1、电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）CCD CCD基本结构分两部分：基本结构分两部分：MOSMOS（金属氧化物半导体）（金属氧化物半导体）光敏元阵列）。光敏元阵列）。在半导体硅片上制作成百上在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。面阵有规则地排列。读出移位寄存器。读出移位寄存器。一种大规模一种大规模MOSMOS集成电路光电器件集成电路光电器件CCDCCD结构示意图结构示意图 显微
2、镜下的MOS元表面4 一系列彼此非常接近的一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是制成，衬底可以是P型或型或N型材料，上面生长均匀、连续型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。属化电极（栅极）。1.CCD1.CCD工作原理工作原理(1)MOS(1)MOS的结构的结构5 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）特点）特点以电荷作为信号。以电荷作为信号。CCD的基本功能的基本功能电荷存储和电荷存储和电荷转移。电荷转移。CCD工作过程工作过程信号电荷的信号电荷
3、的产生、存储、传输和检测的过程。产生、存储、传输和检测的过程。6 一系列彼此非常接近的一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是制成，衬底可以是P型或型或N型材料，上面生长均匀、连续型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。属化电极（栅极）。1.CCD1.CCD工作原理工作原理(1)MOS(1)MOS的结构的结构2.CCD工作原理工作原理(2)(2)电荷产生：电荷产生：当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极
4、下P P型型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一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，称势能很低的区域，称“势阱势阱”。有光线入射到硅片上。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生时，光子作用下产生电子电子空穴对，空穴被电空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。光强度成正比。一个一个MOSMOS光敏元结构光敏元结构 一个一个MOSMOS结构元为结构元为MOSMOS光敏元光敏元或一个或一个像素；像素；把一个势阱所收集的光生电子称为一个把一个势
5、阱所收集的光生电子称为一个电荷包；电荷包；CCDCCD器件内是在硅片上制作成百上千的器件内是在硅片上制作成百上千的MOSMOS元，元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；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，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像。这就是电荷耦合器件的电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电物理效应光电物理效应基基本原理。本原理。2.CCD2.CCD工作原理工作原理(2)(2)电荷存储原理：电荷存储原理：2651801339066
6、453322分辨率（MOS元多少）不同的图象比较2.CCD2.CCD工作原理工作原理(3)(3)电荷转移原理（读出移位寄存器）电荷转移原理（读出移位寄存器）光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，CCDCCD电荷电荷 耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。读出移位寄存器也是读出移位寄存器也是MOSMOS结构，由金属电极、氧化物、结构，由金属电极、氧化物、半导体三部分组成。它与半导体三部分组成。它与MOSMOS光敏元的区别在于，半导体光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。底部覆盖了一层遮光层，防止外来
7、光线干扰。由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；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在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲1 12 23 3。2.CCD工作原理工作原理电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。见图控制电荷定向转移的过程。见图 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P
8、2P3P3(a)123t0t1t2t3t(b)电荷转移过程电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t30l三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲在其上施加三个相位不同的控制脉冲1，2，3，见图（，见图（b）。）。lCCD电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图(b)采采用电注入方式。用电注入方式。P1 P2l当当P1极施加高电压时，在极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（下方产生电荷包（t=t0）；）；l当当P2极加上同样的电压
9、时，由于两电势下面势阱间的耦合，极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在原来在P1下的电荷将在下的电荷将在P1、P2两电极下分布（两电极下分布（t=t1）；）；l当当P1回到低电位时，电荷包全部流入回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中下的势阱中（t=t2）。）。l然后，然后，p3的电位升高，的电位升高，P2回到低电位，电荷包从回到低电位，电荷包从P2下转到下转到P3下的势阱（下的势阱（t=t3），以此控制，使），以此控制，使P1下的电荷转移到下的电荷转移到P3下。下。l随着控制脉冲的分配，少数载流子便从随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到的一端转移到最终端。
10、终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现处理，便实现电荷移动电荷移动。P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P3 P3t=t0t=t1 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3t=t2t=t3 P2 P1(5)信号输出方式信号输出方式u CCDCCD信号电荷的输出的方式主要有信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输电流输出、电压输出两种。出两种。u 书书136136页页8-268-26u 末端衬底上制作一个输出二极管，当二极管加上反末端衬底上制作一个输出二极管，当二极管加上反向偏压时，转移到终端的
11、电荷在时钟脉冲作用下，向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下，移向输出二极管，被二极管的移向输出二极管，被二极管的PNPN结所收集，在负载结所收集，在负载上形成脉冲电流，输出电流的大小与信号电荷大小上形成脉冲电流，输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻变为信号电压输出。成正比，并通过负载电阻变为信号电压输出。(5)(5)信号输出方式信号输出方式CCD固态图像传感器固态图像传感器CCDCCD固态图像传感器固态图像传感器u线阵线阵CCDCCD型型u面阵面阵CCDCCD型型 （1 1）线型）线型CCDCCD图像传感器图像传感器 线型线型CCDCCD图像传感器是由一列图像传感器是由一列
12、MOSMOS光敏元和一列移位寄存器并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行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅,如图所示。如图所示。转移控制栅光积分单元/光敏元不透光的电荷转移结构光积分区输出(a)(b)线型CCD图像传感器输出 在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极。当入射光照射在在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极。当入射光照射在光敏元件阵列上光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷光敏元件聚集光电荷,进行进行光积分光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束光电荷与光照强度和光积分时间成正比。
13、在光积分时间结束时时,转移栅上的电压提高转移栅上的电压提高(平时低电压平时低电压),与与CCD对应的电极也同时处对应的电极也同时处于高电压状态。然后于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从将存储的电荷从CCD中转中转移移
14、,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而从而读出电荷图形。读出电荷图形。（二）、线阵（二）、线阵CCD光敏元排成直线光敏元排成直线正脉冲正脉冲P光生电荷光生电荷转移脉冲转移脉冲t打开转移栅打开转移栅电荷电荷并行移位寄存器移位寄存器1 2 3依次移位输出电荷依次移位输出电荷转移栅关闭，进行光积分转移栅关闭，进行光积分输出脉冲幅度输出脉冲幅度 光强光强转移栅光积分单元不透光的电荷转移结构光积分区输出转移栅(a)(b)线型CCD图像传感器输出 目前，实用的线型目前，实用的线型CCD图像传感图像传感器为双行结构，如图（器为双行结构，如
15、图（b）所示。单、）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。光敏信号电荷的顺序。（2 2）面型）面型CCDCCD图像传感器图像传感器 面型面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式。形式。二相驱动视频输出 行扫描发生器输出寄存
16、器检波二极管二相驱动感光区(a)图图(a)所示结构由行扫描电路、所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像像信号。这种结构易于引起图像模糊。模糊。场行扫描电路场行扫描电路,是提供高压是提供高压,使感光物质受到激发使感光物质受到激发从而显示图象从而显示图象沟
17、阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光区 存储区析像单元 视频输出输出栅串行读出(b)图（图（b）所示结构增加了具）所示结构增加了具有有公共水平方向电极公共水平方向电极的不透光的不透光的信息存储区。在正常垂直回的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最下移动，每次总
18、是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的移出后，就开始下一帧信号的形成。该形成。该CCD结构具有单元密结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增度高、电极简单等优点，但增加了存储器。加了存储器。光栅报时钟二相驱动输出寄存器检波二极管 视频输出垂直转移寄存器感光区二相驱动(c)图图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图(b)中感光元件与存储元件相隔
19、排列。即一列感光单元，中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区随后，在每个水平回扫随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简这种
20、结构的器件操作简单，但单元设计复杂，单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图感光单元面积减小，图像清晰。像清晰。CCD 固态图像传感器应用固态图像传感器应用CCDCCD产品产品CCD应用举例 实例实例1 1：测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工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。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。这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。玻璃管玻璃管CCDCCD视频信号视频信号CCD应用举例测量原理测量原理:在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据
21、监测结果对生量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生产过程进行调整，以便提高产品质量。产过程进行调整，以便提高产品质量。玻璃管的平均外径玻璃管的平均外径12mm,12mm,壁厚壁厚1.2mm,1.2mm,要求测量要求测量精度为外径精度为外径0.1mm,0.1mm,壁厚壁厚0.05mm0.05mm。利用。利用CCDCCD配合配合适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测，适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测，用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影在在CCDCCD光敏像元阵列面上。光敏像元阵列面上。由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像
22、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亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。壁厚像。CCD应用举例线阵CCD进行工件尺寸测量实例实例2 2：PSD 位置敏感器件 光电位置敏感器件（光电位置敏感器件（PSD）是一种对其感是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件。即输光面上入射光点位置敏感的光电器件。即输出的电信号随入射光点落在器件感光面的不出的电信号随入射光点落在器件感光面的不同位置而变化，并且与入射光点的强度和尺同位置而变化，并且与入射光点的强
23、度和尺寸大小均无关，而只与入射光点的寸大小均无关，而只与入射光点的“重心重心”位置有关。位置有关。一维一维PSD 二维二维PSD 位置敏感器 一维PSD外形图 a)等效图为 b)主要特点：相对于扫描型器件位置分辨力高：连续型响应速度高、213、测位置和光强：光强与总电流I0有关。4、输出信号只与光的重心位置有关，而与光聚焦无关。二维PSD 1一维一维PSD一维一维PSD为为PIN三层结构，其截面如图三层结构，其截面如图a所示。所示。VD 理想二极管理想二极管RD 定位电阻定位电阻 R1 R2IP 电流源电流源Rsh 并联电阻并联电阻Cj 结电容结电容xLxLRRII1221210IIILxLI
24、I201LxLII2022121IIxLII2二维二维PSD 二维二维PSD有单面型和双面型两种形式。有单面型和双面型两种形式。下图所示为单面型二维下图所示为单面型二维PSD，在受光面上设有两对电在受光面上设有两对电极，极，A、B为为x轴电极，轴电极，E为背面衬底共用电极，用它可对为背面衬底共用电极，用它可对正面各电极进行反偏置。设正面各电极进行反偏置。设IAID为电极为电极AD的光电流，的光电流，则光点能量中心的位置坐标为则光点能量中心的位置坐标为:BABAIIIIxDCDCIIIIy实验七实验七 PSD特性参数测量实特性参数测量实验验 一、实验目的：一、实验目的：了解光电位置敏感元件（PS
25、D）的原理，测定并掌握PSD的光电特性和位置敏感特性。二、实验原理：二、实验原理：PSD元件是一种对入射在光敏面上的光点位置敏感的光电器件，其输出光电流信号与光点在光敏面上的位置有关，且与光的聚焦无关，只与光的能量重心有关，此即PSD的位置敏感特性。此外，PSD的总输出光电流大小随光照强度而增大。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，半导体激光器，PSD元件，PSD光电流/电压转换电路，数字电压表，电流（毫安）表或万用表。四、实验步骤：(1)PSD位置敏感特性测定。按图7.1所示电路将PSD元件的上端或下端（虚线）与毫安表相连。检查无误后开启稳压电源。取下激光器，插头连接到“激光器
26、”单元VOUT端，将之点亮，通过PSD座的观察窗使激光束照射到PSD上，手动激光器，使光斑从左至右沿光敏面移动，在此过程中记录毫安表或万用表的读数，将光电流的变化情况填入表中。(2)PSD光电特性测定。按图7.2所示电路将PSD元件的上端和下端与毫安表或万用表相连。检查无误后开启稳压电源。通过PSD座的观察窗，用不同的光源（如日光灯、台灯、激光等）照射到PSD光敏面上，以表7.2记录PSD光电流的变化情况。(3)分析掌握PSD的光电敏感特性与位置敏感特性及其变化规律。mAmA图7.1 PSD位置敏感特性测量电路图7.2 PSD光电特性测量电路光敏区域光斑PSD实验实验 PSD微振动检测实验微振
27、动检测实验 一、实验目的：一、实验目的：深入了解光电位置敏感元件（PSD）的工作机理，了解PSD的动态响应特性，掌握采用PSD元件测量微振动的原理与方法。二、实验原理：二、实验原理：激光器发出的激光束照射到“振子”(偏心轮)上，一部分被偏心轮漫反射，经透镜聚焦PSD光敏面上，PSD两端输出一定的光电流。当偏心轮随电机高速旋转时，光斑位置在PSD光敏面将作周期性微振动，造成光电流的周期性微小变化，通过放大电路将光电流转换成电压信号，即可得到反映偏心轮振子振动的波形。三、实验所需元件和单元：三、实验所需元件和单元：直流稳压电源，半导体激光器，PSD元件，PSD光电流/电压转换电路，低通滤波器，电机
28、，振子（偏心轮），示波器。15V15VIC示波器或低通滤波器光敏区域光斑大体位置PSD图 8.1 PSD微振动测量实验电路 四、实验步骤：四、实验步骤：按图8.1所示电路连接各部分。连接好“低通滤波器”单元的正负电源。检查无误后开启稳压电源。点亮激光器，适当调节激光斑在偏心轮上的上下左右位置，使PSD光敏面上的光斑大致位于图示位置。(3)将面板上“振动控制”单元的输入端“VIN”接5V电源端；将“振动控制”单元的输出端“VOUT”与“振子”上端连接，“振子”下端（靠近实验者的那一端）接地。顺时针调节频率旋钮，偏心轮电机开始转动，可在示波器上看到振动波形，即偏心轮的包络线（参见图8.1）。适当调节“增益”旋钮，使振动波形不失真。(4)将“PSD电流/电压转换”单元的输出端与“低通滤波器”单元的输入端连接，用示波器观察滤波前后的波形及其差别。(5)频率测定。可从示波器上测得振动周期，取其倒数即为频率值。据此实际上还测定了电机的转速。精细调节“振动控制”单元的“频率”旋钮，改变振子的频率，重复上述实验。将实验结果填入表中。振幅的测定实验请实验者自行设计。
