应用与工作原理：CCD传感器的尺寸测量

时间：2026-01-23 理论教育浅陌版权反馈

【摘要】：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：组成测试仪器可测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。图3-78所示为用线阵CCD传感器测量物体尺寸的基本原理。图3-78 尺寸测量的基本原理1—线阵CCD传感器；2—滤光片；3—红外滤光片；4—透镜当所用光源含红外光时，可在透镜与传感器之间加红外滤光片。

电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices，简称CCD）是一种在20世纪70年代初问世的新型半导体器件。利用CCD作为转换器件的传感器，称为CCD传感器（或称CCD图像传感器）。CCD器件有两个特点：①它在半导体硅片上制有成百上千个（甚至上万个）光敏元，它们按线阵或面阵有规则地排列。当物体通过物镜成像于半导体硅平面上时，这些光敏元就产生与照在它们上面的光强成正比的光生电荷。②它具有自扫描能力，亦即将光敏元上产生的光生电荷依次有规则地串行输出，输出的幅值与对应光敏元上的电荷量成正比。由于它具有集成度高、分辨率高、固体化、低功耗和自扫描能力等一系列优点，故很快地被应用于工业检测。近几年来， CCD研究已取得了惊人的发展。CCD应用技术已成为光、机、电和计算机相结合的高新技术，已成为现代测试技术中最活跃、最富有成果的新兴领域之一。

一、电荷耦合器件（CCD）

电荷耦合器件分为线阵器件和面阵器件两种，其基本组成部分是MOS光敏元列阵和读出移位寄存器。

1.MOS光敏元

图3-74所示为MOS（Metal Oxide Semiconductor）光敏元的结构，它是在半导体（P型硅）基片上形成一种氧化物（如二氧化硅），在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元（MOS）。

图3-74 MOS光敏元的结构

从半导体的原理得知，当在金属电极上施加一正电压时，在电场的作用下，电极下面的P型硅区域里的空穴将被赶尽，从而形成耗尽区。也就是说，对带负电的电子而言，这个耗尽区是一个势能很低的区域，称为“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，则在该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，则与此同时，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。

2.读出移位寄存器

读出移位寄存器的结构如图3-75所示。读出移位过程实质上是CCD电荷转移过程。在半导体的底部上覆盖一层遮光层，以防止外来光干扰。由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元（即传输单元），在这三个电极上分别施加了脉冲波φ1、φ2、φ3，如图3-76所示。

图3-75 读出移位寄存器的结构

图3-76 波形图

图3-77 电荷传输过程

电荷传输过程如图3-77所示。当t＝t1时，＝U，＝0，＝0，此时半导体硅片上的势阱分布形状如图3-77（a）所示。即只有极下形成势阱。