电荷耦合器件PPT课件,电荷耦合器件CCD

-1电荷耦合器件电荷耦合器件（Charge-CoupledDevices）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。-2电荷耦合器件应用领域：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。-3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-4一、CCD的工作原理（一）信息电荷的产生和存储图7-15MOS光敏元的结构原理图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。-5电荷的产生和存储金属电极氧化层P型半导体（a）+U（b）耗尽区（c）+U光线（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。-6电荷的产生和存储金属电极氧化层P型半导体（a）+U（b）耗尽区（c）+U光线（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-7电荷的产生和存储金属电极氧化层P型半导体（a）+U（b）耗尽区（c）+U光线（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。-8电荷的产生和存储金属电极氧化层P型半导体（a）+U（b）耗尽区（c）+U光线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。-90φ3φ2φ1遮光层P-Si衬底读出移位寄存器结构（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、Φ3-10信息电荷的转移-11二、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。-12CCD摄像器件-13Φ1BΦ2BΦ3BBAΦPΦTΦ2AΦ1AΦ3A线阵CCD摄像器件-14•（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。面阵CCD摄像器件存储器面阵d4d1d2d3d4d1d2d3光敏元面阵c4c1c2c3c4c1c2c3b4b1b2b3b4b1b2b3a4a1a2a3a4a1a2a3-15•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-16CCD成像透镜工件CCD应用举例透镜光源视频处理驱动控制计算与显示-17物体缺陷检测图7-21钞票检查系统原理图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。-18光栅传感器光栅传感器结构原理莫尔条纹细分技术-19光栅传感器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），这就是纹（又称为刻线），这就是光栅光栅。。abW-20光栅传感器光栅传感器--透射光栅示意图透射光栅示意图abW在直光栅中在直光栅中aa为栅线的宽度，为栅线的宽度，bb为栅线间宽，为栅线间宽，W=a+bW=a+b称为光栅的称为光栅的栅距栅距（也称（也称光栅常数光栅常数）。）。通常通常a=ba=b==WW/2/2，也可刻成，也可刻成aa∶∶bb==1.10.9∶1.10.9∶。。目前常用的光栅每毫米刻成目前常用的光栅每毫米刻成1010、、2525、、5050、、100100、、250250条线条线条。条。-21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-22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。-23光栅传感器光栅数字传感器主光栅数字传感器主要由光源、标尺光栅、要由光源、标尺光栅、指示光栅和光电器件指示光栅和光电器件等组成。等组成。-24透射式光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。-25反射式光-26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-27圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.-28光栅数字传感器功能主要用于主要用于线位移线位移和和角位移角位移的测量。的测量。还可以扩展到速度、加速度、振动、质量和表面轮廓还可以扩展到速度、加速度、振动、质量和表面轮廓等方面。等方面。-29光栅数字传感器的原理：莫尔条纹莫尔条纹标尺光栅指示光栅莫尔条纹形成当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时，由于挡光效应小的夹角时，由于挡光效应((当线纹密度当线纹密度≤≤5050条条/mm/mm时时))或光的衍射作用或光的衍射作用((当线纹当线纹密度≥密度≥100100条条/mm/mm时时))，在与光栅线纹大，在与光栅线纹大致垂直的方向上致垂直的方向上((两线纹夹角的等分线上两线纹夹角的等分线上))产生出亮、暗相间的条纹产生出亮、暗相间的条纹————称为称为““莫尔莫尔条纹条纹””。。-30莫尔条纹演-31横向莫尔条纹光闸莫尔条纹纵向莫尔条纹——两光栅的栅线夹角θ很小，条纹近似与栅线的方向垂直栅线的夹角θ＝0,且两光栅栅距相等时产生的莫尔条纹。栅线的夹角θ＝0，但两光栅栅距不等时产生的莫尔条纹。-32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-33莫尔条纹特点：莫尔条纹特点：(1)(1)位移的放大作用位移的放大作用当光栅每移动一个光栅栅距当光栅每移动一个光栅栅距WW时，莫时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BBHH，，如果光栅作反向移动，条纹移动方向如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。也相反。θθ越小，越小，BBHH越大，这相当于把栅距越大，这相当于把栅距WW放大了放大了1/1/θθ倍。例如倍。例如θθ=0.1°=0.1°，，则则1/sin1/sinθθ≈573≈573，即莫尔条纹宽度，即莫尔条纹宽度BBHH是栅距是栅距WW的的573573倍，这相当倍，这相当于把栅距放大了于把栅距放大了573573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。了测量的灵敏度。-34莫尔条纹特点：莫尔条纹特点：(2)(2)位移的移动方向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。光栅光栅11光栅光栅22-35莫尔条纹特点：莫尔条纹特点：(3)(3)误差的平均效应误差的平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，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用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。误差的影响。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。-36莫尔条纹特点：莫尔条纹特点：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。(4)(4)连续变倍的作用：连续变倍的作用：-37莫尔条纹位移测量莫尔条纹位移测量若用光电器件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则光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信号被转换为电信号((电压或电流电压或电流))输出。输出。-39光栅输出电压信号的幅值为光栅位移量光栅输出电压信号的幅值为光栅位移量xx的函数，即：的函数，即：UU00——输出信号中的直流分量；输出信号中的直流分量；UUmm——输出交流信号的幅值；输出交流信号的幅值；xx——两光栅间的相对位移两光栅间的相对位移..莫尔条纹位移测量原理莫尔条纹位移测量原理-40位移量为脉冲数与栅距的乘积：位移量为脉冲数与栅距的乘积：xNW莫尔条纹位移测量原理莫尔条纹位移测量原理分辨力只为一个栅距W，精度低。-41细分技细分技若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其其分辨力分辨力为为光栅栅距光栅栅距。。为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，可采用可采用细分技术细分技术。。细分思想细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内化周期内,,发出发出nn脉冲脉冲,,每个脉冲代表原来栅每个脉冲代表原来栅距的距的1/n1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了。由于细分后计数脉冲频率提高了nn倍倍,,因此也称之为因此也称之为nn倍频倍频。。-42光栅传感器的应用数控机床位置控制框图数控机床位置控制框图