CCD固态图像传感器的应用

电荷耦合器件用于固态图像传感器中，作为摄像或像敏的器件。

图8-27 CCD输出端结构

CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。感光部分是指在同一半导体衬底上布设的由若干光敏单元组成的阵列元件，光敏单元简称“像素”。固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”传送，经输出放大器输出。

根据光敏元件排列形式的不同，CCD固态图像传感器可分为线型和面型两种。

（1）线型CCD图像传感器

线型CCD图像传感器是由一列MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器构成的，光敏单元与移位寄存器之间有一个转移控制栅。基本结构如图8-28a所示。转移控制栅控制光电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于光积分时间。在光积分周期里，各个光敏元中所积累的光电荷与该光敏元上所接收的光照强度和光积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅开启时，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器的相应单元。当转移控制栅关闭时，MOS光敏元阵列又开始下一行的光电荷积累。同时，在移位寄存器上施加时钟脉冲，将已转移到CCD移位寄存器内的上一行的信号电荷由移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。

图8-28 线型CCD图像传感器

a）单行结构 b）双行结构

图8-28b所示为CCD的双行结构图。光敏元中的信号电荷分别转移到上下方的移位寄存器中，然后在时钟脉冲的作用下向终端移动，在输出端交替合并输出。这种结构与长度相同的单行结构相比较，可以获得高出两倍的分辨率；同时由于转移次数减少一半，使CCD电荷转移损失大为减少；双行结构在获得相同效果情况下，又可缩短器件尺寸。由于这些优点，双行结构已发展成为线型CCD图像传感器的主要结构形式。

线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法。(www.xing528.com)

线型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。

（2）面型CCD图像传感

按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成面型CCD图像传感器。

面型CCD图像传感器有三种基本类型：线转移型、帧转移型和隔离转移型，如图8-29所示。

图8-29a所示为线转移面型CCD的结构图。它由行扫描发生器、感光区和输出寄存器等组成。行扫描发生器将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，驱动脉冲将信号电荷一位位地按箭头方向转移，并移入输出寄存器，输出寄存器亦在驱动脉冲的作用下使信号电荷经输出端输出。这种转移方式具有有效光敏面积大、转移速度快、转移效率高等特点，但电路比较复杂，易引起图像模糊。

图8-29 面型CCD图像传感器结构

a）线转移型 b）帧转移型 c）隔离转移型

图8-29b所示为帧转移面型CCD的结构图。它由光敏元面阵（感光区）、存储器面阵和输出移位寄存器三部分构成。图像成像到光敏元面阵，当光敏元的某一相电极加有适当的偏压时，光生电荷将收集到这些光敏元的势阱里，光学图像变成电荷包图像。当光积分周期结束时，信号电荷迅速转移到存储器面阵，经输出端输出一帧信息。当整帧视频信号自存储器面阵移出后，就开始下一帧信号的形成。这种面型CCD的特点是结构简单，光敏单元密度高，但增加了存储区。

图8-29c所示结构是用得最多的一种结构形式。它将光敏单元与垂直转移寄存器交替排列。在光积分期间，光生电荷存储在感光区光敏单元的势阱里；当光积分时间结束，转移栅的电位由低变高，信号电荷进入垂直转移寄存器中。随后，一次一行地移动到输出移位寄存器中，然后移位到输出器件，在输出端得到与光学图像对应的一行行视频信号。这种结构的感光单元面积减小，图像清晰，但单元设计复杂。

面型CCD图像传感器主要用于摄像机及测试技术。