CCD传感器及其应用研究

    通常把感光部分的光敏二极管作成MOS形式，电极用多晶硅，多晶硅薄膜虽能透过光像。但是，它对蓝色光却有强烈的吸收作用，特别以荧光灯作光源应用时，传感器的蓝光波谱响应将变得极差。为了改善一情况，可在多晶硅电极上开设光窗。由于这种构造的传感器的光生信号电荷是在MOS电容器内生成、积蓄的，所以容量加大，动态范围也因此而大为扩展。图5是它的光谱响应特性。图中虚线表示只用多晶硅电极而未开设光窗的CCD的传感器特性;实线表示开设光窗形成的PD，信号电荷在MOS容器内积蓄的CCD传感器特性，显然，后者的蓝色光谱响应特性得到明显提高和改善，故称后者为高灵敏度线型固态图像传感器。

    固态图像传感器主要特性有:

    ①.调制传递函数MTF特性:固态图像传感器是由像素矩阵与相应转移部分组成的。固态的像素尽管己做得很小，并且其间隔也很微小，但是，这仍然是识别微小图像或再现图像细微部分的主要障碍。

    ②.输出饱和特性:当饱和曝光量以上的强光像照射到图像传感器上时，传感器的输出电压将出现饱和，这种现象称为输出饱和特性。产生输出饱和现象的根本原因是光敏二极管或MOS电容器仅能产生与积蓄一定极限的光生信号电荷所致。

    ③.暗输出特性:暗输出又称无照输出，系指无光像信号照射时，传感器仍有微小输出的特性，输出来源于暗〔无照)电流。

    ④.灵敏度:单位辐射照度产生的输出光电流表示固态图象传感器的灵敏度，它主要与固态图像传感器的像元大小有关。

    ⑥.弥散:饱和曝光量以上的过亮光像会在象素内产生与积蓄起过饱和信号电荷，这时，过饱和电荷便会从一个像素的势阱经过衬底扩散到相邻像素的势阱。这样，再生图像上不应该呈现某种亮度的地方反而呈现出亮度，这种情况称为弥散现象。

    ⑥.残像:对某像素扫描并读出其信号电荷之后，下一次扫描后读出信号仍受上次遗留信号电荷影响的现象叫残像。

    ⑦.等效噪声曝光量:产生与暗输出(电压)等值时的曝光量称为传感器的等效噪声曝光量。

    四、固态图像传感器的应用

    1、自动测量

    图6是用线型固态图像传感器测量物体尺寸的基本原理图。

    利用几何光学知识可以很容易推导出被测对象长度L与系统诸参数之间的关系为:

    因为固态图像传感器所感知的光像之光强，是被测对象与背景光强之差。因此，就具体测量技术而言，测量精度与两者比较基准值的选定有关，并取决于传感器像素数与透镜视场的比值。为提高测量精度应当选用像素多的传感器并且应当尽量缩短视场。

    图7是尺寸测量的一个实例，所测对象为热轧板宽度。因为两只CCD线型传感器各只测量板端的一部分，这就相当于缩短了视场。当要求更高的测量精度时，可同时并用多个传感器取其平均值，也可以根据所测板宽的变化。将d做成可调的形式。

    图7中所示CCD传感器是用来摄取激光器在板上的反射光像的，其输出信号用来补偿由于板厚度变化而造成的测量误差。整个系统由微处理机控制，这样可做到在线实时检测热轧板宽度。对于2m宽的热轧板，最终测量精度可达10.025%。工件伤痕及表面污垢测试检测原理基本上同于尺寸测量方法。

    2、图像识别

    (1)传真技术

    用线型固态图像传感器作传真装置的输入环节，与通常用的机械扫描或电管式的相比，有许多优点，如机械转动部分少、可靠性好、速度快、而且体积小、重量轻。

    图8是传真装置的输入环节示意图，光源是荧光灯，为使入射光量可调，可设置活动覆盖窗。

    (2)光学文字识别装置

    固态图像传感器还可用作光学文字识别装置的“读取头”。光学文字识别装置(OCR)的光源可用卤素灯。光源与透镜间设置红外滤光片以消除红外光影响。每次扫描时间为300Ns，因此，可作到高速文字识别。图9是OCR的原理图。经A/D变换后的二进制信号通过特别滤光片后，文字更加清晰。下一步骤是把文字逐个断切出来。以上处理称为“前处理”。前处理后，以固定方式对各个文字进行特征抽取。

    最后，将抽取所得特征与预先置入的诸文字特征相比较以判断与识别输入的文字。

    3、在线检查、识别与控制

    CCD光电传感器的光电检测能力与微处理器〔NP)的信号处理能力结合起来便能大大扩展CCD的应用前景，例如用来对在线零件的图形检查与识别，从而提高了生产自动化的水平和产品质量。图10是一个线型CCD光电传感器对机械零件进行图形识别的例子。

    被测物是一个轴类零件，它在传输线上作等速运动。在光源的照射下，它的阴影依次扫过光电阵列，从而使传感器输出与阴影相对应的信号。将CCD输出的信号与传输线的运动速度信息同时输入微型计算机(NC)，根据输入信号进行处理和编译，然后再与”C中内存的标准图形信息进行比较，便可以计算出偏差信息，并由NC依据偏差大小作出判断后，发出指令对零件进行接收或剔除。CCD光电传感器和NC的配合目前已用来识别大规模集成电路(LSI)电路的焊点图案，不仅提高了自动化程度Izll，也使LSI电路的成品率大大提高。

    五、结语

    本文分析了固态图像传感器的工作原理、结构、特性以及在工业检测中的原理，从而说明了固态图像传感器当前在工业中的应用现状，由于固态图像传感器是一种高精度的检测传感器，其应用已渗透到工业生产的各部门，尤其在精细加工、机器人技术、工业自动化领域中有着广泛的应用，为我国国民经济发展起了重大作用。相信随着固态图像传感器制作技术的提高及图像处理软件的进一步发展，固态图像传感器的应用前景将更为广阔。