光电式传感器3.ppt

 CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。 MOS电容器和一般电容器不同的是，其下极板不是一般导体而是半导体。假定所用半导体是P型硅，其中多数载流子是空穴，少数载流子是电子。若在栅极上加正电压，衬底接地，则带正电的空穴被排斥离开Si-SiO2界面，带负电的电子被吸引到紧靠Si-SiO2界面。当电压高到一定值，形成对电子而言的所谓势阱，电子一旦进入就不能复出。电压愈高，产生的势阱愈深。可见MOS电容器具有存储电荷的功能。如果衬底是N型硅，则在电极上加负电压，可达到同样目的。 CCD的信号是电荷, 那么信号电荷是怎样产生的呢？当光照射到光敏元上时，会产生电子-空穴对（光生电荷），电子被吸引存储在势阱中。入射光强则光生电荷多，弱则光生电荷少，无光照的光敏元则无光生电荷。这样就在转移栅实行转移前，把光的强弱变成与其成比例的电荷的数量，实现了光电转换。若停止光照，电荷在一定时间内也不会损失，可实现对光照的记忆。 与非门：与上图输出不同，从集电极输出。在输入端A和B同时为高电平，则发光二级光发光，光敏三级光都导通，输出C为低电平。如果输入中只要有一个为低电平，则有一个光敏三级管不导通，输出为高电平。 或门：从发射级输出，输入端A和B有一个或两个为高电平，则有一个或两个发光二级光发光，光敏三级管导通，输出C为高电平。 或非门：从集电级输出，输入端A和B有一个或两个为高电平，则有一个或两个发光二级光发光，光敏三级管导通，输出C为低电平。 4、隔离作用： 在电路中将高压电路和低压信号分开，避免干扰。使负载的尖峰噪声不会反馈到逻辑电路。 5.13 光导摄像管 光导摄像管出现于20世纪60年代，以后性能得到很大改善，广泛应用于电视摄像等方面。作为摄像装置，必须有三个功能：把图像的像素图转换为相应电荷图的功能，把电荷图暂存起来的功能和把各个像素依次读出的功能。光导摄像管就具备这三个功能。 在真空管的前屏幕上设置有光电导膜和透明导电膜的阵列小单元。由电子枪射出的电子经电子透镜聚焦成电子束射向光电导膜。通过电子束扫描，读取储存在光导电子靶面上的由于入射光的激励所产生的电子图像。 光导摄像管的结构和等效电路 电压降低的多少与光强成比例，实现把图像的像素图转换为相应的电荷图，电流大小与小单元电压降低的程度成正比。充电电流流过负载电阻RL，从而输出与强弱程度不同的光成正比的电压信号。根据这样的工作原理来扫描二维的光电膜表面，就可获得二维图像信号，完成各个像素信号的依次读出。电子束的偏转有电磁方式和静电方式两种。为使电子加速必须外加300~600V的电压。 5.14 CCD图像传感器 电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices，简称CCD)是贝尔实验室的于1970年发明的，它以电荷作为信号, 具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，且集成度高、功耗低，因此随后得到飞速发展，是图像采集及数字化处理和自动控制必不可少的关键器件，广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。 常用于以下测量：⑴.尺寸测量⑵.工件伤痕及表面污垢检测⑶.形状检测 每个光敏元（像素）对应有三个相邻的转移栅电极1、2、3，所有电极彼此间离得足够近，以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的1电极相连并施加时钟脉冲φ1，所有的2、3也是如此，并施加时钟脉冲φ2、φ3。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭. 工作时，依次对三个转移栅施加三个相差1200前沿陡峭，后沿倾斜的脉冲。 实行转移的工作原理是，t1时刻φ1是高电平，于是在电极1下形成势阱，并将少数载流子(电子)吸引至聚集在Si-SiO2界面处，而电极2、3却因为加的是低电平，形象地称为垒起阱壁。t2时刻，φ1的高电平有所下降，φ2变为高电平，而φ3仍是低电平。这样在电极2下面势阱最深，且和电极1下面势阱交迭，因此储存在电极1下面势阱中的电荷逐渐扩散漂移到电极2下的势阱区。由于电极3上的高电平无变化，所以仍高筑势垒，势阱里的电荷不能往电极3下扩散和漂移。 t3时刻，φ1变为低电平，φ2为高电平，这样电极1下面的势阱完全被撤除而成为阱壁，电荷转移到电极2下的势阱内。由于电极3下仍是阱壁，所以不能继续前进，这样便完成了电荷由电极1下转移到电极2下的一次转移。 CCD也可在输入端用电形式输入被转移的电荷，或用以补偿器件