付小寧版“光電檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)”第六章3、4.ppt

1、6.3 .電荷耦合器件(CCD)、固態(tài)成像器件、電荷耦合器件(CCD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器(CMOS)、CCD立體相機(jī)、前、中、后三層圖像合成三維圖像、激光高度計(jì)(高度5m，分辨率1m)、干涉成像光譜儀、x光相機(jī)、微波探測(cè)器(土壤厚度，氦-3)、高能粒子探測(cè)器、低能離子探測(cè)器、元素探測(cè)、探測(cè)地球與月球之間的環(huán)境、電荷耦合器件CCD、線陣CCD、面陣CCD、面陣CCD(。體通道電荷耦合器件(BCCD)，電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體中，并在半導(dǎo)體中沿一定方向轉(zhuǎn)移，電荷耦合器件類型，6.3.1電荷耦合器件的工作原理，1.1，電荷耦合器件的工作原理，電荷耦合器件，光信息

2、，電脈沖，脈沖只反映光敏元件的受光情況，而脈沖幅度反映光敏元件的受光強(qiáng)度。輸出脈沖序列可以反映光敏元件的位置并完成圖像感測(cè)。特點(diǎn)：電荷用作信號(hào)?；竟δ埽弘姾纱鎯?chǔ)和轉(zhuǎn)移、電荷耦合器件基本工作原理、信號(hào)電荷產(chǎn)生、信號(hào)電荷存儲(chǔ)、信號(hào)電荷傳輸和信號(hào)電荷檢測(cè)。1.1.1電荷儲(chǔ)存，電荷耦合器件是由規(guī)則排列的金屬氧化物半導(dǎo)體(metal，oxide，semiconductor)組成，如果有光入射到半導(dǎo)體硅片上，在光子的作用下，半導(dǎo)體硅片產(chǎn)生電子空穴對(duì)，產(chǎn)生的光電子被表面的勢(shì)阱吸收。而空穴被電場(chǎng)從耗盡區(qū)排斥。當(dāng)向金屬電極施加正電壓VG時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，電極下部區(qū)域中的大多數(shù)載流子空穴被排斥并被趕走，形成耗

3、盡區(qū)。對(duì)于少數(shù)載流子電子，電場(chǎng)將它們吸引到電極下的耗盡區(qū)。耗盡區(qū)是帶負(fù)電電子的低勢(shì)能區(qū)，稱為“勢(shì)阱”。在勢(shì)阱中積累電子的能力取決于勢(shì)阱的“深度”，而表面電勢(shì)大約與柵極電壓VG成比例。勢(shì)阱中吸收的光電子數(shù)與入射勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。這種金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)單元被稱為光敏單元或像素；被勢(shì)阱吸收的幾個(gè)光生電荷稱為電荷包。通常，在半導(dǎo)體硅片上有數(shù)千個(gè)獨(dú)立的金屬氧化物半導(dǎo)體光敏單元。如果向金屬電極施加正電壓，將在半導(dǎo)體硅晶片上形成數(shù)千個(gè)獨(dú)立的勢(shì)阱。如果此時(shí)在這些光敏單元上照射了明暗圖像，那么這些光敏單元將產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于照射強(qiáng)度的光電荷圖像，從而獲得圖像信號(hào)。1.1.2 .電荷耦合，每個(gè)單元(每個(gè)像素)的電荷

4、耦合器件稱為一位，有256位，1024位和2160位的線陣電荷耦合器件。一位電荷耦合器件中金屬氧化物半導(dǎo)體電容的數(shù)量是電荷耦合器件的相數(shù)，電荷耦合器件通常具有兩相、三相和四相結(jié)構(gòu)，它們所施加的時(shí)鐘脈沖也分為兩相、三相和四相。兩相脈沖的兩個(gè)脈沖之間的相位差為1800；三相和四相脈沖的相位差分別為1200和900。當(dāng)該定時(shí)脈沖被施加到電荷耦合器件驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行循環(huán)時(shí)，將實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的定向轉(zhuǎn)移和耦合。圖中所示的TCD1206的相鄰兩個(gè)像素包含兩個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體電容器，并且表面電勢(shì)增加的方向是向下的。工作過(guò)程如圖所示：當(dāng)at=t1時(shí)，1個(gè)電極處于高電平，2個(gè)電極處于低電平。因?yàn)殡姌O1上的柵極電壓大于導(dǎo)

5、通電壓，所以在1處形成勢(shì)阱。假設(shè)光電二極管此時(shí)接收光，光電二極管的每個(gè)比特(每個(gè)像素)的電荷從相應(yīng)的電極1落入勢(shì)阱。當(dāng)b=T2時(shí)，電極1上的柵極電壓低于電極2上的柵極電壓，因此電極1下方的勢(shì)阱變得更淺更深，更多的電荷流向電極2。(由于勢(shì)阱的不對(duì)稱性，“左邊淺，右邊深”，電荷只能轉(zhuǎn)移到右邊。當(dāng)c t=t3時(shí)，2個(gè)電極處于高電平，而1個(gè)電極處于低電平，因此電荷聚集在2個(gè)電極下，實(shí)現(xiàn)了因此，在一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期后，電荷包在電荷耦合器件上移動(dòng)一位。1.1.3電荷注入，光注入模式當(dāng)光照射電荷耦合器件硅片時(shí)，在靠近柵極的體中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，大多數(shù)載流子被柵極電壓取代，而少數(shù)載流子被收集到勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。

6、在電荷耦合器件中，電荷注入可以分為兩種類型：光注入和電注入。n是入射光的光子流率；a是光敏單元的光接收區(qū)域，t是光注入時(shí)間，4是電荷檢測(cè)。電荷耦合器件輸出結(jié)構(gòu)的功能是將電荷耦合器件中的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換成電流或電壓輸出，以檢測(cè)信號(hào)電荷。浮動(dòng)擴(kuò)散放大器屬于電壓輸出模式，目前應(yīng)用廣泛。其基本結(jié)構(gòu)和工作原理如下：如圖所示，給出了電荷耦合器件的電壓輸出電路。隨著被稱為門控電荷積分器的T2管的打開和關(guān)閉，放大管T1、復(fù)位管T2和輸出二極管T3處于門控和關(guān)閉狀態(tài)。放大管T1是源極跟隨器，復(fù)位管T2工作在開關(guān)狀態(tài)，輸出二極管T3總是處于強(qiáng)反向偏置狀態(tài)。點(diǎn)A處的等效電容C由T3管的結(jié)電容加上T1管的柵極電容組成，構(gòu)

7、成電荷積分器，如圖所示，為電壓輸出波形圖。電荷耦合器件電壓輸出的工作原理如下：在每個(gè)時(shí)鐘脈沖周期內(nèi)，隨著時(shí)鐘脈沖1或2的下降過(guò)程，電荷包從電荷耦合器件轉(zhuǎn)移到輸出二極管T3的N區(qū)，即電荷積分器，使A點(diǎn)的電位變化為：由于公式中的MOS管T1的電壓增益為，gm為電導(dǎo)，RL為負(fù)載電阻，T1管源的輸出電壓變?yōu)椋鹤x出Vout。然后，在復(fù)位脈沖r的作用下，T2管的柵極RG被打開，電荷包q通過(guò)T2管的溝道被抽走，從而點(diǎn)a的電位被復(fù)位到VRD值，為下一次Vout讀出做準(zhǔn)備。因?yàn)樗莕通道的，信息電荷是電子的，所以加一個(gè)負(fù)號(hào)。當(dāng)r完成并且T2管關(guān)閉時(shí)，因?yàn)門1管在點(diǎn)a處處于VRD電位的強(qiáng)反向偏置狀態(tài)，所以該積分器

8、沒有放電電路，所以點(diǎn)a處的電位保持在VRD值，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)電荷到達(dá)。2、電荷耦合器件的特征參數(shù)，2.1電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率，轉(zhuǎn)移后剩余電量為2.2驅(qū)動(dòng)頻率，即驅(qū)動(dòng)頻率的下限。在信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中，為了避免少數(shù)載流子熱激發(fā)引起的注入信號(hào)電荷的干擾，注入電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的時(shí)間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命。對(duì)于兩個(gè)階段，周期為t，載流子的平均壽命與器件的工作溫度有關(guān)。工作溫度越高，熱激發(fā)少數(shù)載流子的平均壽命越短，驅(qū)動(dòng)頻率的下限和上限越高。當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率上升時(shí)，驅(qū)動(dòng)電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極的時(shí)間t應(yīng)該大于從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極以確保電荷完全轉(zhuǎn)移的固有時(shí)間。否則，信號(hào)

9、電荷不能跟上驅(qū)動(dòng)脈沖的變化，這將大大降低傳輸效率。電荷轉(zhuǎn)移的速度與載流子遷移率、電極長(zhǎng)度、襯底雜質(zhì)濃度和溫度有關(guān)。3.2 .有幾種常用的電荷耦合器件驅(qū)動(dòng)方法。產(chǎn)生電荷耦合器件驅(qū)動(dòng)時(shí)序的方法有很多。常用的方法如下：該方法利用數(shù)字門電路和定時(shí)電路組成CCD驅(qū)動(dòng)定時(shí)電路。一般來(lái)說(shuō)，它由振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和計(jì)數(shù)器組成。它可以由標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件或可編程邏輯器件組成。其特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)頻率高，但邏輯設(shè)計(jì)復(fù)雜。一種是直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)法，二種是可編程邏輯器件CPLD，其驅(qū)動(dòng)頻率和積分時(shí)間可以調(diào)節(jié)，三種是單片機(jī)驅(qū)動(dòng)法，單片機(jī)產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的方法主要依靠編程，驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)由單片機(jī)的輸入輸出端口直接輸出。定時(shí)信號(hào)由程序

10、指令之間的延遲產(chǎn)生。該方法的特點(diǎn)是定時(shí)調(diào)整靈活方便電子順磁共振驅(qū)動(dòng)法，即專用集成電路驅(qū)動(dòng)法，利用專用集成電路產(chǎn)生電荷耦合器件驅(qū)動(dòng)時(shí)序，集成度高，功能強(qiáng)，使用方便。在大規(guī)模生產(chǎn)中，這種方法在視頻領(lǐng)域(如驅(qū)動(dòng)攝像機(jī))是首選，但在工業(yè)測(cè)量中不靈活。可編程邏輯器件法可以代替“專用集成電路驅(qū)動(dòng)法”。3.3，電荷耦合器件圖像傳感器的應(yīng)用，電荷耦合器件的七個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，小型化黑白和彩色電視攝像機(jī)(面陣CCD)是應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。)、2)。傳真通信系統(tǒng)，使用10242048像素的線陣CCD作為傳真機(jī)，可以在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)掃描A4原稿。光學(xué)字符識(shí)別，而不是人眼，將字符轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，數(shù)字化，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)識(shí)別。

11、4)。廣播電視，5)。工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制，這是一個(gè)有大量電荷耦合器件應(yīng)用的領(lǐng)域，統(tǒng)稱為機(jī)器視覺應(yīng)用。鋼鐵、木材、紡織、糧食、醫(yī)藥、機(jī)械等領(lǐng)域。對(duì)零件尺寸、產(chǎn)品質(zhì)量、包裝、形狀識(shí)別、表面缺陷或粗糙度進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查。在自動(dòng)控制方面，它主要是作為計(jì)算機(jī)獲取受控信息的一種手段。它也可以用作機(jī)器人視覺傳感器。6)。可用于各種標(biāo)本分析(如血細(xì)胞分析儀)、眼球運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、x光攝影、胃鏡檢查、結(jié)腸鏡檢查等。例如，在美國(guó)，五個(gè)2048位的電荷耦合器件被拼接成10240位長(zhǎng)的偵察膠片，而不是用作地球衛(wèi)星傳感器的125毫米寬的偵察膠片。航空遙感和衛(wèi)星偵察。例如，1985年，歐洲航天局首次在SPOT衛(wèi)星上使用了大型線陣電

12、荷耦合器件掃描，地面分辨率提高到10米。它還有軍事應(yīng)用：微光夜視、導(dǎo)彈制導(dǎo)、目標(biāo)跟蹤、軍事圖像通信等。天文觀測(cè)，微小尺寸探測(cè)(10500微米)，利用衍射方法測(cè)量細(xì)絲、狹縫、微小位移、微小孔洞等。根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射公式：我們可以得到：例：尺寸測(cè)量，d燈絲直徑；k衍射暗顆粒級(jí)k=1，2，3；激光波長(zhǎng)；l從被測(cè)燈絲到電荷耦合器件光敏表面的距離；被測(cè)燈絲與第K暗粒子的連接，以及與光主軸的夾角；xk是從第k個(gè)暗顆粒到光軸的距離。3，當(dāng)Sintg=xk/L很小時(shí)(即L足夠大)，代入，得到：S暗顆粒寬度，S=XK/K相等，然后用電荷耦合器件將測(cè)量細(xì)絲直徑D轉(zhuǎn)換成測(cè)量S，誤差分析，因?yàn)榧す獠ㄩL(zhǎng)誤差很小，可以忽略不計(jì)，那么，例如，He-Ne激光為632.8 nm，l=1000測(cè)量誤差：線is越細(xì)，測(cè)量精度越高(D越小，S越大)， 圖像傳感器輸出的視頻信號(hào)經(jīng)放大器放大后，再經(jīng)峰值保持電