视觉测量技术中的CCD图像传感器

1.电荷耦合器件的一般知识

电荷耦合器件（CCD）是一种半导体器件，它具有光电转换的功能。不同于以电流或电压作为信号的其他大多数器件，CCD是以电荷为信号的。具有电荷存储与移位功能。CCD的电荷注入方式有电注入方式和光注入方式两种。固态图像传感器采用的是光注入方式。光照后收入在感光单元势阱中的电荷包的大小，与入射光的强弱成正比，从而将光信号转变为电荷信号。CCD实质是按某种规律排列的MOS（金属氧化物半导体）电容器阵列构成的移位存储器。MOS具有存储和转移电荷的功能。

总之，利用CCD的光电转换功能及光学成像系统，就构成了CCD图像传感器或CCD摄像机。CCD的工作过程就是电荷的产生、存储、转移和检测的过程。以下分别加以介绍。

（1）光电荷的产生

CCD的首要功能是完成光电转换，即产生与入射的光谱辐射量呈线性关系的光电荷。入射光越强，产生的光电荷量越大。

当光入射到作为光敏面的CCD硅片上时，在栅极附近的半导体内产生电子-空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子被收集在势阱中，便产生了光电荷信号。

CCD在某一时刻所获得的光电荷与前期所产生的光电荷累加，称为电荷积分。入射光越强，一定时间通过电荷积分所得到的光电荷量越大，即摄像机采样间隔内得到的电荷量越大。入射光越强，获得同等光电和所需的积分时间越短，可视为摄像机采样频率越高。

光注入方式分正面注入式和背面注入式。正面照射时光注入示意图如图2.35所示，CCD器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷为

Q=ηqΔn∞AT_c （2.14）

式中，η为材料的量子效率（单位入射光强度，产生电荷的效率）；q为电子电荷量，可以理解为带电粒子的电荷量；Δn_∞为入射光的光子流速率，可以理解为光照强度；A为光敏单元的受光面积；T_c为光注入时间。

图2.35 正面照射式光注入示意图

当CCD确定后，η、q、A均为常数，注入到势阱中的电荷Q与入射光的光子流速率Δn_∞与注入时间T_c成正比。

注入时间T_c由CCD驱动器的转移脉冲周期T_sh决定（可以理解为多长时间采样一次）。

当所设计驱动器能够保证注入时间稳定不变时，注入CCD势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速率Δn_∞成正比。而在单色光入射辐射时，入射光的光子流速率与入射光谱辐射通量的关系为

式中，h、v都是常数。

光注入电荷量与入射光谱幅通量Φ_eλ成线性关系。该线性关系是应用CCD检测光谱强度进行多通道光谱分析成像的理论基础。

（2）电荷存储

CCD的基本单元是由金属氧化物半导体（MOS）组成的电容器，如图2.36所示。

CCD中的MOS电容器的形成方法：CCD一般是以P型硅为衬底，在P型硅衬底上用氧化的办法生成一层厚度约为100～150nm的SiO₂绝缘层，再在SiO₂表面按一定层次沉淀或蒸镀一个金属电极，称为栅极。在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS电容器。

图2.36 CCD单元阵列结构示意图

在这种P型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。在栅极施加正偏压之前，P型硅半导体中多数载流子空穴的分布是均匀的。

当在栅极施加小于P型硅半导体的阈值电压的正偏压U_G后，空穴被排斥，产生耗尽区。

当偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸。

当栅极的正偏压大于P型硅半导体的阈值电压时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以至于将半导体内的少数载流子电子吸引到表面，形成一层极薄的但电荷浓度很高的反转层。耗尽层对带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，用半导体物理中的“势阱”概念描述，如图2.37所示。反转层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。

表面势与反转层电荷的浓度具有良好的反比例线性关系。吸引电荷相当于向井里注水。吸引的电荷越多，表面势缩小。耗尽层缩小。相当于势阱被注入后容量变小。其中单个像素所能存储的最大电荷量，称为满阱容量。

当光线照射MOS表面时，半导体产生电子空穴对，例如一个光子产生一个电子空穴对。电子空穴对中，电子被吸引到势阱中存储起来。这些存储的电荷与MOS所受的入射光强成正比。

图2.37 CCD势阱

（3）电荷转移

当完成对光敏单元阵列的扫描后，CCD将电荷按顺序转移读出。通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可使电荷在相邻的势阱间进行转移。通常把CCD的电极分为几组，每一组为一相，并施加同样的时钟脉冲。按相数划分，CCD一般可分为二相CCD、三相CCD及四相CCD。下面以三相CCD为例，介绍电荷转移过程。

图2.38为三相CCD中的4个彼此相邻的电极的情况。

图2.38 CCD（三相）中电荷的转移

如图2.38a所示初始时刻，电荷存储在偏压为10V的第一个电极下面的势阱中，其他电极上均加有大于阈值的较低电压（2V）。

经过t₁时刻后，各电极上的电压变为如图2.38b所示，第一个电极仍保持为10V，第二个电极上的电压由2V变到10V。因这两个电极靠得很近，间隔只有几微米，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在第一个电极下的电荷迅速向第二个电极转移，因而变为两个电极下势阱所共有，如图2.38c所示。

继续改变电极电压，第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中，如图2.38d、e所示。通过以上方法，电荷及势阱向右移动了一个位置。三相CCD的电荷转移必须在三相驱动脉冲的作用下才能完成，按一定的方向逐单元转移。图2.38f所示为三相驱动脉冲的波形图。

（4）电荷输出

电荷的输出是指在电荷转移通道的末端，将电荷信号转换为电压或电流信号输出。目前，CCD的输出方式主要有电流输出，浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。

变换成模拟信号之后再离散采样、A-D转换才转换成每个像素的数字量。

（5）图像传感器芯片

它是图像传感单元的集成器件，也是摄像机的核心器件，负责将通过滤色层的光信号转换成电信号。

衡量图像传感器芯片的技术指标包括像素数、尺寸、灵敏度和信噪比等。其中，像素数和尺寸是摄像机的两项重要指标。

像素数是指传感器芯片上感光单元数目。摄像机拍摄的画面由很多个小的像素组成。理论上讲，传感器的像素数和分辨率之间密切相关，像素数越多，拍摄的图像就会越清晰，如果没有足够的像素，拍摄的画面的清晰度会受到很大的影响。

传感器芯片是传感单元的集合体。在像素数相同的情况下，传感器尺寸（一般以传感器芯片对角线长度表示）越大，可以收集的光线越多。理论上说可以扩大视场并提高图像质量。

2.CCD摄像机的工作原理

CCD摄像机和图像采集卡共同完成对被摄物体图像的采集与数字化。CCD摄像机以其体积小巧、性能可靠、清晰度高而得到广泛应用。CCD摄像机由光学镜头、分色滤光片、CCD图像传感器芯片和摄像机内置处理电路组成。CCD摄像机工作原理如图2.39所示。

图2.39 CCD摄像机工作原理

场景景物反射的外来光或本身所发射光线，通过镜头光学系统在CCD图像传感器的靶面上成像，由CCD图像传感器完成光电转换。即将成像的光的强度信号变成对应的电信号，经内置处理电路，变换成摄像机输出的模拟视频信号。(www.chuimin.cn)

在外加工作电压（驱动脉冲电压）的驱动下，给CCD阵列加上时间序列转移信号，像素中生成的电荷就会一行行高速输出。再按照一定的规则组合，就会生成静止的光学图像。CCD图像传感器具有如下特点。

（1）高解析度

像素大小为μm级，每个像素的尺寸约为0.008mm×0.008mm，相当于人头发丝的1/10。而且每个像素都是相对独立的光电转换单元。

（2）高灵敏度

能探测光强很低的入射光。

（3）动态范围宽

不会因为入射光过强或过弱而导致信号出现很大的反差。

（4）光谱响应范围宽

能探测波长范围很宽的光，当然有响应最强的波段。

3.线阵CCD图像传感器

CCD感光单元（即MOS）有序排列成一线的传感器称作线阵CCD图像传感器。

为测量二维景物，一般用机械的方法，使被摄景物与线阵CCD图像传感器间产生相对移动。即线阵CCD摄像机一次只能获得图像的一行信息，被拍摄的物体每次必须以直线形式从摄像机前移过，才能获得完整图像。

在实际应用中，既可以通过保持线阵传感器不动目标物移动的方式来实现，也可以保持被摄物不动线阵传感器的移动的方式来实现。线阵CCD摄像机特别适合于对以一定速度匀速运动的物料流的检测。

线阵CCD图像传感器分辨率一般比面阵CCD图像传感器行分辨率高。

4.面阵CCD传感器

CCD感光单元有序排列成二维网状的传感器称作面阵CCD图像传感器。面阵CCD摄像机一次可以获得整幅完整的图像。

5.CCD摄像机的分类

CCD传感芯片靶面的尺寸有1/2in、1/3in、2/3in、1/4in等，是CCD靶面对角线的长度。而CCD的像素数决定显示图像的清晰程度和测量精度，像素越多，分辨率越高，图像细节越清晰准确。

（1）按性能不同划分

CCD摄像机的基本结构是某种CCD芯片与某种光学成像物镜的结合。按性能的不同，可以将它们分为标准视频幅面摄像机、高分辨率摄像机和静止视频画面摄像机。

1）标准视频幅面摄像机 满足大众需求，行间传输方式，输出标准视频信号，幅面统一。芯片长宽比为4∶3。芯片对角线尺度：1/2in的长宽为6.4mm×4.8mm；1/3in的长宽为4.9mm×3.7mm，像素间距5μm；少量为2/3in和1/4in。分辨率：水平分辨率为700像素左右，垂直分辨率为500像素左右。影像输出频率为25～30Hz。

2）高分辨率摄像机 主要用于科研和特殊需要，又称科研用电视摄像机或低速扫描摄像机。幅面为方形，分辨率高于1000×1000像素，如1024×1024像素、4096×4096像素。帧传输方式数据读出率很低，输出频率为50Hz左右。

3）静止视频画面照相机 俗称数码相机。按分辨率不同，分为低分辨率面阵照相机、中高分辨率面阵照相机、高分辨率扫描照相机。

（2）按成像色彩划分

1）彩色摄像机 适用于景物色彩的辨别，在亮度信息的基础上，彩色摄像机还原了色度及饱和度信息，相关信息更加丰富，是目前主流的摄像机。

2）黑白摄像机 黑白摄像机由于没有特定的彩色遮罩装置，其输出的是黑白图像。黑白图像因其仅携带黑白灰度信息，因此在表面纹理分析与目标图像识别方面不如彩色图像。黑白摄像机适用于光线不足，或者仅用于监视景物的位置和移动的场合，对低照度图像和运动物体的适应能力比彩色摄像机更高。

图像处理基本算法是基于图像灰度的，了解单通道的黑白图像处理有利于理解图像处理的一些算法。灰度图像处理的大部分算法均可直接移植用于彩色图像处理。这是因为经过色彩分解后的色度分量仍然是由灰度构成的像素集合。因此，大多数彩色图像算法都是灰度图像算法的扩展。

（3）按分辨率划分

摄像机分辨率是指图像上能够分辨清楚的像素点的个数和密度，通常数字摄像机用横向和纵向的像素数来表示。

传统的闭路电视摄像机的分辨率用电视线（TV LINES）来表示。摄像机图像的分辨率与传感器单元数、镜头分辨率和摄像机接口通道的频带宽度相联系。通常规律是1MHz的频带宽度相当于80线清晰度，频带越宽图像越清晰，线数值相对越大。彩色电视摄像机典型分辨率为330～500线，主要有330线、380线、420线、460线和500线等。工业监视用摄像机的分辨率通常为380～460线。广播级摄像机的分辨率则可达到700线左右。数字摄像机的分辨率与显示器相关，通常VGA的为640×480像素或者1024×768像素，最新的高清数字摄像机的分辨率可达到1280×720像素，甚至1920×1080像素。

图像传感器的像素数与分辨率密切相关，图像在38万像素以下为一般型，其中以25万像素（512×492像素）、分辨率为400线的产品最普遍。图像在38万像素以上为高分辨率型摄像机，在78万像素以上为超高分辨率摄像机。高分辨率摄像机是高精度视觉测量的必要条件。

（4）按光照度划分

摄像机所能接收的最小光照度，也称摄像机灵敏度，代表了摄像机中图像传感器对环境光线的敏感程度，或者传感器正常工作时所需的最暗光线。光照度单位是lux（勒克斯），其数值越小，摄像头越灵敏。最小光照度低于1lux的被称为低照度摄像机。一般认为：

1）普通型，正常工作所需光照度为1～3lux；

2）月光型，正常工作所需光照度为0.1lux；

3）星光型，又称低照度型，正常工作所需光照度为0.01lux以下；

4）红外型，采用红外灯照明，在没有可见光的情况下也可以成像。

（5）按传感器尺寸划分

常用的CCD图像传感器尺寸有1/2in、2/3in、1/3in、1/4in等，是指CCD图像传感器的对角线尺寸。在选用CCD摄像镜头时，特别是对视场角有比较严格要求时，CCD图像传感器的大小与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。不同CCD图像传感器所对应的靶面大小及对角线长度见表2.3。

表2.3 CCD图像传感器芯片尺寸及对应的靶面和对角线尺寸

（6）按扫描制式划分

传统的摄像机输出制式和电视机是兼容的，标准的彩色CCD摄像机输出的模拟信号可以按照扫描方式分为PAL制式和NTSC制式。PAL制式为隔行扫描，标准625行，50场，黑白为CCIR制式。NTSC制式为隔行扫描，标准525行、60场，黑白为EIA制式。

（7）按供电电源划分

工业控制用摄像机供电电源共有交流24V、110V、220V和直流9V、12V五类。NTSC制式的摄像机多采用交流110V供电。而PAL制式多采用交流220V供电。内部不带变压器或者电源适配器的则可能采用交流24V或直流9V、12V等几种供电方式。

（8）按同步方式划分

1）内同步 用摄像机内同步信号来实现同步跟踪。

2）外同步 用由外同步信号发生器生成的同步信号送入摄像机的外同步输入端口来实现同步跟踪。

3）功率同步 用摄像机50Hz或者60Hz的AC电源信号完成垂直同步扫描。

4）外VD同步 依靠摄像机信号电缆上的VD同步脉冲信号来实现同步跟踪。

5）多台摄像机外同步 使用同一固定外同步信号对多台摄像机实施同步扫描，使每台摄像机可以在同样条件下作业。这样即使其中一台摄像机转换瞄准对象，达到同步跟踪的摄像机，其画面也不会失真。