CCD 器件

CCD摄像器件工作原理,驱动方式及应用 光科0702 丁晓亮 1302070229 摘要：本文从存储电荷、电荷转移、电荷输出、电荷注入四方面先介绍了 CCD 的工 作原理，然后就线阵 CCD 图像传感器和面阵 CCD 图像传感器分别介绍各自的工作原 理；在驱动方式部分，先图解三相、二相、四相工作方式的 CCD 时钟脉冲，然后介 绍了各种产生驱动脉冲的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ；最后罗列了一些线阵 CCD 摄像器件的实例。 关键词：SiO2、存储电荷(Storage Charge)、电荷转移(Charge Transfer)、电荷输出 (Charge Output)、电荷注入(Charge Injection)、线阵 CCD(Liner CCD)、面阵 CCD(CCD Array)、图像传感器(ImageSensor)、时钟脉冲(Clock Pulse)、CCD 摄像器件(CCD Camera Device) 先介绍一下 CCD 的工作原理： CCD的最小单元是在 P 型（或 N 型）硅衬底上生长一层厚度约为 120nm的 2SiO ， 再在 2SiO 层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而构成金属-氧化物-半导体的电容式 转移器。其中，“金属”为 2SiO 层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为“栅极”；半 导体硅作为底电极，俗称“衬底”；“氧化物”为两电极之间夹的绝缘体 2SiO 。 （1） 存储电荷 当向栅极加正向偏压时，P 型硅衬底中形成耗 尽区（势阱），当 VG 足够大时，载流子深度耗尽， 甚至在半导体表面形成反型层。热平衡时 n 型半导 体应有足够的自由电子。于是，当附近存在自由电 子时，自由电子就会吸引电极下方附近。 这样的 MOS 电容就有了存储电荷（电子）的能力。 （2） 电荷转移 上图是 CCD 的 MOS 结构。电荷转移的控制方法，有二相、三相、四相等控制 方式之分，这部分在下面的驱动方式里作进一步介绍。 （3） 电荷的输出 在输出端 P 型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在 PN 结形成耗 尽层。输出栅 OG 加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形 成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。下 图为输出二极管电流法。 （4） 电荷注入 在 CCD 中，电荷注入分为两类：光注入和电注入。其中的光注入方式：当光 照射到 CCD 硅片上时，在栅极附近的体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅 极电压排开，少数载流子则被其收集到势阱中形成信号电荷。 接下来介绍 CCD 摄像器件的工作原理： （1） 线阵 CCD 图像传感器 线型 CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体, 在它们之间设有一个转移控制栅,如下图(a)所示。实用的线型 CCD 图像传感器为双 行结构，如下图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的 移位寄存器中，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，就 形成了原来光敏信号电荷的顺序。 （2） 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 三种形式。 下图(c)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。 上图（d）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。 上图(e)是将图(d)中感光元件与存储元件相隔排列，即一列感光单元，一列不 透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷 信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行 地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右 移位到输出器件，形成视频信号输出。 下面介绍下驱动方式 时钟脉冲发生器是 CCD 工作所需要的驱动器，提供电荷转移所必需的时钟脉 冲以及输入输出结构所需的复位脉冲和各种电平。 线阵CCD的典型驱动脉冲包括：转移脉冲、移位脉冲、复位脉冲、采样保持脉 冲、钳位脉冲。 下面是 CCD 时钟脉冲的三相，二相和四相的图解分析。 1， 三相工作方式 2， 二相工作方式 3， 四相工作方式 目前，产生驱动脉冲的方法有EPROM 驱动方法、IC 驱动方法、微处理器法(单 片机、DSP等)以及可编程逻辑器件CPLD 设计法。 二相时钟工作状态 四相工作时电荷转移情形 三相电荷转移过程 三相时钟波 形 四相时钟驱动脉冲 （一）、IC驱动法 在设计中,使用同一时钟对几路脉冲进行控制,以保证相互间确定的时间关系。再 用分频器对时钟脉冲进行分频以产生各路脉冲所需的波形。 （二）、EPROM驱动法 时钟波形电平变化发生在一定状态变化时刻,这样任意一路信号都被分为上万 个状态,处于某一状态时,各路信号或1或0 ,构成一个状态的数据,将数据依次装入可 擦除只读存储器EPROM中,只要等时间间隔地依次输出这些数据就形成了CCD所需 的各路波形。 （三）、DSP驱动法 利用DSP实现对CCD脉冲的驱动具体有三种方法：循环执行主程序实现、定时 器结合中断程序实现和定时器实现。采用DSP进行设计，驱动脉冲的产生仅仅是DSP 的功能之一，最大的好处是，可以利用DSP的强大的计算能力，同时对CCD的输出 信号进行处理。 （四）、单片机驱动 单片机是靠指令产生I/O 口的输出逻辑状态来产生驱动时序,由于线阵CCD 的 典型复位脉冲是1 MHz ,对单片机的速度有一个最低要求,所以要实现这种驱动方法 必须使用指令周期小于1μs 的单片机。 （五）、FPGA/CPLD CPLD和FPGA 都是可编程逻辑器件,它们的规模较大,适合于时序、组合等逻辑 电路应用场合,可以替代几十甚至上百块通用集成电路芯片。CPLD 和FPGA在其结 构上各有其特点,由于内部结构上的差异导致了它们功能和性能上的差别。FPGA 采 用一种基于门阵列的结构,内部采用的是分段式互连结构,而CPLD 则采用的是连续 式互连结构。这一结构上的差异使CPLD 消除了FPGA 在定时上的差异,并在逻辑单 元之间提供了一条快速、具有固定延时的通路,因而可以通过设计模型精确的计算信 号在器件内部的时延。 下面就线阵 CCD 摄像器件的应用举一下简单实例作介绍，而面阵 CCD 主要应 用于电视等方面，这里就不作介绍了。 文字和图像识别： 利用线阵 CCD 图像传感器的自扫描特性、可以实现文字和图像识别，从而组成 一个功能很强的扫描／识别系统。 以邮政编码识别系统为例：写有邮政编码的信封放在传送带上，CCD 象元排 列方向与信封运动方向垂直；一个光学镜头把编码数字聚焦在 CCD 上，当信封移 动时，CCD 即以远行扫描方式依次读出数字，经细化处理后与计算机中存储的各数 字特征点进行比较，最后识别出数字；根据识别出的数字，计算机去控制一个分类 机构，把信件送入相应的分类箱中。 类似的系统可用于货币识别和分类，商品条码 识别等。此外还可用于汉字输入系统，把印刷汉字或手写字直接输入给计算机进行 处理、从而省去人工编码和人工输入所需的大量工作。 传真应用： 传真是线阵 CCD 图像传感器使用最广泛的领域之一，其原理与文字识别基本上 一样。被传真的图文纸随滚筒旋转完成一维扫描，CCD 的自扫描完成另一维扫描。 由于一次曝光就可得到一行图象，所以比点光源扫描速度要快得多。CCD 输出的信 号经过处理后送到传真机发出传真信号。二维扫描的实现也有采用旋转棱镜和电子 线路控制等方法的、但机械扫描装置简单可靠，用得较多。 传真机一般采用荧光灯作光源，也有采用卤素灯的，线阵 CCD 和面阵 CCD 都 有使用的，其中线阵 CCD 从 1728—5000 位用得较多，以满足高分辨串要求。 质量检测： 当工件(或纺织品)表面受到光照射时，表面的不清洁处或疵点对入射光产生漫反 射．将漫反射光投影到 CCD 上，然后对 CCD 输出的光电信号进行处理，以完成表 面质量检测，如检验集成电路掩模缺陷，硅片表面质量，布匹、纸张和药片的表面 疵点等。法国 G、M 公司采用 CCD 研制了“快速自动显微测量装置”，已在集成电 路生产中使用。用于检测集成电路硅片表面划痕，污垢等缺陷的装置采用激光光源， 加装滤光器，然后照射到硅片表面上，对表面反射光进行博里叶分析。若硅片表面 元疵病时，反射光被滤光片滤掉，CCD 上不形成图像，若表面有疵病，在其表面上 形成的漫射光透过滤光片在 CCD 上成像，然后对 CCD 输出信号进行放大和处理， 得到硅片表面疵病的信息。利用线阵 CCD 还可检测药片表面斑点如颜色不均、小 孔、污染、糖衣层不均、混有其他品种、缺损和粘连等。采用图像识别技术进行自 动分选的检测技术在国外已普遍应用于生产过程中。 采用衍射法测量小孔或细丝直径： 在工业生产和科学实验中，经常碰到的尺寸小于 1mnl 的狭缝或细丝直径的测 量问题。传统的测量方法是细丝称重法．即测出一定长度的细丝的重量后，把细丝 看成为均匀细长的圆柱体，然后根据材料的比重称量出平均直径。这是一种间接测 量方法，不仅花费时间、精度不同，而且不能测量细丝某一截面的直径，应用范围 受到一定的限制。采用激光闭射或 CCD 成惊方法测量细丝直径具有测量精度高、 速度快、使用方便．且易与微机联接实现自动亿测量等优点。 当一束经过扩束和准直透镜后的平行激光束照射在一细小的狭缝上时．在位于 狭缝后面的付氏透镜的焦面上，会产生与该狭缝对应的衍射条纹。根据巴比陛互补 原理，直径为 d 的细丝与同宽度的狭缝产生的衍射条纹完全相同．所以在实际应用 中．可以利用狭缝衍射公式来计算细丝百径。为了减少随机误差的影响，一股采用 下式作为测量计算的基本公式： /d f x  ，式中为激光光源波长， f 为付氏透 镜焦距， x 为各相邻暗条纹中心间距的平均值。只要求得 x ，就能算出细丝直径d 。 为了求出 x ，需将高分辨率线阵 CCD 放置在付氏透镜的后焦面上，CCD 把细丝衍 射条纹的光强分布转换成按时序分布的电压信号，把这一信号经过低通滤波和放大 处理，可得到电脉冲的包络线，然后利用施密持电路把包络线变成方波输出。 平行光成像尺寸测量法： 对于尺寸为 2—30mm 的物体目标，可以采用平行光成像法，其系统示意图如 下图所示。 当一束平行光透过待测目标投射到 CCD 传感器上时，由于目标的存在，目标 所形成的阴影将同时投射到 CCD 传感器上，倘若平行光准直度很理想，阴影的尺 寸就代表了待测目标的尺寸，因此只要采集计数系统计算出阴影部分象元个数(即输 出脉冲个数)，其脉冲(象元)的个数与象元尺寸的乘积就代表了目标的尺寸。 不难看出，此种测试方法的精皮取决于平行光的准直程度和 CCD 象元尺寸的大 小。对 5000 位咖来说，其精度可达 7μm，而对 1024 位和 2048 位的 CCD 传感器来 说则为 N14μm。当然，平行光源要作得十分理想是有一定困难的，且随准直度的提 高成本加高，光源的体积也要加大。在实际应用中常常通过计算机处理，对测量值 进行修正，以使测量结果更接近于实际，这在一定程度上降低了对光源的苛求。 航空航天遥感摄影： 把高密度的线阵 CCD 扫描系统安装在飞机或卫星上，由飞机或卫星的飞行完成 对地面目标的一维扫描，CCD 传感器在与飞行的垂直方向进行自扫描，则可实现高 分辨的高空摄影。一个航空 CCD 扫描仪系统，它由 CCD 扫描头、录像机、高分辨 率回放仪和实时移动窗口显示器等部分组成。为了提高空间分辨率，可用多片 CCD 进行光学和电学拼接。信号处理包括：自动幅度拼接，自动曝光控制．光响应不均 匀性校正与滚动校正等。头部 CCD 的输出信号可输入磁带机 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 ，或者利用高分 辨率阴极射线管将此信号转换成光信号，经过光学镜头再成像到胶片上。此外还可 把此信号进行数字化处理后存储在数字存储器中，再用标准电视制式读出，以便在 普通监示器上实时显示目标图像。 参考文献 [1] 蔡文贵，李永远，许振华. 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