傳感與測(cè)試技術(shù)(7.3)

7.3電荷耦合器件(CCD)CCD如何感知圖像信息？依據(jù)哪些特性參數(shù)選用CCD？本節(jié)主要內(nèi)容：7.3電荷耦合器件(CCD)

前言CCD：利用內(nèi)光電效應(yīng),由多個(gè)光敏元組成的感知圖像信息的光傳感器。7.3電荷耦合器件(CCD)

前言CCD：利用內(nèi)光電效應(yīng),由多個(gè)光敏元組成的感知圖像信息的光傳感器。圖像信息光強(qiáng)信息光強(qiáng)的空間分布信息色彩信息7.3電荷耦合器件(CCD)前言CCD傳感器的三大任務(wù)感知被測(cè)對(duì)象的光強(qiáng)信息感知被測(cè)對(duì)象的光強(qiáng)的空間分布信息感知被測(cè)對(duì)象的色彩信息（產(chǎn)生與光強(qiáng)成比例的電信號(hào)）（感知光線來(lái)源點(diǎn)之間的位置關(guān)系）（感知被測(cè)對(duì)象的色彩組成與分布）7.3.1

CCD的工作原理7.3.1.1

光強(qiáng)的感知1）光敏元的結(jié)構(gòu)其實(shí)質(zhì)是金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的MOS電容（容納電荷）金屬電極：用于加載偏置電壓和電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)脈沖二氧化硅：絕緣層P型硅：在光子作用下產(chǎn)生空穴-電子對(duì)；在偏置電壓作用下形成勢(shì)阱存儲(chǔ)光生電子典型光敏元結(jié)構(gòu)示意圖7.3.1CCD的工作原理7.3.1.1

光強(qiáng)的感知2）信號(hào)電荷的產(chǎn)生與存貯7.3.1

CCD的工作原理7.3.1.1

光強(qiáng)的感知2）信號(hào)電荷的產(chǎn)生與存貯光強(qiáng)與光生電荷的關(guān)系7.3.1.1

光強(qiáng)的感知3）信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移示意圖三相脈沖示意圖電極施加正偏置電壓越高，勢(shì)阱越深按一定時(shí)序在相鄰電極上施加特定偏置電壓，促使信號(hào)電荷在勢(shì)阱間移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷向特定方向轉(zhuǎn)移。7.3.1.1

光強(qiáng)的感知4）信號(hào)電荷的輸出信號(hào)電荷的輸出是指在信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移通道的末端，將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于進(jìn)行信號(hào)處理的電壓或者電流信號(hào)輸出。CCD主要輸出方式有電流輸出、浮置擴(kuò)散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。

電流輸出方式示意圖》電流輸出方式信號(hào)電荷進(jìn)入電荷轉(zhuǎn)移通道末端信號(hào)電荷經(jīng)A、RL到達(dá)UD，形成與信號(hào)電荷電量成正比的Id輸出電壓VOUT=Id×RL優(yōu)點(diǎn)：輸出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：a.直接輸出增益小

b.輸出效果受RL阻值一致性影響7.3.1.1

光強(qiáng)的感知4）信號(hào)電荷的輸出》浮置擴(kuò)散放大器輸出方式浮置擴(kuò)散放大器輸出方式示意圖信號(hào)電荷進(jìn)入復(fù)位管下勢(shì)阱區(qū)信號(hào)電荷引起放大器柵極電勢(shì)變化ΔV=(Q/C放大器)經(jīng)放大器放大K倍后，VOUT=K×ΔV

優(yōu)點(diǎn)：

a.放大器與CCD同片

b.輸出增益大，抗干擾能力強(qiáng)

缺點(diǎn)：輸出結(jié)構(gòu)復(fù)雜

7.3.1.1

光強(qiáng)的感知4）信號(hào)電荷的輸出》浮置柵放大器輸出方式浮置柵放大器輸出方式示意圖信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道浮置柵上感應(yīng)出鏡像電荷鏡像電荷控制輸出放大器的柵極電位(輸出電壓)優(yōu)點(diǎn)：非破壞性輸出，可重復(fù)采樣缺點(diǎn)：輸出結(jié)構(gòu)復(fù)雜

7.3電荷耦合器件(CCD)CCD傳感器的三大任務(wù)感知被測(cè)對(duì)象的光強(qiáng)信息感知被測(cè)對(duì)象的光強(qiáng)的空間分布信息感知被測(cè)對(duì)象的色彩信息（產(chǎn)生與光強(qiáng)成比例的電信號(hào)）（感知光線來(lái)源點(diǎn)之間的位置關(guān)系）（感知被測(cè)對(duì)象的色彩組成與分布）7.3.1

CCD的工作原理7.3.1.2

光強(qiáng)空間分布的感知1）面陣CCD直接感知面陣CCD感知光強(qiáng)空間分布示意圖a.將光敏元排列成二維陣列形成面陣CCDb.被測(cè)對(duì)象在面陣CCD上成像c.每個(gè)光敏元感知被測(cè)對(duì)象對(duì)應(yīng)位置的光強(qiáng)d.光敏元之間的位置關(guān)系即為相應(yīng)光線來(lái)源點(diǎn)之間的位置關(guān)系用光敏元的二維位置信息表征被測(cè)對(duì)象的光強(qiáng)空間分布信息7.3.1.2

光強(qiáng)空間分布的感知2）線陣CCD掃描感知線陣CCD感知光強(qiáng)空間分布示意圖a.將光敏元排列成一排形成線陣CCDb.線陣CCD感知被測(cè)對(duì)象對(duì)應(yīng)位置的一維圖像，每個(gè)光敏元感知一維圖像對(duì)應(yīng)位置光強(qiáng)c.使線陣CCD沿特定方向做掃描運(yùn)動(dòng)，獲得二維圖像；掃描裝置感知一維圖像之間的位置關(guān)系用光敏元的一維位置信息和掃描移動(dòng)位置信息共同表征被測(cè)對(duì)象的光強(qiáng)分布信息7.3.1.2

光強(qiáng)空間分布的感知2）線陣CCD掃描感知嫦娥一號(hào)采用三線陣CCD感知光強(qiáng)空間分布示意圖被測(cè)物反射光電荷數(shù)與對(duì)應(yīng)位置光強(qiáng)成正比》CCD感知灰度圖像面陣CCD感知灰度圖像示意圖CCD在感知被測(cè)對(duì)象的光強(qiáng)信息和光強(qiáng)空間分布信息的基礎(chǔ)上，可得到被測(cè)對(duì)象的灰度圖像。7.3電荷耦合器件(CCD)CCD傳感器的三大任務(wù)感知被測(cè)對(duì)象的光強(qiáng)信息感知被測(cè)對(duì)象的光強(qiáng)的空間分布信息感知被測(cè)對(duì)象的色彩信息（產(chǎn)生與光強(qiáng)成比例的電信號(hào)）（感知光線來(lái)源點(diǎn)之間的位置關(guān)系）（感知被測(cè)對(duì)象的色彩組成與分布）7.3.1.3色彩的感知1）三CCD色彩感知透鏡分色棱鏡

由于CCD光敏元只能感知光強(qiáng)，不能感知光的色彩（頻率），因此對(duì)色彩的感知需要通過(guò)輔助結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)；有利用棱鏡分色的三CCD色彩感知方式和利用濾光鏡的單CCD色彩感知方式。a.來(lái)自被測(cè)對(duì)象的光線經(jīng)分色棱鏡分成紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三束光b.由3塊CCD同時(shí)獲得被測(cè)對(duì)象紅光圖像、綠光圖像和藍(lán)光圖像c.從3個(gè)CCD分別抽取對(duì)應(yīng)像素光強(qiáng)值，即獲得該像素（R，G，B）三基色分量2）單CCD色彩感知7.3.1.3色彩的感知透鏡濾光鏡濾光鏡工作示意圖a.來(lái)自被測(cè)對(duì)象的光線通過(guò)按一定規(guī)律排列的“馬賽克”狀R-G-B濾光鏡b.由于R-G-B濾光鏡的單色通過(guò)特性，CCD的每個(gè)像素得到覆蓋該像素濾鏡塊同色的色彩光強(qiáng)分量c.其余兩色的分量通過(guò)周?chē)袼氐纳市畔⑦M(jìn)行加權(quán)計(jì)算，插值獲得7.3.1.3色彩