光电技术第3章光电成像器件1课件.pptx

1、第三章 光电成像器件 光电成象器件是指能够输出图象信息的光电成象器件是指能够输出图象信息的一类器件，例如使不可见光图象变为可见光一类器件，例如使不可见光图象变为可见光图象的器件，使光学图象变为电视信号的器图象的器件，使光学图象变为电视信号的器件等。件等。q 应用领域：夜视技术、电视技术、工件的应用领域：夜视技术、电视技术、工件的图象测量、精密零件的微小尺寸测量、产品图象测量、精密零件的微小尺寸测量、产品外观检测、应力应变场分析、机器人视觉、外观检测、应力应变场分析、机器人视觉、交通管理与指挥、定位、跟踪等。交通管理与指挥、定位、跟踪等。成像器件分为成像器件分为直视型直视型和和扫描型扫描型两类两

2、类直视型：直视型：用于图像的转换和增强。将入射辐射图像用于图像的转换和增强。将入射辐射图像通过外光电效应转换为电子图像，再由电场或电磁通过外光电效应转换为电子图像，再由电场或电磁场的加速与聚焦进行能量的增强，并利用二次电子场的加速与聚焦进行能量的增强，并利用二次电子的发射作用进行电子倍增，最后将增强的电子图像的发射作用进行电子倍增，最后将增强的电子图像激发荧光屏产生可见图像。激发荧光屏产生可见图像。扫描型：扫描型：通过扫描方式（电子束扫描或数字电路的通过扫描方式（电子束扫描或数字电路的自扫描）将二维光学图像转换成一维时序信号输出。自扫描）将二维光学图像转换成一维时序信号输出。这种代表图像信息的

3、一维信号称为视频信号。这种代表图像信息的一维信号称为视频信号。扫描型图像传感器输出的视频信号可经扫描型图像传感器输出的视频信号可经AD转换器转换为数字信号（或称其为数字图转换器转换为数字信号（或称其为数字图像信号），存入计算机系统，并在软件的支像信号），存入计算机系统，并在软件的支持下完成图像处理、存储、传输、显示及分持下完成图像处理、存储、传输、显示及分析等功能。因此，扫描型图像传感器的应用析等功能。因此，扫描型图像传感器的应用范围远远超过了直视型图像传感器的应用范范围远远超过了直视型图像传感器的应用范围。围。31 光电成像原理光电成像系统基本原理方框图光电成像系统基本原理方框图1 1、摄像

4、机的基本原理、摄像机的基本原理 在外界照明光照射下或自身发光的景物经成像在外界照明光照射下或自身发光的景物经成像物镜成像在物镜的像面（光电图像传感器的像面）物镜成像在物镜的像面（光电图像传感器的像面）上，形成二维空间光强分布的光学图像。光电成像上，形成二维空间光强分布的光学图像。光电成像器件（或称器件（或称“图像传感器图像传感器”）完成将光学图像转变）完成将光学图像转变成二维成二维“电气电气”图像的工作。图像的工作。“电气电气”图像在二维空间的分布与光学图像的图像在二维空间的分布与光学图像的二维光强分布保持着线性关系。二维光强分布保持着线性关系。q说明：这里的二维说明：这里的二维“电气电气”图

5、像由所用的光电图像图像由所用的光电图像传感器的性质决定，超正析像管为电子图像，摄像传感器的性质决定，超正析像管为电子图像，摄像管为电阻图像，面阵管为电阻图像，面阵CCD为电荷图像。高质量的图为电荷图像。高质量的图像来源于高质量的摄像系统，其中主要是高质量的像来源于高质量的摄像系统，其中主要是高质量的光电图像传感器。光电图像传感器。组成一幅图像的最小单元称为像素或像元，组成一幅图像的最小单元称为像素或像元，像元的大小或一幅图像所包含的像元数决定了像元的大小或一幅图像所包含的像元数决定了图像的分辨率。分辨率越高，图像的细节信息图像的分辨率。分辨率越高，图像的细节信息越丰富，图像越清晰，图像质量越高

6、。即将图越丰富，图像越清晰，图像质量越高。即将图像分割得越细，图像质量越高。像分割得越细，图像质量越高。对于光电图像传感器，像元通常称为传感对于光电图像传感器，像元通常称为传感器的像敏单元。像敏单元的大小直接影响它的器的像敏单元。像敏单元的大小直接影响它的灵敏度，通常像元尺寸越大灵敏度越高。动态灵敏度，通常像元尺寸越大灵敏度越高。动态范围也会提高。因此，有时为提高灵敏度、提范围也会提高。因此，有时为提高灵敏度、提高动态范围不得不以牺牲分辨率或增大像元尺高动态范围不得不以牺牲分辨率或增大像元尺寸为代价。寸为代价。2 2、图像的分割与扫描、图像的分割与扫描 将一幅图像分割成若干像素。被分割后的电气

7、图将一幅图像分割成若干像素。被分割后的电气图像经扫描才能输出一维时序信号。扫描的方式也与图像经扫描才能输出一维时序信号。扫描的方式也与图像传感器的性质有关。像传感器的性质有关。真空摄像管采用电子束扫描方式输出一维时序信真空摄像管采用电子束扫描方式输出一维时序信号；号；面阵面阵CCD采用砖移脉冲方式将电荷包（像素信号）采用砖移脉冲方式将电荷包（像素信号）顺序转移出器件，输出一维时序信号顺序转移出器件，输出一维时序信号;CMOS图像传感器采用顺序开通行例开关的方式图像传感器采用顺序开通行例开关的方式完成像素信号的一维输出。完成像素信号的一维输出。有时也称面阵有时也称面阵CCD、CMOS图像传感器为

8、具有自图像传感器为具有自扫描功能的器件。扫描功能的器件。传统的扫描方式：电子束按从左向右、从上向下的传统的扫描方式：电子束按从左向右、从上向下的扫描方式进行扫描。扫描方式进行扫描。将从左向右的扫描方式称为将从左向右的扫描方式称为行扫描行扫描。从上向下的扫描方式称为从上向下的扫描方式称为场扫描场扫描。为确保图像任意点的信息能够稳定地显示在荧光屏为确保图像任意点的信息能够稳定地显示在荧光屏的对应点上，在进行行、场扫描的同时必须设定的对应点上，在进行行、场扫描的同时必须设定同同步控制信号步控制信号，即行与场的同步控制脉冲。，即行与场的同步控制脉冲。对于行、场扫描的速度、周期有严格规定。亮度按正弦分布

9、的光栅图像（右图上），纵坐标为亮度L，图像在x方向亮度分布为Lx，图像宽度为W；设正弦光栅图像的空间频率为fx；电子束扫描一行所输出的正弦时序信号（右图下）其电压输出u，横坐标扫描时间为t。xhfWfft式中thf为行扫描周期，W/thf为电子束行扫描速度，记为vhf，则xhfff v电子束从左向右扫描的时间频率应为CCD与与CMOS等图像传感器只有遵守上述的扫描方式才能替等图像传感器只有遵守上述的扫描方式才能替代电子束摄像管，因此代电子束摄像管，因此CCD与与CMOS图像传感器的设计者均图像传感器的设计者均使其自扫描制式与电子束摄像管相同。使其自扫描制式与电子束摄像管相同。3 3、电视制式、

10、电视制式 在电视的图像发送与接收系统中，图像的采集在电视的图像发送与接收系统中，图像的采集(摄像机摄像机)与与图像显示器必须遵守同样的分割规则才能获得理想的图像传输。图像显示器必须遵守同样的分割规则才能获得理想的图像传输。这个规则被称为电视制式。电视制式常包含电视画面的宽高比、这个规则被称为电视制式。电视制式常包含电视画面的宽高比、帧频、场频、行频和扫描方式等重要参数。帧频、场频、行频和扫描方式等重要参数。qNTSC制式：场频制式：场频60Hz，隔行扫描每帧扫描行数为，隔行扫描每帧扫描行数为525行，伴行，伴音、图像载频带宽为音、图像载频带宽为4.5MHz。qPAL制式：场频为制式：场频为50

11、Hz，隔行扫描每帧扫描行数为，隔行扫描每帧扫描行数为625行，行，伴音、图像载频带宽为伴音、图像载频带宽为6.5MHz。PAL制式中规定场周期为制式中规定场周期为20ms，其中场正程时间为，其中场正程时间为18.4ms，场逆程时间为，场逆程时间为1.6ms ;行频行频为为15625Hz，行周期为，行周期为64s，行正程时间为，行正程时间为52 s，行逆程时间，行逆程时间为为12 s。图像宽高比为。图像宽高比为4/3。qSECAM制式：场频为制式：场频为50Hz，隔行扫描每帧扫描行数为，隔行扫描每帧扫描行数为625行。行。4 4、PALPAL彩色电视制式彩色电视制式 (1)电视图像的宽高比电视图

12、像的宽高比/4/3W H(2)帧频与场频帧频与场频 每秒中电视屏幕变化的数目称为帧频。帧频受到电影每秒中电视屏幕变化的数目称为帧频。帧频受到电影系统的影响，采用每秒系统的影响，采用每秒24幅画面幅画面(即帧频为即帧频为24Hz)，并在每，并在每幅画面放映期间再遮挡一次，使场频变为幅画面放映期间再遮挡一次，使场频变为48Hz，人眼基本，人眼基本分辨不出画面的跳动。因此，电视的场频应该大于等于分辨不出画面的跳动。因此，电视的场频应该大于等于48池。此外，为了消除交流电网的干扰，应尽量使电视的场池。此外，为了消除交流电网的干扰，应尽量使电视的场频与本国的电网频率相等。我国电网频率为频与本国的电网频率

13、相等。我国电网频率为50Hz，因此采，因此采用用50Hz场频和场频和25Hz帧频的隔行扫描的帧频的隔行扫描的PAL电视制式。电视制式。（3）扫描行数与行频）扫描行数与行频 帧频与场频确定后，电视扫描系统中还需要确定的参数帧频与场频确定后，电视扫描系统中还需要确定的参数是每场扫描的行数，或电子束扫描一行所需要的时间，又称是每场扫描的行数，或电子束扫描一行所需要的时间，又称为行周期。行周期的倒数称为行频。为行周期。行周期的倒数称为行频。扫描行数越多，图像在垂直方向上的分辨率越高，电子扫描行数越多，图像在垂直方向上的分辨率越高，电子束在水平方向上的扫描速度加快。在图像空间频率束在水平方向上的扫描速度

14、加快。在图像空间频率fx确定的确定的情况下，时间频率情况下，时间频率f与扫描速度与扫描速度vhf成正比。成正比。由于图像信号的低频分量可以接近于零，因此，电视扫由于图像信号的低频分量可以接近于零，因此，电视扫描系统中用视频信号的上限频率分描系统中用视频信号的上限频率分fB来代表视频的带宽。来代表视频的带宽。PAL电视制式规定每帧的扫描行数为电视制式规定每帧的扫描行数为625行，行频为行，行频为15625Hz，每帧图像的水平分辨率为，每帧图像的水平分辨率为466线，垂直分辨率为线，垂直分辨率为400线。线。PAL制式的主要参数为制式的主要参数为:q宽高比宽高比4:3q场频场频 fv=50Hz，q

15、行频行频 fl=15625Hz,q场周期场周期 T20ms，其中场正程扫描时间为，其中场正程扫描时间为18.4ms，场逆程扫描时间为，场逆程扫描时间为1.6ms ;q行周期为行周期为64s，其中行正程扫描时间为，其中行正程扫描时间为52 s，行逆程扫描时间为，行逆程扫描时间为12 s。5、扫描方式（1）逐行扫描）逐行扫描 显像管的电子枪装有水平与垂直两个方向的偏转线圈，显像管的电子枪装有水平与垂直两个方向的偏转线圈，线圈中分别流过如图所示锯齿波电流，电子束在偏转线圈形线圈中分别流过如图所示锯齿波电流，电子束在偏转线圈形成的磁场作用下同时进行水平方向和垂直方向的偏转，完成成的磁场作用下同时进行水

16、平方向和垂直方向的偏转，完成对显像管荧光屏的扫描。对显像管荧光屏的扫描。逐行扫描电流波形场扫描正程时间场扫描正程时间Tvt场扫描逆程时间场扫描逆程时间Tvr行扫描正程时间行扫描正程时间Tht行扫描逆程时间行扫描逆程时间ThrTvtTht场周期场周期TvTvtTvr行周期行周期ThThtThr场频场频fv=1/Tv行频行频fh=1/Th 无论是行扫描的扫描逆程，还是场扫描的扫描逆无论是行扫描的扫描逆程，还是场扫描的扫描逆程都不希望电子束使荧光屏发光，即在回扫时不让荧程都不希望电子束使荧光屏发光，即在回扫时不让荧光屏发光，这就需要加入光屏发光，这就需要加入行消隐行消隐与与场消隐场消隐脉冲，使电脉冲

17、，使电子束在行逆程与场逆程期间截止。行消隐脉冲的宽度子束在行逆程与场逆程期间截止。行消隐脉冲的宽度稍大于行逆程时间，场消隐脉冲的宽度也大于场逆程稍大于行逆程时间，场消隐脉冲的宽度也大于场逆程时间。时间。逐行扫描方式中的每一场都包含着行扫描的整数逐行扫描方式中的每一场都包含着行扫描的整数倍，重复的图像才能被稳定地显示。倍，重复的图像才能被稳定地显示。即即逐行扫描的帧频与场频相等。逐行扫描的帧频与场频相等。对人眼来说，高于对人眼来说，高于48Hz变化的图像的闪动是不能分变化的图像的闪动是不能分辨的，因此，要获得稳定的图像，要求场频与帧频都辨的，因此，要获得稳定的图像，要求场频与帧频都必须高于必须高

18、于48Hz。VhhvTNTfNf（2）隔行扫描）隔行扫描 根据人眼对图像的分辨能力所确定的扫描的水平根据人眼对图像的分辨能力所确定的扫描的水平行数至少应大于行数至少应大于600行。因此，对于逐行扫描方式，行。因此，对于逐行扫描方式，行扫描频率必须大于行扫描频率必须大于29000Hz才能保证人眼视觉对图才能保证人眼视觉对图像的最低要求。这样高的行扫描频率，无论对摄像系像的最低要求。这样高的行扫描频率，无论对摄像系统还是对显示系统都提出了更高的要求。为了降低行统还是对显示系统都提出了更高的要求。为了降低行扫描频率，又能保证人眼视觉对图像分辨率及闪耀感扫描频率，又能保证人眼视觉对图像分辨率及闪耀感的

19、要求，采用隔行扫描分解图像和显示图像的方法。的要求，采用隔行扫描分解图像和显示图像的方法。p由奇、偶两场构成一帧。奇数场由由奇、偶两场构成一帧。奇数场由1、3、5、等奇数行组成；等奇数行组成；偶数场由偶数场由2、4、6、等偶数行组成，奇、偶两场合成一帧图像。等偶数行组成，奇、偶两场合成一帧图像。p人眼看到的变化频率为场频人眼看到的变化频率为场频fv，人眼分辨的图像是一帧，一，人眼分辨的图像是一帧，一帧图像由奇、偶两场扫描形成，帧行数为场行数的帧图像由奇、偶两场扫描形成，帧行数为场行数的2倍。这样，倍。这样，既提高了图像分辨率又降低了行扫描频率，是一种很有实用价既提高了图像分辨率又降低了行扫描频

20、率，是一种很有实用价值的扫描方式。因此，这种扫描方式一直为电视系统和监控系值的扫描方式。因此，这种扫描方式一直为电视系统和监控系统所采用。统所采用。隔行扫描示意图隔行扫描示意图两场光栅均匀交错叠加是对隔行扫描方式的基本要求，否则两场光栅均匀交错叠加是对隔行扫描方式的基本要求，否则图像的质量将大为降低。图像的质量将大为降低。要求隔行扫描必须满足下面两个要求要求隔行扫描必须满足下面两个要求:（1）下一帧图像的扫描起始点应与上一帧起始点相同，确）下一帧图像的扫描起始点应与上一帧起始点相同，确保各帧扫描光栅重叠；保各帧扫描光栅重叠；（2）相邻两场光栅必须均匀地镶嵌，确保获得最高的清晰）相邻两场光栅必须

21、均匀地镶嵌，确保获得最高的清晰度。度。从第一条要求考虑，每帧扫描的行数应为整数从第一条要求考虑，每帧扫描的行数应为整数;若在各若在各场扫描电流都一样的情况下，要满足第二条要求，每帧均应场扫描电流都一样的情况下，要满足第二条要求，每帧均应为奇数。因此，每场的扫描行数就要出现半行的情况。目前，为奇数。因此，每场的扫描行数就要出现半行的情况。目前，我国现行的隔行扫描电视制式就是采用每帧扫描行数为我国现行的隔行扫描电视制式就是采用每帧扫描行数为625行，行，每场扫描行数为每场扫描行数为312.5行。行。3-23-2 摄像管摄像管基于外光电效应的：基于外光电效应的：析像管、超正析像管、分流管、二次电子导

22、电析像管、超正析像管、分流管、二次电子导电摄像管等。摄像管等。基于内光电效应的：基于内光电效应的：硫化锑摄像管、氧化铅摄像管等。硫化锑摄像管、氧化铅摄像管等。本节仅讨论氧化铅摄像管。本节仅讨论氧化铅摄像管。1、氧化铅摄像管的结构氧化铅摄像管的结构示意图氧化铅靶结构光电导靶是摄像管的光光电导靶是摄像管的光电转换元件，被安置在电转换元件，被安置在入射窗的内表面上，以入射窗的内表面上，以使光学图像直接投射在使光学图像直接投射在靶面上。氧化铅靶在工靶面上。氧化铅靶在工作时，信号板上加有作时，信号板上加有+40V左右的电压（相对左右的电压（相对电子枪阴极电位）。通电子枪阴极电位）。通过电子束对靶面扫描，

23、过电子束对靶面扫描，靶的扫描面电位被稳定靶的扫描面电位被稳定在在0V，因此，因此NIP异质结处异质结处于反向偏置。于反向偏置。由于本征层的电阻率高，所以外加的反向偏置电压由于本征层的电阻率高，所以外加的反向偏置电压主要是施加在本征层上，本征型层中具有较强的电场。主要是施加在本征层上，本征型层中具有较强的电场。当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。由于本征层占有靶厚的绝大部分，入射光子大部分被由于本征层占有靶厚的绝大部分，入射光子大部分被本征层吸收，产生光生载流子。且在强电场的作用下，本征层吸收，产生光生载流子。且在强电场的作用下，光生载流子

24、一旦产生，便被内电场拉开，电子拉向光生载流子一旦产生，便被内电场拉开，电子拉向N N区，区，空穴被拉向空穴被拉向P P区。这样，若假定把曝光前本征型层两端区。这样，若假定把曝光前本征型层两端所加的强电场看做是对电容的充电，则此刻由于光生所加的强电场看做是对电容的充电，则此刻由于光生载流子漂移运动的结果就相当于电容的放电。因此，载流子漂移运动的结果就相当于电容的放电。因此，在一帧的时间内，靶面上便获得与输入图像光照分布在一帧的时间内，靶面上便获得与输入图像光照分布E Ex,yx,y相对应的电位分布相对应的电位分布U Ux,yx,y，从而实现图像的变换和记，从而实现图像的变换和记载。载。氧化铅摄像

25、管的阅读过程也是由扫描电子枪实现的。氧化铅摄像管的阅读过程也是由扫描电子枪实现的。当扫描电子束扫描某个像元时当扫描电子束扫描某个像元时 ,电子束将中和该像电子束将中和该像元的空穴形成电流，从而在输出电阻上产生视频信元的空穴形成电流，从而在输出电阻上产生视频信号输出。号输出。摄像管的性能指标摄像管的性能指标（1）光电转换特性）光电转换特性输入到光电阴极面上的照度输入到光电阴极面上的照度Ev与输出视频信号电流与输出视频信号电流I（或（或电压电压U）之间的关系）之间的关系VIE典型摄像管光电转换特性对上式取对数，得右对上式取对数，得右图曲线，曲线斜率称图曲线，曲线斜率称为灰度系数为灰度系数。小的适合

26、宽范围光照小的适合宽范围光照等级。等级。接近接近1的适合的适合彩色电视摄像。彩色电视摄像。（2）光谱响应特性）光谱响应特性几种摄像管的光谱响应特性曲线（3）时间响应特性）时间响应特性 典型摄像管的滞后特性曲线（4）输出信噪比）输出信噪比典型摄像管的输出信噪比特性曲线（5）动态范围）动态范围 （6）图像传递函数）图像传递函数几种摄像管的调制传递函数几种摄像管的调制传递函数光导靶的伏安特性及暗电流曲线光导靶的伏安特性及暗电流曲线3-3 电荷耦合器件电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）图）图像传感器像传感器两种基本类型：两种基本类型：（1）表面沟道）表面沟

27、道CCD器件（简称为器件（简称为SCCD）。信号电）。信号电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面进荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面进行转移。行转移。（2）体沟道或埋沟道器件（简称为）体沟道或埋沟道器件（简称为ECCD）。信号）。信号电荷包存储在距离半导体表面一定深度的半导体体内，电荷包存储在距离半导体表面一定深度的半导体体内，并在体内沿一定方向转移。并在体内沿一定方向转移。本章以本章以SCCD为例讨论为例讨论CCD的基本工作原理。的基本工作原理。1 1、电荷存储、电荷存储CCD的基本单元是的基本单元是MOS（金属（金属-氧化物氧化物-半导体）结构半导体）结构。在栅极在栅极G

28、施加电压施加电压UG之前之前P型半导体中空穴的分布是均匀的型半导体中空穴的分布是均匀的（图（图a）。当栅极施加正电压）。当栅极施加正电压UG（此时（此时UG小于等于小于等于P型半导体型半导体的阈值电压的阈值电压Uth）时，）时，P型半导体中的空穴将开始被排斥，并在型半导体中的空穴将开始被排斥，并在半导体中产生耗尽区（图半导体中产生耗尽区（图b）。电压继续增大，耗尽区将继续）。电压继续增大，耗尽区将继续向半导体体内延伸。向半导体体内延伸。UGUth后，耗尽区的深度与后，耗尽区的深度与UG成正比成正比（图（图c）。CCD栅极电压变化对耗尽区的影响栅极电压变化对耗尽区的影响若将半导体与绝缘体界面上的

29、电势记为若将半导体与绝缘体界面上的电势记为表面势表面势，且用，且用s表示，表示，s将随栅极电压将随栅极电压UG的增大而增大。的增大而增大。掺杂掺杂1021cm-3，氧化层厚度，氧化层厚度dOX分别为分别为0.1 m、0.3 m、0.4 m、0.6 m的情况下，不存在反型层电荷时，表面势的情况下，不存在反型层电荷时，表面势s 与栅极电与栅极电压比的关系曲线。压比的关系曲线。q氧化层的厚度越薄，曲线的直线性越好。氧化层的厚度越薄，曲线的直线性越好。q在同样的栅极电压在同样的栅极电压UG作用下，不同厚度的氧化层作用下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势。表面势表征了耗尽区的深度。有着不同的表面势。表面

30、势表征了耗尽区的深度。如果栅极电压如果栅极电压UG不变，表面势不变，表面势s与反型层电荷密度与反型层电荷密度QINV之间的关系如下图所示。之间的关系如下图所示。q表面势表面势s随反型层电随反型层电荷密度荷密度QINV的增大而线的增大而线性减小。性减小。q可以用半导体物理中可以用半导体物理中的的“势阱势阱”概念来描述。概念来描述。电子所以被加有栅极电电子所以被加有栅极电压的压的MOS结构吸引到结构吸引到半导体与氧化层的交界半导体与氧化层的交界面处，是因为那里的势面处，是因为那里的势能最低。能最低。表面势表面势s与反型层电荷密度与反型层电荷密度QINV之间之间的关系曲线的关系曲线（a）空势阱 （b

31、）填充1/3势阱 （c）全满势阱势阱势阱势阱的横截面积取决于栅极电压的面积。势阱的横截面积取决于栅极电压的面积。MOS电容存储信电容存储信号电荷的容量为号电荷的容量为QCOXUG，COX 为为MOS电容的容量。电容的容量。2、电荷耦合CCD中势阱及电荷从一个位置转移到另一个位置的过程。中势阱及电荷从一个位置转移到另一个位置的过程。三相三相CCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程 通过将按一定规律变化的电压加到通过将按一定规律变化的电压加到CCD各电极上，电极下各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。把把CCD的电极分为几组，每一组称为一相，

32、并施加同样的的电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟驱动脉冲。时钟驱动脉冲。CCD正常工作所需要的相数由其内部结构决定。正常工作所需要的相数由其内部结构决定。上例所示的结构需要三相时钟脉冲，称为三相上例所示的结构需要三相时钟脉冲，称为三相CCD。q三相三相CCD的电荷必须在三相交叠驱动脉冲的作用下，才能以的电荷必须在三相交叠驱动脉冲的作用下，才能以一定的方向逐单元地转移。一定的方向逐单元地转移。qCCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。如果电极间隙比较大，两电极间的势阱将转移到相邻电极下。如果电极间隙比较大

33、，两电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，完全转移，CCD便不能在外部驱动脉冲作用下转移电荷。（一便不能在外部驱动脉冲作用下转移电荷。（一般电极间隙不大于般电极间隙不大于3m）。）。q以电子为信号电荷的以电子为信号电荷的CCD称为称为N型型CCD。而以空穴为信号电。而以空穴为信号电荷的荷的CCD称为称为P型型CCD。N型型CCD比比P型型CCD的工作频率高很的工作频率高很多多。3 3、CCDCCD电极的结构电极的结构CCD电极的基本结构应包括转移电极结构、转移沟道结构、电极的基本结构应包括转移电极结构

34、、转移沟道结构、信号输入单元结构和信号检测单元结构。信号输入单元结构和信号检测单元结构。常见的常见的CCD转移电极结构不下转移电极结构不下20种，但是。它们都必须满足种，但是。它们都必须满足使电荷定向转移和相邻势阱耦合的基本要求。使电荷定向转移和相邻势阱耦合的基本要求。4、电荷的注入和检测电荷的注入分为电荷的注入分为光注入光注入和和电注入。电注入。（1 1）光注入）光注入当光照射到当光照射到CCDCCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在空穴对，多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱

35、中形成信号电荷。势阱中形成信号电荷。背面照射式光注入示意图背面照射式光注入示意图ineocQqN At 式中，式中，为材料的量子效率，为材料的量子效率，q为电子电荷量，为电子电荷量，Neo为入为入射光的光子流速率，射光的光子流速率，A为光为光敏单元的受光面积，敏单元的受光面积，tc为光为光注入时间。注入时间。（2 2）电注入）电注入电注入就是电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷注入到相应的势阱中。到相应的势阱中。电流注入法电流注入法电压注入法电压注入法由由N扩散区和扩

36、散区和P型衬底构成注入二极管。型衬底构成注入二极管。IG为为CCD的输入的输入栅，其上加适当的正偏压以保持开启并作为基准电压。模栅，其上加适当的正偏压以保持开启并作为基准电压。模拟输入信号拟输入信号Uin加在输入二极管加在输入二极管ID上。当上。当CR2为高电平时，为高电平时，可将可将N区（区（ID极）看做极）看做MOS晶体管的源极，晶体管的源极，IG为其栅极，为其栅极，而而CR2为其漏极。为其漏极。电流注入方式电流注入方式（3）电荷的检测（输出方式）电荷的检测（输出方式）尽可能地减小时钟脉冲对输出信号的容性干扰。用电流输出方尽可能地减小时钟脉冲对输出信号的容性干扰。用电流输出方式的电路。由检

37、测二极管、二极管的偏置电阻式的电路。由检测二极管、二极管的偏置电阻R、源极输出放、源极输出放大器和复位场效应管大器和复位场效应管VR等构成。等构成。当信号电荷转移到最末一级（当信号电荷转移到最末一级（CR2)下的势阱，下的势阱，CR2电极上的电电极上的电压由高变低时，由于势阱的提高，信号电荷将通过输出栅下的压由高变低时，由于势阱的提高，信号电荷将通过输出栅下的势阱进入反向偏置的二极管（图中势阱进入反向偏置的二极管（图中N区中）。产生电流区中）。产生电流Id。电流输出方式电路 电流电流Id的大小与注入到二极管中的信号电荷量的大小与注入到二极管中的信号电荷量Qs成正比，而成正比，而与电阻的阻值与电

38、阻的阻值R成反比（成反比（R是制作在是制作在CCD器件内部的固定电器件内部的固定电阻，阻值为常数）。所以，输出电流阻，阻值为常数）。所以，输出电流Id与注入到二极管中的与注入到二极管中的电荷量电荷量Qs成线性关系。成线性关系。q由于由于Id的存在，使得的存在，使得A点的电位发生变化。点的电位发生变化。q注入到二极管中的电荷量注入到二极管中的电荷量Qs越大，越大，Id也越大，也越大，A点电位下降点电位下降得越低。所以，可以用得越低。所以，可以用A点的电位来检测注入到输出二极管中点的电位来检测注入到输出二极管中的电荷的电荷Qs。q隔直电容是用来只将隔直电容是用来只将A点的电位变化取出。点的电位变化

39、取出。q复位场效应管复位场效应管VR，使没有来得及被卸放掉的信号电荷通过，使没有来得及被卸放掉的信号电荷通过复位场效应管卸放掉。使复位场效应管卸放掉。使A点的电位恢复到起始的高电平，为点的电位恢复到起始的高电平，为接收新的信号电荷做好准备。防止没有卸放掉的电荷势与新转接收新的信号电荷做好准备。防止没有卸放掉的电荷势与新转移来的电荷叠加。移来的电荷叠加。sdQI dt5、CCD的特性参数（1）电荷转移效率）电荷转移效率和电荷转移损失率和电荷转移损失率。一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与原来势阱中的电荷量一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与原来势阱中的电荷量之比称为转移效率。之比称为转移效率。如

40、果如果t0时，注入到某电极下的电荷为时，注入到某电极下的电荷为Q(0)，在时间，在时间t时，大时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电多数电荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下。若被留下来的电荷为荷由于某种原因留在该电极下。若被留下来的电荷为Q(t)，则，则(0)()()1(0)(0)()(0)1()(0)nQQ tQ tQQQ tQQ nQ 经经n次转移：次转移：（目前水平一般（目前水平一般在在0.9999以上）以上）（2）驱动频率）驱动频率 CCD器件必须在驱动脉冲的作用下完成信号电荷的转移，输器件必须在驱动脉冲的作用下完成信号电荷

41、的转移，输出信号电荷。驱动频率一般泛指加在转移栅上的脉冲出信号电荷。驱动频率一般泛指加在转移栅上的脉冲CRl或或CR2的频率。的频率。q驱动频率的下限驱动频率的下限 为了避免由于热激发少数载流子对注入信号电荷的干扰，为了避免由于热激发少数载流子对注入信号电荷的干扰，注入信号电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须小注入信号电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须小于少数载流子的平均寿命于少数载流子的平均寿命i，即，即t i。对于三相。对于三相CCD而言而言。/31/(3)13itTffCCD的驱动脉冲频率的下限与少数载流子的寿命有关，而载流的驱动脉冲频率的下限与少数载流子的寿命有关，而

42、载流子的平均寿命与器件的工作温度有关，工作温度越高，热激发子的平均寿命与器件的工作温度有关，工作温度越高，热激发少数载流子的平均寿命越短，驱动脉冲频率的下限越高。少数载流子的平均寿命越短，驱动脉冲频率的下限越高。q 驱动频率的上限驱动频率的上限 驱动脉冲驱使电荷从一个电极转移到另一个电极的时间驱动脉冲驱使电荷从一个电极转移到另一个电极的时间t应大应大于电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间于电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间g，否则转移，否则转移效率将大大降低。效率将大大降低。313ggTtf随着材料科学和工艺的发展，随着材料科学和工艺的发展，CCD最高驱动频率达几百最高驱动频率达几百

43、MHz。（在高速成像系统中可应用）（在高速成像系统中可应用）转移损失率于与驱动频率的关系曲线6、线阵CCD摄像器件（1）单沟道线阵）单沟道线阵CCD三相单沟道线阵CCD的结构（2）双沟道线阵）双沟道线阵CCD 双沟道线阵CCD 的结构7、面阵CCD图像传感器（1）帧转移面阵）帧转移面阵CCD帧转移三相面阵CCD的原理结构图（2）隔列转移型面阵）隔列转移型面阵CCD隔列转移型面阵CCD（3）线转移型面阵）线转移型面阵CCD线转移型面阵CCD结构示意图8、应用实例视觉检测系统视觉检测系统组成框图（1）一维尺寸视觉检测）一维尺寸视觉检测（a）成像型）成像型 （b）直接接收型）直接接收型一维尺寸视觉检

44、测一维尺寸视觉检测一维尺寸视觉检测应用一维尺寸视觉检测应用一维尺寸视觉检测应用实例一维尺寸视觉检测应用实例钢板宽度测量系统钢板宽度测量系统（a）原理示意图）原理示意图 （b）工作波形）工作波形线扫描摄像测长系统工作示意图线扫描摄像测长系统工作示意图（2）二维尺寸视觉测量）二维尺寸视觉测量（a）干涉条纹检测系统原理图）干涉条纹检测系统原理图 （b）用线阵）用线阵CCD扫描二维干涉条纹扫描二维干涉条纹干涉条纹采样干涉条纹采样二维视觉座标测量机原理图（3）三维尺寸视觉测量用双目立体视觉原理、激光三角法原理等双目三维视觉原理图激光三角法原理图（a）焊缝检测 （b）型钢检测 （c）切割形状检测光刀法测量

45、焊接形状原理图（9 9）应用技术）应用技术（1）视频信号的二值化处理 不要求灰度的系统，为了提高速度、降低成本，尽可能不要求灰度的系统，为了提高速度、降低成本，尽可能用二值化图像。用二值化图像。q固定阈值法固定阈值法固定阈值二值化处理固定阈值二值化处理q浮动阈值法浮动阈值法适合背景光变化场合适合背景光变化场合浮动阈值二值化原理电路浮动阈值二值化原理电路浮动阈值二值化工作波形浮动阈值二值化工作波形q微分法实现的二值化处理微分法实现的二值化处理微分法二值化电路工作波形（2）视频信号的二值化数据采集与接口q硬件二值化数据采集电硬件二值化数据采集电路路q边沿送数法二值化数据采集电路边沿送数法二值化数据

46、采集电路（3）视频信号的量化处理与A/D数据采集在需要光强度信息时，要先量化处理再进计算机。在需要光强度信息时，要先量化处理再进计算机。线阵线阵CCD的数据采集原理方框图的数据采集原理方框图Fc：行同步控制脉冲，：行同步控制脉冲，SP：像元亮度同步脉冲，：像元亮度同步脉冲，CLK：CCD时钟时钟PCI总线图像采集卡总线图像采集卡基于基于PCI总线的图像采集卡的原理方框图总线的图像采集卡的原理方框图（4）照明系统）照明系统 有些系统要人工照明物体才能保证有些系统要人工照明物体才能保证CCD接受面上得到接受面上得到足够的亮度。为克服临界照明中物平面照明不均匀的缺点足够的亮度。为克服临界照明中物平面

47、照明不均匀的缺点常采用柯拉照明。将光源成像在物镜的入射光瞳处。常采用柯拉照明。将光源成像在物镜的入射光瞳处。光源光源1经辅助聚光镜经辅助聚光镜2成像在光阑成像在光阑4处；辅助聚光镜处；辅助聚光镜2经聚光镜经聚光镜5成成像于物平面像于物平面6上；聚光镜上；聚光镜5把它焦点处的光阑把它焦点处的光阑4成像于无限远，与成像于无限远，与成像物镜的入瞳重合（设物镜的入瞳位于无限远）。成像物镜的入瞳重合（设物镜的入瞳位于无限远）。优点：使物体得到均匀地照明；优点：使物体得到均匀地照明；缺点：结构复杂，光能损失大。缺点：结构复杂，光能损失大。柯拉照明原理图柯拉照明原理图（5）远心光路）远心光路在线动态测量时，

48、为了提高测量精度，常采用远心光路。在线动态测量时，为了提高测量精度，常采用远心光路。测量物体大小，是将物按一定的倍率要求，经光学系统成像在测量物体大小，是将物按一定的倍率要求，经光学系统成像在CCD的接受面上。按此方法进行物体线性尺寸测量时，光电器的接受面上。按此方法进行物体线性尺寸测量时，光电器件与物镜之间的距离（装调好后）应保持不变，测量精度在很件与物镜之间的距离（装调好后）应保持不变，测量精度在很大程度大程度 取决于像平面与光电器件接受面的重合程度。由于在取决于像平面与光电器件接受面的重合程度。由于在动态测量中，工件常常沿光轴方问有所摆动，则便像平面与光动态测量中，工件常常沿光轴方问有所摆动，则便像平面与光电接受面不可能真正重合，因而产生了误差。电接受面不可能真正重合，因而产生了误差。P1PP2为物镜的出瞳，为物镜的出瞳，B1B2表示被测工件像表示被测工件像 的大小，的大小，M1M2为光电器件接受面。为光电器件接受面。消除方法：物方远心光路消除方法：物方远心光路