光電子技術(shù)-ccd電荷耦合器件

1、4.3電荷耦合器件CCD傳感器,,如何準確地描述一幅圖像,,,實物,圖像,?,,圖像采集和處理的過程，最基本的是要把實物盡量真實地反映到虛擬的圖像上,,,感光芯片的設(shè)計思想：就是分割被描述區(qū)域，用相應(yīng)的灰度填充。,,實物,圖像,數(shù)字量,光子,,,模擬量（電壓）,,電荷,,,光源,,,,A/D轉(zhuǎn)換,,光電轉(zhuǎn)換設(shè)備,,,放大設(shè)備,,,PC,數(shù)字采集卡,,,,數(shù)字相機 + 數(shù)字采集卡,由于 光電轉(zhuǎn)換設(shè)備 和 放大設(shè)備 都是針對微

2、觀的電荷進行量化操作。就需要一個精密的器件來完成這兩個過程。 我們常用的是CCD和CMOS我們這里介紹ccd（電荷耦合器件）電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,簡稱CCD)由于它有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能,且集成度高、功耗低,因此隨后得到飛速發(fā)展,是圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的關(guān)鍵器件,廣泛應(yīng)用于科學(xué)、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)、軍事和消費領(lǐng)域。,一、CCD傳感器的基本原理,,,CCD的

3、最基本單元MOS電容器是構(gòu)成CCD的最基本單元是，它是金屬—氧化物—半導(dǎo)體（MOS）器件中結(jié)構(gòu)最為簡單的。,一、CCD傳感器的基本原理,,,,,金屬電極,氧化物,半導(dǎo)體,,MOS電容器,,,1、信號電荷的產(chǎn)生,CCD工作過程的第一步是電荷的產(chǎn)生。CCD可以將入射光信號轉(zhuǎn)換為電荷輸出，依據(jù)的是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)（也就是光生伏特效應(yīng)）。,CCD工作過程的第二步是信號電荷的收集，就是將入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程

4、。,2、信號電荷的存儲,,CCD工作過程的第三步是信號電荷包的轉(zhuǎn)移，就是將所收集起來的電荷包從一個像元轉(zhuǎn)移到下一個像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。,3、信號電荷的傳輸（耦合）,,CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉(zhuǎn)移到輸出級的電荷轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的過程。 輸出類型，主要有以下三種： 1）電流輸出 2）浮置柵放大器輸出 3）浮置擴散放大器輸出,4、信號電荷的檢測,,2．線型CC

5、D圖像傳感器 線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應(yīng)的構(gòu)成一個主體,在它們之間設(shè)有一個轉(zhuǎn)移控制柵,如圖8(a)所示。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極,由一個P型溝阻使其在電氣上隔開。當入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時,光敏元件聚集光電荷,進行光積分,光電荷與光照強度和光積分時間成正比。,3．面型CCD圖像傳感器 面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存

6、在三種典型結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。 圖(a)所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。,CCD的性能參數(shù),1 電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率2 工作頻率3光電特征4光譜特征5動態(tài)范圍6暗電流7分辨率,CCD主要有優(yōu)點：,(1) 體積小，重量輕，

7、功耗低；耐沖擊，可靠性高，壽命長； (2) 無象元燒傷、扭曲，不受電磁場干擾； (3) 象元尺寸精度優(yōu)于1µm,分辨率高； (4) 基本上不保留殘象（真空攝像管有15%～20%的殘象）。 (5) 視頻信號與微機接口容易。,CCD應(yīng)用前景,CCD作為一種易于與計算機連接的傳感器，在位移檢測、運動速度測量、熱加工溫度場模擬、激光加工研究、光譜分析、無損探傷等方面都有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是數(shù)字CCD傳感器的開

8、發(fā)，CCD傳感器與信號采集電路的大規(guī)模集成，新型快速圖蒙處理軟件的開發(fā)，使得CCD傳感器在工業(yè)檢測與自動控制應(yīng)用中將發(fā)揮更重要的作用。CCD傳感器在焊縫跟蹤自動化系統(tǒng)中，已成功地應(yīng)用于平面的焊縫跟蹤，在未來的發(fā)展趨勢中，運用CCD傳感器在進行船體、儲汽罐等復(fù)雜幾何形狀、三維幾何形狀的焊接跟蹤實時控制中，更易于實現(xiàn)焊接實時控制，而且可以實現(xiàn)任意形狀的焊縫實時跟蹤，將起到更重要的作用。它在三維測量系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。CAD有廣闊的應(yīng)用前景