传感器13章节.ppt

图象传感器是利用光电器件的光-电转换功能,将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号图像的一种功能器件. 固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元与位移寄存器构成的集成化、功能化的光电器件． 所用的敏感器件为电荷耦合（ＣＩＤ）、电荷注入器件（ＣＩＤ）、金属氧化物半导体器件（ＭＯＳ）等电荷转移器件．,第十三章 固态图像传感器,13.1 电荷耦合器件-CCD,电荷耦合器件（Charge Couple Device， CCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号, 基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出 广泛应用于自动控制和自动测量, 尤其适用于图像识别技术一)MOS光敏单元,CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能CCD器件的基本单元结构是MOS（金属—氧化物—半导体）结构即在P型硅衬底上生长一层S iO2 (120nm),再在 S iO2层上沉积金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。

A、势阱的产生 MOS的金属电极加正压，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层它是电子的势阱势阱的深浅取决于U的大小B、电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比 CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量二)读出移位寄存器,---电荷图像的输出电路,研究如何实现势阱下的电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位置，并依次转移并传输出来A、电荷的定向转移 当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅 要求： 多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通 金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求P型Si,耗尽区,,电荷转移方向,Ф1,Ф2,Ф3,输出栅,输入栅,输入二极管,输出二极管,,SiO2,CCD的MOS结构,,,,,,,,,,,,,B、三相CCD电极的结构 MOS上三个相邻电极，每隔两个电极接在一起由3个相位差120°时钟脉冲驱动电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。

也有二相、三相等控制方式之分下图以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,,,,,,,P1,P2,P2,P3,P3,,,,P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,,,,,,,P1,P2,P2,P3,P3,(a),,,,,,,,,,,,Ф1,Ф2,Ф3,t0,t1,t2,t3,t,Ф,(b),电荷转移过程,t=t0,t=t1,t=t2,t=t3,0,C、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类似于光敏二极管，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输出二极管电流法,13.2 固态图像传感器 可将固态图像传感器分为线型和面型两类. 1) 线阵电荷耦合器件,线阵CCD结构原理图,实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图（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1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中，光像变为电像—电荷包。

光积分） （2）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器并行输出 （3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集各脉冲的波形和相位,2)面阵电荷耦合器件,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 光敏区和存储区分开，光敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期结束后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到读出寄存器然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出一帧对应光敏区MOS的数量）,右图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二相驱动,视频输出,,行 扫 描 发 生 器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,输出寄存器,,,,,检波二极管,二相驱动,感光区,,,右图所示结构，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13.3 CCD图像传感器应用 1、线阵CCD器件检测工件尺寸,L——工件尺寸， N——覆盖的光敏单元 d——相邻光敏单元中心距离 M——光学系统放大率,2d为图象末端两个光敏单元之间可能的最大误差根据目前产品情况d＝0.013～0.03mm特点: (1) 非接触检测; (2) 响应快; (3) 可靠性高,为修简便; (4) 测量精度高; (5) 体积小,重量轻; 容易与计算机连接 (6) 对被测物体需要强光照射; (7) 受被测物体以外的光的影响. 应用: (1) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量.,CCD固态图象传感器用于几何测量,条形码扫描器,2、文字图像识别系统 邮政编码识别系统写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。

由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中驱动电路,分类机构,计算机,细化二值化 处理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,传送带,CCD,透镜,1,分类箱,2,3,邮政编码识别系统,GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114,3、数码相机,。