CCD图像传感器

1 6.2.4 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。目前较为实用的图像传感器为电荷耦合器件（Charge Cou ple Dev ice 简称CCD）。它分为线阵CCD 和面阵CCD 两种。前者用于尺寸和位移的测量，后者用于平面图形、文字的传递等。目前面阵CCD 已作为固态摄像器用于可视电话和闭路电视等，在生产过程的监视和楼宇安保系统等领域的应用也日趋广泛。这里仅介绍线阵CCD 在位移测量中的应用。 6.2.4.1 基本工作原理 和其它大多数电子器件不同的是，电荷耦合器件CCD 是以电荷作为信号，而不是以电流或者电压作为信号。CCD 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD 工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和读出。 A 光－电转换及电荷的存储 CCD 是由许多光敏像元组成的。每一个像元就是一个 MOS（金属－氧化物－半导体）电容器，参看图6.25。在 P 型硅衬底上通过氧化形成一层 SiO2，再在SiO2 表面蒸镀一金属层（多晶硅）作为电极。P 型硅中的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子。当电极上施加正电压时，其电场能够透过 SiO2 绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是，带正电荷的空穴被排斥到远离电极处，带负电荷的电子被吸引到紧靠 SiO2 层的表面上来。这种现象便形成了对电子而言的陷阱，电子一旦进入就不能复出，故又称为电子势阱。 当一束光线投射到 MOS 电容上时，光子穿过多晶硅电极及 SiO2层，进入 P 型硅衬底，光子的能量被半导体吸收，产生电子－空穴对，这时出现的电子被吸引并储存在势阱中。射入的光线越强，势阱中收集的电子就越多，从而实现了光和电的转换。而势阱中的电子处于被储存状态，即使停止光照，一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。 B 电荷的耦合及转移 CCD 除了能储存电荷之外，还具有转换图像信息电荷的能力，故又称为动态移位寄存器。为了实现信号电荷的转移，首先必须使 MOS 电容阵列的排列足够的紧密（间隔小于3m），以致相邻 MOS 电容的势阱相互沟通，即相互耦合。其次，根据加在 MOS 电容上的电压越高，产生的势阱越深的原理，通过控制相邻 MOS 电容栅极电压的高低来调节势阱的深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深的地方。此外还必须指出，在CCD 中，电荷的转移必须按照确定的方向进行。为此，在 MOS 阵列上所加的各路电压脉冲（即时钟脉冲）必须严格满足相位的要求，使得任...