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　　CCD(电荷耦合器件)，一种特殊的半导体，现在被用来作为图像传感器的同义词。 　　

　　

　　CCD是当今图像传感器的主流技术，也是最成熟、应用最广泛的可见光图像传感器。凭借宽光谱响应、大动态范围、高灵敏度和几何精度、低噪声、高分辨率、易于数字化和与计算机连接等优点，其应用领域不断扩大，在工业测控中也得到了广泛应用。 　　

　　

　　 　　

　　

　　CCD工业相机 　　

　　

　　一、CCD的工作原理1、CCD图像传感器由三层组成： 　　

　　

　　第一层：微透镜片； 　　

　　

　　第二层：二向色透镜； 　　

　　

　　第三层：感光、存储和电荷转移(CCD)层。 　　

　　

　　 　　

　　

　　2、CCD工作的基本原理： 　　

　　

　　CCD的感光面是几个独立的光刻单元的集合，可以存储光或电激发产生的信号电荷。当施加特定定时的脉冲时，存储的信号电荷可以在CCD中定向传输并输出电信号。 　　

　　

　　 　　

　　

　　3、CCD的物理结构 　　

　　

　　有两种基本类型的CCD:表面(通道)CCD(SCCD)和掩埋通道CCD(BCCD)。 　　

　　

　　首先，通过光刻将半导体衬底分成行和列的矩阵。 　　

　　

　　每个单元为一个像素单元，在每个像素单元中，制作感光区(光电二极管)、电荷存储区、电荷转移区、利于漏极的沟槽、电极等。 　　

　　

　　 　　

　　

　　每个单元对应一个像素，包含光电二极管、开关厂效应管、转移存储器、有益流动通道和像素间转移丘等。所以感光面约占每个像素面积的1/2，增加感光面积非常重要，因为感光面积越大，光电二极管收集的光越多，成像质量越高。但是感光区并不能让所有面对光线入射的地方都成为有效感光部分。真正的感光部分的面积只有感光区域面对光入射的那部分的60%-90%，也就是所谓的开口率，但是每个像素的面积是有限的。目前的解决办法是在每个感光区域前面加一个光学镜头，增加受光面积，这是CCD上的第一层微透镜，这样感光区域就由微透镜决定了，效果很好。 　　

　　

　　4、三种典型图像CCD的电荷转移方式 　　

　　

　　 　　

　　

　　帧转移型 　　

　　

　　 　　

　　

　　行间转移型 　　

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行帧转移型

二、CCD的特点

1、高解析度（High Resolution）：像点的大小为m级，可感测及识别精细物体，提高影像品质，从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到现在的1/9寸，像素数目已从初期的10万多增加的千万像素，以后还有急需增加的趋势。

2、低噪声（Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的读出噪声和暗电流噪声，因此有比较高的信噪比（SNR），同时具有高敏感度0.0003、0.00056LUX甚至0LUX低光度的入射光也能检测到，其信号不会被噪声掩盖，所以CCD的应用基本不受气候限制。

3、动态范围广（High Dynamic Range）：通过数字处理的CCD信号，其动态范围可达到400%，专业级可达到600%，可同时适用于强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。

4、良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源强度和输出信号大小成良好的正比关系，能很好地反应被摄图像的细节层次，降低信号补偿处理成本。

5、光子转换效率高（High Quantum Efficiency）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影响增强管及投光器，即使在黑夜远处的景物也能拍摄到。

6、大面积感光（Large Field of View）：利用半导体技术已可制造大面积的D晶片，目前于传统胶片尺寸相当的35mm的晶片已经开始应用在数码相机中，成为取代专业光学相机的关键元件。

7、光谱响应广：从0.4~1.1μm，能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域；根据不同应用场合，需用滤色片或复合滤色片；

8、低影像失真：使用CCD感测器，其图像处理不会有失真的情形，使原物体表面信息忠实的反应出来；

9、体积小、重量轻：CCD具备体积小且重量轻的特性，应用广泛；

10、低耗能，不受强电磁场影响；

11、电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变模糊；

12、可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。有些烧坏的CCD像素，经过一段时间的带电工作后能自我恢复。

三、CCD在工业检测领域的应用

1、可用于对象几何量的测量。几何量参数包括：长、宽、液位、面积等等都可以用CCD传感器技术来测量。另外，其它如进行多尺寸的检测和检查包装的尺寸、形状、商标位置与方向是否准确等许多场合也都可以采用CCD技术。

2、在线模式识别。如识别沿自动化生产线传送的分布离散物件或产品、检测零件的有无、装备在机器人上作为视觉系统、以及设备安装是否符合要求、位置是否准确等。

3、物体表面自动检测。工业生产中，表面状况是物体质量的一个重要因素，采用CCD技术对物体表面状况进行高精度的检测，不仅可以省略以往光学机构扫描法中的运动部件，而且检测色度高，系统结构小，能自动显示或记录被检测物体的表面状态等。因而可应用于工业生产中进行检测金属板、塑料、玻璃、纺织等物品的表面缺陷。

4、加工过程检测。因为CCD具有高速读出能力，因而也可以用于加工业过程中的检测，如机床加工中的位置测定是闭环控制不可缺少的一个环节，应用CCD技术能够实现加工设备位置高精度的实时控制。