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4.3 电荷耦合器件 4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理 4.3.2 CCD图像传感器 4.3.3 图像传感器的应用 CCD 一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。 MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片 CCD光敏元显微照片 彩色CCD显微照片（放大7000倍） 4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理 电荷耦合器件的结构和工作原理 电荷的存储 电荷的存储 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MOS电容栅极电压高低调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处。 3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。 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 利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。 由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的—致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。 线列和面阵 1. 线阵CCD外形 （2）面型固态图像传感器 2.面阵CCD 面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。 CCD的基本特性参数 响应度（光电转换因子）：指输出电信号与输入光信号的能量比，描述传感器的光电转换效率。 光谱特性:表示器件的响应度与入射光波长的关系。 暗电流 分辨率：表示图像传感器分辨图像的能力。取决于光敏单元的间距，通常用CCD光敏单元数来表示。 4．3．3 图像传感器的应用 组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。 用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真技术。光学文字识别技术(OCR)与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等。 作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车及自动监视装置等。 1．尺寸测量 2． 用于光学文字识别装置 CCD传感器的应用 工件伤痕及表面污垢检测 CCD传感器的应用 形状检测 线阵CCD在扫描仪中的应用 CCD数码照相机 数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物 体的图像以数字形式记录在存储器中。 数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光 圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器LCD， 部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。 CCD数码照相机的结构 CCD数码摄像机 CMOS图像传感器 CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，CMOS的各项技术指标有望超过CCD，它在图像传感器中的应用也将日趋广泛。 CMOS视频摄像头的外部结构 * * CCD读出移位寄存器的数据面显微照片 MOS电容的结构 1．金属或多晶硅 2．绝缘层SiO2 CCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个MOS（金属—氧化物—半导体）电容器。CCD中的MOS电容器的形成方法：在P型或N型单晶硅衬底上用氧化办法生成一层厚度约为100～150nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS电容器。 CCD一般是以P型硅为衬底，在这种P型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。在电极施加栅极电压UG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压UG（此时UG小于P型半导体的阈值电压Uth