华东理工大学概率论6.ppt

4.6.2 CCD 图像传感器 CCD(Charge Coupled Device)- 电荷耦合元件 一种半导体器件 - 光学影像转化为数字信号 CCD 上植入的微小光敏物质 - 称像素（Pixel) CCD 上包含的像素数越多 - 提供的画面分辨率越高 CCD (电荷耦合元件）作用 光信号 - 转换成电荷信号 CCD 上 - 有许多排列整齐的光电二极管 能感应光线 - 光信号转换成电信号 经外部采样放大及模数转换电路 - 转换成数字图像信号 1.CCD 图像传感器 - 基本结构和工作原理 (1)基本结构 CCD 单元结构(图 34) (2)电荷存储的原理 以其建构的 P 型硅半导体 - 为例 金属电极（或称栅极）上 - 加正偏向电压 Ug 时（衬底接地） 正电压 Ug - 超过 MOS 晶体管的开启电压 由此形成的电场穿过氧化物（SiO）薄层 - 在 Si-SiO 界面处的表面势能发生相应的变化 半导体内的电子吸引到界面处来，从而在表面附近形成一个带负电荷的耗尽区 - 也称表面势阱 带负电的电子来说 - 耗尽区是个势能很低的区域 若此时 - 有光照射在硅片上 光子作用下 - 半导体硅产生电子-空穴对 产生的光生电子 - 被附近的势阱所吸收 势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比，存储了电荷的势阱 - 被称电荷包 同时产生的空穴 - 被电场排斥出耗尽区 (3)电荷转移 - 电荷转移过程(图 35) 电荷在两栅极间转移的过程 图 a) 三相时钟脉冲 - 随时间变化波形图 图 b) 三相时钟脉冲 - 控制转移存储电荷的过程 三相时钟脉冲 - 为例 MOS 光敏元电极 - 分为三组 图 b)中 MOS 元电极序号 1，4 - 由时钟脉冲 控制 MOS 元电极序号 2，5 - 由时钟脉冲 控制 MOS 元电极序号 3，6 - 由时钟脉冲 控制 2.电荷的注入和输出 (1) 电荷的注入方法 CCD 电荷的注入方法 - 有 电注入 光注入 电荷注入方法(图 36) (2)电荷的输出方法 CCD 的信号电荷传输到输出端 - 被读出的方法有 1)利用二极管的输出结构 2)浮置栅 MOS 管输出结构 1)利用二极管的输出结构(图 37) 2)浮置栅 MOS 管输出结构(图 38) 时钟脉冲的作用下 信号电荷包 - 通过输出栅 OG 被浮置扩散结收集 收集的信号电荷 - 成为控制 MOS 场效应晶体管的 VF2（集成在基片上）的栅极电压 MOS 管组成的源极跟随器的输出端 - 获得随信号电荷变化的输出电压 U0 3.线阵与面阵图像传感器 (1)电荷耦合图像传感器 - 可分（从结构） 线阵 CCD 用于 - 获取线图像的 面阵 CCD 用于 - 获取面图像的 线阵 CCD – 主要用于 产品外部尺寸 - 非接触检测 产品表面质量 - 评定 传真和光学文字 - 识别技术 面阵 CCD – 主要用于 摄像领域 绝大数领域 - 面阵 CCD 已取代普通的光导摄像管 (1)线阵 CCD 图像传感器 可以接受 - 一维光信号 不能直接 - 二维图像转换为一维的电信号输出 为得到 - 二维图像的输出 必须用扫描的方式来实现 线阵 CCD 传感器 - 组成 光敏区 转移栅 模拟位移寄存器 偏置电荷电路 输出栅和信号读出（检测）电路 线阵 CCD 图像传感器 - 基本形式 单沟道线阵 CCD 图像传感器 双沟道线阵 CCD 图像传感器 有 个光敏单元的线阵 CCD 图像传感器结构(图 39) 有 个光敏单元的线阵 CCD 图像传感器结构 光敏区 - 由 个光敏单元排成一列 每个单元为 - MOS 电容结构 用透明的低阻多晶硅薄条作为 个 MOS 电容的共同电极 - 称光栅 MOS 电容的衬底电极为半导体 P 型单晶硅 在硅表面相邻单元用沟道隔开 - 以保证 个 MOS 电容相互独立 转移光栅 与光栅 一样 - 做成长条结构 位于 - 敏感光栅和 CCD 之间 用来控制 - 光敏单元势阱中的信号电荷向 CCD 中转移的 CCD 移位寄存器在排列上 维 CCD - 与 个光敏单元一一对齐 各光敏单元通向 CCD 的各转移沟道之间 - 有沟阻隔开 使之只能 - 通向每位 CCD 中的某一相 由移位传感器 - 将信号按序输出 一般 - 使信号转移时间小于摄像时间（光积分时间） 光敏单元势阱收集光信号电荷 - 经过一定的积分时间 形成 - 与空间分布的光强信号对应的信号电荷图像 积分周期结束时 - 转移栅打开