9.3电荷耦合器件和位置敏感器件讲解.pptx

9.3电荷耦合器件和位置敏感器件一、电荷耦合器件概念：电荷耦合器件（ChargeCoupledDevices），简称CCD历史：CCD的概念是于20世纪70年代由美国贝尔实验室提出；结构：集MOS光敏单元阵列和读出移位寄存器于一体；产品：数码照相机、摄像机应用：广播电视、可视电话；工业监控和测量。1、MOS（MetalOxideSemiconductor）光敏单元MOS光敏单元的结构：P型（或N型）单晶硅基体上，生长一层很薄的SiO2绝缘层，又在其上沉积一层金属电极，形成了金属-氧化物-半导体结构单元；

9.3电荷耦合器件和位置敏感器件势阱的形成：施加一正电压UG时，在电场作用下，附近的P型硅中的多数载流子-空穴就被排斥到表面入地，从而形成一个耗尽区，称为电子势阱；捕获光子：光线照射到半导体硅片上，在光子作用下，半导体吸收光子，产生电子-空穴对，其中的光生空穴被电场排斥出耗尽层，而光生电子被附近的势阱吸收，吸收的光生电子数量与势阱附近的光强度成正比。MOS光敏元的结构原理图

9.3电荷耦合器件和位置敏感器件像素：一个MOS光敏元为一个像素；电荷包：一个势阱所收集的光生电荷为一个电荷包；MOS光敏单元阵列：在半导体硅片上制成几百或几千个相互独立的MOS光敏单元（如1024×768），在金属电极上加上正电压，就会形成几百或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏单元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏单元就形成一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，即将整个图像的光信号转换为电荷包阵列。

9.3电荷耦合器件和位置敏感器件读出移位寄存器的作用：将光生电荷转移输出；读出移位寄存器的结构：其也是MOS结构，但与MOS又有区别在其底部覆盖有一层遮光层，防止外来光线干扰；它由三组相毗邻的电极组成一个耦合单元，每个耦合单元用来转移一个MOS光敏单元形成的电荷包，在三个电极上分别施加φ1、φ2、φ3三个驱动脉冲，三个脉冲的形状完全相同，但彼此间有相位差（差1/3周期）。2、读出移位寄存器读出移位寄存器结构原理图

9.3电荷耦合器件和位置敏感器件t=t1：φ1相处于高电平，φ2、φ3相处于低电平，电极φ1下出现势阱，存入电荷。t=t2：φ1、φ2相处于高电平，φ3相处于低电平，电极φ1、φ2下都出现势阱。因两电极靠的很近，电荷就从φ1电极下耦合到φ2电极下。t=t3：更多的电荷耦合到电极φ2下。t=t4：只有φ2相处于高电平，电荷全部耦合到电极φ2下。电荷转移过程：信号电荷传输示意图

9.3电荷耦合器件和位置敏感器件3、线阵电荷耦合器件组成：单排MOS光敏元阵列、转移栅、读出移位寄存器。线阵CCD结构原理图

9.3电荷耦合器件和位置敏感器件工作过程：光学成像系统将图像成像在CCD的光敏面上，光敏单元开始电荷积累，这一过程也称光积分。施加电压脉冲φp，势阱吸收附近的光生电荷，从而将图像信号按其强度大小转变为一系列电荷包。转移栅施加转移脉冲φt，转移栅开启，各光敏单元的光生电荷并行转移到读出移位寄存器的相应单元输出。当转移栅关闭时，MOS光敏单元阵列开始下一行的光电荷积累过程。读出移位寄存器串行输出各位的信息。说明：CCD输出脉冲的幅度取决于对应光敏元所受光强；输出脉冲频率和驱动脉冲φ1等的频率相一致。

9.3电荷耦合器件和位置敏感器件4、面阵电荷耦合器件组成：光敏元面阵、存储器面阵、读出移位寄存器（线阵）。场转移面阵电荷耦合器件

9.3电荷耦合器件和位置敏感器件工作过程：在光积分时间，各个光敏单元曝光，吸收光生电荷。曝光结束后，在转移脉冲控制下，光敏元面阵的电荷信号全部迅速转移到对应的存储器区暂存。此后光敏元面阵开始第二次光积分。与此同时，存储器面阵存储的光生电荷自存储器底部向下一排一排转移到读出移位寄存器中，然后再顺次从读出移位寄存器输出，完成二维图像信息向二维电信息的转换。

9.3电荷耦合器件和位置敏感器件5、CCD应用举例工件尺寸检测：依据工件成像轮廓覆盖的光敏单元数目来计算工件尺寸。工件尺寸测量系统

9.3电荷耦合器件和位置敏感器件例如：光学系统放大率为1/M，则工件尺寸N-覆盖的光敏单元数目；d-相邻光敏单元的中心距离；-图像末端两个光敏单元之间可能的最大误差。物体缺陷检查：检查对象：表面有缺陷的不透明物体；体内有缺陷的透明物体。判断缺陷的依据：缺陷与材料背景有足够反差，且缺陷面大于两个光敏单元，CCD可察觉。实例：磁带的小孔，钞票的缺陷；玻璃中的针孔、气泡、夹杂物。

9.3电荷耦合器件和位置敏感器件二、位置敏感器件概念：位置敏感器件（PositionSensitiveDetector,），简称PSD种类：一维和二维应用：一维PSD用于测定光点的一维坐标