一文了解CCD图像传感器

CCD(Charge Coupled Device)图像传感器由CCD电荷耦合器件制成，是固态图像传感器 的一种，是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1969年发明的新型半导体传感器。它是在MOS集成电路的基础上发展起来的，能进行图像信息的光电转换、存储、延时和按顺序传送。它的集成度高、功耗小、结构简单、耐冲击、寿命长、性能稳定，因面应用广泛。

1.CCD电荷耦合器件

CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列，其构造如图7—14所示。

在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约1200A）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电极，称为栅极。该栅极和P型（或N型）硅衬底形成了规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管构成了CCD电荷耦合器件芯片。

每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件，如图7—15所示。

当光照射到MOS电容器的P型硅衬底上时，会产生电子空穴对（光生电荷），电子被栅极吸引并存储在势阱中。入射光越强，产生的光生电子—空穴对越多，势阱中收集到的电子就在CCD芯片上同时集成了扫描电路，它们能在外加时钟脉冲的控制下，产生三相时序脉冲信号，由左到右，由上到下，将存储在整个面阵的光电元件下面的电荷逐位、逐行、快速地以串行模拟脉冲信号输出。输出的模拟脉冲信号可以转换为数字信号存储，也可以输入视频显示器显示出原始图像。

2.应用范围

CCD图像传感器单位面积光电元件的位数很多，一个光电元件形成一个像素，成像分辨率高、信噪比大、动态范围大，可以在微光下工作。彩色图像传感器采用三个光电二极管组成一个像素的方法。被测景物图像的每一个光点由彩色矩阵滤光片分解为红、绿、蓝三个光点，分别照射到每一个像素的三个光电二极管上，各自产生的光生电荷分别代表该像素的红、绿、蓝三个光点的亮度。经输出和传输后，可在显示器上重新组合，显示出每一个像素的原始色彩，这就构成了彩色图像传感器。CCD彩色图像传感器具有高灵敏度和良好的色彩还原性。

固态图像传感器的输出信号具有以下特点：

（1）与成像位置对应，具有时间先后性，即能输出时间系列信号。（2）串行的各个脉冲可以表示不同的信号，即能输出模拟信号。（3）能够反映焦点面的信息，即能输出焦点面信号。

将不同的光源、光学透镜、光导纤维、滤光片及反射镜等光学元件灵活地组合，可以获得固态图像传感器的各种用途，如图7—18所示。

由图7-18可知，CCD图像传感器的主要用途如下.

(1)组成测试仪器，可测量物位、尺寸、工件损伤等。

(2)作为光学信息处理装置的输人环节，可用于传真技术、光学文字识别技术以及图像识别技术

(3)作为自动流水线装置中的敏感器件，可用于机床、自动售货机、自动搬运车以及自动监视装.

(4)作为机器人的视觉，可监控机器人的运行。