图像传感器及其医学应用

固态图像传感器中CCD传感器的原理及应用

摘要：随着半导体与光电技术的迅速发展，固态图像传感技术也应运而生并得以广泛应用。本文阐述了固态图像传感器的工作原理；介绍固态图像传感器的分类；在此基础上，着重介绍了固态图像传感器中CCD传感器的工作原理，及其在尺寸自动检测、文字和图像识别和射线成像检测三方面的应用。

关键字：固态图像传感器；CCD传感器；尺寸自动检测；文字和图像识别；射线成像检测。

一固态图像传感器简介

1，固态图像传感器工作原理

固态图像传感器是指在同一块半导体衬底上，生成若干个光敏单元与移位寄存器构成一体的集成光电器件，按空间分布的光强信息转换成按时序串行输出的电信号。是一种高度集成化、功能化的光电器件。其工作原理图见下图一：

图一固态图像传感器工作原理图

2，固态图像传感器优点

体积小，重量轻，功耗低，耐冲击，寿命长；扫描线性，畸变小，重复性好，适用于尺寸测量、定位和图像传感等方面；光谱响应范围较广，从近紫外到近红外；空间分辨率高，像元间距的几何位置精确，可以获得很高的定位与测量精度；与微机接口容易实现；能实现信息的读取转换和视觉功能的扩展，能给出直观，真实，多层次，多内容的可视图像信息。以上种种优点，使得固态图像传感器成为获取视觉信息的一种基础器材，在现代科学技术中得到越来越广泛的应用。

二CCD传感器

根据所用的敏感器件不同，固态图像传感器可分为CCD传感器、CID传感器、SSPD传感器、CCPD传感器等。其中，CCD是应用最广泛的一种。

1，CCD传感器基本构造

CCD(Charge Coupled Devices)即电荷耦合器件，一个完整的CCD器件由光敏单元﹑转移栅﹑移位寄存器及一些辅助输入﹑输出电路组成。CCD是一种新型的MOS型半导体器件，如图二所示为64位CCD结构，每个光敏元（像素）对应3个相邻的转移栅电极1、2、3，所有电极彼此间离得足够近，以保证硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。

图二 CCD芯片的构造

2，CCD的基本原理：

在一系列MOS电容器金属电极上，加以适当的脉冲电压，排斥掉半导体村底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷(少数载流子)的转移。由此可知，CCD的基本原理与MOS电容器的物理机理密切相关。因此，首先分析MOS电容器的原理。如下图三所示：

图三 MOS电容器原理结构图

表面势V 是一个非常重要的物理量。在如图2-3所示的情况下，若所加U 不超过某限定值时，则表面势为

式中 q ——电子电荷； A N ——单位面积受阻浓度；

d X ——耗尽层厚度； s ε——的介电常数；

0ε——真空介电常数。

3，线阵CCD 和面阵CCD ：

CCD 图像传感器按其像素的空间排列可分为两大类：一是线阵CCD ，主要用于一维尺寸的自动检测，如测量精确的位移量、空间尺寸等，也可以由线阵CCD 通过附加的机械扫描，得到二维图像，用以实现字符、图像的识别。二是面阵CCD ，主要用于实时摄像，如生产线上工件的装配控制、可视电话以及空间。

最简单的线性固态图像传感器是单通道式的，如图四所示是其结构示意图。它包括感光区和传输区两部分：感光区是由一列光敏单元组成；传输区是由转移栅及一列移寄位存器组成。光照产生的信号电荷存储于感光区的势阱中，接通转移栅，信号电荷流入传输区。传输区是遮光的，以防止因光生噪声电荷的干扰而导致图像模糊。

图四 单通道线型图像传感器的结构

为了减少信号电荷在转移过程中的损失，转移的次数应尽量少，因此，通常采用双通道式固态图像传感器。双通道式固态图像传感器如图五所示，有两个移位寄存器平行地配置在感光区两测。当光生信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移

栅。信号电荷就转移到移位寄存器。奇数光敏单元中的电荷转移到A寄存器，偶数单元转移到B寄存器。这样每个电荷包的传输次数减少了一半，降低了器件的传输损失，也缩短了器件尺寸。

图五双通道线型图像传感器的结构

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。按传输方式的不同，面阵CCD图像传感器常用的两种传输结构为行间传输结构和场传输结构。如图六所示为行间传输面阵CCD 结构图。它是由光敏单元阵列构成的光敏面、垂直移位寄存器、转移栅和水平移位寄存器组成。光敏单元与垂直寄存单元相隔排列，即一列感光元件，一列不透光的存储元件，一一对应，两者之间由转移栅控制，下部是一个水平读出移位寄存器。

图六水平移位寄存器

三，CCD传感器的应用

1.尺寸自动检测

对于尺寸为较小的物体目标（2-30mm），可以采用平行光成像法，不难看出，此种测试方法的精度取决于平行光的准直程度和CCD像元尺寸的大小。当然，平行光源要作得十分理想是有一定困难的，且随准直度的提高成本增加，光源的体积也要加大。在实际应用中常常通过计算机处理，对测量值进行修正，以使测量结果更接近于实际，这在一定程度上降低了对光源的苛求。

2.文字和图像识别：

利用线阵CCD的自扫描特性，可以实现文字和图像识别，从而组成一个功能很强的扫描/识别系统。

3．射线成像检测

图示出了X射线成像检测系统。射线经过构件后直接由射线－可见光转换屏转换，而后由CCD相机获取转换后的图像，经数字图像处理系统处理后，转换为数字图像进行分析处理和识别，从而完成构件缺陷的射线实时检测。

参考文献

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[4] CCD基础知识百度文库提供设计资料

[5] 王明连深入CCD传感光学清华大学出版社

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