6.3CCD图像传感器的工作原理（课件）-《传感器检测技术》同步教学（电子工业版）

模块六 光电传感器及其应用 课题三 CCD图像传感器的工作原理 任务：数码相机工作原理分析 任务目标 ★ 掌握CCD电荷耦合器件的工作原理与结构； ★ 掌握CCD图像传感器的工作原理； 一、CCD图像传感器 机械量测量中有关形状和尺寸的信息以图像方式表达最为方便，目前较实用的图像传感器是用电荷耦合器件构成的，简称CCD(charge-coupled-device)。它分为一维的和两维的，前者用于位移、尺寸的检测，后者用于平面图形、文字的传递。CCD器件具有集成度高、分辨率高、固体化、低功耗及自扫描能力等一系列优点，已广泛应用于工业检测、电视摄像、高空摄像及人工智能等领域。 1．CCD电荷耦合器件 （1）工作原理与结构 CCD是一种金属—氧化物—半导体结构的新型器件，在N型或P型硅衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉淀金属电极，这种有规则排列的MOS电容器阵列再加上两端的输入和输出二极管就构成了CCD芯片。这种密排的MOS电容器，能够存储由入射光在CCD像敏单元激发出的光信息电荷，并能在适当相序的时钟脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实现自扫描，完成从光信号到电信号的转换。CCD把光信号转换为电脉冲信号，每一个脉冲只反映一个光敏单元的受光情况，脉冲幅度反映该光敏单元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏单元的位置，这就起到图像传感器的作用。这种电信号通常是符合电视标准的视频信号，可在电视屏幕上复原成物体的可见光像，也可以将信号存储在磁带机内，或输入计算机，进行图像增强、识别、存储等处理。因此，CCD器件是一种理想的摄像器件。 图6-42所示为2048位线阵CCD的示意图。CCD器件的集成度很高，在一块硅片上制造了紧密排列的许多光敏元件。它们可以被设计排列成一条直线，称为线阵；也可以排列成二维平面矩阵，称为面阵。线阵的光敏元件数目从256个到4096个或更多。而面阵中二极管的数目可以是500×500个（25万个），甚至2048×2048个（约400万个）以上。当被测物由物镜成像在CCD阵列上时，被照亮的光敏元件接收光子的能量，从而产生电荷，电荷被存储在光敏元件下面的耗尽层中。光照越强，产生的电荷越多。由于在CCD芯片上还集成了扫描电路，所以它们能在外加时钟脉冲的控制下，将存储在光敏元件下面的电荷逐位、逐行、快速地通过模拟信号移位寄存器，按顺序移位到寄存器的输出端，从而得到串行模拟脉冲信号输出，脉冲的幅度与对应的光敏元件的曝光量成正比，再通过视频显示电路显示出相应的图像。 图6-42 2048位线阵CCD内部原理框图 （2）CCD的主要特性 CCD电荷耦合器件具有位数多、分辨率高、信噪比大及动态范围大等特点，可以在微光下工作，在物体形状和尺寸的检测、字符阅读、图像识别、传真及摄像等方面得到越来越多的应用。 与真空摄像管相比，作为固态图像传感器，其输出信号具有如下特点： ① 体积小、质量小、耗电少、启动快、寿命长和可靠性高。 ② 光谱响应范围宽。一般的CCD器件可工作在400~1100nm波长范围内。最大响应约在900nm。在紫外区，由于硅片自身的吸收，量子效率下降，但采用背部照射减薄的CCD，工作波长极限可达100nm。 ③ 灵敏度高。CCD具有很高的单元光量子产率，正面照射的CCD的量子产率可达20%，若采用背部照射减薄的CCD，其单元量子产率高达90%以上。 另外，CCD的暗电流很小，检测噪声也很低。因此，即使在低照度下（10~21）lx，CCD也能顺利完成光电转换和信号输出。 ④ 动态响应范围宽。CCD的动态响应范围在4个数量级以上，最高可达8个数量级。 ⑤ 可达很高的分辨率。线阵器件已有7000像元，可分辨最小尺寸7mm；面阵器件己达4096像元，CCD摄像机分辨率已超过1000线以上。 ⑥ 易与微光像增强器级联耦合。能在低光条件下采集信号。 ⑦ 抗过度曝光性能。过强的光会使光敏元饱和，但不会导致芯片毁坏。 此外CCD能够输出：与图像位置对应的时序信号；各个脉冲彼此独立相间的模拟信号；反映焦点面信息的信号。 2．CCD图像传感器工作原理 电荷耦合器件具有进行光—电转换、电荷存储、电荷转移及扫描读取等功能。 （1）CCD的光—电转换功能 （2）CCD的电荷存储功能 （3）CCD的电荷转移功能 （4）电荷检测——信号输出结构 3．CCD图像传感器的应用 （1）微小尺寸的检测 在自动化生产线上，经常需要进行物体尺寸的在线检测。例如，零件的尺寸检验、轧钢厂钢板宽度的在线检测和控制等。利用CCD光电阵列器件，即可实现物体尺寸的高精度非接触检测。