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传感器原理及应用 CCD图像传感器 3.2 光电器件-电荷耦合器件 (4)电荷耦合器信号输出 (3)电荷耦合器信号输出 二、CCD器件 实例1： 利用CCD测量几何量，CCD诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，CCD输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷； 用于传真技术，文字、图象识别。例如用CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用； 自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机； 传感器原理及应用 CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描），与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压; 作为机器人视觉系统； M2A摄影胶囊（Mouth anus）,由发光二极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。 CCD传感器应用 传感器原理及应用 第3章??????光电式传感器 测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。 玻璃管CCD视频信号 传感器原理及应用 第3章??????光电式传感器 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间 亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的 壁厚像。 成像物镜的放大倍率为β，CCD相元尺寸为t， 上壁厚、下壁厚分别为n1、n2 ，外径尺寸的脉冲 数（即像元个数）为N，测量结果有： 分别为上壁厚、 下壁厚，外径尺寸。 实例2:线阵CCD进行工件尺寸测量 * 集散控制系统应用 山西工程职业技术学院 传感器原理及应用 * 传感器原理及应用 大庆石油学院 主讲人：康朝海 基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机 CCD结构示意图 显微镜下的MOS元表面 一、电荷耦合器件的结构和工作原理 1.基本结构 CCD基本结构分两部分： （1）MOS（金属—氧化物—半导体） 光敏元阵列； 电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元， 一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。 （2）读出移位寄存器。 MOS电容 CCD 是由规则排列的金属—氧化物—半导体（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。 Metal Oxide Semiconductor 2. 电荷耦合器件的工作原理 CCD 光信息 电脉冲 脉冲只反映一个光敏元的受光情况 脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱 输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置 完成图像传感 特点：以电荷作为信号 基本功能：电荷的存贮和转移 CCD基本工作原理 信号电荷的产生 信号电荷的存贮 信号电荷的传输 信号电荷的检测 光电导效应 (1)信号电荷的产生 当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子—空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。 (2)信号电荷的存储 电荷存储原理动画演示 一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素， 把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包； CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元， 每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱； 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。 这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。 电荷耦合器件的光电物理效应 读出移位寄存器 a.CCD电荷耦合器件是以电荷为信号。 b.读出移位寄存器也是MOS结构。 c.由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元,在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲Φ1Φ2Φ3。 （3）电荷转移原理 电荷转移原理动画演示 电荷转移原理动画演示 CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种,以电压输出型为例：有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA） 1、分类 CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构CCD。 线阵CCD结构 线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位寄存器组成。读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出信息，这一过程是一个串行输出过程。 a.线阵型 二、CCD器件 电荷输出控制波