第4章 光電測(cè)試常用器件及檢測(cè)電路5課件

1、1七、固體攝像器件七、固體攝像器件1. 電荷耦合器件（電荷耦合器件（Charge-Coupled Devices）-CCD應(yīng)用應(yīng)用- - 攝像、廣播電視攝像機(jī)、閉路電視、家用攝像；攝像、廣播電視攝像機(jī)、閉路電視、家用攝像； 工業(yè)、軍事、科學(xué)研究工業(yè)、軍事、科學(xué)研究1970年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出來(lái)的新型光電成像器件年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出來(lái)的新型光電成像器件特點(diǎn)特點(diǎn) - 體積小、重量輕、靈敏度高、壽命長(zhǎng)、功耗低、體積小、重量輕、靈敏度高、壽命長(zhǎng)、功耗低、 動(dòng)態(tài)范圍大動(dòng)態(tài)范圍大1) 1) 工作原理工作原理基于基于MOSMOS（金屬（金屬氧化物氧化物-半導(dǎo)體）電容器在非穩(wěn)態(tài)下工作半導(dǎo)體）電容器在非穩(wěn)態(tài)

2、下工作 MOS MOS電容的平衡態(tài)特性電容的平衡態(tài)特性CCD單元部分單元部分- MOS結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電容2- 硅襯底上生長(zhǎng)一層硅襯底上生長(zhǎng)一層SiO2，再鍍上一層金屬鋁作為柵極，再鍍上一層金屬鋁作為柵極電子遷移率較高電子遷移率較高U UG G- - 加在柵極上的偏壓加在柵極上的偏壓U UG G為正為正-柵極電壓對(duì)地為正柵極電壓對(duì)地為正襯底襯底 - P- P型、型、N N型型襯底硅下制成歐姆接觸襯底硅下制成歐姆接觸 - MOS電容器電容器UGP P型硅襯底型硅襯底MOSMOS電容（狀態(tài)隨電容（狀態(tài)隨U UG G變化）變化）32）電荷耦合攝像器件）電荷耦合攝像器件- 一塊硅片上同時(shí)制作出光敏二極管陣

3、列和一塊硅片上同時(shí)制作出光敏二極管陣列和CCD移位寄存器移位寄存器光敏二極管光敏二極管-光電轉(zhuǎn)換和光積分；光電轉(zhuǎn)換和光積分；排列方式排列方式- - 線(xiàn)陣列、面陣列線(xiàn)陣列、面陣列CCD移位寄存器移位寄存器 -光生電荷轉(zhuǎn)移；光生電荷轉(zhuǎn)移；自?huà)呙枳話(huà)呙?不用借助于外來(lái)的掃描，不用借助于外來(lái)的掃描，僅依靠驅(qū)動(dòng)脈沖完成僅依靠驅(qū)動(dòng)脈沖完成 線(xiàn)陣列線(xiàn)陣列CCD攝像器件攝像器件單邊傳輸單邊傳輸- - 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、極板數(shù)多、傳輸效率低極板數(shù)多、傳輸效率低雙邊傳輸雙邊傳輸- - 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、極板數(shù)少（一半）、損耗極板數(shù)少（一半）、損耗小、傳輸效率高，兩路輸小、傳輸效率高，兩路輸出不對(duì)稱(chēng)（缺點(diǎn)）出不

4、對(duì)稱(chēng)（缺點(diǎn)）（位數(shù)少）（位數(shù)少）（位數(shù)多）（位數(shù)多）4 p-p-行掃描電壓；行掃描電壓；襯底襯底- P- P硅；硅；（SiOSiO2 2隔開(kāi)）隔開(kāi)）- - 像素像素 x -柵極轉(zhuǎn)移電壓；柵極轉(zhuǎn)移電壓； 1 3-三相移位寄存器三相移位寄存器CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘高電平高電平-光敏二極管反偏置光敏二極管反偏置（轉(zhuǎn)移柵（轉(zhuǎn)移柵- 鋁條鋁條/多晶硅）多晶硅）光積分光積分-低電平；高電平低電平；高電平- 電荷轉(zhuǎn)移電荷轉(zhuǎn)移5線(xiàn)陣列固體攝像器件的工作過(guò)程：線(xiàn)陣列固體攝像器件的工作過(guò)程： 光信號(hào)的積分；光信號(hào)的積分； 電信號(hào)的轉(zhuǎn)移；電信號(hào)的轉(zhuǎn)移； 信號(hào)電荷包的傳輸；信號(hào)電荷包的傳輸；驅(qū)動(dòng)周期的計(jì)數(shù)；驅(qū)動(dòng)周

5、期的計(jì)數(shù)； 信號(hào)電荷的讀取信號(hào)電荷的讀取按一定時(shí)序工作按一定時(shí)序工作-同步關(guān)系（無(wú)限循環(huán)過(guò)程）同步關(guān)系（無(wú)限循環(huán)過(guò)程）像素?cái)?shù)像素?cái)?shù) -512-512、10241024、20482048、50005000、72007200等；等；像素間距像素間距-612-612 m m（最小可達(dá)（最小可達(dá)2 2 m ）6 面面陣陣CCD攝像器件攝像器件-簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)ACCIDACCID-行間轉(zhuǎn)移、幀轉(zhuǎn)移、行間轉(zhuǎn)移、幀轉(zhuǎn)移、 行幀混合轉(zhuǎn)移行幀混合轉(zhuǎn)移三部分三部分- 光敏區(qū)、光敏區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)、水平讀出區(qū)存儲(chǔ)區(qū)、水平讀出區(qū)光敏區(qū)光敏區(qū)-光敏光敏CCD陣列陣列（光電變換、光積分）（光電變換、光積分）暫存區(qū)暫存區(qū)-遮光遮光CC

6、D陣列陣列（列數(shù)及位數(shù)和光敏區(qū)（列數(shù)及位數(shù)和光敏區(qū)一一對(duì)應(yīng)，每一列相互一一對(duì)應(yīng)，每一列相互銜接）銜接）像素?cái)?shù)像素?cái)?shù)-512 512、595 796、1000 1000、1000 2000；幀速幀速-950、1200幀幀/秒；秒；波長(zhǎng)波長(zhǎng)- 可見(jiàn)、紅外、紫外可見(jiàn)、紅外、紫外73）CCD器件的特點(diǎn)：器件的特點(diǎn)： 光敏單元陣列難與其驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路單片集光敏單元陣列難與其驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路單片集成成 - 不易完成一些模擬和數(shù)字功能（包括轉(zhuǎn)換器、精密不易完成一些模擬和數(shù)字功能（包括轉(zhuǎn)換器、精密放大器、存儲(chǔ)器、運(yùn)算單元）放大器、存儲(chǔ)器、運(yùn)算單元） 驅(qū)動(dòng)脈沖復(fù)雜，需要使用相對(duì)較高的工作電壓驅(qū)動(dòng)脈

7、沖復(fù)雜，需要使用相對(duì)較高的工作電壓 - 不不能與深亞微米超大規(guī)模集成能與深亞微米超大規(guī)模集成VLSI技術(shù)兼容技術(shù)兼容時(shí)鐘頻率的上時(shí)鐘頻率的上限限fH優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 應(yīng)用技術(shù)較成熟應(yīng)用技術(shù)較成熟 可以大批量生產(chǎn)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈敏度高可以大批量生產(chǎn)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈敏度高缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： CCD芯片尺寸芯片尺寸 ：面陣面陣CCDCCD芯片芯片 制式制式：PAL制式：標(biāo)準(zhǔn)為制式：標(biāo)準(zhǔn)為625行、行、50場(chǎng)，中國(guó)采用隔行掃描（黑白為場(chǎng)，中國(guó)采用隔行掃描（黑白為CCIR） （西歐、亞洲、澳大利亞）（西歐、亞洲、澳大利亞） NTSC制式：標(biāo)準(zhǔn)為制式：標(biāo)準(zhǔn)為525行，行，60場(chǎng)（黑白為場(chǎng)（黑白為EIA）（美加、日本）（

8、美加、日本）非標(biāo)準(zhǔn)制式非標(biāo)準(zhǔn)制式 - - 只有醫(yī)療或其它專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域才用到只有醫(yī)療或其它專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域才用到 4) 4) CCDCCD攝像機(jī)的參數(shù)攝像機(jī)的參數(shù)： CCD分辨率分辨率：作用：是作用：是CCDCCD的主要性能指標(biāo)，它決定了顯示圖像的清晰程度；的主要性能指標(biāo)，它決定了顯示圖像的清晰程度； 分辨率越高，圖像細(xì)節(jié)的表現(xiàn)越好。分辨率越高，圖像細(xì)節(jié)的表現(xiàn)越好。 像素：像素：CCD每一個(gè)元素，像素越多，圖像越清晰；每一個(gè)元素，像素越多，圖像越清晰； 例：例：44萬(wàn)萬(wàn)(768*576)、100萬(wàn)萬(wàn)(1024*1024)、200萬(wàn)萬(wàn)(1600*1200)灰度級(jí)：灰度分辨率、色彩分辨率，灰度級(jí)：灰度分辨率、色

9、彩分辨率， 1/2n 位數(shù)越多，圖像越清晰：位數(shù)越多，圖像越清晰：8位、位、10位、位、12位。位。 普通型普通型 正常工作所需照度正常工作所需照度13LUX 月光型月光型 正常工作所需照度正常工作所需照度0.1LUX左右左右 星光型星光型 正常工作所需照度正常工作所需照度0.01LUX以下以下 紅外型紅外型 采用紅外燈照明，在沒(méi)有光線(xiàn)的情況下也可以成像采用紅外燈照明，在沒(méi)有光線(xiàn)的情況下也可以成像 根據(jù)照度劃分，根據(jù)照度劃分，CCD又分為：又分為： 最低照度最低照度 ： 是是CCD對(duì)環(huán)境光線(xiàn)的敏感程度（最暗光線(xiàn)）對(duì)環(huán)境光線(xiàn)的敏感程度（最暗光線(xiàn)）;單位單位-勒克斯，勒克斯，LUX，數(shù)值越小，需要

10、的光線(xiàn)越少，越靈敏，數(shù)值越小，需要的光線(xiàn)越少，越靈敏;有人稱(chēng)靈敏度，有人稱(chēng)靈敏度， 不準(zhǔn)確，應(yīng)為靈敏閾或閾值。不準(zhǔn)確，應(yīng)為靈敏閾或閾值。 信噪比信噪比：典型值為典型值為4646分貝，分貝，如果為如果為5050分貝，則圖像有少量噪聲，但圖像質(zhì)量較好；分貝，則圖像有少量噪聲，但圖像質(zhì)量較好；如果能達(dá)到如果能達(dá)到6060分貝，就不會(huì)出現(xiàn)噪聲。分貝，就不會(huì)出現(xiàn)噪聲。 電源：電源：交流交流220伏、伏、24伏；伏；直流直流12伏、伏、9伏。伏。 光譜光譜：感光范圍感光范圍：可見(jiàn)光、紅外等；：可見(jiàn)光、紅外等；注意與光源匹配。注意與光源匹配。121）CMOS圖像傳感器的總體結(jié)構(gòu)圖像傳感器的總體結(jié)構(gòu)圖像傳感器

11、陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、信號(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換圖像傳感器陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、信號(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路完全集成在一起器、全數(shù)字接口電路完全集成在一起 - 單芯片成像系統(tǒng)單芯片成像系統(tǒng)- 標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電源電壓工作，功耗僅為幾十毫瓦。標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電源電壓工作，功耗僅為幾十毫瓦。片內(nèi)模擬信號(hào)處理器片內(nèi)模擬信號(hào)處理器在片模數(shù)轉(zhuǎn)換器在片模數(shù)轉(zhuǎn)換器(更高級(jí)的更高級(jí)的CMOS圖像傳感器圖像傳感器)光敏單元陣列光敏單元陣列-光敏光敏二極管陣列二極管陣列行選通邏輯行選通邏輯/列選通邏輯列選通邏輯- 移位寄存器移位寄存器/譯碼器譯碼器定時(shí)和控制電路定時(shí)和控制電路2. CMOS圖像傳感器圖像傳感器13-模

12、擬開(kāi)關(guān)模擬開(kāi)關(guān)X、Y方向移位寄存器方向移位寄存器-逐行掃描逐行掃描/隔行掃描隔行掃描線(xiàn)陣線(xiàn)陣CCD-某一行某一行/列列觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)點(diǎn)-i行，行，j列列光敏二極管光敏二極管+放大器一體放大器一體-提高靈敏度提高靈敏度/信噪比信噪比2）CMOS圖像傳感器陣列圖像傳感器陣列143）CMOS圖像傳感器像敏單元結(jié)構(gòu)圖像傳感器像敏單元結(jié)構(gòu)15 優(yōu)點(diǎn)：功耗小、成本低、可以將驅(qū)動(dòng)電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器一起集優(yōu)點(diǎn)：功耗小、成本低、可以將驅(qū)動(dòng)電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器一起集成在單芯片上成在單芯片上4） CMOS圖像傳感器特點(diǎn)：圖像傳感器特點(diǎn)：缺點(diǎn)：暗電流大、靈敏度低、噪聲大缺點(diǎn)：暗電流大、靈敏度低、噪聲大5）基于）基于CCD和和C

13、MOS技術(shù)的混合數(shù)字圖像傳感器技術(shù)的混合數(shù)字圖像傳感器 - BCMD（Body Charge Modulation Device，體電荷調(diào)制器件），體電荷調(diào)制器件）CCD和和CMOS性能比較性能比較 CCDCMOS基本原理基本原理光信號(hào)光信號(hào)電荷，傳輸，自?huà)呙桦姾?，傳輸，自?huà)呙韫庑盘?hào)光信號(hào)模擬電壓，放大，掃描模擬電壓，放大，掃描電信號(hào)讀出方式電信號(hào)讀出方式逐行讀取逐行讀取從晶體管開(kāi)關(guān)陣列中直接讀取從晶體管開(kāi)關(guān)陣列中直接讀取結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，較復(fù)雜，CCDCCD電路電路簡(jiǎn)單，集成一體簡(jiǎn)單，集成一體制造成本制造成本高高低低靈敏度靈敏度高（高（5 51010倍）倍）較低較低分辨率分辨率高高較低較低暗電

14、流暗電流小小大大信噪比（信噪比（S/N）高高較低較低放大器放大器單一單一多個(gè)多個(gè)攝像機(jī)系統(tǒng)組成攝像機(jī)系統(tǒng)組成多芯片多芯片單芯片單芯片數(shù)據(jù)傳輸速度數(shù)據(jù)傳輸速度較低較低高高色彩還原能力色彩還原能力較好較好較差較差電源電壓電源電壓12VDC5V或或3.3VDC功耗功耗高高低（是低（是CCD的的1/31/8）尺寸尺寸大大小小應(yīng)用應(yīng)用廣泛廣泛廣泛廣泛22八、光電耦合器件八、光電耦合器件實(shí)際的光電檢測(cè)電路系統(tǒng)中實(shí)際的光電檢測(cè)電路系統(tǒng)中 - 干擾信號(hào)干擾信號(hào) 模擬電路模擬電路- 濾波、屏蔽、接地等技術(shù)，有效降低各種干擾的濾波、屏蔽、接地等技術(shù)，有效降低各種干擾的影響，保證光電測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性影響，保證光

15、電測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性 數(shù)字電路（光電開(kāi)關(guān)電路、光電脈沖電路）數(shù)字電路（光電開(kāi)關(guān)電路、光電脈沖電路）- 比模擬電路更比模擬電路更嚴(yán)重的干擾噪聲（光電耦合與隔離技術(shù)）嚴(yán)重的干擾噪聲（光電耦合與隔離技術(shù)）技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵 - 破壞破壞“地地”干擾傳播途徑，切斷干擾信號(hào)進(jìn)入光電干擾傳播途徑，切斷干擾信號(hào)進(jìn)入光電檢測(cè)電路及后續(xù)電路系統(tǒng)的途徑，可有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能檢測(cè)電路及后續(xù)電路系統(tǒng)的途徑，可有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力（硬件上常用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)）力（硬件上常用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)）231. 光耦合器原理光耦合器原理發(fā)光器件（如發(fā)光二極管）和光敏發(fā)光器件（如發(fā)光二極管）和光敏器件（如光敏晶體管）組裝

16、在一起器件（如光敏晶體管）組裝在一起 - 通過(guò)光線(xiàn)實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電通過(guò)光線(xiàn)實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電光光和光和光電的轉(zhuǎn)換器件電的轉(zhuǎn)換器件 24252. 特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）輸入阻抗?。◣装贇W姆）輸入阻抗?。◣装贇W姆）- 而干擾源的阻抗較大，通常為而干擾源的阻抗較大，通常為105106105106。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電壓會(huì)很小，只能形成很微弱的電流，由光電耦合器輸入端的噪聲電壓會(huì)很小，只能形成很微弱的電流，由于沒(méi)有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。于沒(méi)有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。 2

17、）輸入回路與輸出回路之間沒(méi)有電氣聯(lián)系，也沒(méi)有共地（分）輸入回路與輸出回路之間沒(méi)有電氣聯(lián)系，也沒(méi)有共地（分布電容極小，而絕緣電阻又很大布電容極小，而絕緣電阻又很大 - 回路一邊的各種干擾噪聲回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過(guò)光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合干都很難通過(guò)光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合干擾信號(hào)的產(chǎn)生）擾信號(hào)的產(chǎn)生）3）輸入端）輸入端 - 發(fā)光二極管（只有通過(guò)一定強(qiáng)度的電流才能發(fā)發(fā)光二極管（只有通過(guò)一定強(qiáng)度的電流才能發(fā)光）。而大多數(shù)的干擾信號(hào)即便有很高的幅值，也會(huì)由于沒(méi)有足光）。而大多數(shù)的干擾信號(hào)即便有很高的幅值，也會(huì)由于沒(méi)有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而達(dá)到了

18、抑制高峰尖脈沖的沖夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而達(dá)到了抑制高峰尖脈沖的沖擊，這就使得來(lái)自光電器件或輸入電路的各種干擾噪聲都被擋在擊，這就使得來(lái)自光電器件或輸入電路的各種干擾噪聲都被擋在輸入回路這一邊。輸入回路這一邊。 264）安全保障作用）安全保障作用 - 即使外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線(xiàn)短即使外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線(xiàn)短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表（光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表（光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓）以承受幾千伏的高壓） 5）響應(yīng)速度極快，其響應(yīng)延遲時(shí)間只有）響應(yīng)速度極快，其響應(yīng)延遲時(shí)間只有10s左右，適于對(duì)響應(yīng)速左右，適于對(duì)

19、響應(yīng)速度要求很高的場(chǎng)合。度要求很高的場(chǎng)合。 6）輸入信號(hào)在電平上不必與）輸入信號(hào)在電平上不必與TTL或或CMOS完全兼容，也不必設(shè)置完全兼容，也不必設(shè)置電平轉(zhuǎn)換電路，無(wú)論輸入值電平轉(zhuǎn)換電路，無(wú)論輸入值UI多大，都可以通過(guò)調(diào)整限流電阻多大，都可以通過(guò)調(diào)整限流電阻R1的大小，使光電耦合器件內(nèi)部的發(fā)光二極管導(dǎo)通或關(guān)斷電流。也的大小，使光電耦合器件內(nèi)部的發(fā)光二極管導(dǎo)通或關(guān)斷電流。也可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的輸出端電路形式，實(shí)現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換，使可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的輸出端電路形式，實(shí)現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換，使用靈活方便。用靈活方便。 7）若光敏三極管的基極有引出線(xiàn)，則可以設(shè)計(jì)相應(yīng)電路來(lái)滿(mǎn)足）若光敏三極管的基極有引出線(xiàn)，則可以設(shè)計(jì)相