影像獲取技術(shù)

影像獲取技術(shù)第一頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六電荷耦合器件CCD

線陣CCD

面陣CCD表面溝道CCD(SCCD),電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面轉(zhuǎn)移。體溝道CCD(BCCD),電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移CCD類型第二頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六1.電荷耦合器件的工作原理1.1、CCD工作原理CCD光信息電脈沖脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱輸出脈沖的順序可以反映一個(gè)光敏元的位置完成圖像傳感第三頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作原理信號(hào)電荷的產(chǎn)生信號(hào)電荷的存貯信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷的檢測(cè)第四頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六1.1電荷存貯

CCD是由規(guī)則排列的金屬—氧化物—半導(dǎo)體（MetalOxideSemiconductor,MOS）電容陣列組成。MetalOxideSemiconductor第五頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六金屬VG氧化物（SiO2）半導(dǎo)體(P—Si)電子勢(shì)阱界面勢(shì)如果有光入射到半導(dǎo)體硅片上，在光子的作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，由此產(chǎn)生的光電子被表面的勢(shì)阱所吸收。而空穴被電場(chǎng)排斥出耗盡區(qū)。

當(dāng)在金屬電極上加正電壓VG時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，電極下Ｐ型區(qū)域里的多數(shù)載流子空穴被排斥、驅(qū)趕，形成了一個(gè)耗盡區(qū)。而對(duì)于少數(shù)載流子電子，電場(chǎng)則吸引它到電極下的耗盡區(qū)。耗盡區(qū)對(duì)于帶負(fù)電的電子來(lái)講是一個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域稱為“勢(shì)阱”。勢(shì)阱積累電子的容量取決于勢(shì)阱的“深度”，而表面勢(shì)的大小近似與柵壓VG成正比。第六頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六電荷存儲(chǔ)柵電極G氧化層P型半導(dǎo)體耗盡區(qū)反型層uG>uthuG<uthuG=0第七頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬－氧化物－半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。當(dāng)柵極G施加正偏壓UG之前（UG=0），P型半導(dǎo)體中的空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的；當(dāng)柵極電壓加正向偏壓（UG<Uth）后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸；當(dāng)UG>Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)（表面勢(shì)ФS）變得如此之高，以至于將半導(dǎo)體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）吸引到表面，形成電荷濃度極高的極薄反型層，反型層電荷的存在說(shuō)明了MOS結(jié)構(gòu)具有存儲(chǔ)電荷的功能。第八頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六u010V10VUG=5VUG=10VUG=15V空勢(shì)阱填充1/3勢(shì)阱全滿勢(shì)阱電子被加有柵極電壓的MOS結(jié)構(gòu)吸引到勢(shì)能最低的氧化層與半導(dǎo)體地交界面處。MOS電容存儲(chǔ)信號(hào)電荷的容量為：Q=Cox?UG?A第九頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六1.2電荷轉(zhuǎn)移（耦合）假定開(kāi)始有一些電荷存儲(chǔ)在偏壓為20V的第二個(gè)電極下面的勢(shì)阱里，其他電極上均加有大于閾值得較低電壓（例如2V）。設(shè)a圖為零時(shí)刻，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，各電極的電壓發(fā)生變化，第二個(gè)電極仍保持10V，第三個(gè)電極上的電壓由2V變?yōu)?0V，因這兩個(gè)電極靠的很近（幾個(gè)微米），它們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起。原來(lái)在第二個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢(shì)阱所共有。如圖b＆c。若此后第二個(gè)電極上的電壓由10V變?yōu)?V，第三個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第三個(gè)電極下的勢(shì)阱中，如圖e。由此可見(jiàn)，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。第十頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六2V10V2V2Va存有電荷的勢(shì)阱b2V10V2V10V2V2V10V10V2V2V10V2V10V2V2V2V10V2VcdefФ1Ф2Ф3第十一頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六通過(guò)將一定規(guī)則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體表面按一定方向移動(dòng)。通常把CCD電極分為幾組，并施加同樣的時(shí)鐘脈沖。如圖f，為三相時(shí)鐘脈沖，此種CCD稱為三相CCD。CCD電極間隙必須很小，否則被電極間的勢(shì)壘所間隔。產(chǎn)生完全耦合條件的最大間隙一般由具體電極結(jié)構(gòu)，表面態(tài)密度等因素決定。間隙長(zhǎng)度應(yīng)小于3um。以電子為信號(hào)電荷的CCD稱為N型溝道CCD（工作頻率高）,而以空穴為信號(hào)電荷的CCD稱為P型溝道CCD。第十二頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六1.3電荷的注入（1）光注入當(dāng)光照射CCD硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開(kāi)，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。它有可分為正面照射式＆背面照射式。第十三頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六U+U+勢(shì)壘P-Si背面照射式光注入第十四頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六（2）電注入CCD通過(guò)輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。IDuINuIDN+IGФ1Ф2Ф3Ф2PФ2第十五頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六1.4電荷的檢測(cè)信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中與時(shí)鐘脈沖無(wú)任何電容耦合，而在輸出端需選擇適當(dāng)?shù)剌敵鲭娐芬詼p小時(shí)鐘脈沖容性的饋入輸出電路的程度。（1）電流輸出：如圖a。第十六頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六由反向偏置二極管收集信號(hào)電荷來(lái)控制A點(diǎn)電位的變化，直流偏置的輸出柵極OG用來(lái)使漏擴(kuò)散＆時(shí)鐘脈沖之間退耦，由于二極管反向偏置，形成一個(gè)深陷落信號(hào)電荷的勢(shì)阱，轉(zhuǎn)移到Ф2電極下的電荷包越過(guò)輸出柵極，流入到深勢(shì)阱中。UDRDRgAOGФ1Ф2放大P-Si圖aN+第十七頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六OGФ1Ф2浮置擴(kuò)散T1（復(fù)位管）T2（放大管）RgUDD(2)浮置擴(kuò)散放大器輸出：如圖b.圖b復(fù)位管在Ф2下的勢(shì)阱未形成前，在RG端加復(fù)位脈沖，使復(fù)位管導(dǎo)通，把浮置擴(kuò)散區(qū)剩余電荷抽走，復(fù)位到UDD，而當(dāng)電荷到來(lái)時(shí)，復(fù)位管截止，由浮置擴(kuò)散區(qū)收集的信號(hào)電荷來(lái)控制放大管柵極電位變化。第十八頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六（3）浮置柵放大器輸出：如下圖。浮柵T2UDDФ1Ф3Ф2Ф1Ф3Ф2Ф3T2的柵極不是直接與信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮置柵相連。當(dāng)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面的溝道時(shí)，在浮置柵上感應(yīng)出鏡像電荷，以此來(lái)控制T2的柵極電位。第十九頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD光敏元顯微照片第二十頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六

彩色CCD顯微照片（放大7000倍）第二十一頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.3、CCD圖象傳感器的應(yīng)用

CCD的七個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域

１).小型化黑白、彩色TV攝像機(jī)

(面陣CCD應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。

)2).傳真通訊系統(tǒng)

用1024～2048像元的線陣CCD作傳真機(jī)，可在不到一秒鐘內(nèi)完成A4開(kāi)稿件的掃描。

3).光學(xué)字符識(shí)別

代替人眼，把字符變成電信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字化，然后用計(jì)算機(jī)識(shí)別。

4).廣播TV

第二十二頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六5).工業(yè)檢測(cè)與自動(dòng)控制

這是CCD應(yīng)用量很大的一個(gè)領(lǐng)域，統(tǒng)稱機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。

a.在鋼鐵、木材、紡織、糧食、醫(yī)藥、機(jī)械等領(lǐng)域作零件尺寸的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，產(chǎn)品質(zhì)量、包裝、形狀識(shí)別、表面缺陷或粗糙度檢測(cè)。b.在自動(dòng)控制方面，主要作計(jì)算機(jī)獲取被控信息的手段。c.還可作機(jī)器人視覺(jué)傳感器。

第二十三頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六6).可用于各種標(biāo)本分析（如血細(xì)胞分析儀），眼球運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，X射線攝像，胃鏡、腸鏡攝像等。

a.天文攝像觀測(cè)b.

從衛(wèi)星遙感地面

如：美國(guó)用5個(gè)2048位CCD拼接成10240位長(zhǎng)取代125mm寬偵察膠卷，作地球衛(wèi)星傳感器。c.

航空遙感、衛(wèi)星偵察如：1985年歐洲空間局首次在SPOT衛(wèi)星上使用大型線陣CCD掃描，地面分辨率提高到10m。

還在軍事上應(yīng)用：微光夜視、導(dǎo)彈制導(dǎo)、目標(biāo)跟蹤、軍用圖象通信等。

7).

天文觀測(cè)第二十四頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六He-Ne信號(hào)讀出信號(hào)處理時(shí)鐘發(fā)生控制器計(jì)數(shù)顯示器透鏡細(xì)絲線陣CCDL１、微小尺寸的檢測(cè)（10~500um）用衍射的方法對(duì)細(xì)絲、狹縫、微小位移、微小孔等進(jìn)行測(cè)量。

根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射公式

:可以得到：例：尺寸測(cè)量第二十五頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六d——細(xì)絲直徑；K——衍射暗紋級(jí)次K=±1,2,3…；λ——激光波長(zhǎng)；

L——被測(cè)細(xì)絲到CCD光敏面的距離；

θ——被測(cè)細(xì)絲到第K級(jí)暗紋的連線，與光線主軸的夾角；

xk————第K級(jí)暗紋到光軸的距離。

3θ012XkSdL第二十六頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六當(dāng)θ很小時(shí)（即L足夠大時(shí)）Sinθ≈tgθ=xk/L代入

得到：S——暗紋寬度，S=XK/K是相等的，則測(cè)細(xì)絲直徑d轉(zhuǎn)化為用CCD測(cè)S

誤差分析第二十七頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六由于激光波長(zhǎng)誤差很小可忽略不計(jì)，則

例：He-Ne激光λ＝632.8nm,L=1000mm±0.5mm,d=500μm,

當(dāng)CCD像元選用13±1μm測(cè)量誤差：第二十八頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期六絲越細(xì)，測(cè)量精度越高（d越小S越大），甚至可達(dá)到Δd=10-2μm.

S的測(cè)量方法

S=ns·pVn圖象傳感器(IS)輸出的視頻信號(hào)經(jīng)放大器A放大，再經(jīng)峰值保持電路PH和采樣保持電路S/H處理，變成箱形波，送到A/D