電荷耦合器課件

CCD它具有結(jié)構(gòu)簡單，基礎(chǔ)度高，制造工序少，功耗低，信噪比好等優(yōu)點(diǎn)。CCD有線陣和面陣二種，CCD是一種半導(dǎo)體集成器件，它由MOS光敏元、移位寄存器、電荷轉(zhuǎn)移柵等部分組成。

一．MOS光敏元的工作原理

所謂MOS結(jié)構(gòu)；一般都以硅作為半導(dǎo)體襯底，在其上熱生長一層二氧化硅(SiO2)，并在二氧化硅上面淀積具有一定形狀的金屬層。因?yàn)樗怯山饘?M)—氧化物(O)—半導(dǎo)體(S)三層所組成，故稱MOS結(jié)構(gòu)。

二．移位寄存器移位寄存器由金屬電極、氧化物介質(zhì)及半導(dǎo)體三部分組成，也是MOS結(jié)構(gòu)，它不能使它受光照射，應(yīng)防止外來光線的干擾。上一節(jié)三．光敏單元中的電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移

現(xiàn)在來說明光敏單元中的電荷是怎樣轉(zhuǎn)移(讀出)至移位寄存器的。

如圖，光敏區(qū)中產(chǎn)生的電荷，由轉(zhuǎn)移門Z控制轉(zhuǎn)移至a1、a2、----an極下的勢阱。但如何解決光敏區(qū)中的光敏單元數(shù)與移位寄存器的傳輸單元數(shù)相等，而轉(zhuǎn)移電極2只有一個矛盾呢?現(xiàn)以A-A截面的電極為例進(jìn)行分析。把A-A截面的電極旋轉(zhuǎn)900后畫于圖3.2.2-5。由圖中可看出，從t0到t2光敏單元a1'中的電荷已轉(zhuǎn)移至a1極下的勢階。同理，光敏單元a1'、a2'…an'中的電荷同時轉(zhuǎn)移至a1、a2…an極下的勢阱。這是一個平行轉(zhuǎn)移的過程。由于t2以后轉(zhuǎn)移電極Z上的電壓恢復(fù)為零，相當(dāng)于把光敏區(qū)和移位寄存器之間的“門”阻塞。自t3以后，光敏單元又重新進(jìn)行光積累(光積分)，§3.2.2電荷耦合器（CCD）移位寄存器a1、b1

、c1；a2、b2

、c2；----an、bn

、cn等進(jìn)行移位(電荷傳輸)，各自執(zhí)行自己的任務(wù)。

光敏單元a1'中的電荷不移至b1和c1極下，是靠制造適當(dāng)?shù)臏系兰癰1、c1極上加適當(dāng)?shù)碾妷簛韺?shí)現(xiàn)的。當(dāng)t＝t1時，轉(zhuǎn)移電極Z上加正脈沖，這時Ua＝U，Ub＝0，Uc＝0，即這時b1、c1極下不產(chǎn)生勢阱，因此a1'中的電荷沿溝道轉(zhuǎn)移至a1極下的勢阱。上述光敏區(qū)中的電荷信號靠移位寄存器傳輸給輸出二極管讀出，故移位寄存器一般稱它為讀出寄存器。

四．面陣CCD

面陣CCD是按圖象信息的處理要求而輸出信號的。面陣CCD實(shí)際上是由許多線陣CCD排成二維形式，它主要用于電視攝像中。

面陣CCD也可以用作固體攝像傳感器來測量各種幾何量，俗稱攝像測量。

五．CCD輸出信號的處理方式

CCD輸出信號一般為負(fù)極性視頻信號，對CCD輸出信號的處理方式很多，以下是幾種典型的用于檢測和控制的信號處理方式。

1．CCD－放大―二值化處理－計(jì)數(shù)。

2．CCD－放大－濾波－比較整形－高頻填脈沖－計(jì)數(shù)

3．CCD－放大－同步采樣保持－高速A/D轉(zhuǎn)換－存儲－計(jì)算機(jī)圖象處理

4．CCD－放大－濾波－變成全電視信號－存儲（面陣CCD）§3.2.2電荷耦合器（CCD）六．CCD在動態(tài)測量直徑中的應(yīng)用

CCD動態(tài)測量細(xì)絲直徑的原理如圖3.2.2-7所示。

設(shè)所用的CCD有N0個光敏元，每個光敏元的大小為13μ，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為N，則細(xì)絲直徑D為：

D＝13（N0-N）在上述測量中，由于是用脈沖計(jì)數(shù)測量，故光源的波動對測量精度影響不大，細(xì)絲的抖動也不影響測量精度，故可達(dá)到較高的測量精度。如需要測量達(dá)到更高的分辨率，可用光學(xué)放大，如圖3.2.2-8所示。如k=x/y=1/13，則實(shí)際上放大了13倍，此時

D＝13k(N0-N0=(N0-N)

注意，采用光學(xué)放大后，細(xì)絲在垂直于CCD反向的抖動將影響測量精度?！?.2.2電荷耦合器（CCD）如測量大物體，可用二塊CCD，距離固定為L（如圖3.2.2-9所示），假定CCD1的計(jì)數(shù)值為N1，CCD2的計(jì)數(shù)值為N2，則