光電成像器件CCD

光電檢測器件—CCD光電成像器件光電成像器件（photo-electronicimagingdevice）是利用光電效應將可見或非可見的輻射圖像轉(zhuǎn)換或增強為可觀察、記錄、傳輸、存儲以及可進行處理的圖像的器件系列的總稱。其作用是光電轉(zhuǎn)換，增強原始輸入光子信號，進而提高圖像探測的效率和精度。目的在于彌補人眼在靈敏度、響應波段、細節(jié)的視見能力以及空間和時間上的局限等方面的不足。最早的一種光電成像器件──光電析像管出現(xiàn)于1931年。按工作原理和結(jié)構(gòu)的不同分為﹕像增強器；電子照相機；電視型探測器；固體二極管陣列。本文主要介紹固體二極管陣列中的電荷耦合器件(CCD)。電荷耦合器件(CCD)

CCD，英文全稱：Charge-coupledDevice，中文全稱：電荷耦合元件?？煞Q為CCD圖像傳感器。它是一種半導體器件，能夠把光學影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。它具備光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ?，具有集成度高、功耗小、分辨力高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。CCD圖像傳感器被廣泛應用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。工作原理一個完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成，CCD工作時，在設(shè)定的積分時間內(nèi)，光敏元對光信號進行取樣，將光的強弱轉(zhuǎn)換為各光敏元的電荷量。取樣結(jié)束后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號驅(qū)動下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位寄存器相應單元中。移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號可接到示波器、圖象顯示器或其他信號存儲、處理設(shè)備中，可對信號再現(xiàn)或進行存儲處理。柵電極G氧化層P型半導體耗盡區(qū)反型層uG>uthuG<uthuG=0構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬－氧化物－半導體）結(jié)構(gòu)。當柵極G施加正偏壓UG之前（UG=0），P型半導體中的空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的；當柵極電壓加正向偏壓（UG<Uth）后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)進一步向半導體內(nèi)延伸；當UG>Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢（表面勢ФS）變得如此之高，以至于將半導體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）吸引到表面，形成電荷濃度極高的極薄反型層，反型層電荷的存在說明了MOS結(jié)構(gòu)具有存儲電荷的功能。性能參數(shù)1.電荷轉(zhuǎn)移效率

電荷轉(zhuǎn)移效率η

轉(zhuǎn)移損失率ε

電荷傳輸效率η‘2.工作頻率控制CCD中信號電荷在移位寄存器中轉(zhuǎn)移的時鐘脈沖頻率f=1/T。

對于二相CCD，

通常情況3.光譜特性CCD積分靈敏度S=Uo/H

單位:Vcm2/μJ曝光量H=LτL:光照度

τ:曝光時間(光積分TSH)H的單位:μJ/cm2;lxs4.分辨率CCD所能分辨的最小間距就是像元間距d，因而由像元的尺寸可確定極限分辨率。線陣CCD：極限分辨率為1/d(線對/mm)面陣CCD:像元數(shù)越多，分辨率越高。更多用水平方向、垂直方向各自的線數(shù)來表示。

CCD是低照度器件，光電靶γ可達99.7%，攝像頭常帶有γ選擇。5.光電特性

CCD像元的飽和輸出電壓與它在暗場下的峰-峰噪聲電壓的比值Usat/Udn

。Usat決定于勢阱中可存儲的最大電荷量，一般為數(shù)百mv-數(shù)v；CCD是低噪聲器件，可用于微光成像，Udn一般為數(shù)mv以下。普通CCD的動態(tài)范圍1000:1左右。6.動態(tài)范圍

CCD器件可控制在1mA/cm2

。7.暗電流CCD類型及特點

1.類型

表面溝道CCD（SCCD）：電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?；體溝道CCD（BCCD）：電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(nèi)沿一定方向傳輸。工作過程：電荷的產(chǎn)生-存儲-傳輸-檢測。2.特點

固體化攝像器件高空間分辨率高光電靈敏度和大的動態(tài)范圍光敏元間距位置精確,可獲得很高的定位和測量精度信號與微機接口容易線陣CCD驅(qū)動電路介紹線陣CCD驅(qū)動電路就是要產(chǎn)生正確的SH、1、2、RS信號，它是CCD芯片賴以正常工作的基礎(chǔ)。以TCD1200D為例，介紹線陣CCD驅(qū)動電路：TCD1200D有2160個光敏單元，其前后各有64及12個啞單元。因此：TSH2236TRS，fRS=1MHz，fφ1、φ2=0.5MHz。驅(qū)動電路由單片機(AT89C2051)、可編程門陣列芯片（GAL16V8）構(gòu)成。

AT89C2051是帶2K字節(jié)可編程電擦除EPROM的CMOS8位單片機。具有8031單片機的功能，可輸出20MHz時鐘。

GAL16V8是一種可編輯器件。圖示中未標的管腳可自由定義，通過編程，形成所需的邏輯關(guān)系。

SH信號的產(chǎn)生：將Q信號送往單片機P1.7口，單片機查詢后由P3.7口輸出P信號。

4路驅(qū)動信號－SH、1、2、RS都由GAL器件產(chǎn)生。GAL芯片有足夠的驅(qū)動能力，管腳可自由定義，使驅(qū)動電路緊湊、連線簡單。單片機除協(xié)同產(chǎn)生SH外，可充分用于CCD數(shù)據(jù)測量工作。以上介紹的設(shè)計思想可用于任何型號的線陣CCD。線陣CCD攝像機可用于彩色印刷中的套色工藝監(jiān)控風云一號衛(wèi)星可以對地球上空的云層分布進行逐行掃描面陣CCD的應用