1 、c c1 1；a a2 2、b b2 2 、c c2 2；- a- an n、b bn n 、c cn n等进等进行移位行移位( (电荷传输电荷传输) )，各自执行自
7、己的任务。，各自执行自己的任务。 光敏单元光敏单元a a1 1 中的电荷不移至中的电荷不移至b b1 1和和c c1 1极下，是靠制造适当极下，是靠制造适当的沟道及的沟道及b b1 1、c c1 1极上加适当的电压来实现的。当极上加适当的电压来实现的。当t tt t 1 1时，转时，转移电极移电极Z Z上加正脉冲，这时上加正脉冲，这时U Ua aU U，U Ub b0 0，U Uc c0 0，即这时即这时b b1 1、c c1 1极下不产生势阱，因此极下不产生势阱，因此a a1 1 中的电荷沿沟道转移至中的电荷沿沟道转移至a a1 1极极下的势阱。下的势阱。 上述光敏区中的电荷信号靠移位寄存器
8、传输给输出二极上述光敏区中的电荷信号靠移位寄存器传输给输出二极管读出，故移位寄存器一般称它为读出寄存器。管读出，故移位寄存器一般称它为读出寄存器。5第第三三章章光光电电信信息息转转换换上一页上一页下一页下一页回首页回首页回末页回末页 结束结束第三章第三章3.2.2 3.2.2 电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（CCDCCD）回目录回目录四面阵四面阵四面阵四面阵CCDCCD 面阵面阵CCDCCD是按图象信息的处理要求而输出信号的。面阵是按图象信息的处理要求而输出信号的。面阵CCDCCD实际上是由许多线阵实际上是由许多线阵CCDCCD排成二维形式，它主要用于电视排成二维形式，它主要用
9、于电视摄像中。摄像中。 面阵面阵CCDCCD也可以用作固体摄像传感器来测量各种几何量，也可以用作固体摄像传感器来测量各种几何量，俗称摄像测量。俗称摄像测量。 五五五五CCDCCD输出信号的处理方式输出信号的处理方式输出信号的处理方式输出信号的处理方式 CCDCCD输输出出信信号号一一般般为为负负极极性性视视频频信信号号，对对CCDCCD输输出出信信号号的的处处理理方方式式很很多多，以以下下是是几几种种典典型型的的用用于于检检测测和和控控制制的的信信号号处处理理方式。方式。 1 1CCDCCD放大放大二值化处理计数。二值化处理计数。 2 2CCDCCD放大滤波比较整形高频填脉冲计数放大滤波比较整
10、形高频填脉冲计数 3 3CCDCCD放大同步采样保持高速放大同步采样保持高速A/DA/D转换存储计转换存储计 算机图象处理算机图象处理 4 4CCDCCD放大滤波变成全电视信号存储（面阵放大滤波变成全电视信号存储（面阵CCDCCD）3.2.2 电荷耦合器（CCD）6第第三三章章光光电电信信息息转转换换上一页上一页下一页下一页回首页回首页回末页回末页 结束结束第三章第三章3.2.2 3.2.2 电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（CCDCCD）回目录回目录六六六六CCDCCD在动态测量直径中的应用在动态测量直径中的应用在动态测量直径中的应用在动态测量直径中的应用 CCDCCD动态测量
11、细丝直径的原理如图动态测量细丝直径的原理如图3.2.2-73.2.2-7所示。所示。 设设所所用用的的CCDCCD有有N N0 0个个光光敏敏元元，每每个个光光敏敏元元的的大大小小为为1313，计数器计数为计数器计数为N N，则细丝直径则细丝直径D D为：为： D D1313（N N0 0-N-N） 7第第三三章章光光电电信信息息转转换换上一页上一页下一页下一页回首页回首页回末页回末页 结束结束第三章第三章3.2.2 3.2.2 电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（CCDCCD）回目录回目录在在上上述述测测量量中中，由由于于是是用用脉脉冲冲计计数数测测量量，故故光光源源的的波波动动
12、对对测测量量精精度度影影响响不不大大，细细丝丝的的抖抖动动也也不不影影响响测测量量精精度度，故故可可达达到到较较高高的的测测量量精精度度。如如需需要要测测量量达达到到更更高高的的分分辨辨率率，可可用用光光学学放放大大，如如图图3.2.2-83.2.2-8所所示示。如如k=x/y=1/13k=x/y=1/13，则则实实际际上上放大了放大了1313倍，此时倍，此时 D D13k(N13k(N0 0-N0=(N-N0=(N0 0-N) -N) 注注意意，采采用用光光学学放放大大后后，细细丝丝在在垂垂直直于于CCDCCD反反向向的的抖动将影响测量精度。抖动将影响测量精度。3.2.2 电荷耦合器（CCD
13、）8第第三三章章光光电电信信息息转转换换上一页上一页下一页下一页回首页回首页回末页回末页 结束结束第三章第三章3.2.2 3.2.2 电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（电荷耦合器（CCDCCD）回目录回目录如测量大物体，可用二块如测量大物体，可用二块CCDCCD，距离固定为距离固定为L L（如图如图3.2.2-93.2.2-9所示），假定所示），假定CCD1CCD1的计数值为的计数值为N N1 1，CCD2CCD2的计的计数值为数值为N N2 2，则则 D DL L3N3N1 1+13(N+13(N0 0-N-N2 2) ) 测量大物体也可用面阵测量大物体也可用面阵CCDCCD进行摄像测量，再用计进行摄像测量，再用计算机进行数字图象处理得算机进行数字图象处理得到处理结果。但测量精度到处理结果。但测量精度要比用线阵要比用线阵CCDCCD测量差些。测量差些。3.33.3
