毕业论文《光电传感器技术的新发展及应用》(4)

第三章 CCD传感器 12

图13 电荷转移过程

三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图13（b）。CCD电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图13(b)采用电注入方式。当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）；当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）；当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中（t=t2）。然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势阱（t=t3），以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。

3.1.2．线型CCD图像传感器

线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅,如图14(a)所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合

第三章 CCD传感器 13

移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。

目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图14（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。

图14 线性CCD图像传感器

3.1.3．面型CCD图像传感器

面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图15所示。

图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。

第三章 CCD传感器 14

图15 面型CCD图像传感器结构

(a) 线转移型； (b) 帧转移型； (c) 隔离转移型

线转移面型CCD的结构：由行扫描发生器、感光区和输出寄存器等组成。 行扫描发生器将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，驱动脉冲将信号电荷一位位地按箭头方向转移，并移入输出寄存器， 输出寄存器亦在驱动脉冲的作用下使信号电荷经输出端输出。

特点：有效光敏面积大，转移速度快，转移效率高等，但电路比较复杂， 易引起图像模糊。

图(b)是帧转移面型CCD的结构：由光敏元面阵（感光区）、存储器面阵和输出移位寄存器三部分构成。

图像成像到光敏元面阵，当光敏元的某一相电极加有适当的偏压时，光生电荷将收集到这些光敏元的势阱里，光学图像变成电荷包图像。 当光积分周期结束时，信号电荷迅速转移到存储器面阵， 经输出端输出一帧信息。当整帧视频信号自存储器面阵移出后，就开始下一帧信号的形成。

特点：是结构简单，光敏单元密度高， 但增加了存储区。

图(c)是隔离转移面型CCD的结构：将光敏单元与垂直转移寄存器交替排列。 在光积分期间，光生电荷存储在感光区光敏单元的势阱里；当光积分时间结束，转移栅的电位由低变高， 信号电荷进入垂直转移寄存器中。随后，一次一行地移动到输出移位寄存器中，然后移位到输出器件，在输出端得到与光学图像对

第三章 CCD传感器 15

应的一行行视频信号。

特点：感光单元面积减小， 图像清晰， 但单元设计复杂。

3.2 CCD图像传感器应用

3.2.1 工件尺寸检测

CCD图像传感器在许多领域内获得了广泛的应用。前面介绍的电荷耦合器件(CCD)具有将光像转换为电荷分布，以及电荷的存储和转移等功能，所以它是构成CCD固态图像传感器的主要光敏器件，取代了摄像装置中的光学扫描系统或电子束扫描系统。

CCD图像传感器具有高分辨率和高灵敏度，具有较宽的动态范围，这些特点决定了它可以广泛应用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。CCD图像传感器在检测物体的位置、工件尺寸的精确测量及工件缺陷的检测方面有独到之处。下面是一个利用CCD图像传感器进行工件尺寸检测的例子。

应用线型CCD图像传感器测量物体尺寸系统。物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，视频处理器对输出的视频信号进行存储和数据处理， 整个过程由微机控制完成。根据光学几何原理，可以推导被测物体尺寸的计算公式，

即

D?npM式中： n——覆盖的光敏像素数； p——像素间距； M——倍率。 微机可对多次测量求平均值，精确得到被测物体的尺寸。 任何能够用光学成像的零件都可以用这种方法，实现不接触的在线自动检测的目的。

图16 CCD图像传感器工件尺寸检测系统

第三章 CCD传感器 16

3.2.2 CCD传感器在公共交通上的应用

目前，在公共交通中方面大量采用CCD传感器，对马路进行监测，对违章车辆进行拍照处理。一般车辆在被拍照后会传至指挥中心。指挥中心收到图片，会将车牌号信息与车管所信息相比对，从而调出车辆的综合信息，如车主、车型、颜色等，然后由信息处理人员录入北京市公安交通管理局网站， 以使违章车主能够进行查询。这样的麻烦事增加了管理人员的工作量。采用先进的CCD传感器对拍到的图片进行智能处理，通过某种算法，使CCD传感器能够智能的识别车牌号码，这样将大大减少管理人员的工作量。

这里一种方法是直接利用传感器后续处理的算法，建立一个数字、字符的像素字符库，把拍摄到的图像与该字符库中的图片进行对比，通过某种算法来确定具体的车牌号。

另一种方法则是更改硬件的方法，对车牌号的数字进行特殊处理，比如不同数字运用不同颜色，这样CCD拍摄到的图像信息的灰度的值将会有一定的差异，通过这个差异来确定具体的号码。还有就是利用其他设备辅助CCD，在不同数字符号上加入特殊的化学元素，利用红外来感应这些元素，以确定车牌号码。

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