CCD工作原理

CCD工作原理内容摘要：

CCD工作原理 （ 1）电荷存贮在栅极未施加电压时， 数载流子）栅极加正向电压，空穴远离栅极，形成耗尽层电压提高，耗尽层扩散，形成反型层（电子被表面势吸引，极薄，密度极高）反型层形成时的外加电压称为阈值电压 型换成 置电压也反号，则反型层为空穴深度耗尽状态， 为少数载流子缺乏，反型层不能立即形成） 氧化层厚度对表面势的影响 同样栅极电压下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势（ 2）电荷耦合电极电压的变化使得电荷从一个势阱转移到另一个势阱 才能保证电荷的转移 势阱产生 >势阱合并 >电荷转移 >电荷共有 >电荷转移 >势阱及电荷转移一个位置。 电荷包的转移是由势阱的不对称和势阱耦合引起的3） 电荷的注入和检测 光注入：当光照射到 栅极附近的体内产生电子 多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被其收集在势阱中形成信号电荷。 光注入方式又可分为正面照射式及背面照射式。 光注入的电荷量 性关系 检测二极管、二极管偏置电阻、源极输出放大器和复位场效应管等构成 >输出栅下的势阱 >反向偏置二极管（相对于深势阱） >产生电流 Id 点的电位变化，反应注入到二极管电荷量的大小 通过隔直电容检测出 可以检测出电荷量的大小电荷的检测（输出方式）在输出端则不可避免。 号电荷的持续时间太短，不利于检测； 于信号电荷的检测，但容易产生不同周期内，信号电荷的重叠 复位电路的作用：在转移脉冲的一个周期的末端，使场效应管导通，将剩余电荷流向电源，避免信号电荷的重叠，保持出方式） 电荷耦合摄像器件 重量轻 、 功耗小 、 工作电压低和抗烧毁等优点 ， 且具有分辨率 、 动态范围 、 灵敏度 、 实时传输和自扫描等方面的优越性 传真 ， 零件尺寸的自动测量和文字识别等民用领域；在空间遥感遥测 、 卫星侦察 、 导弹制导及潜望镜水平扫描摄像机等军事侦察系统中都发挥着重要作用。 线型 和 面型。 1下的耗尽区内由于 光学的本征激发 产生电子空穴对 ， （ 光 ） 电子将作为少数载流子在 1势阱之中。 光束是通过透明电极或电极之间进入半导体的 ， 所激发出来的光电子数与光强有关 ， 也与积分时间长短有关。 于是光强分布图就变成 积分完毕后 ， 电极上的电压变成三相重叠的快速脉冲 ，把电荷包依次从输出端读出。 （ 1） 面阵 成三个区域： 成像区 、 存贮区和 读出移位寄存区。 （ 2） 每读出一行以后 ， 存贮区再转移一行。 如此重复 ，直到全部像素被输出。 在存贮区信号逐行输出的同时 ，成像区中另一电极正处于合适电压 ， 对光强进行积分 ，这样 隔行成像 分辨率高。 （ 1） 面阵 成三个区域： 成像区 、 存贮区和 读出移位寄存区。 （ 2） 每读出一行以后 ， 存贮区再转移一行。 如此重复 ，直到全部像素被输出。 在存贮区信号逐行输出的同时 ，成像区中另一电极正处于合适电压 ， 对光强进行积分 ，这样 隔行成像 分辨率高。 面阵 分辨率素尺寸、像素的密度同时还受到转移传输效率的影响。 分辨率通常用电视线（ 示。 高集成度的光敏单元可获得高的分辨率，采用一些新的工艺结构，例如双层结构，将光电转换层和电荷转移层分开，可提高灵敏度和饱和信号的电荷量。 灵敏度：单位光功率产生的信号电流影响灵敏度的因素：开口率，（感光单元面积与一个像素总面积之比）、感光单元电极形式和材料 、 面阵 噪声和动态范围动态范围： 输出端峰值电压与均方根噪声电压之比动态范围由它的信号处理能力和噪声电平决定，反映了器件的工作范围，取决于势阱能收集的最大电荷量与受噪声限制的最小电荷量之差。 噪声：半导体的热噪声、 大器的输入电容。 暗电流：热激励产生的电子空穴对形成，是随机噪声。 光谱灵敏度 ： 光敏单元在可见光谱内响应较均匀。 光谱响应：微光，红外光，可见光一、 维 外部引出端子 外封装 窗口 入射光点 ， 受光面 （ 电阻层 ） ， 输出电极 1， 输出电极 2， 电流 1， 电流 2， 正电荷移动 ， 负电荷移动一维 通过 层产生正电荷，在 出端输出与 到输出电极距离 成反比的电流。 01 0 1 2I I I 21215只要测出频率 ， 就可以得到转速带孔的盘 带锯齿的盘 带黑白反射块的盘 转速计测量原理0光电探测器件：光电池、光敏二极管或光敏三极管，光源：发光二极管16系统构成电路转换：放大器、计数器发光二极管光敏探测器光学调制系统17当长光栅固定 ， 指示光栅相对移动一个栅距 ， 莫尔条纹就变化一个周期。 一般情况下 指示光栅与工作台固定在一起。 通过对指示光栅和长光栅形成的莫尔条纹计数得到工作台前后移动的距离。 指示光栅移动的距离 x ：x = 小于一个光栅栅距的小数。 （ 1）简单的莫尔条纹测长仪只对指示光栅移过的光栅线对数 2）实际系统利用 电子细分方法 将莫尔条纹的一个周期细分。 莫尔条纹测长原理18 细分判向原理（ 1）四倍频细分透镜读数头1、灯泡2、聚光镜3、长光栅4、指示光栅5、四个柱面聚光镜6、狭缝7、四个光电二极管19（ 2） 读数头构成特点及信号处理过程（ 1） 四个柱面聚光镜布置在莫尔条纹的一个周期内 ， 接受光栅透过的光能 ， 它们相互之间相差 1/4个莫尔条纹周期。 （ 2） 在每个柱面聚光镜的 焦点 上布置一个光电二极管 ， 进行光电转换。 （ 3） 指示光栅移动一个栅距 ， 莫尔条纹变化一个周期 ， 则四个光电二极管分别输出相位差为 90度的 近似正弦 信号 ， 该信号整形后得到相差 90度的 方波脉冲信号（ 4） 莫尔条纹变化一个周期 ， 计数器中的到 4个方波脉冲 ， 提高分辨力20 脉冲激光测距仪 测距原理由激光器对被测目标发射一个 光脉冲 ，然后接收系统接收目标 反射回来的光脉冲 ，通过测量光脉冲往返所经过的 时间来算出目标的距离。 21脉冲激光测距仪发射系统接收系统接收光学系统光电探测器低噪声宽带放大器整形电路门控电路时钟脉冲振荡器计数显示器激光器： Q/锁模）电源发射望远系统 物镜小孔光阑干涉滤光片22 脉冲测距仪步骤(1)开关 15闭合 ：清计数器 13；置触发器 8、 9为 1,即 Q8 1, O9=1；发射激光脉冲。 (2)取样参考信号回波 ：使触发器 8置 0，即 Q8=0, 打开异或门 11， 计数器 13计数。 (3)测量信号回波 ：同或门 10使得信号负脉冲可以通过 ， 置触发器 9为 0，关闭 11， 13停止计数。 2 23 发射系统发射系统一般由 激光器 、 电源 和 发射望远系统 组成。 激光器输出的光脉冲峰值功率极高 ， 峰值功率在兆瓦量级 ，脉冲宽度在几十毫微秒量级。 发射望远系统是 倒置的伽利略望远镜 ， 它可使激光的发散角进一步 压缩 ， 一般输出激光发散角在 （ 100 单位立体角的光能量得到提高 ， 目标所得到的照度也相应提高 ， 有利于提高作用距离。 24 接收系统接收系统由接收 光学系统 、 光电探测器 、 低噪声宽带放大器 和 整形电路 组成。 接受系统包括接收物镜 、 小孔光阑及干涉滤光片光电探测器：光电探测器把光信号转变成电信号 ， 再经 过低噪声宽带放大器送到整形电路。 25系统分析光源：不同测试要求对光源的要求增强信号的光学方法的考虑：光电探测系统的光谱响应和响应时间测量分辨率分析 时钟振荡频率 激光脉冲的上升时间影响系统测量精度的因素系统的噪声分析26 相位测距原理（ 1） 发射系统发射按频率 2） 接收系统得到调制的光波回波 ， 并转换成与其频率完全相同的电信号（ 3） 测得发射与接收光波之间的相位差 （ 角 ） ， 即可测得距离反射棱镜 相位激光测距仪27（ 2）计算过程：0t 02100012 ( ) ( )22NL c L N L N N 00 2/ 2/ N，其中 为相位差角， 0为光波调制频率（ 1）相位和时间的关系（ 2）（ 3）其中 ，称为 光尺 ；问题：相位计只能测量尾数，不能测量周期数28（ 3） “多尺”测量的概念（注意相对精度）解决办法29 相位测距原理（ 1） 发射系统发射按频率 2） 接收系统得到调制的光波回波 ， 并转换成与其频率完全相同的电信号（ 3） 测得发射与接收光波之间的相位差 （ 角 ） ， 即可测得距离反射棱镜 相位激光测距仪30（ 2）计算过程：0t 02100012 ( ) ( )22NL c L N L N N 00 2/ 2/ N，其中 为相位差角， 0为光波调制频率（ 1）相位和时间的关系（ 2）（ 3）其中 ，称为 光尺 ；问题：相位计只能测量尾数，不能测量周期数31（ 3） “多尺”测量的概念（注意相对精度）解决办法32 相位测距仪原理（ 1） 为某频率的正弦电流驱动发光二极管输出同相位正弦变化的光波。 （ 2） 两个测尺 ， 频率分别为5503） 两个本振信号为 4） 主振信号与本振信号混频后得到低频信号 ， 但保持高频的相位。 33 测量误差分析及校正 实际仪器中电路各环节总会有 时间延迟 而引入相移， 仪器内部光学系统中有一段 光路长度 ，并且光学 零件有折射率 等，这些相移将引入误差误差校正在 测量以前 ，光路转换设备将三角棱镜移近发光二极管前面，对内光路测一次，然后把这个测量结果在正式测距结果中减去，就可得到 校正值。 激光多普勒测速仪（ 1） 激光多普勒测速仪 （ 简称 是利用激光多普勒效应来测量流体或固体运动速度的一种仪器。 因其大多用在。