固态图像传感器（Solid State Imaging Sensor）是指在同一半导体衬底上生成若干个光敏单元与移位寄存器构成一体的集成光敏器件，其功能是把按空间分布的光强信息转换成按时序串行输出的电信号。目前最常用的固态图像传感器是电荷耦合器件（Charge Coupled De-vice，CCD）。CCD自1970年问世以后，由于它的低噪声等特点，被广泛应用于广播电视、可视电话和传真、数码照相机、摄像机等方面，在自动检测和控制领域也显示出广阔的应用前景。

1.MOS光敏元

一个完整的CCD由光敏元阵列、转移栅、读出移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。光敏元的结构如图5-55所示，它是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO₂，再在SiO₂层上沉积一层金属电极，就构成了金属—氧化物—半导体结构元（MOS）。

图5-55 光敏元的结构

当向电极加正偏压时，在电场的作用下，电极下的P型硅区域里的空穴被赶尽，从而形成一个耗尽区，也就是说，对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，这部分称为“势阱”。如果此时有光线入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅片上就产生了光生电子和空穴，光生电子就被附近的势阱所吸收，称为“俘获”，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。人们也称这样的一个MOS光敏元为一个像素，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或几千个相互独立的MOS光敏元，呈线阵或面阵排列。在金属电极上施加一正电压时，在半导体硅片上就形成几百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，那么通过这些光敏元就会将其转换成一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。

2.读出移位寄存器

读出移位寄存器是电荷图像的输出电路，如图5-56所示。它也是MOS结构，但在半导体的底部覆盖上一层遮光层，防止外来光线的干扰。实现电荷定向转移的控制方法，类似于步进电动机的步进控制方式，也有二相、三相等控制方式之分。

图5-56 读出移位寄存器结构原理图

如图5-57a所示，把MOS元的电极3个分为一组，依次在其上施加3个相位不同的控制脉冲Φ₁、Φ₂、Φ₃，如图5-57b所示。在t=t₀时，第一相时钟Φ₁为高电平，Φ₂、Φ₃为低电平，在P₁极下方形成深势阱，信息电荷存储其中；在t=t₁时，Φ₁、Φ₂处于高电平，Φ₃为低电平，P₁极、P₂极下都形成势阱。由于两电极下势阱间的耦合，原来在P_l下的电荷将在P_l、P₂两电极下分布；当P₁回到低电位时，电荷全部流回P₂下的势阱中（t₁=t₂）。在t=t3时刻，Φ₃为高电平，P₂电平降低，电荷包从P₂下转到P₃下的势阱。以此控制，最终P₁下的电荷转移到P₃下。在三相脉冲控制下，信息电荷不断向右转移，直到最后位依次向外输出。

3.电荷的输出

图5-58所示为利用二极管的输出方式。在阵列末端衬底上扩散形成输出二极管，当输出二极管加上反相偏压时，在结区内产生耗尽层。当信号电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，并通过输出栅极OG转移到输出二极管耗尽区内时，信号电荷将作为二极管的少数载流子而形成反向电流I_o。输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻R₁变为信号电压U_o输出。

图5-57 三相控制方式电荷定向转移过程

图5-58 利用二极管的输出方式

4.线阵CCD图像传感器

线阵CCD图像传感器的结构如图5-59所示，有单侧传输和双侧传输两种结构形式。当入射光照射在光敏元阵列上，在各光敏元梳状电极施加高电压时，光敏元聚集光电荷，进行光积分，光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时，转移栅上的电压提高（平时为低电压），将转移栅打开，各光敏元中所积累的光电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕，转移栅电压降低，同时在移位寄存器上加时钟脉冲，在移位寄存器的输出端依次输出各位的信息，这是一次串行输出的过程。目前，实用的线阵CCD图像传感器多采用双侧结构。单、双数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，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。

图5-59 线阵CCD图像传感器的结构示意图

a） 单侧传输 b）双侧传输

5.面阵CCD图像传感器

面阵CCD图像传感器是把光敏元排列成矩阵的器件，目前存在3种典型结构形式，图5-60a所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易引起图像模糊。

图5-60b所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储器移出后，就开始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器。(www.daowen.com)

图5-60c所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图5-60b所示结构中感光元与存储元件相隔排列，即一列感光单元、一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，感光单元面积减小，图像清晰，但单元设计复杂。

图5-60 面阵CCD图像传感器结构示意图

a）光敏元矩阵排列形式一 b）光敏元矩阵排列形式二 c）光敏元矩阵排列形式三

6.CCD技术的应用

CCD的应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，应用范围很广。其主要应用如下。

（1）CCD用于一维尺寸测量 CCD用于一维尺寸测量的技术是非常有效的非接触检测技术，被广泛地应用于各种加工件在线检测和高精度、高速度的检测技术领域。由CCD图像传感器、光学系统、计算机数据采集和处理系统构成的CCD光敏尺寸检测仪器的使用范围和优越性是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器都无法比拟的。这与CCD本身所具有的高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其自扫描的特性密切相关。这种测量方法往往无须配置复杂的机械运动机构，从而减少产生误差的来源，使测量更准确、更方便。

（2）工业内窥镜电视系统 在质量控制、测试及维护检验中，正确地识别裂缝、应力、焊接整体性及腐蚀等缺陷是非常重要的。但传统的光纤内窥镜的光纤成像却常使检查人员难于判断是真正的瑕疵，还是图像不清造成的结果。

运用CCD电子成像技术的工业内窥镜电视，可以在易于观察的电视荧光屏上看到一个清晰的、真实色彩的放大图像。根据这个明亮而分辨率高的图像，检查人员能快速而准确地进行检查工作。在这种工业内窥镜中，利用电子成像的办法，不但可以提供比光纤更清晰及分辨率更高的图像，而且能在探测步骤及编制文件方面提供更大的灵活性。这种视频电子成像系统最适用于检查焊接、涂装或密封，检查孔隙、阻塞或磨损，寻查零件的松动及振动。在过去，内表面的检查，只能靠成本昂贵的拆卸检查，而现在则可迅速得到一个非常清晰的图像。此系统可向多个观察人员在电视荧光屏上提供清晰的大型图像，也可制成高质量的录像带及照相文件。

CCD工业内窥镜电视原理如图5-61所示。利用发光二极管LED（黑白探头）或导光束（彩色探头）对被检区进行照明（照明窗）。探头前部的透镜把被检物体成像在CCD芯片上。

CCD把光信号变为电信号。电信号由导线传出。此信号经过放大、滤波及时钟分频等电路，并经图像处理器把模拟电信号变成数字化信号加以处理，最后输出给监视器、录像机或计算机。换用不同的探头即可得到高质量的彩色或黑白图像。由于光度是自动控制的，因此可使探测区获最佳照明状态。经过伽玛校正，可以进一步把图像黑暗部分的细节加以放大。

CCD工业内窥镜电视的结构如图5-62所示。它包括一只观察探头、一台图像处理器及一台用以显示图像的电视监视器及录像机。在此系统中，用一只安装于探头端部的非常小的CCD传感器来代替光纤。CCD像一部小型的电视摄像机，将CCD上的图像由光信号变成电信号，把这个电信号经过放大、图像处理器等电路处理后直接送入直观的监视器进行观察。

图5-61 CCD工业内窥镜电视原理

图5-62 CCD工业内窥镜电视的结构

这种CCD工业内窥镜电视有如下特点。

1）高分辨率。这种内窥镜能显示明亮而高分辨率的图像，分辨率高于每毫米12线，而用光导纤维和电视内窥镜仅为每毫米5线。用CCD代替成像面后，能消除光纤固有的模糊不清缺点。所得的高分辨率图像可改善检查精确度，减少检验人员的目视疲劳。

2）景深更大。景深是指在像平面上获得清晰图像的空间深度。CCD工业内窥镜电视比传统的光纤内窥镜电视有更大的景深，也就是有更大的清晰图像的空间深度，可以节省移动探头及使探头对焦的时间。

3）不会发生纤维束折断的弊端。长期使用光纤内窥镜，会因弯曲拐折使光纤折断，像素消失而成黑点，产生“黑白点混成灰色”效应，使图像区域出现空档，因而有可能导致漏检重点检验部位的后果。而CCD工业内窥镜电视不用成像束，CCD用电导体传送图像信息。这些电导体是专为经受严格工业环境而设计的，工作寿命长得多。

4）图像更容易观察。在电视监视器上观察放大图像，可以有更精确的检查结果。因在荧光屏上观察，消除了目镜观察的眼睛不舒服和疲劳，可以在荧光屏前站着或坐着进行检查。

5）可多人观察。在检查测试过程中，可以多人观察监视器。此外，还可以传送到远方观察。在检查过程中，可将图像录入磁带，以便事后讨论、入档及进一步研究。

6）可作真实的彩色检查。在识别腐蚀、焊接区域烧穿及化学分析的缺陷时，准确的彩色再现往往是很重要的。光纤内窥镜有断丝和图像恶化等缺点，而CCD内窥镜图像不会老化，彩色再现极佳。

7）方便而高质量的文件编制。可以直接用录像机录下图像、名字或号码等信息，可以由键盘控制录像带，以便综合记录保存，并可以使图像在荧光屏中定格，以便拍照。

（3）CCD工业内窥镜电视技术的应用领域 由于CCD工业内窥镜电视能提供精确的图像，而且操作方便，因而非常适用于质量控制、常规维护工作及遥控目测检验等领域。在航空航天方面，用来检查主火箭引擎，检查飞行引擎的防热罩、飞行引擎，监视固体火箭燃料的加工操作等。