CCD——数字影像时代的开创者
维拉· 波义耳(Willard S. Boyle)和乔治· 史 密斯（George E. Smith 2009年获诺 贝尔物理奖
线阵CCD驱动器
• CCD是按照一定规律（线 阵、面阵）排列的MOS电 容器阵列组成的移位寄存 器，其基本单元是MOS结 构。基本功能是通过电荷 的存储与电荷的转移来实 现光电信号的转换和检测。 基本工作过程包括电荷的 注入、存储、转移和检测。
如测量大物体，可用 二块CCD，距离固定为L （如图3.2.2-18所示），假 定CCD1的计数值为N1， CCD2的计数值为N2，则
D L 13N1 13 N 0 N 2
测量大物体也可用面 阵CCD进行摄像测量，再 用计算机进行数字图象处 理得到处理结果。但测量 精度要比用线阵CCD测量 差些。
图3.2.2-18 CCD测量大物体
光敏单元 转移电极 移位寄存器
四．面阵CCD
面阵CCD是按图象信息的处理要求而输出 信号的。面阵CCD实际上是由许多线阵CCD排 成二维形式，它主要用于电视摄像中。面阵 CCD也可以用作固体摄像传感器来测量各种几 何量，俗称摄像测量。
五、CCD输出信号的处理方式
CCD输出信号一般为负极性视频信号，对CCD输出信号 的处理方式很多，以下是几种典型的用于检测和控制的信号 处理方式。
IY 2 IY 1 y IY 2 IY 1
§3.2.2 电荷耦合器件
CCD（Charge Coupled Devices，电荷耦合器件）图像 传感器具有结构简单，制造工序少，功耗低，信噪比好等优 点。CCD有线阵和面阵二种，CCD是一种半导体集成器件， 它由MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。 CCD可把光信息转换成电脉冲信号，而且每个脉冲反映 一个光敏元的受光情况，脉冲幅度反映光强，脉冲顺序反映 光敏元的位置，这样就起到了图像传感的作用。 CCD主要有两种基本类型，一种为信号电荷包存储在半导 体与绝缘体之间的界面，并沿界面进行转移的器件，称为表面 沟道CCD（简称为SCCD）器件；另一种为信号电荷包存储在 距离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向 转移的器件，称为体沟道或埋沟道器件（简称为BCCD）。下 面以SCCD为例讨论CCD的基本工作原理。
2．一维PSD器件
一维PSD器件主要用来
测量光斑在一维方向上的位
置或位置移动量的装置。图 3.2.1-2(a)为典型一维PSD器
件S1543的结构示意图，其
中1和2为信号输出电极，3 为公共电极（用来加反向偏
压）。它的光敏面为细长的
矩形条。
图3.2.1-2 一维PSD器件S1543 (a)原理结构 (b)等效电路
1．CCD－放大―二值化处理－计数。 2．CCD－放大－滤波－比较整形－高频填脉冲－计数 3．CCD－放大－同步采样保持－高速A/D转换－存储－计算 机图象处理 4．CCD－放大－滤波－变成全电视信号－存储（面阵CCD）
六、CCD在动态测量直径中的应用
CCD动态测量细丝直径 的原理如图3.2.2-16所示。 设 所用 的 CCD 有 N0 个 光敏元，每个光敏元的大小 为 13μm ， 计 数 器 计数 为 N ， 则细丝直径D为： D＝13（N0-N）
I 2 I1 x L I 2 I1
反向求和-(I1+I2)
移相
反向比例
除法
反向比例
差分比例(I2-I1)
图3.2.1-3 一维PSD位置检测电路原理图 下图为一维PSD位置检测电路原理图，光电流I1经反向放大 器A1放大后分别送给放大器A3与A4，而光电流I2经反向放大器 A2放大后也分别送给放大器A3与A4，放大器A3为加法电路，完 成光电流I1与I2相加的运算（放大器A5用来调整运算后信号的相 位）；放大器A4用作减法电路，完成光电流I2与I1相减的运算。
一、MOS光敏元的工作原理
CCD的核心部分的原理基于MOS光敏元。 MOS结构：以硅作为半导体衬底，在其上热生长一层二 氧化硅(SiO2)，并在二氧化硅上面淀积金属层（栅极）。因 由金属—氧化物—半导体三层所组成，故称MOS（MetalOxide-Semiconductor）结构。
U
以P型衬底为例,加正电压时,空穴被排斥，形成一“耗 尽区”（俗称“表面势阱”，其深度近似与电压成正比）， 电子被吸引耗尽区。光照时，半导体硅产生电子-空穴对， 电子被势阱收集，空穴被排出耗尽区。势阱吸收的光生电 子数与入射光强成正比。一个MOS结构单元称为一个光 敏单元或一个像素。
图3.2.2-16 CCD测量细丝直径
在上述测量中，由于是用 脉冲计数测量，故光源的波动 对测量精度影响不大，细丝的 抖动也不影响测量精度，故可 达到较高的测量精度。如需要 测量达到更高的分辨率，可用 光学放大，如图3.2.2-17所示。 如 k=x/y=1/13 ， 则 实际 上 放 大 了13倍，此时 D＝13k(N0-N)=(N0-N) 注意，采用光学放大后，细丝 在垂直于 CCD方向的抖动将影 响测量精度。 图3.2.2-17 光学放大示意图
3．二维PSD器件
如图（a），在正方形的PIN硅片的光敏面上设置2对电极， 分别标注为Y1，Y2和X3，X4，其公共N极常接电源Ubb。二维PSD 器件的等效电路如图（b）所示
IX 4 IX3 x IX 4 IX3
图3.2.1-4 二维PSD的结构图与等效电路 (a)二维PSD结构图 (b)等效电路
图3.2.1-1 PSD器件结构示意图 PSD 可分为一维 PSD 和二维 PSD 。一维 PSD 可以测定光 点的一维位置坐标，二维PSD可测光点的平面位置坐标。
I 0 I1 I 2 L xA I1 I 0 2L L xA I2 I0 2L I 2 I1 xA L I 2 I1
§3.2 光电信息转换集成器件
§3.2.1 位置传感器（Position Sensing Detector）
光电位置敏感器件（ PSD）是一种基于光生伏特效应，
对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件。即当入射光 点落在器件感光面的不同位置时， PSD将对应输出不同的
电信号。通对此输出电信号的处理，即可确定入射光点
？
照相时多少像素数合适？
鉴别率板
• 机 械 相 机
• 数 码 相 机
分辨力增强 处理前 处理后
抖动补偿 抖动 处理后
• An optical instrument constructed with digital signal processing • (DSP) , then the quality will be improved.
在 PSD上的位置。入射光点的强度和尺寸大小对 PSD的位 置输出信号均无关。 PSD的位置输出只与入射光点的“重 心”位置有关。
当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时， 在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成 的光电流通过电阻P型层分别由电极1与2输出。设P型层的电阻 是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1 和I2 ，则流过N型层上电极的电流 I0 为 I1 和 I2 之和。
CCD上有成千上万个相互独立的MOS光敏单元，如 果照在这些光敏单元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这 些光敏单元就会产生出一幅与光照强度相对应的光生电荷 图像，因而得到影像信号。
二、移位寄存器
移位寄存器也是MOS结构，工作时它不能受光照射。
Ua Ub Uc
t1 t2 t3 t4 Ua
N
Ub
t t
t1
t2 t3 t4 t Uc
对多电极a1、b1、 c1；……an、bn、cn， 每三个如a1、b1、c1 组成一个传输单元。
存储的电荷依次移位， 传输到最后一个电极 的电子被依次收集输 出。
三、转移栅(光敏单元中的电荷向移位寄存器转移
)
光敏区中产生的电荷，由转移门Z控制转移至a1、a2、 ----an极下的势阱。