7_3电荷耦合器件
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CCD和红外CCD在航遥空感、热成像等军事
4
—传感器与检测技术—
7.3.1 CCD的工作原理
一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、 移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对 光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元 的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转 移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存 器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用 下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号 可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、 处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。
3
—传感器与检测技术—
CCD图像传感 器 CCD全称电荷耦合器件(Charge
Coupled Device) ，是20世纪70 年代初期
最先由Bell 实验室发明的。 CCD器件以其
灵敏度高、动态范围大和光谱响应范围宽
等优点特别引人注目。各种线阵、面阵像
感器已成功地用于天文、遥感、传真、卡
片阅读、光测试和电视摄像等领域，微光
17
—传感器与检测技术—
(3)光学成像法
光学成像法测量物体尺寸的范围非常宽，通过光学系统物体在CCD 上成一个放大或缩小的实像，CCD测得像的大小再乘以光学系统的 放大倍率便可获得物体的尺寸，这种方法可以实现零件尺寸的在线 自动检测。
图7.3.7 基于CCD的零件尺寸在线检测系统
18
—传感器与检测技术—
图7.3.2 线阵CCD图像传感器的结构
9
—传感器与检测技术—
Baidu Nhomakorabea
(2)面阵CCD
面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子 自扫描，可以获得二维图像。
10
—传感器与检测技术—
面阵CCD外形（续）
200万和1600万像素的面阵CCD
11
—传感器与检测技术—
面阵CCD外形（续）
12
—传感器与检测技术—
2.图形文字识别 统通过CCD把邮编图像扫描入计算机，通过软件对邮编 图像进行数字识别，根据识别出的数字，计算机控制分 类机构把信件送入相应的分类箱中。类似系统还可用于 货币识别和分类、商品条形码识别等。
图7.3.8 CCD邮政编码识别系统
19
—传感器与检测技术—
线阵CCD用于字符识别
20
—传感器与检测技术—
第7章 光电式传感器
—传感器与检测技术—
本章内容
7.1 7.2 7.3
光电效应和光电器件 光电编码器 电荷耦合器件（CCD）
7.4
7.5
光纤传感器
光栅传感器
2
—传感器与检测技术—
7.3 电荷耦合器件（CCD）
7.3.1 7.3.2
• CCD的工作原理 • CCD应用
7.3 电荷耦合器件（CCD）
22
—传感器与检测技术—
CCD用于图像记录
23
数码相机的结构解 剖
（索尼F828）
—传感器与检测技术—
CCD
24
—传感器与检测技术—
CMOS图像传感器
CMOS图像传感器是采用互补金属 -氧化物-半导体工艺制作的另一类图像 传感器，简称CMOS。现在市售的视频 摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。 虽然目前的CMOS图像传感器成像质量 比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗 电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆 加工技术的进步，CMOS的各项技术指 标有望超过CCD，它在图像传感器中的 应用也将日趋广泛。
a L d L ( Nl )
7.3.5 细丝直径检测系统原理
16
—传感器与检测技术—
(2)投影法
投影法适合小尺寸物体或者对物体边缘进行测量的情形，当一 束平行光照射到被测物体后再投射到CCD时，物体的阴影也同 时投射到CCD上，若光的准直度很好，其阴影的尺寸就代表了 待测物体的尺寸。
图7.3.6 投影法测量的应用
线阵CCD在扫描仪中的应 用
21
—传感器与检测技术—
CCD数码照相机
数码相机简称DC，它采用CCD作为光 电转换器件，将被摄物体的图像以数字形 式记录在存储器中。 数码相机从外观看，也有光学镜头、 取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光 灯等，但比传统相机多了液晶显示器 （LCD），内部更有本质的区别，其快门 结构也大不相同。
图7.3.3 面阵型CCD结构示意图
13
—传感器与检测技术—
(3) CCD的基本特性参数
1）分辨率 分辨率表示CCD分辨图像的能力，其取决于光敏单元（及
像素）之间的间距，因此用单位面积上的像素数来表示。 CCD的量子效率是指入射光所产生的光电子数 量与入射光子数量之比。 对于不同的入射光波具有不同的量子效率，这 就是探测器的光谱响应。 CCD器件光敏单元在没有光信号输入时，仍有少 数载流子聚集在电极下形成转移电流 弱信号之比。动态范围越大，所成的图像颜色层次细节 越多。
25
—传感器与检测技术—
CMOS视频摄像头
带红外LED 照明的CMOS视 频摄像头
26
—传感器与检测技术—
CMOS视频摄像头的外形及内部结 构
27
5
—传感器与检测技术—
CCD光敏元显微照 片
MOS电容器组成的光敏元及数据 面的显微照片
CCD读出移位寄存器 的数据面显微照片
6
—传感器与检测技术—
彩色CCD显微照片（放大 7000倍）
—传感器与检测技术—
2 CCD图像传感器的分类
(1)线阵CCD
8
—传感器与检测技术—
由成直线排列的光敏单元和移位寄存器组成 光学成像系统将被测图像成像在CCD光敏面上， 光敏单元将其转变成电荷信号。
2)量子效率 和光谱响应 3)暗电流
4)动态范围 CCD列阵整体接受光信号时，能检测出的最强信号与最
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—传感器与检测技术—
7.3.2 CCD图像传感器的应用
广泛应用于物体尺寸、位移、表面形 状、温度以及图形文字识别、图像检 测等领域。
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—传感器与检测技术—
1.尺寸检测
利用CCD对尺寸检测按原理可分为三种：衍射法、投影法及 光学成像法。这三种测量方法分别适合不同的尺寸物体。 (1)衍射法 尺度等于或略大于波长量级的微隙、细丝或小孔一般采用衍射方法
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—传感器与检测技术—
7.3.1 CCD的工作原理
一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、 移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对 光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元 的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转 移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存 器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用 下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号 可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、 处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。
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—传感器与检测技术—
CCD图像传感 器 CCD全称电荷耦合器件(Charge
Coupled Device) ，是20世纪70 年代初期
最先由Bell 实验室发明的。 CCD器件以其
灵敏度高、动态范围大和光谱响应范围宽
等优点特别引人注目。各种线阵、面阵像
感器已成功地用于天文、遥感、传真、卡
片阅读、光测试和电视摄像等领域，微光
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—传感器与检测技术—
(3)光学成像法
光学成像法测量物体尺寸的范围非常宽，通过光学系统物体在CCD 上成一个放大或缩小的实像，CCD测得像的大小再乘以光学系统的 放大倍率便可获得物体的尺寸，这种方法可以实现零件尺寸的在线 自动检测。
图7.3.7 基于CCD的零件尺寸在线检测系统
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—传感器与检测技术—
图7.3.2 线阵CCD图像传感器的结构
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—传感器与检测技术—
Baidu Nhomakorabea
(2)面阵CCD
面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子 自扫描，可以获得二维图像。
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—传感器与检测技术—
面阵CCD外形（续）
200万和1600万像素的面阵CCD
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—传感器与检测技术—
面阵CCD外形（续）
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—传感器与检测技术—
2.图形文字识别 统通过CCD把邮编图像扫描入计算机，通过软件对邮编 图像进行数字识别，根据识别出的数字，计算机控制分 类机构把信件送入相应的分类箱中。类似系统还可用于 货币识别和分类、商品条形码识别等。
图7.3.8 CCD邮政编码识别系统
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—传感器与检测技术—
线阵CCD用于字符识别
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—传感器与检测技术—
第7章 光电式传感器
—传感器与检测技术—
本章内容
7.1 7.2 7.3
光电效应和光电器件 光电编码器 电荷耦合器件（CCD）
7.4
7.5
光纤传感器
光栅传感器
2
—传感器与检测技术—
7.3 电荷耦合器件（CCD）
7.3.1 7.3.2
• CCD的工作原理 • CCD应用
7.3 电荷耦合器件（CCD）
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—传感器与检测技术—
CCD用于图像记录
23
数码相机的结构解 剖
（索尼F828）
—传感器与检测技术—
CCD
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—传感器与检测技术—
CMOS图像传感器
CMOS图像传感器是采用互补金属 -氧化物-半导体工艺制作的另一类图像 传感器，简称CMOS。现在市售的视频 摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。 虽然目前的CMOS图像传感器成像质量 比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗 电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆 加工技术的进步，CMOS的各项技术指 标有望超过CCD，它在图像传感器中的 应用也将日趋广泛。
a L d L ( Nl )
7.3.5 细丝直径检测系统原理
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—传感器与检测技术—
(2)投影法
投影法适合小尺寸物体或者对物体边缘进行测量的情形，当一 束平行光照射到被测物体后再投射到CCD时，物体的阴影也同 时投射到CCD上，若光的准直度很好，其阴影的尺寸就代表了 待测物体的尺寸。
图7.3.6 投影法测量的应用
线阵CCD在扫描仪中的应 用
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—传感器与检测技术—
CCD数码照相机
数码相机简称DC，它采用CCD作为光 电转换器件，将被摄物体的图像以数字形 式记录在存储器中。 数码相机从外观看，也有光学镜头、 取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光 灯等，但比传统相机多了液晶显示器 （LCD），内部更有本质的区别，其快门 结构也大不相同。
图7.3.3 面阵型CCD结构示意图
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—传感器与检测技术—
(3) CCD的基本特性参数
1）分辨率 分辨率表示CCD分辨图像的能力，其取决于光敏单元（及
像素）之间的间距，因此用单位面积上的像素数来表示。 CCD的量子效率是指入射光所产生的光电子数 量与入射光子数量之比。 对于不同的入射光波具有不同的量子效率，这 就是探测器的光谱响应。 CCD器件光敏单元在没有光信号输入时，仍有少 数载流子聚集在电极下形成转移电流 弱信号之比。动态范围越大，所成的图像颜色层次细节 越多。
25
—传感器与检测技术—
CMOS视频摄像头
带红外LED 照明的CMOS视 频摄像头
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—传感器与检测技术—
CMOS视频摄像头的外形及内部结 构
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—传感器与检测技术—
CCD光敏元显微照 片
MOS电容器组成的光敏元及数据 面的显微照片
CCD读出移位寄存器 的数据面显微照片
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—传感器与检测技术—
彩色CCD显微照片（放大 7000倍）
—传感器与检测技术—
2 CCD图像传感器的分类
(1)线阵CCD
8
—传感器与检测技术—
由成直线排列的光敏单元和移位寄存器组成 光学成像系统将被测图像成像在CCD光敏面上， 光敏单元将其转变成电荷信号。
2)量子效率 和光谱响应 3)暗电流
4)动态范围 CCD列阵整体接受光信号时，能检测出的最强信号与最
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—传感器与检测技术—
7.3.2 CCD图像传感器的应用
广泛应用于物体尺寸、位移、表面形 状、温度以及图形文字识别、图像检 测等领域。
15
—传感器与检测技术—
1.尺寸检测
利用CCD对尺寸检测按原理可分为三种：衍射法、投影法及 光学成像法。这三种测量方法分别适合不同的尺寸物体。 (1)衍射法 尺度等于或略大于波长量级的微隙、细丝或小孔一般采用衍射方法