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CCD图像传感器的原理及应用

摘要：随着科技的迅猛发展，人们希望在生活生产中更多地实现自动化，而在实现自动化的过程中，传

感器起着举足轻重的地位。传感器其实就是人类感官的延伸，因此也叫“电五官”。而图像传感器就是

“电视觉”，本文就图像传感器中的一种——CCD图像传感器的原理及应用做一介绍。

关键字：CCD图像传感器原理应用

CCD图像传感器是通过将光学信号转换为数字电信号来实现图像的获取、存储、传输、

处理和复现。光学信号转化为数字信号主要由CCD感光片完成。CCD感光片由三部分组成，

即镜片，彩色滤镜和感应电路，如下图。镜片和彩色滤镜主要是对接受的光线（即图像）

进行一定的预处理，感应电路为CCD传感器的核心，它又可分为光敏元件阵列和电荷转移

器件两部分。

下面我们介绍一下感应电路的构成，CCD的感应电路是由若干个电荷耦合单元组成，该单

元的结构如图所示。其最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的

SiO2作为光敏器件，再在SiO2层上依次沉积铝电极而构成MOS的电容式转移器。将MOS

阵列加上输入、输出端，便构成了CCD的感应电路。
当光照射到ＣＣＤ硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子－空穴对，其多数载流子

被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。当向SiO2表面的电极加正

偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少

数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包（势阱）电荷转移的

控制方法，类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三

相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。

三相控制是每一排像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次施加三个相位不同的脉冲，使得

每排电极下电荷包向一侧移动，如下页图。

随着控制脉冲的分配，电荷包从一侧转移到最终端，由输出二极管收集后送给放大器处理，

实现电荷移动。当各排电荷全部移出感应区即扫描完成一幅画面，这些电荷最终以二进制

的形式存储或修改。

以上是从微观方面介绍了CCD图像传感器中核心原件感官电路的原理，在宏观方面按

照结构又可分为两类：CCD线列图像传感器和CCD面阵图像传感器，它们在结构方面的差

异导致了用途的不同，但原理一样，都是利用了CCD的光电转换和电荷转移的双重功能制

成，线阵CCD：用一排像素扫描过图片，做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝三色

滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。而CCD面阵图像传感器有呈二维

矩阵排列的感光单元——感光区、信号存储区和输出转移部分组成，根据传输和读出的结

构方式不同又分为：行传输、帧传输、行间传输等，见下图。
由于CCD传感器是图像采集与数字化的关键器件，它直接将光学图像转换为电荷信号，以

实现图像的存储、处理和显示，因此其应用领域极其广泛。CCD图像传感器最初主要应用

于数字照相机和数字摄像机等，此外，它还广泛应用于其他领域：涉及到航天、航空、遥

模块转换图像帧获取感、卫星侦察、天文观测、通讯、交通、机械、钢铁、电子、计算机、

机器人视觉、新闻、广播、电影、电视、金融、医疗、出版、印刷、纺织、医学、食品、

照相、文教、公安、保卫、家电、旅游等各个领域。最近几年，CCD图像传感器又以惊人

的速度广泛应用于手机、个人计算机及PDA等小型装置，这里只做从以下几个方面做简单

介绍。

（1）CCD图像传感器经过镜头将被观察物聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累

相应比例的电荷，然后逐点外移、滤波、放大，最终形成视频信号输出。视频信号连接到

监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。

（2）CCD图像传感器在遥感遥测技术中的应用。1985年在欧洲“spot”卫星上使用

大型CCD线阵探测器的扫描成像,CCD线列分别达3000像元和6000像元,地面分辨率达到

10m。1991年美国在海湾战争中动用了装有CCD高倍率大型光学望远镜的KH212侦察卫星,它

兼有高分辨率和实时数字传输的双重优点。

（3）CCD图像传感器在几何尺寸的高速、高精度和非接触测量中的应用CCD尺寸

测量技术作为一种非常有效的非接触检测方法,被广泛应用于工件尺寸的在线检测。由

CCD器件、光学系统、计算机数据采集和处理系统构成的CCD光电尺寸检测仪的使用范围

和优越性是现有的机械式、光学式、电磁式测量仪都无法比拟的。

CCD图像传感器在其他方面的应用CCD图像传感器的应用已深入到各个领域，除了以上方

面，主要还有：1）Medical医用显微内窥镜。利用超小型的CCD摄视觉贴片机像机或光

纤图像传输内窥镜系