传感器原理及工程应用(第三版)郁有文1-5第8章.ppt

线型CCD图像传感器主要用于测试、 传真和光学文字识别技术等方面。  (2) 面型CCD图像传感器 按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成面型CCD图像传感器。  面型CCD图像传感器有三种基本类型： 线转移型、 帧转移型和行间转移型， 如图8 - 28 所示。 图8-28（a）为线转移面型CCD的结构图。它由行扫描发生器、感光区和输出寄存器等组成。行扫描发生器将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，驱动脉冲将信号电荷一位位地按箭头方向转移，并移入输出寄存器， 输出寄存器亦在驱动脉冲的作用下使信号电荷经输出端输出。这种转移方式具有有效光敏面积大，转移速度快，转移效率高等特点，但电路比较复杂， 易引起图像模糊。 图8-28 面型CCD图像传感器结构  (a) 线转移型； (b) 帧转移型； (c) 隔离转移型 图8-28（b）为帧转移面型CCD的结构图。它由光敏元面阵（感光区）、 存储器面阵和输出移位寄存器三部分构成。图像成像到光敏元面阵， 当光敏元的某一相电极加有适当的偏压时， 光生电荷将收集到这些光敏元的势阱里，光学图像变成电荷包图像。 当光积分周期结束时，信号电荷迅速转移到存储器面阵， 经输出端输出一帧信息。当整帧视频信号自存储器面阵移出后， 就开始下一帧信号的形成。这种面型CCD的特点是结构简单， 光敏单元密度高， 但增加了存储区。 图8-28（c）所示结构是用得最多的一种结构形式。它将光敏单元与垂直转移寄存器交替排列。在光积分期间，光生电荷存储在感光区光敏单元的势阱里；当光积分时间结束，转移栅的电位由低变高， 信号电荷进入垂直转移寄存器中。随后，一次一行地移动到输出移位寄存器中，然后移位到输出器件，在输出端得到与光学图像对应的一行行视频信号。 这种结构的感光单元面积减小， 图像清晰， 但单元设计复杂。 　　面型CCD图像传感器主要用于图象的传感，如固体摄像器件，图象存储和图象处理器件。 8.1.6　位置敏感器件（PSD） 　　位置敏感器件(Position Sensitive Detector, 简称PSD)是一种对其感光面上入射光点位置敏感的器件，也称为坐标光电池，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。  　　PSD具有高灵敏度、 高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点， 在位置坐标的精确测量、 位置变化检测、 位置跟踪、 工业自动控制等领域得到了越来越广泛的应用。 图8－29　PSD结构示意图 　　PSD的基本结构如图8－29所示。PSD一般为PIN结构，上面为P层，下面为N层，在P层和N层之间有一层高电阻率的本征半导体I层，它们制作在同一硅片上。P层是光敏层，也是一个均匀的电阻层，在P层表面电阻层的两端各设置一输出极。当入射光照射到PSD的光敏层时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过P型电阻层分别由电极①和电极②输出。设电极①、②距光敏面中心点的距离分别为L，光束入射点的位置距中心点的距离为xA，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过N型层上电极③的电流I0为I1与I2之和，即I0=I1+ I2。电流I1、I2分别为 （8－3） （8－4） 由上面两式可得 （8－5） 　　由式（8－5）即可确定光斑能量中心相对于器件中心位置xA，它只与I1、I2电流的差值及总电流I0之间的比值有关，与入射光能的大小无关。 　　PSD有两种：一维PSD和二维PSD。 　　一维PSD主要用来测量光点在一维方向上的位置或位置移动量。图8－30为SI543型一维PSD的结构及等效电路图，图中，①、②为信号电极，③为公共电极，它的感光面大多为细长的矩形条。图（b）中，Rsh为并联电阻，Ip为电流源，也就是光敏面的光生电流，VD为理想二极管，RD为定位电阻，Cj为结电容，它是决定器件响应速度的主要因素。 图8－30　一维PSD传感器 （a）原理结构;（b）等效电路 　　图8－31为一维PSD的位置转换电路原理图。当光电流I1经反向放大器A1放大后，分别送给放大器A3与A4，而光电流I2经反向放大器A2放大后也分别送给放大器A3与A4。放大器A3为加法电路，完成光电流I1与I2相加的运算；放大器A4为减法电路，完成光电流I1与I2相减的运算；放大器A5用来调整运算后信号的相位。图中反馈电阻Rf的阻值大小取决于入射光点的光强以及后续电路的最大输出电压。所有运放均采用低漂移运算放大器。 图8－31　一维PSD传感器的转换电路 　　二维PSD用来测定光点在平面上的二维（x，y）坐标。图8－32是二维PSD的结构及等效电路图，它的感光面是方