百家ｉ仑坛ｌ 云南币２０］１年第３斗技管理 期 固态图像传感器的作用及实际应用 刘云仙 （昆明市五华区新闻中心。云南昆明６５００２１） 摘要：图像传感器是利用光电器件的光一电转换功能。将其感光面上的光像转为与光像比例关系的电信号“图像” 的一种功能器件。光导摄像管就是一种图像传感器，而固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单 位与移位寄存器构成的集气化，功能化的光电器。光敏单元简称为“像素”或“像点”，它们本身在空间上，电器上是彼 此独立的。同态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即 将光强的空间分布转换为与光强成比例的，大小不等的电荷包空间分布。然后利用移位寄存器的功能将这些电荷包 在时钟脉冲控制下实现读取与输出，形成一系列幅值不等的时序脉冲序列。 关键词：图像传感器；转换；图像；光敏；空间 中图分类号：ＴＰ ２１２．９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４一ｌ１６８（２０１１）０３—００７２—０３ １概述 掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动， 进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。如果所转移 的信号电荷是由光像照射产生的，则ＣＣＤ具备图像 传感器的功能。若所转移的电荷通过外界注入方式得 图像传感器是利用光电器件的光一电转换功能， 将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系 的电信号“图像”的一种功能器件。光导摄像管就是一 种图像传感器。 到的，则ＣＣＤ还可以具备延时、信号处理、数据存储 以及逻辑运算等功能。电荷耦合器件ＣＣＤ的基本原 理与金属一氧化物一硅（ＭＯＳ）电容器的物理机理密 切相关。 而固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布 设的若干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能 化的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像点”，它 们本身在空间上、电气上是彼此独立的。固态图像传 感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单 ３传感器分类、结构及特性 从使用观点，可将固态图像传感器分为线型和面型 固态传感器两类。根据所用的敏感器件不同，又可分为 元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空 间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空 ＣＣＤ，ＭＯＳ线型传感器以及ＣＣＤ，ＭＯＳ面型传感器等。 线型固态图像传感器主要用于测试、传真和光学 间分布。然后利用移位寄存器的功能将这些电荷包在 时钟脉冲控制下实现读取与输出，形成一系列幅值不 文字识别技术等方面。面型固态图像传感器的发展方 向主要用作磁带录像的小型照相机。本节主要介绍线 型ＣＣＤ传感器。 等的时序脉冲序列。 ２电荷耦合器件及工作原理 电荷耦合器件（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ，简称 ３．１线型固态图像传感器的结构 线型固态图像传感器的结构，其感光部是光敏二 ＣＣＤ），是固态图像传感器的敏感器件，与普通的 ＭＯＳ、ＴＴＬ等电路一样，属于一种集成电路，但ＣＣＤ 具有光电转换、信号储存、转移（传输）、输出、处理以 及电子快门等多种独特功能。 电荷耦合器件ＣＣＤ的基本原理是在一系列 ＭＯＳ电容器金属电极上，加以适当的脉冲电压，排斥 收稿Ｅ１期：２０１１—０５—１０ 极管线阵列，１ ７２８个ＰＤ作为感光像素位于传感器中 央，两侧设置ＣＣＤ转换寄存器。寄存上面覆以遮光 物。奇数号位的ＰＤ的信号电荷移住下侧的转移寄存 器；偶数号位则往上侧的转移寄存器。 以另外的信号驱动ＣＣＤ转移寄存器，把信号电 ７２ １ ２０ １ １年第期罢３ Ｉ百家论坛 －ｕ／Ｊ、 ｕ Ｍ＾ 荷经共公输出端，光敏二极管ＰＤ上依次读出。 ３．２固态图像传感器主要特征 定了它可以广泛用于自动控制和自动测量，尤其是适 用于图像识别技术。 ４．１尺寸测量 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。固态像素尽管已 做得很小，并且其间隔也很微／Ｊ、，但是，这仍然是识别 因为固态图像传感器所感知的光像这光强，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 微／Ｊ、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 感器像素数与透镜视场的比值。为提高测量精度应当 射到图像传感器上时， 传感器的输出电压将出现饱 选用像素多的传感器并且应当尽量缩短视场。 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Ｍ０Ｓ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 上 ■ 特性，输出来源于暗（无 照）电流。 ｜＿．■囊轧镥ｔ ４－）灵敏度。单位辐 （－） 五曩 ＋．二‘ 射照度产生的输出光电 （ａ）基本构成： （一｜Ｉ） 流表示固态图像传感器 （ｂ）原理 图１热扎板宽自动测量原理 的灵敏度。 ５）弥散。饱和曝光量以上的过亮光像会在象素内 图Ｉ是尺寸测量的一个实例，所测对象为热轧板 产生与积蓄起饱和信号电荷，这时，过饱和电荷便会 宽度。图（ａ）是测量用传感器及其相关系统的构成，图 从一个像素的势阱经过衬底扩散到相邻像素的势阱。 （ｂ）是测量原理。因为两只ＣＣＤ线型传感器各只一板 这样，再生图像上不应该呈现某种亮度的地方反而呈 端的～部分，这就相当于缩短了视场。当要求更高的 现出亮度，这种情况称为弥散现象。 测量精度时，可同时并用多个传感器取其平均值，也 ６）残像。以某种像素扫描并读出信号电：茼之后， 可以根据所测板宽的变化。将ｂ做成可调的形式。 下一次扫描后读出信号仍受上次遗留信号电荷影响 图１中所示ＣＣＤ传感器３是用来摄取激光器在 的现象叫残像。 板上的反射光像的，其输出信号用来补偿由于板厚度 ７）等效噪声曝光量。产生与暗输（电压）等值时的 变化而造成的测量误差。 曝光量称为传感器的等效噪声曝光量。 整个系统由微处理机控制，这样可做到在线实时 ４固态图像传感器的实际应用 检测热轧板宽度，对于２ｍ宽的热轧板，最终测量精 固态图像传感器虽然是极小型的固态集成器件， 度可达－ｔ－０．０２５％。 但却同时具备光生电荷以及积蓄和转移的综合多功 ４．２工件伤痕及表面污垢测试 能。由于取消了光学扫描系统或电子束扫描，所以在 工件伤痕或表面污垢往往用肉眼难以发现，所 很大的程度上降低了再生图像的失真。这些特色就决 以，光像照射到工件表面后的输出与合格工件的输出 ＹＵＮＮＡＮＫＥＪＩＧＵＡＮＬＩ ７３ 百家论坛Ｉ 云南 ２０１１年第３斗技管理 期 之间的差值往往是极微／Ｊ、的；又由于传感器诸像素 ＣＣＤ光电传感器的光电检测能力与微处理器 （ｕｐ）的信号处理能力结合起来便能大大扩展ＣＣＤ的 输出的不均匀性，这就更给测量带来特殊困难。一般 的解决方法是预先将传感器的“输出均匀度特性”输 入给微处理机的存储器。然后再将实测所得值与其 相比较。 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２是一 个线型ＣＣＤ光电传感器对机械零件进行图形识别的 工件表面微细伤痕及污垢检测的另一种方法，是 利用伤痕或污垢处的输出与传感器邻近像素输出间 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 的差值判断伤痕及污垢的大小。这种方法的优点在于 能够剔除背景光量变化对测量结果造成的影响。 采用这种方法时，必须将传感器的输出进行采样 保持，待变换为连续输出之后再输入微分电路最终取 出输出量的变化。 ４．３传真技术 从而使传感器输出与影相对应的信号。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（ｕｃ），根据输入信号进行处理和编译，然后再与ｕＣ 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ｕＣ依据偏差大小作出判断后，发现指令对 零件进行接收或剔除。 图２图形检查的工作原理 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 ＣＣＤ光电传感器和ｕＣ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，也使ＬＳｆ电路的成品率大大提高。 参考文献： …王元庆．新型传感器原理及应用［Ｍ１．ｊＥ京：机械工业出版社，２００２． ｆ２侧迎春，叶湘滨．传感器原理设计与应用ｌＭｌ１．长沙：国防科技大学 出版社，２，００２． 械转动部分少，可靠性好，速度快，而且体积小，重量轻。 ４．４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线滤光片以消除红外光影响。每 次扫描时间为３００ｕｓ，因此，可作到高速文字识别。 ４．５图形的检查与识别 ［３ 经燕．测试技术及计算［Ｍ］．广州：华南理工大学出版社，２００１． ｆ４】洪水棕．现停业测试技术【Ｍ］．上海：上海交通大学出版社，２００２． Ｉ５】蔡文贵．ＣＣＤ技术应用ｌＭ］．北京：电子工业出版社，１９９２． ７４ １