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第三章光电信息转换上一页 下一页回首页 回末页 结束第三章
§ 3.2.2 电荷耦合器（ CCD）
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CCD它具有结构简单，基础度高，制造工序少，功耗低，
信噪比好等优点。 CCD有线阵和面阵二种,CCD是一种半导体集成器件，它由 MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。
一,MOS光敏元的工作原理所谓 MOS结构；一般都以硅作为半导体衬底，在其上热生长一层二氧化硅 (SiO2)，并在二氧化硅上面淀积具有一定形状的金属层。因为它是由金属 (M)— 氧化物 (O)— 半导体 (S)三层所组成，故称 MOS结构。
二．移位寄存器移位寄存器由金属电极、氧化物介质及半导体三部分组成，也是 MOS结构，它不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。
上一节
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§ 3.2.2 电荷耦合器（ CCD）
回目录三．光敏单元中的电荷向移位寄存器转移现在来说明光敏单元中的电荷是怎样转移 (读出 )至移位寄存器的。
如图，光敏区中产生的电荷，由转移门 Z控制转移至 a1,a2、
----an极下的势阱。但如何解决光敏区中的光敏单元数与移位寄存器的传输单元数相等，而转移电极 2只有一个矛盾呢?
现以 A-A截面的电极为例进行分析。
把 A-A截面的电极旋转 900后画于图
3.2.2-5。
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§ 3.2.2 电荷耦合器（ CCD）
回目录由图中可看出,从 t0到 t2光敏单元 a1'中的电荷已转移至 a1极下的势阶 。 同理,光敏单元 a1',a2'… an'中的电荷同时转移至 a1,a2… an极下的势阱 。 这是一个平行转移的过程 。
由于 t2以后转移电极 Z上的电压恢复为零,相当于把光敏区和移位寄存器之间的,门,阻塞 。 自 t3以后,光敏单元又重新进行光积累 (光积分 )，
§ 3.2.2 电荷耦合器（ CCD）
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§ 3.2.2 电荷耦合器（ CCD）
回目录移位寄存器 a1,b1,c1； a2,b2,c2； ---- an,bn,cn等进行移位 (电荷传输 )，各自执行自己的任务。
光敏单元 a1'中的电荷不移至 b1和 c1极下，是靠制造适当的沟道及 b1,c1极上加适当的电压来实现的。当 t＝ t 1时，转移电极 Z上加正脉冲，这时 Ua＝ U,Ub＝ 0,Uc＝ 0，即这时
b1,c1极下不产生势阱，因此 a1'中的电荷沿沟道转移至 a1极下的势阱。
上述光敏区中的电荷信号靠移位寄存器传输给输出二极管读出，故移位寄存器一般称它为读出寄存器。
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§ 3.2.2 电荷耦合器（ CCD）
回目录四．面阵 CCD
面阵 CCD是按图象信息的处理要求而输出信号的。面阵
CCD实际上是由许多线阵 CCD排成二维形式，它主要用于电视摄像中。
面阵 CCD也可以用作固体摄像传感器来测量各种几何量，
俗称摄像测量。
五,CCD输出信号的处理方式
CCD输出信号一般为负极性视频信号,对 CCD输出信号的处理方式很多,以下是几种典型的用于检测和控制的信号处理方式 。
1,CCD－放大 ― 二值化处理－计数。
2,CCD－放大－滤波－比较整形－高频填脉冲－计数
3,CCD－放大－同步采样保持－高速 A/D转换－存储－计算机图象处理
4,CCD－放大－滤波－变成全电视信号－存储（面阵 CCD）
§ 3.2.2 电荷耦合器（ CCD）
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§ 3.2.2 电荷耦合器（ CCD）
回目录六,CCD在动态测量直径中的应用
CCD动态测量细丝直径的原理如图 3.2.2-7所示。
设所用的 CCD有 N0个光敏元,每个光敏元的大小为
13μ,计数器计数为 N,则细丝直径 D为：
D＝ 13（ N0-N）
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§ 3.2.2 电荷耦合器（ CCD）
回目录在上述测量中,由于是用脉冲计数测量,故光源的波动对测量精度影响不大,
细丝的抖动也不影响测量精度,故可达到较高的测量精度 。 如需要测量达到更高的分辨率,可用光学放大,如图 3.2.2-8所示 。
如 k=x/y=1/13,则实际上放大了 13倍,此时
D＝ 13k(N0-N0=(N0-N)
注意,采用光学放大后,
细丝在垂直于 CCD反向的抖动将影响测量精度 。
§ 3.2.2 电荷耦合器（ CCD）
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§ 3.2.2 电荷耦合器（ CCD）
回目录如测量大物体，可用二块
CCD，距离固定为 L（如图
3.2.2-9所示），假定 CCD1
的计数值为 N1,CCD2的计数值为 N2，则
D＝ L－ 3N1+13(N0-N2)
测量大物体也可用面阵
CCD进行摄像测量，再用计算机进行数字图象处理得到处理结果。但测量精度要比用线阵 CCD测量差些。
3.3
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CCD它具有结构简单，基础度高，制造工序少，功耗低，
信噪比好等优点。 CCD有线阵和面阵二种,CCD是一种半导体集成器件，它由 MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。
一,MOS光敏元的工作原理所谓 MOS结构；一般都以硅作为半导体衬底，在其上热生长一层二氧化硅 (SiO2)，并在二氧化硅上面淀积具有一定形状的金属层。因为它是由金属 (M)— 氧化物 (O)— 半导体 (S)三层所组成，故称 MOS结构。
二．移位寄存器移位寄存器由金属电极、氧化物介质及半导体三部分组成，也是 MOS结构，它不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。
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回目录三．光敏单元中的电荷向移位寄存器转移现在来说明光敏单元中的电荷是怎样转移 (读出 )至移位寄存器的。
如图，光敏区中产生的电荷，由转移门 Z控制转移至 a1,a2、
----an极下的势阱。但如何解决光敏区中的光敏单元数与移位寄存器的传输单元数相等，而转移电极 2只有一个矛盾呢?
现以 A-A截面的电极为例进行分析。
把 A-A截面的电极旋转 900后画于图
3.2.2-5。
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回目录由图中可看出,从 t0到 t2光敏单元 a1'中的电荷已转移至 a1极下的势阶 。 同理,光敏单元 a1',a2'… an'中的电荷同时转移至 a1,a2… an极下的势阱 。 这是一个平行转移的过程 。
由于 t2以后转移电极 Z上的电压恢复为零,相当于把光敏区和移位寄存器之间的,门,阻塞 。 自 t3以后,光敏单元又重新进行光积累 (光积分 )，
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光敏单元 a1'中的电荷不移至 b1和 c1极下，是靠制造适当的沟道及 b1,c1极上加适当的电压来实现的。当 t＝ t 1时，转移电极 Z上加正脉冲，这时 Ua＝ U,Ub＝ 0,Uc＝ 0，即这时
b1,c1极下不产生势阱，因此 a1'中的电荷沿沟道转移至 a1极下的势阱。
上述光敏区中的电荷信号靠移位寄存器传输给输出二极管读出，故移位寄存器一般称它为读出寄存器。
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面阵 CCD是按图象信息的处理要求而输出信号的。面阵
CCD实际上是由许多线阵 CCD排成二维形式，它主要用于电视摄像中。
面阵 CCD也可以用作固体摄像传感器来测量各种几何量，
俗称摄像测量。
五,CCD输出信号的处理方式
CCD输出信号一般为负极性视频信号,对 CCD输出信号的处理方式很多,以下是几种典型的用于检测和控制的信号处理方式 。
1,CCD－放大 ― 二值化处理－计数。
2,CCD－放大－滤波－比较整形－高频填脉冲－计数
3,CCD－放大－同步采样保持－高速 A/D转换－存储－计算机图象处理
4,CCD－放大－滤波－变成全电视信号－存储（面阵 CCD）
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回目录六,CCD在动态测量直径中的应用
CCD动态测量细丝直径的原理如图 3.2.2-7所示。
设所用的 CCD有 N0个光敏元,每个光敏元的大小为
13μ,计数器计数为 N,则细丝直径 D为：
D＝ 13（ N0-N）
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回目录在上述测量中,由于是用脉冲计数测量,故光源的波动对测量精度影响不大,
细丝的抖动也不影响测量精度,故可达到较高的测量精度 。 如需要测量达到更高的分辨率,可用光学放大,如图 3.2.2-8所示 。
如 k=x/y=1/13,则实际上放大了 13倍,此时
D＝ 13k(N0-N0=(N0-N)
注意,采用光学放大后,
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CCD，距离固定为 L（如图
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的计数值为 N1,CCD2的计数值为 N2，则
D＝ L－ 3N1+13(N0-N2)
测量大物体也可用面阵
CCD进行摄像测量，再用计算机进行数字图象处理得到处理结果。但测量精度要比用线阵 CCD测量差些。
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