《传感器原理及应用》课件1第10章

10.1CCD图像传感器的结构与原理10.2CCD图像传感器的信号传输原理10.3CCD图像传感器的分类和主要特性10.4CCD图像传感器的应用思考题第10章CCD图像传感器

10.1

CCD图像传感器的结构与原理

10.1.1

CCD图像传感器的结构

CCD的形成过程是：在P(或N)型硅基体上，生成一层SiO2绝缘层，再于绝缘层上淀积一系列间隙相隔很小(小于0.3μm)的金属电极(栅极)，每个金属电极和它下面的绝缘层及半导体硅基体形成一个MOS电容器，故CCD实际上是由一系列MOS电容器构成的MOS阵列。由于这些MOS电容器彼此靠得很近，故它们之间可以发生耦合，使被注入到MOS电容器中的电荷可以有控制地从一个电容器移位到另一个电容器。这样的电荷转移过程是电荷耦合的过程，故这类器件被称为电荷耦合器件。

CCD作为图像传感器使用时，其基本结构及工作方式有以下三种：

(1)线阵CCD。图像从垂直于器件像元排列的方向扫描，以记录在线阵CCD上。读出时，每个成像的CCD像元将电荷包转移到移位寄存器的一个单元(一个字，而不是一位)，沿水平方式快速读出。

(2)面阵帧转移CCD。成像单元与移位单元整帧地分开。在成像的积分时间内，CCD像元的一半面积记录图像，然后在回扫时间内快速转移到挡光的另一半面积的像元(移位寄存单元)上。在对后一半像元以常规视频速率读出的同时，开始进行下一帧图像的积分。

(3)面阵行转移CCD。每两行成像单元之间都夹有一行不透明的移位寄存单元。在成像时间内，传输门关闭，电荷包在成像单元上积分，不向寄存单元转移，已转移到寄存单元上的前一帧图像以视频速率读出。当传输门开启时，每行成像单元上存储的图像电荷包同时转移到对应的行间读出寄存器上。10.1.2

CCD图像传感器的工作原理

图10-1所示为在热氧化P型硅衬底上淀积金属而构成的一只MOS电容器。从半导体的原理得知，若在某一时刻给它的金属电极加上正向电压U，P型硅半导体中的多数载流子(空穴)便会受到排斥，在硅表面处就会形成一个耗尽区。这个耗尽区与普通的PN结一样，同样也构成空间电荷区。在一定条件下，所加U越大，耗尽区就越深。对于带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域，称为电子“势阱”，如图10-2所示。势阱又有存储电子(电荷)的功能，每一个加正电压的电极下就是一个势阱。势阱的深度取决于正电压U的大小，势阱的宽度取决于金属电极的宽度。图10-1

MOS基本单元结构图10-2电子“势阱”如果此时有光线入射到半导体硅片上，则在光子的作用下，半导体硅片上就形成电子和空穴，由此产生的光生电子被附近的势阱所吸收(或称俘获)，而同时产生的空穴则被电场排

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。人们称这样一个MOS结构元为MOS光敏元，或称为一个像素。把一个势阱所收集的若干光生电荷称为一个电荷包。通常在半导体硅片上制有几百个或几千个相互独立的MOS元，它们按线阵或面阵有规则地排列。如果在金属电极上施加一正电压，则在这半导体硅片上就形成几百个或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则在这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电效应的基本原理。

CCD电荷(少数载流子)有电压信号注入和光信号注入两种产生方式。作为图像传感器，CCD接收的是光信号，即光信号注入。当光信号照射到CCD硅片上时，在栅极附近的耗尽区吸收光子而产生电子-空穴对。这时在栅极电压的作用下，多数载流子(空穴)将流入衬底，而少数载流子(电子)则被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来。这样，高于半导体禁带宽度的那些光子就能建立起正比于光强的存储电荷。

10.2

CCD图像传感器的信号传输原理

CCD工作时，首先对光信号(或电信号)进行电荷取样，并把取样的电荷转移、存储在CCD相应的势阱中，然后在推进时钟脉冲的作用下，使电极下势阱的深度有相应的变化，从而使这些代表信息的电荷包定向地转移到CCD的输出端，变成相应的电信号输出。10.2.1电荷转移

CCD器件有二相、三相、四相等几种时钟脉冲驱动的结构形式。其中最方便的是由三相时钟脉冲驱动的CCD器件，如图10-3所示。在三相结构CCD中，三个电极组成一个单元，形成一个像素。三个不同的脉冲驱动电压按图10-3(b)的时序提供，以保证形成空间电荷区的相对时序。图10-3三相时钟脉冲驱动的电荷转移(a)结构示意图;(b)驱动和转移示意图设在某时刻t1第一相Φ1处于高电压，Φ2、Φ3处于低电压，则在t1电极下，形成较深的势阱，如图10-3(b)所示。若此时有光线入射到硅片上，在光子的激发下硅片上就会产生电子-空穴对。由于光扩散效应，其中的空穴被排斥到硅基体顶，光生电子则被势阱所收集。势阱所收集的光生电子数量和入射到势阱附近的光强成正比。此时，在栅压作用下，CCD

器件上位于Φ1下的若干互相独立的MOS元就会形成众多相互独立的势阱。若照射在这些光敏元上的是一幅明暗不同的图像，那么这些光敏元就会感生出一幅光照强度对应的光生电荷

图像，一幅光图像就转变成了电图像。为了读出存放在CCD中的电图像，在顺序排列的电极上施加交替变化的三相时钟脉冲驱动电压。在t＝t2时，Φ1电压下降，Φ2跳变到最大，电荷包便从电压为Φ1的各电极下形成的势阱向电压为Φ2的各电极下形成的势阱转移。到t3时刻，全部电荷包已转移完毕。从t＝t3时刻开始，Φ2下降，Φ3跳变到最大，于是电荷包又从Φ2电极下转移到Φ3电极上。当第二个重复周期开始时，重复上述转移过程。这样，交替升降的三相驱动时钟脉冲便可以完成电荷包的定向转移，在CCD末端就能依次接收到原先存储在各个电极下的电荷包。10.2.2电荷输出

信号电荷电流输出如图10-4所示。输出栅OG加直流偏置，N+区与P型硅接触处形成PN结，通过施加UD构成反向偏置二极管，它是电子电荷的深势阱。转移到Φ2电极下MOS

元中的电荷包越过输出栅流入到反向偏置二极管的深势阱。若dt时间内流入的信号电荷为QS，则二极管的输出电流

ID为

(10-1)

则A点电压为

(10-2)图10-4电荷电流输出转移到Φ2电极下电荷包的电子增多，流入反向偏置二极管势阱的电子电荷增多，则ID增大，A点电压UA下降，故A点电压变化受控于反向偏置二极管收集的信号电荷的量。A点电压UA的变化ΔUA经电容C耦合至放大器放大后输出。场效应管V为复位管，Φ2电极下势阱未形成前在栅极G加复位脉冲ΦR，使A点电压复位到UDD。而当信号电荷QS来到时，复位管V截止。A点电压UA则由信号电荷QS和反向电流ID来控制。

10.3

CCD图像传感器的分类和主要特性

10.3.1

CCD图像传感器的分类

CCD图像传感器基本上可以分为线列型CCD和面阵型CCD两大类。线列型CCD主要用于测量、传真和光学文字识别技术等；面阵型CCD在照相录像方面有很多应用。

1.线列型CCD图像传感器

一维CCD图像传感器的构成方式有：单沟道线列型图像传感器和双沟道线列型图像传感器。

1)单沟道线列型CCD图像传感器结构

图10-5是单沟道线列型CCD图像传感器结构示意图。

其主要结构组成包括：

(1)光敏区。它是由一列MOS电容光敏元组成的，用低阻多晶硅条作为这些光敏元的共同电极，称之为光栅Φp。

(2)转移区。转移区主要由转移栅及模拟移位寄存器组成。转移区也是遮光区，用来防止转移过程中因光生噪声电荷的干扰而使图像模糊。图10-5单沟道线列型CCD图像传感器结构示意图转移栅Φt位于光栅Φp和CCD之间，它用来使光敏元势阱中的信号电荷向CCD相应电极转移。模拟移位寄存器指的是CCD在这里所扮演的“角色”和数字电路中移位寄存器的作用一样，因为如果我们把信息电荷的有无用逻辑“1”和“0”来表示的话，则信息电荷在CCDMOS电容器中转移时，就好像是电位信号在移位寄存器中移动一样。在排列上，光敏元与CCD的每位一一对齐。各光敏元通向CCD的转移沟道互相被隔开，以防止各信号电荷在转移时引起混乱，并且光敏元只通向每位CCD的固定相。

2)单沟道线列型CCD的工作原理

CCD图像传感器的工作原理是把入射到CCD上的一维图像，分成若干个与光的强弱成比例的像点，然后通过积分、转移、传输、读出、计数几个步骤把在空间上分布的像点按一

定的时间顺序串行输出，将其转化成与光强成正比的电压信号。显然像点越多，分辨率越高，从而光敏元以及CCDMOS阵列的位数就要求越多。目前生产的CCD阵列已可高达5732个分辨单元。但是，CCD阵列的位数增多，就要增加电荷包的转移次数。由于CCD中的界面对信息电荷具有俘获作用，信息电荷在CCD移位寄存器中每移动一位，就要损失一部分信息电荷，如果转移的次数太多，不仅使输出信号变小，而且还会引起图像信号失真。为了解决这个矛盾，常采用的措施是把单通道变成双通道。

3)线列型双通道CCD图像传感器

为了尽可能减少信息电荷在传输过程中的损失，应设法减少其转移的次数，通常采用双通道图像传感器。

双通道CCD图像传感器的结构如图10-6所示，两列CCD移位寄存器平行地配置在光敏区的两侧，双通道线列型CCD的工作原理基本上与单通道相同。当转移脉冲到来时，光敏元中所积累的信息电荷在积分期间分别转移到上下两侧的移位寄存器中。奇数元进入一侧，偶数元进入另一侧，然后在适当的驱动脉冲的作用下，两列移位寄存器将信息电荷按照正确的相位关系，转移到输出端合拢输出。图10-6双沟道CCD结构示意图显然，对同样数目的光敏单元来说，双通道线列型CCD要比单沟道线列型CCD的转移次数减少近一半，因此大大提高了信息电荷转移的总效率。一般线列型CCD的单元数如多于256个，都要用双通道的结构。

2.面阵型CCD图像传感器

面阵型CCD图像传感器分为帧场传输CCD面阵型传感器与行间传输CCD面阵型传感器两种。

1)帧场传输CCD面阵型传感器

帧场传输CCD面阵型图像传感器可简称为FT-CCD，其结构如图10-7所示。它是由感光区与暂存区构成的。每个像素中产生和积蓄起来的信号电荷，依图示箭头方向，一行行地转移至读出寄存器，然后在信号输出端依次读出。图10-8是感光区在信号电荷垂直方向上的截面图。图中示意画出了A、B两场信号电荷的积蓄情形。在控制电压作用下，A场时，Φ1和Φ2电极下方形成了表面势阱，即Φ1和Φ2电极下方的空间位置处于感光灵敏度的峰值。在下一场即B场时，Φ3和Φ4两电极下方形成表面势阱，峰值也移向那里。这样一来，空间取样频率增加一倍。图10-7

FT-CCD构成图10-8

FT-CCD隔行扫描原理

2)行间传输CCD面型图像传感器

行间传输CCD图像传感器可简称为IT-CCD，图10-9所示是它的结构。由图可知，它的感光区与CCD转移寄存器(其表面有光屏蔽物)是相互邻接的。信号电荷按图示方向转移。

IT-CCD与FT-CCD相比，其信号电荷转移级数大为减少。图10-10是IT-CCD一级(或称一个单元)的平面结构。其中，光敏元件的功能是产生并积蓄信号电荷；排泄电荷部分的作用是排泄过量的信号电荷，控制栅极与排泄电荷部分的共同作用是避免过量载流子沿信道从一个势阱溢泄到另一个势阱，从而造成再生图像的光学拖影与弥散；光敏元件两侧沟阻(CS)的作用是将相邻的两个像素隔离开来。正常的光生信号电荷，在控制栅(受时钟脉冲控制)和寄存器控制栅双重作用下，进入转移寄存器；其后，在转移栅控制下，沿垂直转移寄存器的体内通道，依次移向水平转移寄存器读出。图10-9

IT-CCD的结构图10-10

IT-CCD一级的平面结构10.3.2

CCD图像传感器的主要性能参数

CCD的主要性能参数是评定器件质量优劣的指标，也是根据实际需要选取器件的依据。现简要介绍如下。

1.灵敏度

CCD的灵敏度是指入射光在像元上产生单位曝光量时，在输出端引起的输出电压的值。

设E为光源在像元上产生的辐照度，t为此时器件受到光照的时间，U为此时器件输出的电压，则其灵敏度SU为

(10-3)

通常，线列型性CCD的灵敏度为2～3V/(μJ·cm-2)，好的可达4.5V/(μJ·cm-2)。

2.转移效率

CCD图像传感器的转移效率是指经过一次转移以后，到达下一个势阱中的信息电荷包中的电量Q1与原信息电荷包中电量Q0之比。如果转移效率用η来表示，则有

(10-4)

不难知道，经过n次转移后的输出电量为

(10-5)

目前，表面沟道CCD的转移效率一般为0.9999。

3.光谱响应特性

光谱响应特性是指光敏元件的输出量(光电压或光电流)与入射光的频率(或波长)间的函数关系。光敏元的光谱特性，不论其频率的响应范围还是其光谱响应曲线的形状，都与制成光敏元的材料、结构以及制造的工艺等有很大的关系。例如对MOS电容结构的光敏元来说，由于它由空气、SiO2、多晶硅、SiO2及Si多层膜构成，光在各界面层上被吸收和反射、折射和干涉，使光谱响应曲线出现许多峰谷，且使蓝光的灵敏度下降。对于PN结的光敏元来说，光谱响应曲线比较光滑，很少有峰谷的波动。

器件的光谱响应范围通常为0.4～1.1μm。

4.调制传递函数

分辨率是CCD的一个重要参数。所谓分辨率，是指图像传感器对景物中明暗细节的分辨能力。在国际上通常用调制传递函数(MFT)来表示分辨率。MFT定义为

(10-6)

其中，Mout(f)和Min(f)分别表示空间频率为f时，输入CCD图像传感器的图像调制度和由传感器输出的图像信号的调制度。

5.不均匀性

CCD图像传感器的不均匀性是指在均匀光照的条件下，其输出端却得到一系列幅值不同的脉冲信号的现象。通常是用平均误差的大小来量度不均匀性的。CCD图像传感器的不均匀度一般小于±10％，好的可小于±5％。

6.噪声

CCD图像传感器的噪声主要来源于转移噪声、散粒噪声和声噪声。总噪声是各种噪声的叠加。器件的噪声一般用均方根电子数来表示。表面沟道CCD一般的总噪声为1000~2000个电子。CCD的性能参数除了以上介绍的主要几种外，还有暗电流、饱和曝光量和输出电压等。

限于篇幅，这里就不一一介绍了。

10.4

CCD图像传感器的应用

10.4.1

CCD传感器应用概述

CCD图像传感器因能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，并能给出直观、真实、层次多、内容丰富的可视图像信息，故在现代社会中得到了越来越广泛的应用。主要应用领域

包括汽车应用系统、监督系统、玩具、视频会议、指纹识别系统、冲突避免系统、增强型自适应巡航控制、带相机的移动电话和医学图像识别等。

CCD传感器用于非电量的测量，主要用途大致归纳为以下三个方面：

(1)组成测试仪器，可测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。

(2)作光学信息处理装置的输入环节，如用于传真技术、光学文字识别技术、图像

识别技术、光谱测量及空间遥感技术等方面。

(3)作自动流水线装置中的敏感器件，可用于机床、自动售货机、自动搬运车及自动监视装置等方面。表10-1、10-2分别列出了几种典型传感器的功能比较以及CCD传感器在工业领域的应用现状。由表可知，CCD图像传感器检测精度高、实时性强、动态性能好，在工业领域的应用广泛。将CCD图像传感器与微处理机结合起来所构成的人工视觉测量系统，可以实现非接触的高精度在线检测。以下以实例来介绍其广泛应用。10.4.2长度的测量

CCD图像传感器能对微小的长度进行精确的测量，也能对大尺寸物体的长度、直径等进行非接触的精密测量。

图10-11是一种钢管长度在线监测的实例方框图。由图可知，在被测钢管(1)的后面，有两根安装在同一条直线上的条状光源(2)和(3)。设两条状光源外端间的距离d已知，光源未被待测钢管遮住部分的长度分别为d1和d2，它们随着被测钢管的长度的不同而不同。显然，如果能精确测得d1和d2的长度，则被测钢管的长度为

L=d-(d1+d2)±Δ (10-7)

式中，Δ为测量误差。图10-11

CCD长度测量原理框图为了测量d1和d2，可将未被遮住部分的条状光源，通过放大倍数为1/M的两个光学系统，分别成像在两个CCD图像传感器的光敏元件上。由CCD的工作原理可知，这时在驱动脉冲的作用下，经过一次扫描，所输出的脉冲数N1和N2与d1和d2间有如下的关系：

d1+d2=M［(N1e+N2e)±2e］

(10-8)

式中，e为两相邻光敏元件的中心距离。为了使计数器能可靠地工作，需要先将CCD的输出电压的波形经二值化电路(如施密特电路)整形，然后再输入计数器。所有的上述计算过程，可以通过一个简单的可编程序的计算器自动完成。

根据以上的原理不难设计出用CCD图像传感器对物体的直径(如钢管、棉纱、丝、毛细管的直径等)、物体的厚度、面积等进行检测的方案。10.4.3在光电精密测径系统中的应用

对轴类、杆类等工作直径尺寸进行快速非接触测量，特别是高精度的测量是工业生产中需要解决的问题。光电精密测径系统采用CCD传感器检测技术，可以对工件进行高精度的自动检测，不仅可以数字形式显示测量结果，而且还可以对不合格件进行自动筛选，这一技术的测量精度可以达到0.003mm。

1.工作原理

光电精密测径系统主要由CCD传感器、测量电路系统和光学系统组成，其工作原理框图如图10-12所示。图10-12光电精密测径系统工作原理框图被测工件被均匀照明后，经过成像系统，按一定倍率、准确地成像在CCD传感器的光敏面上，则在CCD传感器光敏面上形成了被测件的影像，这个影像反映了被测件的直径尺寸。被测件直径与影像之间的关系为

(10-9)

式中：D——被测件的直径大小；

D′——被测件直径在CCD光敏面上影像的大小；

β——光学系统的放大率。

因此，只要测出被测件影像的大小，就可以由式(10-9)求出被测件的直径大小。

2.电路系统

CCD传感器是光电测径系统中的关键器件，特别对于高精度的测量系统，必须合理地选择CCD传感器，使其与光学系统很好地匹配。一般应根据测量范围和测量精度来选择CCD传感器。

测量电路系统由CCD驱动电路、模拟放大器、二值化电路、尺寸检测与偏差检测电路等组成，其电路系统框图如图10-13所示。图10-13测量电路系统框图为了测量被测件的影像大小，必须将CCD传感器输出的视频信号中反映被测件直径尺寸部分进行二值化处理，即将输出的视频信号用电平切割比较后，通过电路提取被测件的直径尺寸为脉冲信号，如图10-14所示。图中N为系统没有加入被测件时，CCD传感器输出的脉冲数。当加入被测件时，经二值化处理后输出的脉冲数为N1+N2，则被测件的影像所对应的脉冲数为N-(N1+N2)。将脉冲数乘以脉冲当量，便可得到被测件影像的大小，再由式(10-9)可以求出被测件的直径尺寸为

(10-10)

式中，α为脉冲当量或CCD空间分辨率。图10-14测量中的脉冲信号10.4.4

CCD成像技术

1.CCD数码照相机

数码照相机简称DC(DigitalCamera)，其实质是一种非胶片照相机。它使用CCD作为光电转换器件。CCD由高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模/数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻松地将数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段根据需要和想象来修改图像。

CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。

CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD的工作结构分三层，由微型镜头、分色滤色片、感光片三层组成，如图10-15所示。图10-15

CCD的结构数码相机成像的关键是在于其感光层。为了扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积，但是提高采光率的办法也容易使画质下降，第一层微型镜头就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此，感光面积不再由传感器的开口面积决定，而改由微型镜片的表面积来决定。

CCD的第二层是分色滤色片，几乎所有人类可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝组成，分色滤色片可以使画质锐利，色彩真实。

CCD的第三层是感光片，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。当使用者将照相机对准物体按下快门时，照相机内部的主控程序芯片开始工作，被摄图像信号经过镜头照射到CCD上，伺服电动机驱动镜头组前后移动，进行聚焦调节，确定对焦距离和快门速度，CCD捕捉