光电测试技术4-5 ccd.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电测试技术,电荷耦合器件,CCD,CCD,是一种电荷耦合器件,(Charge Coupled Device),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。,CCD,的基本功能是,电荷的存储和电荷的转移,。,CCD,工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。,电荷耦合器件,(chargeCoupled Devices),简称,CCD,，,是,1970,年由美国贝尔实验室首先研制出来的新型固体器件。作为,MOS,技术的延伸而产生的一种半导体器件。,CCD,作为一种多功能器件，有三大应用领域：摄像、信号处理和存贮。特别是在摄像领域，作为二维传感器件，,CCD,与真空摄像器件相比，具有无灼伤，无滞后，体积小，低功耗、低价格、长寿命等优点。,广播级电视摄像机中，,CCD,摄像机可与真空器件摄像机“平分秋色”。而在闭路电视、家庭用摄像方面，,CCD,摄像机则呈现出“一统天下”的趋势。,在工业、军事和科学研究等领域中的应用，如方位测量、遥感遥测、图像制导，图像识别等方面更呈现出其高分辫力，高准确度，高可靠性等突出优点。,图像传感器实际上只能记录光线的灰度，也就是说，它能记录光线的强弱，但却没有办法分辨颜色，而我们最需要的却是光线的颜色。目前,CCD,主要的解决方式是在每一个光电二极管上都采用了滤光器，使对应的光电二极管只能记录相应单色光。,各种单色分别被相邻的光电二极管记录下来，生成的图像颜色是分离的，最后还需要通过一些处理过程把这些数值合成为彩色的图像。数码相机里面，这个处理过程称之为插值。通常的做法是计算,1,个像素周围,8,个像素的颜色值，然后根据它自身所记录的颜色值，结合计算出最终像素的混合颜色值。,CCD,摄像机技术的发展趋势及应用前景,由于,CCD,摄像机所具有的各种突出优点，所以从发明至今仅,20,多年其发展速度惊人。近,10,年来，,CCD,摄像机的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品。它的用量以每年,20%,的速度递增。具不完全统计，,1997,年,1998,年仅中国大陆彩色和黑白,CCD,摄像机的用量就达,60-70,万台，这些产品大多数来自国外或者由台湾地区和国内组装。从,1998,年日本出版的,技术市场,杂志获悉,世界上已把,CCD,列为未来,10,年可能增益,100,倍的高技术产品,.,据国外专家统计,1997,年,CCD,世界市场规划为,16,亿美元,而实际上,1997,年为,50,亿美元,1998,年为,65,亿美元,.,日本松下公司对,CCD,摄像机的世界市场进行了统计和预测,如表,1,所示。,一、概述,由于,CCD,摄像机所具有的各种突出优点，所以从发明至今仅,20,多年其发展速度惊人。近,10,年来，,CCD,摄像机的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品。它的用量以每年,20%,的速度递增。,一、概述,CCD,传感器有两种,第一、特殊,CCD,传感器，如红外,CCD,芯片（红外焦平面阵列器件）、高灵敏度背照式和电子轰击式,CCD,、,EBCCD,等，另外还有大靶面如,2048,2048,、,4096,4096,可见光,CCD,传感器、宽光谱范围（紫外光可见光近红外光,3-5,m,中红外光,8-14um,远红外光,),焦平面阵列传感器等。目前已有商业化产品,并广泛应用于各个领域。,CCD,摄像机应用领域的发展趋势,1,、,CCD,摄像机的应用领域,CCD,摄像机应用领域在不断的扩展，应用技术的深化又促进,CCD,摄像机的多样化产品的生产。,总体有,MOBILE,、,PUBLIC,、,HOME,三个方面，其中有：,（,1,）,Camcorder,摄录一体化,CCD,摄像机。从中国电子工业部市场预测数据获悉，,2000,年需求量可达,150,万台。,（,2,）,TV phone,据资料介绍，有些移动电话公司正在研发可带视频图像摄入和显示的手机即大哥大。,（,3,）,PC camera,到,21,世纪初，随着电脑网络系统的发展，,PC Camera,作为电脑前端和图像输入系统，,CCD,摄像机将以不可阻挡的发展势头深入到各种电脑应用的方方面面，也会很快进入家庭。借助电脑网络，实现音、视频同步远程通讯。,（,4,）,Door phone,随着住宅商品化，各种现代化住宅楼像雨后春笋般拨地而起，民用住宅的安全防范已提到日程上来，许多住宅可在室内及时地看到来访客人的实时图像和室外局部区域的情况，也为防范坏人入室作案起到有效的监控作用。,（,5,）,Scanner,由于计算机网络的普及，所以为了提高各种资料、文字的输入速度，可采用各种扫描仪，读取经过文字识别的资料，可将读入的文字资料转换成文件存入计算机进行编辑，以便在网络上交流。按,PC,机配套率,10%,计算，可需线阵和面阵,CCD,传感器,105.6,万台。,（,6,）,Bar Code Register,（,BCR,）,条形码记录器在各种商业流通领域如商场、仓储连锁店等普遍采用。条形码物品记录识别系统与计算机联网可随时取得各种数据。,（,7,）,Medical,医用显微内窥镜利用超小型的,CCD,摄像机或光纤图像传输内窥镜系统，可以实现人体显微手术，减小手术刀口的尺寸，减小伤口感染的可能性，减轻病人的痛苦。同时还可进行实时远程会诊和现场教学。,（,8,）,Vehicle Camera,在各种车辆中加装,CCD,摄像机可以使驾驶人员借助车内,CCD,摄像机、车上的后视镜系统和驾驶员前面的显示器，不仅可随时看到车内的情况，而且可在倒车时观察后面的道路情况，在向前行进过程中也能随时看到后方车辆所保持的距离，提高了行车安全。,（,9,）,Closed Circuit Television,（,CCTV,）,CCTV,是近几年被大家广泛注意的电视监控系统，目前，已发展成为一种新的产业。以,CCD,摄像机为主要前端传感器，带动了一系列各种配套的主机和配套设备以及传输设备的研制和生产企业。,（,11,）,Personal Data Assistant,（,PDA,）,个人数据秘书系统是一种体积小于笔记本的电脑，是功能齐全的计算机系统，可以完成多种数据管理功能，并可借助移动电话上的,Internet,网进行远程传送资料、发传真等。,（,12,）,Digital Signal Camera,（,DSC,）由,CCD,传感器采集的图像信号经过数字处理后，可被记录在磁卡上，由计算机读取磁卡上的图像数据再现出图像，并可借助各种图像处理软件进行图像编辑和图像处理。,CCD,的结构,MOS,光敏元：,构成,CCD,的基本单元是,MOS(,金属,氧化物,半导体,),结构。,（型层）,电极,在栅极加正偏压之前,，,P,型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。,加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。,当,U,G,U,th,时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子,(,少子,),吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。,反型层电荷的存在表明了,MOS,结构存储电荷的功能。,电荷存储,电荷的转移（耦合）,电荷的转移（耦合）,第一个电极保持,10V,，,第二个电极上的电压,由,2V,变到,10V,，,因这两个电极靠得很紧,(,间隔只有几微米,),，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有,。,若此后第一个电极电压由,10V,变为,2V,，,第二个电极电压仍为,10V,，,则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。,CCD,电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数,CCD,，,1m,的间隙长度是足够了。,主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。,输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。,电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入,电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。,光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射,CCD,硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子,空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。,的工作原理,P-Si,输入,栅,输入二极管,输出二极管,输出,栅,SiO,2,在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。,势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。,为了实现电荷的定向转移，在,CCD,的,MOS,阵列上划分成以几个相邻,MOS,电荷为一单元的循环结构。一位,CCD,中含的,MOS,个数即为,CCD,的像数。,以电子为信号电荷的,CCD,称为,N,型沟道,CCD,，,简称为,N,型,CCD,。,而以空穴为信号电荷的,CCD,称为,P,型沟道,CCD,，,简称为,P,型,CCD,。,由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此,N,型,CCD,比,P,型,CCD,的工作频率高得多。,的工作原理,CCD,的特点,体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。,空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。,光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高,。,高速扫描，基本上不保留残象,(,电子束摄象管有,1520,的残象,),集成度高,可用于非接触精密尺寸测量系统。,无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。,有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。,CCD,的特性参数,像素数量，,CCD,尺寸，最低照度，信噪比等,像素数是指,CCD,上感光元件的数量。,44,万（,768*576,）、,100,万（,1024*,1024,）、,200,万（,1600*1200,）、,600,万（,2832*2128,）,信噪比：,典型值为,46,分贝,感光范围,可见光、红外,CCD,按电荷存储的位置分有两种基本类型,1,、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输,表面沟道,CCD,(,简称,SCCD),。,2,、,电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，,体沟道或埋沟道器件,(,简称,BCCD),。,的类型,的类型,线阵,：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从,128,位至,5000,位以至,7000,位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。,面阵,CCD,：,器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。,目前达到实用阶段的象元数由,25,万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有,1,3,英寸、,l,2,英寸、,2,3,英寸以至,1,英寸之分。,线阵,CCD,：,一行，扫描；,体积小，价格低；,面,阵,CCD:,整幅图像；直观；价格高，体积大；,面阵,CCD,芯片,线阵,CCD,结构简单，成本较低。可以同时储存一行电视信号,.,由于其单排感光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大，并且由于线阵,CCD,实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态测量，并能在低照度下工作，所以线阵,CCD,广泛地应用在产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测量、条形码等许多领域。,面阵,CCD,可以同时接受一幅完整的光像,.,面阵,CCD,有行间转移（,IT,）型、帧间转移（,FT,）型和行帧间转移（,FIT,）型三种。,面阵,CCD,：,优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。,缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少，帧幅率受到限制,线阵,CCD,：,优点是一维像元数可以做得很多，而总像元数角较面阵,CCD,相机少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于一维动态目标的测量。分辨力高，价格低廉 可满足大多数测量视场的要求,缺点：图像获取时间长，测量效率低；由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在，增加了系统复杂性和成本；图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低，最终影响测量精度。,线阵,CCD,加扫描运动获取图像的方案目前仍使用广泛，,尤其是在要求视场大，图像分辨率高的情况下,CCD,在检测方面的应用,几何量测量,自动步枪激光模拟射击系统。,光谱测量,光谱仪输出信号测量。,CCD,摄像机大致可分为下列几大类,依成像色彩划分,(1),彩色摄像机：适用于景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。因有颜色而使信息量增大，信息量一般认为是黑白摄像机的,10,倍。,(2),黑白摄像机：是用于光线不足地区及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位置或移动时，可选用分辨率通常高于彩色摄像机的黑白摄像机。,依摄像机分辨率划分,(1),影像像素在,25,万像素（,pixel,）左右、彩色分辨率为,330,线、黑白分辨率,420,线左右的低档型。,(2),影像像素在,25,万,38,万之间、彩色分辨率为,420,线、黑白分辨率在,500,线上下的中档型,(3),影像在,38,万点以上、彩色分辨率大于或等于,480,线、黑白分辨率，,570,线以上的高分辨率,。,依摄像机灵敏度划分,(1),普通型：正常工作所需照度为,13Lux(2),月光型：正常工作所需照度为,0.1,Lux,左右,(3),星光型：正常工作所需照度为,0.01,Lux,以下,(4),红外照明型：原则上可以为零照度，采用红外光源成像。,按摄像元件的,CCD,靶面的大小划分,(1)linch,靶面尺寸为宽,12.7mmX,高,9.6mm,对角线,16mm(2)2/3inch,靶面尺寸为宽,8.8mmX,高,6.6mm,对角线,11mm(3)1/2inch,靶面尺寸为宽,6.4mmX,高,4.8mm,对角线,8mm(4)1/3inch,靶面尺寸为宽,4.8mmX,高,3.6mm,对角线,6mm(5)1/4inch,靶面尺寸为宽,3.2mmX,高,2.4mm,对角线,4mm,等等。,此外,CCD,摄像机有,PAL,制和,NTSC,制之分，还可以按图像信号处理方式划分或按摄像机结构区分。,NTSC,和,PAL,属于全球两大主要的电视广播制式，但是由于系统投射颜色影像的频率而有所不同。,NTSC,是,National Television System Committee,的缩写，其标准主要应用于日本、美国、加拿大、墨西哥等等，,PAL,则是,Phase Alternating Line,的缩写，主要应用于中国、中东地区和欧洲一带。另外，,PAL,的每秒帧数是,25,帧，,NTSC,则是,29.97,帧。,