CCD传感器学习教程.pptx
CCDCCD究竟是什么？CCDCCD传感器又叫电荷耦合器，它是一种特殊的半导体材料，由大量独立的感光二极管组成，一般按照矩阵形式排列，相当于传统相机的胶卷。1第1页/共20页2第2页/共20页CCDCCD电极的工作原理（1）光电转换。（2）电荷的存储。（3）电荷的转移。（4）电荷的检测。3第3页/共20页CCDCCD电极的工作原理 其中光电转换与电荷的存储是在光电二极管中进行，电荷转移是在CCD移位寄存器中进行，电荷检测是在FD放大器进行。1.光电转换与存储光电转换就是将光信号转换成信号电荷。线阵CCD是由许多光敏像元组成的，每个像元就是一个MOS电容器。4第4页/共20页CCDCCD电极的工作原理 5它是在P型Si衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度约1000埃-1500埃的SiO2，再在表面镀一层金属，在衬底与金属电极间施加偏置电压，就构成了一个MOS电容器。当光照射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃迁到导带第5页/共20页CCDCCD电极的工作原理 6光子进入衬底时产生的电子跃迁，形成电子-空穴对。在外加电场的作用下，电子-空穴对分别向电极两端移动，其中少数载流子流入势阱中形成信号电荷。产生信号电荷的数量直接与入射光的强度及曝光时间成正比；另外势阱存储电荷的多少还与输入栅电极的电压有关。第6页/共20页CCDCCD电极的工作原理 72.电荷的转移CCD器件中存储在势阱中的电荷包能随栅极电压的变化作定向移动。第7页/共20页CCDCCD电极的工作原理 8电荷最初存储在偏压为10V的电极(2)下边的深势阱里，其它电极上均加有大于某临界值电压V的较低电压(例如2V)。如果逐渐将电极(3)的电压由2V增加到10V，这时(2)、(3)两个电极下面的势阱具有同样的深度，并合并在一起，原先存储在电极(2)下面的电荷，就在两个电极下面均匀分布，如图(b)所示第8页/共20页CCDCCD电极的工作原理 9然后，再逐渐将电极(2)的电压降到2V，使其势阱深度降低，如图(c)所示，这时电荷全部转移到电极下面的势阱中，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。第9页/共20页CCDCCD电极的工作原理 10通常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加相同的时钟脉冲。CCD内部结构决定其正常工作需要的脉冲。图所示的结构需要三相时钟脉冲(图d)。第10页/共20页CCDCCD电极的工作原理 112.电荷的检测电荷的检测是将转移的信号电荷转换成电信号的动作。实际使用的电荷检测方法有以下两种（1）浮置扩散放大器（2）浮置栅极放大器第11页/共20页CCDCCD电极的工作原理 12信号电荷包在外加驱动脉冲的作用下，在CCD移位寄存器中按顺序传送到输出级。当电荷包进入最后一个势阱中时，复位脉冲FR为正，场效应管T1导通，输出二极管D处于很强的反响偏置之下，其结果电容C被充电到一个固定的直流电平Vcc上，源级跟随器T2的输出电平Vos被复位到一个固定的且略低于Vcc的正电平上，此电平称为复位电平。第12页/共20页CCDCCD电极的工作原理 13当FR正脉冲结束后，T1管截止，由于T1管存在一定的漏电流，这漏电流在T1管上产生一个小得压降，使输出电压有一个下跳，其下跳值称为馈通电压。当FR为正，F3也处于高电位时，信号电荷被转移到F3势阱中，由于VOG是一个比F3低的正电压,因此信号电荷仍被保存在势阱中,随FR正脉冲结束,并变得低于VOG时，信号电荷进入电容C后，立即使A点电位下降到一个与信号电荷量成比例的电位上。与此相应，T2管输电平Vos也随之下降，其下降幅度才是真正的信号电压。第13页/共20页二 CMOS CMOS 视觉传感器14佳能数码单反相机EOS D30EOS D30采用的CMOSCMOS传感器 尼康D2XD2X上所使用的CMOSCMOS第14页/共20页CCDCCD和CMOSCMOS的主要区别 制造上的区别：CMOSCMOS和CCDCCD同为半导体。但CCDCCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOSCMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。工作原理的区别：主要区别是读取视觉数据的方法。CCDCCD从阵列的一个角落开始读取数据。CMOSCMOS对每一个像素采用有源像素传感器及晶体管，以实现视觉数据读取。视觉扫描方法的区别：CCDCCD传感器连续扫描，在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOSCMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。成像方面的区别：CMOSCMOS器件产生的视觉质量相比CCDCCD来说要低一些。15第15页/共20页三 视觉传感器应用实例16第16页/共20页数码相机的基本结构 17景物分色镜CCD彩色视觉传感器取景器电路放大器ASIC集成电路A/D转换器CPU存储卡镜头RGB第17页/共20页数码相机的主要功能 1 1、镜头功能：把光线会聚到CCDCCD或CMOSCMOS视觉传感器上，起到调整焦距的作用。2 2、CCDCCD（CMOSCMOS）视觉传感器功能：把镜头传来的视觉信号转变为仿真电信号。3 3、A/DA/D转换器功能：利用A/DA/D转换器将CCDCCD产生的仿真电信号转换为数字信号，并传输到视觉处理单元。4 4、数字信号处理器功能：通过一系列复杂的数学运算法，对数字视觉信号进行优化处理。5 5、视觉压缩功能：利用JPEGJPEG编码器把得到的视觉转换为静止压缩的视觉(JPEG(JPEG格式)。6 6、总体控制电路功能：主控程序芯片(MCU)(MCU)协调和控制测光、运算、曝光、闪光控制及拍摄逻辑控制。7 7、AEAE功能和AFAF功能：在中高级的数码相机中，一般都含有AEAE功能和AFAF功能。8 8、聚焦功能：数码相机的自动聚焦功能有主动式和被动式两种形式。18第18页/共20页数码相机的工作步骤 1 1、开机准备；2 2、聚焦及测光；3 3、视觉捕捉；4 4、视觉处理；5 5、视觉存储；6 6、视觉的输出。19第19页/共20页20感谢您的观赏！第20页/共20页
