第4章光电式传感器讲述.pptVIP

4.2.1 工作原理 用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。 1－光源 2－柱面镜 3－码盘 4－狭缝 5－元件 光电式传感器 电耦合器(CCD) 电荷耦合器件(Charge Coupled Devices，简称CCD)是一种在70年代初问世的新型半导体器件。利用CCD作为转换器件的传感器，称为CCD传感器，或称CCD图像传感器。 由于它具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，以及集成度高、功耗低的优点，因此被广泛地应用。 光电式传感器 四、电耦合器(CCD) CCD器件有两个特点： 一是它在半导体硅片上制有成百上千个(甚至数百万个)光敏元，它们按线阵或面阵有规则地排列。当物体通过物镜成像于半导硅平面上时。这些光敏元就产生与照在它们上面的光强成正比的光生电荷。 二是它具有自扫描能力，亦即将光敏元上产生的光生电荷依次有规则地串行输出，输出的幅值与对应的光敏元上的电荷量成正比。由于它具有集成度高、分辨率高、固体化、低功耗和自扫描能力等一系列优点。 光电式传感器 四、电耦合器(CCD) (1)电荷耦合器件原理 电耦合器件：线阵列和面阵列，基本组成MOS光敏元阵列和读出移位寄存器。 1) MOS光敏元 CCD最基本结构是一系列彼此非常靠近的相互独立的MOS电容器，它们按线阵或面阵有规则地排列，且用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化物，并在其上制作许多金属电极，各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接。 光电式传感器 四、电耦合器(CCD) (1)电荷耦合器件原理 1) MOS光敏元 4.3 光电式传感器 四、电耦合器(CCD) (1)电荷耦合器件原理 电耦合器件：线阵列和面阵列，基本组成MOS光敏元阵列和读出移位寄存器。 1) MOS光敏元 图23 MOS光敏元结构及其势阱 4.3 电荷耦合器件 在MOS（Metal Oxide Semiconductor）电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。 图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生； 若所转移的电荷通过外界诸多方式得到，则其可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。 有信号电荷的势阱 当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。 势阱：深耗尽层下的表面势。 势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下 降。 信号电荷转移 CCD的基本功能是存储与转移信息电荷 为实现信号电荷的转换： 1、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。 2、控制相邻MOC电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。 定向转移的实现 在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每—位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。 一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。 通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。 当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。 三相CCD信息电荷传输原理图 光电式传感器 四、电耦合器(CCD) (1)电荷耦合器件原理 2) 读出移位寄存器 t=t1：当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包 t=t2：当P2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P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布 t=t4：当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中。 t=t5：P3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的 势阱，以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。 随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。 光电式传感器 四、电耦合器(CCD) (1)电荷耦合器件原理 1) MOS光敏元 CCD电荷的产生方式 电压信号注入 CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。 CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。 光信号注入 CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入 。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。 4.3.2 CCD图像传感器 CCD传感器利用光敏元件的光电转换功能将透射到光敏元件上的光学图像转换为电信号“图像”，即光强的空