[工学]第6章电荷耦合器件.pptVIP

电荷耦合器件(CCD) CCD的基础介绍 电荷耦合器件是一件基于MOS晶体管的器件，由一系列MOS晶体管并列而成。故而CCD并不是一种新发明的器件，是MOS电容器的一种新的用法。在适当次序的时钟控制下，CCD能够使电荷量有控制地穿过半导体的衬底而实现电荷的转换。 CCD的MOS结构是利用在电极下氧化物-半导体界面形成的深耗尽层工作的。也就是说CCD是基于非稳态的MOS电容器的器件。 CCD主要功能： 信息处理和信息存储器件 固态图像传感 1 电荷耦合器件的结构 4 CCD的电极结构 在CCD中电荷的转移（右移）条件： 在MOS阵列上所加的各路电压脉冲即时钟脉冲，必须严格满足相位要求，使得任何时刻势阱的变化总是朝着一个方向。例如，电荷是向右转移，则任何时刻，当存有信号的势阱抬起时，在它右边的势阱总比它左边的深，这样，就保证了电荷始终朝右边转移。 驱动电路 不同的型号的CCD器件具有不同的驱动时序，在这介绍TCD1209D的工作时序。 图所示是TCD1209D的驱动脉冲波形。SH与驱动脉冲CR1之间的相位关系必须如图所示，即在SH为高电平期间CR1也必须为高电平，而且必须保证SH的下降沿在CR1的高电平上，以确保所有光敏区的信号电荷能够并行的转移到模拟移位寄存器CR1的电极下方形成的深势阱里。完成信号电荷的并行转移后，SH变为低电平，它下方形成的浅势阱使光敏区与模拟移位寄存器隔离。在光敏区进行电荷积累的同时，模拟移位寄存器在驱动脉冲CR1与CR2的作用下，将并行转移到模拟移位寄存器CR1电极下方势阱中的信号电荷向左转移。信号则通过OS端口输出。 SH的周期称为行周期，行周期应大于等于2088个转移脉冲CR1的周期。只有行周期大于2088个转移脉冲周期，才能保证SH在转移第二行信号时第一行信号能够全部移除器件。故在驱动电路的设计中应该考虑到各个脉冲的关系。 实例1：直径的测量 b．面型CCD图像传感器 面型CCD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形式，如图所示。 图(a)所示结构由行扫描电路、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像信号。这种结构易于引起图像模糊。 二相驱动 视频输出 ? 行扫 描发生器 输出寄存器 检波二极管 二相驱动 感光区 沟阻 P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 感光区 存储区 析像单元 视频输出 输出栅 串行读出 (a) (b) 图（b）所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最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移出后，就开始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器。 SH RS CP CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。 CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCD被广泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。 CCD的实际应用 利用CCD测量几何量，CCD诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，CCD输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷； 用于传真技术，文字、图象识别。例如用CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用； 自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机； CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描），与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压; 作为机器人视觉系统； M2A摄影胶囊（Mouth anus）,由发光二极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。 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，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。 玻璃管CCD视频信号 * 面阵电荷耦合器 面型CCD是把光敏元件排列成矩阵形式 传输读出结构有不同类型。 基本构成有： 帧转送方式（Frame Transfer CCD）