页数：46页文件大小：2.38 MB来源： 检测技术与自动化仪表ppt课件
本课件可查阅电荷耦合器件的基础说明、线阵与面阵CCD的实现方式与光栅式传感器的典型应用，收录原理示意、结构框图与对比数据，配合逐页图示与完整文字版，便于按知识点检索复习。
检测技术与自动化仪表第十章光电传感器3
电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice,缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。
它以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移并读出信号电荷的功能。
CCD自1970年问世以来，由于其独特的性能而发展迅速，广泛应用于航天、遥感、工业、农业、天文及通讯等军用及民用领域信息存储及信息处理等方面，尤其适用以上领域中的图像识别技术。
CCD图像传感器
MOS电容器（a）MOS电容截面；
（b）势阱图
(2)工作原理构成CCD的基本单元是MOS电容器。
与其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。
如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱，如图(b)所示。
对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。
如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，由此产生的光生电子就被附近的势阱所吸收，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比，存储了电荷的势阱被称为电荷包，而同时产生的空穴被排斥出耗尽区。
并且在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，Si表面吸收少数载流子表面势(半导体表面对于衬底的电势差)也越大，这时势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大
CCD在工作过程中，会往表面势阱中注入电子，这些电子就是信号电荷。
势阱中有信号电荷注入时，耗尽层深度和表面势将随电荷的增加而减小。
信号电荷可用光注入或电注入两种方法。
CCD在用做图像传感时，光注入方式。
光注入信号电荷的过程是CCD器件受光照后，光子被半导体吸收，产生电子一空穴对；
这时，多数载流字入硅底内。
而少数载流子－电子被吸引，存贮在较深的势阱个，形成“电荷包”。
CCD在用做信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。
所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷
彩色CCD显微照片（放大7000倍）
2.CCD的应用（CCD固态图像传感器）电荷耦合器件用于固态图像传感器中，作为摄像或像敏的器件。
CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。
感光部分是指在同一半导体衬底上布设的由若干光敏单元组成的阵列元件，光敏单元简称“像素”。
固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”传送，经输出放大器输出
线阵CCD线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构.
线阵CCD外形
面阵CCD常见的面阵CCD摄像器件有两种：行间转移结构与帧转移结构
彩色CCD目前主要有三片式和单片式两种三片式CCD
拜尔方式滤色器行间排列的滤色器
三、CCD图像传感器的应用线阵CCD在扫描仪中的应用
线阵CCD在图像扫描中的应用线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描
线阵CCD用于字符识别
CCD数码照相机数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。
数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同
CCD用于图像记录
数码相机的外形
三基色分离原理CCD数码照相机的结构
长光栅用于长度或直线位移的测量，刻线相互平行；
圆光栅用来测量角度或角位移，在圆盘玻璃上刻线
尺身尺身安装孔反射式扫描头（与移动部件固定）扫描头安装孔可移动电缆光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长栅计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成
扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆光栅的外形及结构（续）
反射式光栅
透射式光栅
透射式圆光栅固定
光栅莫尔条纹的形式
（1）莫尔条纹的光学放大作用在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。
在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；
在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。
光栅的刻线宽度W莫尔条纹的宽度LL≈W/θ，（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）
莫尔条纹演示
二光栅细分技术在前面讨论的光栅测量原理中可知，以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。
为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。
所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量，如一个周期内发出n个脉冲，即可使测量精度提高到n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。
由于细分后计数脉冲频率提高到了n倍，因此也称之为n倍频。
细分方法有机械细分和电子细分两类
脉冲细分细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。
细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小。
采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，测量步距是原来的1/4，较大地提高了测量精度。
细分前细分后
在上述辨向原理中可知，在相差BH/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差π/2的电信号。
若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差π/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。
也可以在相差BH/4位置上安放四个光电元件来实现四倍频细分。
这种方法不可能得到高的细分数，因为在一个莫尔条纹的间距内不可能安装更多的光电元件。
它有一个优点，就是对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求
相距B/4放置四个光电元件
四倍频细分电路原理框图
光栅在机床上的安装位置（2个自由度）
光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表
3自由度光栅数显表
光栅数显表（续）三座标数显表
安装有直线光栅的数控机床加工实况防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部
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