电荷耦合器件PPT课件

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（二）面阵电荷耦合摄像器件
面阵电荷耦合器件是把光敏元 等排列成矩阵的器件
图为场转移面阵电荷耦合器件 结构示意图，由一个光敏元面 阵、存储器面阵和读出移位寄 存器（线阵）组成。
光敏元面阵可视作为由若干列 线阵电荷耦合器件组成、存储 器面阵可视为由若干列线阵读 出寄存器组成。
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在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏元就感生出一幅与
光照强度相对应的光生电荷图像。
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（二）
读出移位寄存器是电荷图像的输出电路，也是MOS结构，由金属 电极、氧化物和半导体，以及遮光层组成。
由三组（也有二组、四组等）邻近的电极组成一个耦合单元（传
输单元），在这三个电极上分别-施加脉冲波Φ1、Φ2、Φ3
自扫描，具有较高的光电灵敏度和较大的动 态范围
视频信号便于与微机接口
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一、CCD的工作原理 （一）信息电荷的产生和存储
❖ MOS 光敏元：
在半导体基片上（如P型硅）生长一种具有介质作用的氧 化物（如二氧化硅），又在其上沉积一层金属电极，形 成的金属—氧化物—半导体结构。
图7-15 MOS光敏元的结构原理图
应用领域：摄像机、广播电视、可视电话、传 真、自动检测、控制、军事、医学、天文、 遥感。
车身检测、钢管检测、芯片检测、指纹检测、 虹膜检测、显微镜改造、工件尺寸及缺陷检 测、刀仪、复杂形貌测量等。
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优点
固体化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性 高、寿命长
图像畸变小、尺寸重现性好
光敏单元之间几何尺寸精度高，可得到较高 的定位精度和测量精度，具有较高分辨力
例W=0.02mm, 接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范围内有 500条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状 基本无影响。
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莫尔条纹特点：
(4) 连续变倍的作用：
其放大倍数可通过使θ角连 续变化， 从而获得任意粗 细的莫尔条纹。
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莫尔条纹位移测量原理
若用光电器件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则光 信号被转换为电信号(电压或电流)输出。
会产生电子和空穴，光生电子被附近的势阱所俘获，而同时光生空穴则被电
场排斥出耗尽区。
❖此时势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。这样
的一个MOS结构元称为MOS光敏元或叫做一个像素，把一个势阱所收集的
若干光生电荷称为一个电荷包。
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❖通常在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立的MOS光敏元，如果照射
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莫尔条纹演示
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横向莫尔条纹 ——两光栅的栅线夹角θ 很小，条纹近似与栅线的方向垂直
光闸莫尔条纹
栅线的夹角θ＝0, 且两光栅 栅距相等时产生的莫尔条纹。
纵向莫尔条纹
栅线的夹角θ＝0，但两光栅 栅距不等时产生的莫尔条纹。
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莫尔条纹的间距B与两 光栅线纹夹角θ之间的 关系为：
K为放大倍数
量的灵敏度。
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莫尔条纹特点：
(2) 位移的移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时， 莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向下移动； 反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹 沿着光栅2的栅线向上移动。 因此根 据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的 运动进行辨向。
光栅1
光栅2
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莫尔条纹特点：
(3) 误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成， 对线纹的刻划误差有平均抵消作 用，能在很大程度上消除短周期 误差的影响。
电荷耦合器件
电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices） 是70年代发展起来的一种新型器件。它将 MOS光敏单元阵列和读出移位寄存器集成 为一体，构成具有自扫描功能的图像传感 器。
CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而 不同于其它大多数器件是以电流或者电压 为信号。
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电荷耦合器件
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莫尔条纹特点：
(1) 位移的放大作用
当光栅每移动一个光栅栅距W时， 莫 尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH， 如果光栅作反向移动，条纹移动方向 也相反。
θ越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°， 则1/sinθ≈573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍， 这相当于把 栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用， 从而提高了测
三、CCD应用举例 尺寸测量
图7-20工件尺寸测量系统
L——工件尺寸
N——覆盖的光敏单元数
d——相邻光敏单元中心距离
1- /M——放大率
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物体缺陷检测
只要缺陷与材料背景相比有足够的反差，并且缺陷面 积大于两个光敏单元时，CCD图像传感器就能发现。
图7-21 钞票检查系统原理图
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光栅传感器
➢ 结构原理 ➢ 莫尔条纹 ➢ 细分技术
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光栅传感器 什么是光栅？
在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小 条纹（又称为刻线），这就是光栅。
a
b
W
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光栅传感器-栅距
a
b
在直光栅中a为栅线的宽度，b为 栅线间宽，W=a+b称为光栅的栅 距（也称光栅常数）。
通常a=b=W/2，也可刻成a∶b = 1.1∶0.9。
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莫尔条纹位移测量原理
光栅输出电压信号的幅值为光栅位移量x的函数，即：
U0—输出信号中的直流分量； Um—输出交流信号的幅值； x — 两光栅间的相对位移.
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莫尔条纹位移测量原理
位移量为脉冲数与栅距的乘积：
xNW
分辨力只为一个栅距W，精度低 。
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细分技术
若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量， 其分辨力为光栅栅距。
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信息电荷的转移
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二、CCD的结构 （一）线阵电荷耦合摄像器件
线阵电荷耦合器件是光敏元排列成直线的器件，由MOS光敏元阵列、转移
栅和读出移位寄存器等部分组成。
输入二极管VD1与输入栅Gi组成电荷注入电路，放大管V1、复位管V2、输
出二极管VD2组成输出电路，完成信号- 电荷到信号电压的转换。
W
透射光栅示意图
目前常用的光栅每毫米刻成10、25、 50、 100、250条线条。
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特点 精度高 大量程测量兼高分辨力 可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的
自动化 具有较强的抗干扰能力 高精度光栅的制作成本高
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应用
工具显微镜、三坐标测量、机床、数控机 床、测振动、速度、应力、应变等。
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❖（a）、在栅极（金属电极）加正偏压之前，P型半导体中的空 穴（多子）的分布是均匀的。
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❖（b）、当在金属电极上施加一正向电压时，在电场的作用下， P型硅区域里的空穴被赶尽，从而形成一个耗尽区，也就是说， 对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，称为势阱
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❖（c）、当有光线入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅片上就
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光栅传感器
光栅数字传感器主
要由光源、标尺光栅、 指示光栅和光电器件 等组成。
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透射式光栅
计量光栅可分为透射式光栅和 反射式光栅两大类。计量光栅按形 状又可分为长光栅和圆光栅。
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反射式光栅
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按应用类型：长光栅和圆光栅
➢ 长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺， 刻线相互平行；用于测量长度或线位移
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➢ 圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.
放大
a
b
w
(b) 圆 光 栅
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光栅数字传感器功能
主要用于线位移和角位移的测量。 还可以扩展到速度、加速度、振动、质量和表面轮廓 等方面。
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光栅数字传感器的原理：莫尔条纹
莫尔条纹形成
标尺光栅
指示光栅
当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微 小的夹角时，由于挡光效应(当线纹密度 ≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度 ≥100条/mm时)，在与光栅线纹大致垂直 的方向上(两线纹夹角的等分线上)产生出 亮、暗相间的条纹——称为“莫尔条纹”。
为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量， 可采用细分技术。
细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变
化周期内, 发出n脉冲, 每个脉冲代表原来栅距的
1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍, 因此
也称之为n倍频。
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光栅传感器的应用
数控机床位置控制框图
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