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1、三个基本部分：三个基本部分： 光电变换部分光电变换部分电子光学部分电子光学部分 电光变换部分电光变换部分像管像管1变像管变像管像像增增强强器器紫外光像紫外光像红外光像红外光像微弱光像微弱光像（微通道板）（微通道板）光光敏敏面面荧荧光光屏屏可可见见光光像像（级连）（级连）像增强管像增强管2光电转换光电转换信号存储信号存储扫描输出扫描输出摄像管摄像管37.3 电荷耦合器件电荷耦合器件Charge Coupled Device 简称简称CCD体积小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击体积小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性能好，可靠性高，寿命长，性能好，可靠性高，寿命长，4CCD背景介绍背景
2、介绍W.S.BoyleW.S.Boyle与与G.E.SmithG.E.Smith57.3 电荷耦合器件电荷耦合器件Charge Coupled Device 简称简称CCD体积小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击体积小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性能好，可靠性高，寿命长，性能好，可靠性高，寿命长，6主要内容：主要内容：一一. CCD的结构与工作原理的结构与工作原理二二. CCD的主要特性参数的主要特性参数三三. CCD摄像器件摄像器件7CCD电荷存储电荷存储电荷转移电荷转移电荷注入电荷注入电荷输出电荷输出一一. CCD的结构与工作原理的结构与工作原理特点特点：以电荷作为信号以电荷
3、作为信号基本功能：基本功能：电荷的存贮和转移电荷的存贮和转移8一一. CCD的结构与工作原理的结构与工作原理1 CCD的单元结构的单元结构MOS结构结构单元单元像素像素由多个像素组成由多个像素组成线阵线阵, ,金属栅金属栅极是极是分立的分立的，氧化物与半导，氧化物与半导体是体是连续的连续的9 在栅极加正偏压之前，在栅极加正偏压之前，在栅极加正偏压之前，在栅极加正偏压之前，P P型半导体中型半导体中型半导体中型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的的空穴（多子）的分布是均匀的的空穴（多子）的分布是均匀的的空穴（多子）的分布是均匀的。1 1）势阱的形成）势阱的形成 当栅极施加正电压当栅极施加正电压当
4、栅极施加正电压当栅极施加正电压UUGG（此时（此时（此时（此时UUGGUUthth）时，）时，）时，）时，在电场的作用下，电极在电场的作用下，电极在电场的作用下，电极在电场的作用下，电极下型区域里的多数载下型区域里的多数载下型区域里的多数载下型区域里的多数载流子空穴流子空穴流子空穴流子空穴被排斥到衬底被排斥到衬底被排斥到衬底被排斥到衬底的底侧，硅表面处留下的底侧，硅表面处留下的底侧，硅表面处留下的底侧，硅表面处留下不能移动的带负电的粒不能移动的带负电的粒不能移动的带负电的粒不能移动的带负电的粒子，产生子，产生子，产生子，产生耗尽区耗尽区耗尽区耗尽区。101 1）势阱的形成）势阱的形成 势势 阱
5、阱 施加正电压施加正电压 空穴耗尽区空穴耗尽区 11栅极正向电压增加栅极正向电压增加时，势阱变深。时，势阱变深。改变改变UG，调调节节势阱深度势阱深度1 1）势阱的形成）势阱的形成 121 1）势阱的形成）势阱的形成 UUGGUUthth时，半导体与绝缘体时，半导体与绝缘体时，半导体与绝缘体时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以界面上的电势变得非常高，以界面上的电势变得非常高，以界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子致于将半导体内的电子致于将半导体内的电子致于将半导体内的电子( (少子少子少子少子) )吸引到表面，形成一层极薄但吸引到表面，形成一层极薄但吸引到表面，形成一层极薄但
6、吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层（沟道）电荷浓度很高的反型层（沟道）电荷浓度很高的反型层（沟道）电荷浓度很高的反型层（沟道）。深度耗尽状态深度耗尽状态N N N N型型型型(P(P(P(P沟道）沟道）沟道）沟道）P P P P型型型型(N(N(N(N沟道）沟道）沟道）沟道）UUGGUUthth时，时，时，时，132 2）电荷的存储）电荷的存储 耗尽区对于带负电的电子来讲耗尽区对于带负电的电子来讲耗尽区对于带负电的电子来讲耗尽区对于带负电的电子来讲是一个势能很低的区域，是一个势能很低的区域，是一个势能很低的区域，是一个势能很低的区域，若注若注若注若注入电子，入电子，入电子，入电子，
7、电场则吸引它到电极电场则吸引它到电极电场则吸引它到电极电场则吸引它到电极下的耗尽区。下的耗尽区。下的耗尽区。下的耗尽区。表面处构成了对表面处构成了对表面处构成了对表面处构成了对于电子的于电子的于电子的于电子的“ “陷阱陷阱陷阱陷阱” ”，称之为表面势阱，称之为表面势阱，称之为表面势阱，称之为表面势阱，势阱积累电子的容量取势阱积累电子的容量取势阱积累电子的容量取势阱积累电子的容量取决于势阱的决于势阱的决于势阱的决于势阱的“ “深度深度深度深度” ”，而表面势的大小近似与栅压，而表面势的大小近似与栅压，而表面势的大小近似与栅压，而表面势的大小近似与栅压VVGG成正比。成正比。成正比。成正比。MOS
8、电容具有存储电荷的能力电容具有存储电荷的能力 当势阱中填满了电子当势阱中填满了电子当势阱中填满了电子当势阱中填满了电子, , , , 势阱中的电子不再增加了，便达到势阱中的电子不再增加了，便达到势阱中的电子不再增加了，便达到势阱中的电子不再增加了，便达到稳态（热平衡状态）。因此信号电荷的储存必须在稳态（热平衡状态）。因此信号电荷的储存必须在稳态（热平衡状态）。因此信号电荷的储存必须在稳态（热平衡状态）。因此信号电荷的储存必须在达到稳达到稳达到稳达到稳态之前完成。态之前完成。态之前完成。态之前完成。14电子电子 被吸入被吸入势阱势阱势阱势阱产生电子空穴对产生电子空穴对空穴空穴 栅极电压排斥栅极电
9、压排斥2 2、信号电荷的注入信号电荷的注入（光注入、电注入）（光注入、电注入）（光注入、电注入）（光注入、电注入）光注入：光注入： 产生电子空穴对产生电子空穴对15 势阱内吸收的势阱内吸收的势阱内吸收的势阱内吸收的光电子数量光电子数量光电子数量光电子数量与入射光势阱附近的与入射光势阱附近的与入射光势阱附近的与入射光势阱附近的光强光强光强光强成成成成正比正比正比正比。一个。一个。一个。一个势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个势阱所吸收集的若干个光生电荷称为一个电荷包电荷包电荷包电荷包。 光照射到光敏元上时，会产光生光照射到光
10、敏元上时，会产光生光照射到光敏元上时，会产光生光照射到光敏元上时，会产光生电子电子电子电子空穴空穴空穴空穴对，光生对，光生对，光生对，光生电子电子电子电子将被将被将被将被吸入势阱吸入势阱吸入势阱吸入势阱存储存储存储存储起来，空穴则被起来，空穴则被起来，空穴则被起来，空穴则被排斥到半导体的底侧排斥到半导体的底侧排斥到半导体的底侧排斥到半导体的底侧。3 3、电荷包的存储电荷包的存储 通常在半导体硅片上制有成千上万个相互独立的通常在半导体硅片上制有成千上万个相互独立的通常在半导体硅片上制有成千上万个相互独立的通常在半导体硅片上制有成千上万个相互独立的MOSMOS光敏单元，光敏单元，光敏单元，光敏单元
11、，如果在金属电极上加上正电压，则在半导体硅片上就形成成千上如果在金属电极上加上正电压，则在半导体硅片上就形成成千上如果在金属电极上加上正电压，则在半导体硅片上就形成成千上如果在金属电极上加上正电压，则在半导体硅片上就形成成千上万的个相互独立的势阱。如果此时照射在这些光敏单元上是一副万的个相互独立的势阱。如果此时照射在这些光敏单元上是一副万的个相互独立的势阱。如果此时照射在这些光敏单元上是一副万的个相互独立的势阱。如果此时照射在这些光敏单元上是一副明暗起伏的图像明暗起伏的图像明暗起伏的图像明暗起伏的图像，那么这些光敏元就会产生出一幅与光照强度相，那么这些光敏元就会产生出一幅与光照强度相，那么这些
12、光敏元就会产生出一幅与光照强度相，那么这些光敏元就会产生出一幅与光照强度相对应的对应的对应的对应的光电荷图像光电荷图像光电荷图像光电荷图像。164 4 信号电荷包的传输信号电荷包的传输1）通过控制相邻）通过控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷包由势阱浅的位置流向势阱深的位置。号电荷包由势阱浅的位置流向势阱深的位置。2）必须使）必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的电容的势阱相互沟通，即相互耦合。势阱相互沟通，即相互耦合。3）栅极脉冲电压必须严格满足位相时序要求，保证信号转移按栅极脉冲电压必
13、须严格满足位相时序要求，保证信号转移按确定方向进行。确定方向进行。CCD中电荷包的转移：将电荷包从一个势阱转入中电荷包的转移：将电荷包从一个势阱转入相邻的深势阱。相邻的深势阱。基本思想：基本思想： 调节调节势阱深度势阱深度 利用利用势阱耦合势阱耦合17定向转移的实现定向转移的实现定向转移的实现定向转移的实现在在CCD的的MOS阵列阵列上划分成以几个相上划分成以几个相邻邻MOS电荷为一单电荷为一单元的无限循环结构。元的无限循环结构。每一单元称为每一单元称为一位一位，将每将每位中对应位位中对应位置上的电容栅极分置上的电容栅极分别连到各自共同电别连到各自共同电极上，此共同电极极上，此共同电极称相线。
14、称相线。一位一位CCD中含的电容个数即为中含的电容个数即为CCD的的相数相数。每相电极连接。每相电极连接的电容个数一般来说即为的电容个数一般来说即为CCD的位数。的位数。18定向转移的实现定向转移的实现定向转移的实现定向转移的实现通常通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时有二相、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。钟脉冲也分别为二相、三相、四相。 12当这种时序脉冲加到当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。号电荷的定向转移。19MOS上三个相邻电极，每隔两上三个相邻电极，每隔两个所有电极
15、接在一起。由个所有电极接在一起。由3个个相位差相位差120时钟脉冲驱动。时钟脉冲驱动。三相三相CCD中电荷包的转移过程：中电荷包的转移过程：t1时刻，时刻，11为高电平，为高电平， 23为低电平，为低电平，1电极下形成电极下形成深势阱，储存电荷形成电荷包深势阱，储存电荷形成电荷包20t2-t3时刻，时刻，11电压线性减小，电压线性减小，1 1电极下势阱变浅，电极下势阱变浅， 2为高为高电平，电平，2 2电极下形成深势阱，电极下形成深势阱，信号电荷从信号电荷从1 1电极向电极向2 2电极转移，电极转移，直到直到t3t3时刻，信号电荷全部转时刻，信号电荷全部转到到2 2电极下。电极下。重复上述过程
16、，信息电荷从重复上述过程，信息电荷从2电极转移到电极转移到3电极，到电极，到t5时刻，时刻，信号电荷全部转移信号电荷全部转移到到3电极下。电极下。经过一个时钟周期，信号电经过一个时钟周期，信号电荷包向右转移一级，荷包向右转移一级，t6时刻时刻信号电荷全部转移信号电荷全部转移4电极下。电极下。依次类推，信号电荷依次由依次类推，信号电荷依次由1，2，3，4.N向右转向右转移直至输出移直至输出移位寄存器移位寄存器214 信号电荷包的输出信号电荷包的输出衬底衬底P P和和N N+ +区构成区构成输出二极管输出二极管（反偏压）（反偏压） 二极管输出方式二极管输出方式 ：22复位脉冲复位脉冲RS 102V
17、5V4 信号电荷包的输出信号电荷包的输出 二极管输出方式二极管输出方式 ：衬底衬底P P和和N N+ +区构成区构成输出二极管输出二极管（反偏压）（反偏压） 23CCD电荷存储电荷存储电荷转移电荷转移电荷注入电荷注入电荷输出电荷输出CCD的结构与工作原理的结构与工作原理特点特点：以电荷作为信号以电荷作为信号基本功能：基本功能：电荷的存贮和转移电荷的存贮和转移24为什么称为为什么称为电荷电荷耦合耦合器件？器件？电荷电荷器件中的信息是以器件中的信息是以电荷电荷形式出现形式出现的，不同于其他探测器的的，不同于其他探测器的“电流电流”或或“电压电压”耦合耦合器件内部信息的传递是通过势阱器件内部信息的传
18、递是通过势阱的的藕合藕合完成的，完全不同于电子枪的完成的，完全不同于电子枪的“扫描扫描输出输出”形式形式CCD的结构与工作原理的结构与工作原理25二、二、CCDCCD的分类的分类 表面沟道电荷耦合器件（表面沟道电荷耦合器件（SCCD）信号电荷存信号电荷存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输。储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输。 体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD）信信号电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半号电荷存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内部沿一定方向传输。导体内部沿一定方向传输。按电荷转移的沟道分：按电荷转移的沟道分：按
19、光敏元的排列分：按光敏元的排列分：线阵线阵CCD 面阵面阵CCD261. 转移效率，损耗率转移效率，损耗率6. 暗电流暗电流4. 光谱响应特性光谱响应特性3. 光电转换特性光电转换特性5. 分辨率分辨率2. 工作频率工作频率7. 动态范围动态范围三、三、CCDCCD的特性参数的特性参数27三、三、CCDCCD的特性参数的特性参数转移效率：转移效率：当当CCDCCD中电荷包从一个势阱转移到另中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若一个势阱时，若Q Q1 1为转移的电荷量，为转移的电荷量，Q Q0 0为原始为原始电荷电荷转移损失率转移损失率：表示残留于原势阱中的电表示残留于原势阱中的电量量Q与原电
20、量与原电量Q0之比定义为之比定义为转移损耗转移损耗若若CCDCCD有有n n个栅极板时，则总转移效率为个栅极板时，则总转移效率为1转移效率和转移损失率转移效率和转移损失率28 1 1）所以表面沟道）所以表面沟道CCDCCD在使用时，为了减少损耗，提高转移效在使用时，为了减少损耗，提高转移效率，常采用偏置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给率，常采用偏置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。每个势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。提高转移效率的方法提高转移效率的方法 预先输入一定的背景电荷，零信号也有一定电预先输入一定的背景电荷，零信号也有一
21、定电荷荷“胖零（胖零（fatzero）”技术。技术。2 2）采取体内沟道的传输形式，有效避免了表面态俘获，提高）采取体内沟道的传输形式，有效避免了表面态俘获，提高了转移效率和速度。了转移效率和速度。292工作频率工作频率（a）工作频率的下限）工作频率的下限f下下-取决于非平衡载流子的平均寿命取决于非平衡载流子的平均寿命c电荷包在相邻两电极之间的转移时间电荷包在相邻两电极之间的转移时间ttc三相三相CCD：二相二相CCD：（b）工作频率的上限）工作频率的上限f上上三相三相CCD电荷从一个电极转移到另一个电电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间极的固有时间 表面态俘获电子的释放时间表面态俘获电子
22、的释放时间30在低照度下，在低照度下，CCD的输出电压与照度有良好的线性关系。的输出电压与照度有良好的线性关系。照度超过照度超过1001x以后，输出有饱和现象。以后，输出有饱和现象。3光电特性光电特性4光谱特性光谱特性n44万（万（768*576）、）、100万（万（1024*1024）、）、200万（万（1600*1200）、）、600万（万（2832*2128）CCD光谱响应与光光谱响应与光敏面结构、光束入射敏面结构、光束入射角及各层介质的折射角及各层介质的折射率、厚度、消光系数率、厚度、消光系数等多个因素有关。等多个因素有关。5分辨率：分辨率：实际中，实际中，CCD器件的分辨率一般器件的
23、分辨率一般用像素数表示，像素越用像素数表示，像素越多，则分辨率越高。多，则分辨率越高。31四、四、CCDCCD摄像器件摄像器件2048 2048 面阵面阵CCD5000像元线阵像元线阵CCD1. 三相单沟道线阵三相单沟道线阵CCD 2. 双沟道线阵双沟道线阵CCD3. 3. 面阵面阵面阵面阵CCDCCD摄像器件摄像器件摄像器件摄像器件 32（1) 三相单沟道线阵三相单沟道线阵CCD 放放大大器器结结 构：构：转移栅转移栅光敏区光敏区CCD移位寄存器移位寄存器1线阵列线阵列CCD摄象器件摄象器件33放放大大器器工作过程：工作过程：光光 敏敏 区区转转 移移 栅栅 移移 位位 寄寄 存存 器器（1
24、) 三相单沟道线阵三相单沟道线阵CCD 34工作过程：工作过程：三相时钟脉冲三相时钟脉冲视频信号输出视频信号输出 （1) 三相单沟道线阵三相单沟道线阵CCD 光光 敏敏 区区转转 移移 栅栅 移移 位位 寄寄 存存 器器放放大大器器35 特点：特点：特点：特点：单沟道传输的单沟道传输的单沟道传输的单沟道传输的特点是特点是结构简单结构简单，但电荷包转移所，但电荷包转移所经过的极板数多，经过的极板数多，传输效率低传输效率低传输效率低传输效率低。（1) 三相单沟道线阵三相单沟道线阵CCD 36(2) 双沟道线阵双沟道线阵CCD 特点：特点：特点：特点：双通道传输的双通道传输的双通道传输的双通道传输的
25、特点是特点是结构复杂一些结构复杂一些，但电荷包转移所，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧传输的一半，所以损耗小，经过的极板数只是单侧传输的一半，所以损耗小，传输效率高传输效率高传输效率高传输效率高。37 摄像过程可归纳为如图所示的几个环节摄像过程可归纳为如图所示的几个环节 积分积分转移转移传输传输输出输出计数计数1） 积积分分 在在有有效效积积分分时时间间里里，每每个个光光敏敏元元下下形形成成势势阱阱，光光生生电电子子被被积积累累到到势势阱阱中中，形形成一个电信号成一个电信号“图象图象”。2） 转移转移 就是将就是将N个光信号电荷包并行转移到所对应的各位个光信号电荷包并行转移到所对应的各位CC
26、D移位寄存器中，转移栅处于高电平。移位寄存器中，转移栅处于高电平。3）传输）传输 N个信号电荷在时钟脉冲的驱动下依次沿个信号电荷在时钟脉冲的驱动下依次沿CCD串行输串行输出。出。5）驱动周期计数。）驱动周期计数。4）信号的输出、读取）信号的输出、读取38（3 3）线阵）线阵CCDCCD的驱动电路的驱动电路TCD142DTCD142D结构示意图结构示意图39TCD142D引脚引脚40TCD142D的工作原理的工作原理 41TCD142D的驱动电路的驱动电路 42（4）线阵）线阵CCD类型与发展类型与发展a、光谱探测类型线阵光谱探测类型线阵CCD 光谱探测与分析需要的线阵CCD应具有光谱响应范围宽
27、、动态范围广、像敏单元不均匀性好等特点。S3922、S3923、RL1024SB等器件，它们普遍具有像敏单元尺寸大（500m50m）的特点，像敏单元尺寸的增大不仅增大了接收光辐射的面积，提高响应度而且增大了电荷存储的容量，使动态范围大幅度地得到提高。 43b、高分辨率的非接触尺寸检测、高分辨率的非接触尺寸检测 工业应用中非接触尺寸检测是非常普遍的课题，为提高测工业应用中非接触尺寸检测是非常普遍的课题，为提高测量精度与测量范围，常常要求线阵量精度与测量范围，常常要求线阵CCD器件的像敏单元尺寸小、器件的像敏单元尺寸小、数量多。数量多。TCD1500C、TCD1703D、TCD1708D等器件均符
28、合等器件均符合上述要求。上述要求。 c高速图像采集高速图像采集 为探测高速飞行物体的飞行姿态或测量其他高速运动体的为探测高速飞行物体的飞行姿态或测量其他高速运动体的表面质量的需要，提高线阵表面质量的需要，提高线阵CCD的工作速度是关键。对于高速的工作速度是关键。对于高速工作的线阵工作的线阵CCD，常采用，常采用“分段同步驱动分段同步驱动”的设计思想，例如，的设计思想，例如，RL188D器件为分器件为分16段并行驱动输出的段并行驱动输出的1024像元线阵像元线阵CCD，若，若每段的工作频率为每段的工作频率为40MHz，等效驱动频率为，等效驱动频率为640MHz。40MHz工作频率的制造工艺不难实
29、现，高速飞行或运动物体的检测问工作频率的制造工艺不难实现，高速飞行或运动物体的检测问题也不难解决。题也不难解决。442面阵列面阵列CCD摄摄象器件象器件45帧转移面阵帧转移面阵CCD 成像区成像区 暂存区暂存区 水平读出水平读出 寄存器寄存器 2面阵列面阵列CCD摄象器件摄象器件1)结构结构46成像区成像区 暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 场逆程期间：场逆程期间： 光学图像光学图像电荷包图像电荷包图像电荷包图像电荷包图像2)工作过程工作过程47 暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 行正程期间行正程期间 电荷包图像电荷包图像48
30、暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 暂存区的信号电荷暂存区的信号电荷产生一行平移产生一行平移行正程期间行正程期间 电荷包图像电荷包图像49 暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 行正程期间行正程期间 电荷包图像电荷包图像水平读出寄存器输水平读出寄存器输出一行视频信号出一行视频信号 50 暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 暂存区的信号电荷暂存区的信号电荷产生一行平移产生一行平移行正程期间行正程期间 电荷包图像电荷包图像51
31、暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 行正程期间行正程期间 电荷包图像电荷包图像水平读出寄存器输水平读出寄存器输出一行视频信号出一行视频信号 52 暂存区暂存区 场正程期间：场正程期间： 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 行正程期间行正程期间 电荷包图像电荷包图像暂存区的信号电荷暂存区的信号电荷产生一行平移产生一行平移53 暂存区暂存区 场正程结束时场正程结束时 水平读出水平读出 寄存器寄存器 行逆程期间行逆程期间 行正程期间行正程期间 电荷包图像电荷包图像水平读出寄存器输水平读出寄存器输出一行视频信号出一行视频信号
32、54工作过程：工作过程： 面阵面阵CCDCCD摄像器件摄像器件 （小结）（小结） 成像区成像区 暂存区暂存区 水平读出水平读出 寄存器寄存器 场正程场正程场逆程场逆程结构：结构： 图图 像像 电电 荷荷成像区成像区 暂存区暂存区 场正程场正程行逆程行逆程行正程行正程电荷平移电荷平移输出信号输出信号 光光敏敏区区存存储储区区读出寄存器读出寄存器553）电真空摄像管、）电真空摄像管、CCD摄像管摄像管二者二者扫描方式扫描方式的差别的差别CCD摄像管摄像管 微电子电路按规律发出脉冲扫描输出电信号微电子电路按规律发出脉冲扫描输出电信号电真空摄像管电真空摄像管 电子枪按规律偏转电子束扫描输出电信号电子枪
33、按规律偏转电子束扫描输出电信号 电真空摄像管由于其重量和体积的限制，其研电真空摄像管由于其重量和体积的限制，其研究与发展已经告一段落，它正逐步被固体摄像器件究与发展已经告一段落，它正逐步被固体摄像器件所代替。所代替。 自 扫 描563 CCD的特点体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高高。高速扫描，基本上不保留残象高速扫描，基本上不保留残象(电子束摄象管有电子束摄象管有1520
34、的残象的残象)集成度高集成度高非接触测量。非接触测量。无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。有数字扫描能力。像素位置信息准确、像元的位置可有数字扫描能力。像素位置信息准确、像元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。由数字代码确定，便于与计算机结合接口。571 CCD的七个应用领域的七个应用领域 ).小型化黑白、彩色TV摄像机 (面阵CCD应用最广泛的领域。 )2).传真通讯系统 用10242048像元的线阵CCD作传真机，可在不到一秒钟内完成A4开稿件的扫描。 3).光学字符识别 代替人眼，把字符变成电信号，进行数字化，然后用计算机识别。 五、五、CCDCCD
35、的应用的应用584). 工业检测与自动控制 这是CCD应用量很大的一个领域，统称机器视觉应用。 a. 在钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域作零件尺寸的动态检测，产品质量、包装、形状识别、表面缺陷或粗糙度检测。b. 在自动控制方面，主要作计算机获取被控信息的手段。 c. 还可作机器人视觉传感器。 广播TV 、医疗卫生、航天和军事领域592、CCD应用举例应用举例 CCD图像感器用于非电量测量，是以光为媒介的光电转图像感器用于非电量测量，是以光为媒介的光电转换，是以非接触方式进行测量，因此可以实现危险地点或人、换，是以非接触方式进行测量，因此可以实现危险地点或人、机械不可到达场所的测量与控制
36、。机械不可到达场所的测量与控制。v 组成测量仪器可测量物位、尺寸、工件损伤；组成测量仪器可测量物位、尺寸、工件损伤；v 作光学信息处理装置的输入环节，如用于传真技术、光学作光学信息处理装置的输入环节，如用于传真技术、光学文字识别技术以及图像识别技术；文字识别技术以及图像识别技术；v 自动流水线装置中的敏感器件，如可用于机床、自动搬运自动流水线装置中的敏感器件，如可用于机床、自动搬运车以及自动监视装置等。车以及自动监视装置等。返回60工件尺寸工件尺寸自动自动测量系统测量系统被测对象长度被测对象长度L式中式中M放大倍率放大倍率 n 像元数像元数 p像元间距像元间距 6162缺陷自动检测缺陷自动检测
37、 当光照物体时，使不透明物体的表面缺陷或透明物体内当光照物体时，使不透明物体的表面缺陷或透明物体内缺陷（杂质）与其材料背景相比有足够的反差，只要缺陷缺陷（杂质）与其材料背景相比有足够的反差，只要缺陷面积大于两个光敏元时，面积大于两个光敏元时，CCD图像传感器就能够发现它们。图像传感器就能够发现它们。它种检测方法能适用于多情况：它种检测方法能适用于多情况：v 磁带上是否有小孔；磁带上是否有小孔；v 检查透射光；检查透射光；v 检查玻璃中的针孔、气泡及夹杂物。检查玻璃中的针孔、气泡及夹杂物。63钞票检查系统原理图钞票检查系统原理图64 用于光学文字识别装置用于光学文字识别装置用于光学文字识别装置用
38、于光学文字识别装置65驱动电路驱动电路分类机构分类机构计算机计算机细化二值化细化二值化处理处理传送带传送带CCD透镜1分类箱分类箱23邮政编码识别系统邮政编码识别系统66CCDCCD玻璃管尺寸测控仪玻璃管尺寸测控仪CCDCCD输出信号波形输出信号波形 67 近年来另一种图像感器近年来另一种图像感器互补金属氧化物场效应管互补金属氧化物场效应管CMOS光电传感器也已在电脑、笔记本电脑、掌上电脑、视光电传感器也已在电脑、笔记本电脑、掌上电脑、视频电话、扫描仪、数码相机、摄影机、监视器、车载电话、频电话、扫描仪、数码相机、摄影机、监视器、车载电话、指纹认证等图像输入领域得到广泛的应用。指纹认证等图像输
39、入领域得到广泛的应用。CMOS和和CCD使使用相同的感光元件，具有相同的灵敏度和光谱特性，但光电用相同的感光元件，具有相同的灵敏度和光谱特性，但光电转换后的信息读取方式不同。转换后的信息读取方式不同。CMOS光电传感器经光电转换光电传感器经光电转换后直接产生电流或电压信号，信号读取十分简单。后直接产生电流或电压信号，信号读取十分简单。 Complement Metal Oxide Semiconductor687.3.2 CMOS图像传感器图像传感器Complementary Metal Oxide Semiconductor 简称简称 CMOS特点：成品率高、价格低廉，像质量？特点：成品率高
40、、价格低廉，像质量？ CMOS数码相机数码相机691.CMOS成像器件结构成像器件结构:信号读出采用信号读出采用XY寻址方式寻址方式， 具有读出具有读出任意局部画面任意局部画面的能力的能力 704.CMOS成像器件与成像器件与CCD成像器件成像器件:最大差异：最大差异：单元结构（带放大器）单元结构（带放大器）信号寻址读出与信号顺序读出信号寻址读出与信号顺序读出应用差异：应用差异： CCD低噪声、高分辨率、高灵敏度等高画质性能低噪声、高分辨率、高灵敏度等高画质性能占据图像传感器占据图像传感器高端高端市场；市场； CMOS 高集成度、高速、小体积、低价格等特点高集成度、高速、小体积、低价格等特点占
41、据占据低端低端市场大的份额。市场大的份额。71本章小结本章小结1、光电成像器件输出图像信息的器件：、光电成像器件输出图像信息的器件： 直视型、摄像型直视型、摄像型2、像管、像管 变像管和像增强器变像管和像增强器 微通道板像增强器微通道板像增强器3、电真空摄像管、电真空摄像管 光学图像转换为视频信号光学图像转换为视频信号4、固体摄像器件、固体摄像器件CCD、CMOS. 自扫描技术自扫描技术随着半导体及集成电路工艺的发展，随着半导体及集成电路工艺的发展，CCD、CMOS等固体摄像器件凭借其多种优越性而逐步成为摄像等固体摄像器件凭借其多种优越性而逐步成为摄像器件应用领域中的器件应用领域中的主流器件主流器件。721画出CCD的MOS单元结构图，并说明它是如何储存电荷的？2以三相线阵CCD为例，简要说明信号电荷的转移过程。3以单沟道线阵CCD摄像器件为例，简要说明它的结构及工作过程。4 P228第9题本章作业7374
