光电检测技术概述CCD原理.docx

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光电检测技术概述CCD原理

第八章光电传感器及其应用

§８－１　传感器及其特性

一．传感器的组成：

图8-1传感器组成方块图

二．传感器的分类　　Ｐ１１３表７－１

分类法

　　　种　　类

说　明

按输入分

位移、速度、加速度，温度

压力、电流、电压传感器

以被测物理量命名

按工作原理分

应变式、电容式、电感式、压电式、光电式

以工作原理命名

按输出分

模拟式、数字式

输出为模拟量、数字量

三．传感器的一般特性

（一）．静态特性：

线性度、灵敏度、迟滞、重复性

1）线性度：

传感器的输入——输出是线性关系。

１．优点如下：

1．简化理论分析及设计计算；

2．方便仪器定标和数据处理；

3．使仪表度盘均匀刻度，工艺性好，精度高。

4．避免了非线性补偿。

２．只含有奇次非线性的传感器线性特性好（线性范围大）。

实际传感器一般为非线性，可表示为多项式（不考虑迟滞、蠕变）：

y=a0+a1x+a2x2+……+anxn

不考虑零位输出a0

当仅有偶次非线性项（图b）

y=a1x＋a２x２+a４x４+……

没对称性，零位附近线性范围窄，很少采用。

　当仅有奇次非线性项（图c）

y=a1x＋a3x3+a5x5+……

　y（-x）＝－〔a1x＋a3x3+a5x5+……〕=-y（x）

关于原点对称，零位附近线性范围宽，较多使用。

8-2（b）

y

x

o

y

x

o

8-2（c）

图8-2传感器的静态特性（b）

例如：

差动传感器就有较宽的线性范围。

差动传感器一边的输出为：

y１=a0+a1x+a2x2+……+anxn　　　　　　　（例:

　sinθ）

另一边的反向输出为：

y２=a0－a1x+a2x2+……+（-1）nanxn　　　（例:

　-sinθ）

差动输出为：

y=y１－y２=2（a1x＋a3x3+a5x5+……　）　（例:

　2sinθ）

仅含有奇次非线性项，有较宽的线性范围。

３．线性度（误差）

　　　e1=±

100℅　　

Δmax:

最大非线性绝对误差；

yFS　　：

输出满量程。

2）灵敏度　　Ｓn=

对线性传感器:

Ｓn=

=y/x=a1即斜率

差动传感器：

Ｓn=

=d（y１-y２）/dx=2a1比一般传感器的灵敏度高一倍。

y

x

o

xm

yFS

Δmax

图8-5滞环特性示意图

3）迟滞：

正、反工作行程工作曲线不一致。

e2=±

100℅　

输出最大误差与满量程之比。

4）重复性：

按同一方向作全量程多次测量，曲线不一致。

原因同上，有随机性。

定义：

不重复性为输出最大不重复误差与满量程之比。

　　e3=±（Δmax/yFS）·100℅　

Δmax=（2～3）·σ

y

x

o

xm

yFS

Δmax2

图8-6重复性

Δmax1

σ=

贝塞尔公式

σ为标准偏差。

式中：

yi——测量值

n—测量次数

—算术平均值

（二）、传感器的动态特性

1．对阶跃信号的响应

上升时间trs

从指示输出最终值的5﹪（a点）到90﹪（b点）所需的时间。

响应时间tst

从输入量开始作用到输出量进入稳定范围的时间。

过调量（超调量）C

输出量达到稳定值后又超出的最大偏差。

2.对正弦输入的响应

用幅频、相频特性、传递函数描述动态特性。

§8—2CCD传感器原理

电荷耦合器件简称为CCD（ChargeCoupleddevices）,发明于1969年，发展迅速并得到广泛应用。

一．CCD工作原理

CCD的特点是以电荷作为信号，它的基本功能是电荷的存贮和转移。

因此，CCD的基本工作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。

1.电荷存贮CCD是由规则排列的金属—氧化物—半导体（MOS）电容阵列组成。

当MOS电容器栅压VG大于开启电压Vth时，由于表面势升高，如果周围存在电子，电子将迅速地聚集到电极下的半导体表面处。

由于电子在那里的势能较低，我们可以形象地说：

半导体表面形成了对于电子的势阱。

习惯上，可以把势阱想象成一个容器，把聚集在里面的电子想象成容器中的液体，如图所示。

势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度”，而表面势的大小近似与栅压VG成正比。

势阱填满是指电子在半导体表面堆积后使表面势下降。

2.电荷耦合CCD器件每一单元（每一像素）称为一位，有256位、1024位、2160位等线阵CCD可供使用。

CCD一位中含的MOS电容个数即为CCD的相数，通常有二相、三相、四相等几种结构，它们施加的时钟脉冲也分为二相、三相、四相。

二相脉冲的两路脉冲相位相差1800；三相及四相脉冲的相位差分别为1200、900。

当这种时序脉冲加到CCD驱动电路上循环时，将实现信号电荷的定向转移，及耦合。

如图所示为二相线阵CCD（TCD1206）驱动波形，Φ1、Φ2相位差1800，

下图所示TCD1206的相邻两像元，每一位含MOS电容2个；

取表面势增加的方向向下，工作过程如图所示：

1t=t1时，Φ1电极处于高电平，而Φ2电极处于低电平。

由于Φ1电极上栅压大于开启电压，故在Φ1下形成势阱，假设此时光敏二极管接收光照，它每一位（每一像元）的电荷都从对应的Φ1电极下放入势阱。

2t=t2时，Φ1电极上栅压小于Φ2电极上栅压，故Φ1电极下势阱变浅，势阱变深，电荷更多流向Φ2电极下。

（由于势阱的不对称性，“左浅右深”，电荷只能朝右转移）

3t=t3时，Φ2电极处于高电平，而Φ1电极处于低电平，故电荷聚集到Φ2电极下，实现了电荷从Φ1电极下到Φ2电极下的转移。

4同理可知，t=t4时，电荷包从上一位的Φ1电极下转移到下一位的Φ1电极下。

因此，时钟脉冲经过一个周期，电荷包在CCD上移动一位。

3.电荷注入

在CCD中，电荷注入分为两类：

光注入和电注入。

光注入方式：

当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被其收集到势阱中形成信号电荷。

电注入方式：

有电流积分法和电压注入法。

4.电荷检测

CCD输出结构的作用是将CCD中信号电荷变为电流或电压输出，以检测信号电荷的大小。

早期的电流输出方式，由于集成度不高，寄生电容大，信噪比小，已不再使用。

浮置扩散放大器属于电压输出方式，目前采用最多。

其基本结构和工作原理如下：

如图所示，给出了CCD的电压输出电路。

它是由放大管T1、复位管T2、和输出二极管T3组成。

放大管T1是源跟随器，复位管T2工作在开关状态，输出二极管T3始终处于强反偏状态。

A点的等效电容C由T3管的结电容加上T1管的栅电容构成，它构成一个电荷积分器。

此电荷积分器随T2管的开与关，处于选通和关闭状态，称为选通电荷积分器。

如图所示为电压输出工作波形图。

CCD电压输出工作原理为：

在每个时钟脉冲周期内，随着时钟脉冲Φ1或Φ2的下降过程，就有一个电荷包从CCD转移到输出二极管T3的N区，即转移到电荷积分器上，引起A点电位变化为：

ΔV2=

（因为是N沟道，信息电荷为电子，故加负号）

由于MOS管T1的电压增益为

AV=

式中gm为跨导，RL为负载电阻，故T1管源极输出电压变化为：

Vout=

我们对Vout进行读出，然后T2管栅极RG在复位脉冲ΦR的作用下导通，将电荷包Q通过T2管的沟道抽走，使A点电位重新置在VRD值，为下一次Vout读出作准备。

当ΦR结束，T2管关闭后，由于T1管处于A点的VRD电位的强反偏状态，此积分器无放电回路，所以A点电位一直维持在VRD值，直到下一个时钟脉冲信号电荷到来为止。

二．CCD摄像原理

N

N-1

N-2

3

2

1

光敏区

转移区

CCD

Φ1Φ2

电荷进入Φ1

电荷从Φ2进入T3

Φ1Φ2

G0

S

ΦP

Φt

RG

VRD

VOD

T2

T3

T1

C

RL

加ΦR脉冲

注：

对双路输出，另一路的电荷从Φ2进入T3（同一个）

图8-14线阵CCD组成图

CCD摄像器件可分为线列和面阵两大类。

本节仅以线列CCD为例说明摄像原理。

VOUt

CCD线列图象器件由光敏区、转移栅、CCD移位寄存器、电荷注入、信号读出电路等几个部分组成。

如图所示是一个N个光敏元的线列CCD。

CCD摄像过程可归纳为如图所示的五个环节。

工作波形如图所示。

Φ2

Φ1

ΦR

Vout

ΦP

Φt

t1t2t3t4

转移准备

转移结束

有效积分时间

（即ΦSH）

转移

图8-16CCD工作波形图

各个环节分述如下：

1）积分在有效积分时间里，光栅ΦP处于高电平，每个光敏元下形成势阱，光生电子被积累到势阱中，形成一个电信号“图象”。

2）转移就是将N个光信号电荷包并行转移到所对应的各位CCD中，Φt处于高电平。

3）传输N个信号电荷在二相脉冲Φ1、Φ2驱动下依次沿CCD串行输出。

4）计数计数器用来记录驱动周期的个数。

通常计数器预置值定为N+m,m为过驱动次数。