视觉检测专题
教 师：郭大勇 博士
2002年 3月 11日
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
? 检测的定义
? 检测的分类
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
视觉检测专题
视觉检测的基础
? 视觉检测的技术基础
? 视觉检测的主要方式
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
电荷耦合器件（ CCD）
? MOS电容的特性
1,结构
2,热平衡态特性
3,非平衡态特性
? CCD的工作原理
1、定向转移
2、三相 N沟 CCD工作原理
3、线列 CCD的工作原理
4、面阵 CCD的工作原理
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
预备知识 ——能带理论
? 原子能级与晶体能带
能级（ Enegy Level）：在孤立原子中，原子核外的电子
按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳
层上的电子具有分立
的能量值，也就是电子
按能级分布。为简明起
见，在表示能量高低的
图上，用一条条高低不
同的水平线表示电子的
能级，此图称为电子能
级图。
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预备知识 ——能带理论
? 能带（ Enegy Band）
晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅
为例，每立方厘米的体积内有 5× 1022个原子，原子之间的最短距离
为 0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不
再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可
能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有
化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此
相对应的能级扩展为能带。
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预备知识 ——能带理论
电子共有化，能级扩展为能带示意图
a) 单个原子 b) N个原子
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预备知识 ——能带理论
? 禁带（ Forbidden Band）：允许被电子占据的能带称为允许带，允
许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中
的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的
允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的
能带称为空带。
? 价带（ Valence Band）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电
子能级相对应的能带称为价带。
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预备知识 ——能带理论
? 导带（ Conduction Band）：价带以上能量最低的允许带称为导
带。
? 导带的底能级表示为 Ec，价带的顶能级表示为 Ev,Ec与 Ev之间的
能量间隔称为禁带 Eg。
绝缘体、半导体、金属的能带图
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预备知识 ——能带理论
? 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）
来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自
由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴
。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同
，从而有不同的导电性。例如，绝缘材料 SiO2的 Eg约为 5.2eV
，导带中电子极少，所以导电性不好，电阻率大于 1012Ω·cm
。半导体 Si的 Eg约为 1.1eV，导带中有一定数目的电子，从而
有一定的导电性，电阻率为 10-3— 1012Ω·cm。金属的导带与价
带有一定程度的重合,Eg=0，价电子可以在金属中自由运动
，所以导电性好，电阻率为 10-6— 10-3Ω·cm。
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预备知识 ——能带理论
? 本征半导体与杂质半导体
现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备，半
导体材料大多为晶体（晶体中原子有序排列，非晶体中原子无
序排列。）晶体分为单晶与多晶,
1、单晶 —— 在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列 。
2、多晶 —— 只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶
粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开 。
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预备知识 ——能带理论
? 本征半导体,
结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。例如纯净的
硅称为本征硅。本征硅中，自由电子和空穴都是由于共价键破
裂而产生的，所以电子浓度 n等于空穴浓度 p，并称之为本征
载流子浓度 ni,ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减
小，室温下硅的 ni约为 1010/cm3。
? 杂质半导体,
半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体，杂质对
半导体导电性能影响很大。在技术上通常用控制杂质含量（即
掺杂）来控制半导体导电特性。
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预备知识 ——能带理论
? N型半导体,
在四价原子硅（ Si）晶体中掺入五价原子，例如磷（ P）
或砷（ As），形成 N型半导体。在晶格中某个硅原子被磷原子
所替代，五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键
，而多余一个电子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上电
子所受束缚力小得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带
上形成自由电子。易释放电子的原子称为施主，施主束缚电子
的能量状态称为施主能级 ED。 ED位于禁带中，较靠近材料的
导带底。 ED与 Ec间的能量差称为施主电离能。 N型半导体由施
主控制材料导电性。
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预备知识 ——能带理论
杂质硅的原子图象和能带图
a) N型半导体 b) P型半导体
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预备知识 ——能带理论
? P型半导体,
在四价原子硅（ Si）晶体中掺入三价原子，例如硼（ B）
，形成 P型半导体。晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原
子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键，
形成八个电子的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶
体中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子外层多了一个电子
变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。容易获取电子的原子称
为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级 EA，也位于
禁带中。在价带顶 Ev附近,EA与 Ev间能量差称为受主电离能
。 P型半导体由受主控制材料导电性。
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预备知识 ——能带理论
? 热平衡态下的载流子
在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自
由电子和空穴是由热激发产生的。电子从不断热振动的晶体中
获得一定的能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子，同时在
价带中出现自由空穴。在热激发同时，电子也从高能量的量子
态跃迁到低能量的量子状态，向晶格放出能量，这就是载流子
的复合。在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为
热平衡状态，此时载流子浓度即为某一稳定值。
热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一
是在能带中能态（或能级）的分布，二是这些能态中每一个能
态可能被电子占据的概率。
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预备知识 ——能带理论
? 非平衡态下的载流子
半导体在外界条件有变化（如受光照、外电场作用、温
度变化）时，载流子浓度要随之发生变化，此时系统的状态称
为非热平衡态。载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量称为
非平衡载流子。
电注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热平
衡受到破坏。
光注入：光注入下产生非平衡载流子表现为价带中的电
子吸收了光子能量从价带跃迁到导带，同时在价带中留下等量
的空穴 。
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预备知识 ——能带理论
? 输入电路是连接光电器件和电信号放大器的中间环节，它的基
本作用是为光电器件提供正常的电路工作条件，进行电参量的
变换（例如将电流和电阻转换为电压），同时完成和前置放大
器的电路匹配。输入电路的设计应根据电信号的性质、大小，
光学的和器件的噪声电平等初始条件以及输出电平和通频带等
技术要求来确定电路的连接形式和工作参数，保证光电器件和
后级电路最佳的工作状态，并最终使整个检测电路满足下列技
术要求：灵敏的光电转换能力,快速的动态响应能力,最佳
的信号检测能力,长期工作的稳定性和可靠性 。
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MOS电容的结构
? CCD是由按照一定规律排列的 MIS（金属－绝缘体－半导体）
电容阵列组成的。对于 Si-CCD，绝缘体就是硅的氧化物，因
而常称为 MOS结构。其中金属为 MOS结构的上电极，称为“
栅极”；半导体作为底电极，俗称“衬底”。两电极之间夹层
绝缘体构成电容，所以常称 MOS电容。这种电容器具有一般
电容器所没有的一些特性,CCD的工作原理即基于这些特性
,
1、热平衡态特性
2、非平衡态特性
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MOS电容结构图
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MOS电容的热平衡态特性
? 半导体的能带
代表电子的能
量。半导体内
的能带结构如
图,
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MOS电容的热平衡态特性
? 热平衡条件下，整个系统都具有同一的 EF。然而表
面的存在影响了靠近表面的电子的运动，从而影响
了表面附近的能带结构。
1、体内原子与自由表面原子的差异
2、表面的电荷吸附
3、局域化电子能级
所有这些电荷总的效果等于是在半导体表面施
加一电场，使得体内接近界面处的电子能带发生变
化，从而使得表面层内的电荷重新分布。
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MOS电容的热平衡态特性
? 根据界面上以及氧化层内有效电荷的不同半导体表
面可分为,
1、积累层 —— 负电荷
2、耗尽层 —— 正电荷
3、反型层 —— 外加正电压
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MOS电容的热平衡特性
? 半导体表面上和绝缘层中都可能有电荷存在，但各
种电荷对表面层内载流子的运动有不同的作用。在
半导体与绝缘体的界面上有许多电子局域态，这些
能态可作为载流子的复合中心。根据这些能态对载
流子运动的影响不同可以将他们分为快态与慢态。
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MOS电容的非平衡态特性
? 以 P型半导体为例，考虑外电场加到 MOS电容的瞬时状态：电
源正极接栅极，负极接底级，当电压足够大时使得半导体近界
面处的能带下弯进入反型层，即近界面有一层 N型导电层。在
电压加到电容器的瞬间，金属电极上即感应生成负电荷,
半导体中只有多数载流子－空穴能跟上这个变化，少数载流子
－电子的变化取决于产生复合过程，在介电驰豫时间内不会发
生变化，因此有 N个空穴从半导体近界面的表面层流向体内，
体内则有同样数目的空穴流向底电极，保持体内的电中型。而
近界面层内留下了同样数目的 离子，这时的能带结构如下
图 (a)所示。外界电压大部分降落在半导体的空间电荷层内（
Vs），只有一小部分（ V0）降落在绝缘层上。这时，近界面
虽是强反型层，但电子尚没有产生，实质上是空的电子势阱。
上述状态是一个非平衡态。
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nQ?
?AN
MOS电容在外加电压下表面附近的 能带结构
(a) (b)
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MOS电容的非平衡态特性
? 在非平衡态后，快态可能产生电子－空穴对，体内
也由于热激发而产生电子－空穴对。产生出来的电
子将由于电场作用进入势阱，空穴则被赶入体内。
势阱内的电子增加将使该处的能带抬高，最后恢复
到热平衡状态，如上图 (b)。从平衡态的建立到达到
热平衡所需的时间，称为存储时间
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CCD的工作原理
? CCD工作的主要基础就是 MOS电容的非平衡态，在
这个状态下，势阱可用来存储信号电荷，也可以用
来使信号电荷从一个势阱转移到另一个势阱内。在
一定条件下，势阱的深度随着其中的电荷量的增加
而线性地下降,CCD利用这个特性把信号电荷从一
个因带有这些电荷而变浅了的势阱中，驱入相邻的
尚未变浅的深势阱中。
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CCD的工作原理
势阱图
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CCD的工作原理
CCD单元与线阵列结构的示意图
a) CCD单元 b) CCD线阵列
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CCD的工作原理
CCD单元部分，就是一个由金属 -氧化物 -半导
体组成的电容器，简称 MOS（ Metal -Oxide -
Semiconductor）结构。如果衬底接地，突然给金
属极板加一个正的电压 UG（栅极电压），则金属极
板和衬底之间就会产生一个电场。这个电场就要迫
使半导体表面部分的空穴离开表面入地，从而在表
面附近形成一个带负电荷的耗尽区，这个耗尽区也
称为表面势阱。表面势阱的深度，近似地与极板上
所加的电压成正比（在形成反型层之前）。这时，
电子在表面处的势能为 Ep＝－ qUs，其中的 Us称为
表面势，即半导体表面对于衬底的电势差。如果以
某种方式（电注入或光注入）向势阱中注入电子，
则这些电子将要聚集于表面附近，称为电荷包。
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CCD的工作原理
? 电荷包的存储
因为每个 CCD单元都是一个电容器，所以它能
储存电荷。但是，当有电荷包注入时，势阱深度将
随之变浅，因为它始终要保持极板上的正电荷总量
恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和。每个极
板下的势阱中所能储存的最大信息电荷量 Q为
Q＝ CoxUG
Cox：单位面积氧化层的电容
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CCD的工作原理
? 定向转移
MOS电容阵列构成的 CCD器件具有存储与转移
信息电荷的能力，为了实现 CCD中信号电荷的转移
。首先必须使 MOS电容阵列的排列足够紧密，以致
相邻 MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。通常
MOS电容电极间的间隙必须小于 3微米。其次，根
据加在 MOS电容上的电压愈高，产生的势阱愈深的
原理，通过控制相邻 MOS电容栅极电压高低来调节
势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深
处。
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CCD的工作原理
在 CCD中电荷的转移必须按照确定方向，因此
，在 MOS阵列上所加的多路电压脉冲－时钟脉冲。
必须严格满足相位要求，使得任何时刻，势阱变化
总是朝着一个方向。比如：电荷是向右转移，则任
何时刻，当存在信号的势阱抬起时，在它右边的势
阱总比它左边的深。为了实现这种转移，在 CCD的
MOS阵列上划分成以几个相邻电容为一单元的无限
循环结构，每一个单元称为一位，将每一位中对应
位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共
同电极称为相线。
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CCD的工作原理
显然，一位 CCD中包含的电容个数即为 CCD的
相数，每相电极连接的电容个数一般来说即为 CCD
的位数，通常 CCD有二相、三相、四相等结构。
在 CCD中电荷的转移除了有确定的方向外，还
必须沿着确定路线。所以，工艺上要考虑沟道与沟
阻。电荷转移的通道称为沟道，限定沟道的部分称
为沟阻。所以 CCD器件又有 N沟与 P沟的区别 。
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CCD的工作原理
? 三相 N沟 CCD工作原理
为了理解 CCD中势阱及电荷如何从一个位置转移到另
一个位置，可观察如下图所示的 CCD中四个彼此靠得很近
的电极。
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三相 CCD势阱及电荷移动图
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CCD的工作原理
三相 CCD的电荷包的转移过程
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CCD的工作原理
? CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称
和势阱耦合引起的。将线阵列各极板分为三组，然
后分别加以相位不同的时钟脉冲驱动，这即是所谓
的三相 CCD。这时，由于同一时刻三相脉冲的电平
不同，各极板下面所造成的势阱深度也就不同。从
而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能
低的地方流动。三相 CCD的时钟波形刚好互相错开
T/3周期，因此时钟电压波形每变化 T/3周期，电荷
包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移
过三个极板。
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CCD的工作原理
? 二相 CCD的电荷转移
对于二相 CCD，时钟
电压波形每变化 T/2,
电荷包将转移过一个
极板，每变化一个周
期，则转移过二个极
板。由此可见,CCD
具有移位寄存器的功
能。
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CCD摄像器件
? 实用固体摄象器件都是在一块硅片上同时制作出光
电二极管阵列和 CCD移位寄存器两部分。光电二极
管阵列专门用来完成光电变换和光积分,CCD移位
寄存器专门用来完成光生电荷转移。因为这种转移
不是借助于外来的扫描，而是依靠驱动脉冲来完成
的，故也称为自扫描。根据光敏象素的排列方式，
CCD摄象器件分为线阵列和面阵列两大类。
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线阵 CCD的工作原理
线阵列固体摄象器件基本结构简图
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线阵 CCD的工作原理
? 对于线阵列 CCD摄象器件来说，不论是三相的还是
二相的，都有单侧传输和双侧传输两种结构形式。
单侧传输的特点是结构简单，但电荷包转移所经过
的极板数多，传输效率低。双侧传输的特点是结构
复杂一些，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧
传输的一半，所以损耗小，传输效率高。一般光敏
元位数少的片子，多采用单侧传输结构，而位数多
的片子，则多采用双侧传输结构。
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线阵 CCD的工作原理
? 光电二极管阵列和 CCD移位寄存器统一集成在一块
半导体硅片上，分别由不同的脉冲驱动。设衬底为
P－ Si，光电二极管阵列中各单元彼此被 SiO2隔离
开，排成一行，每个光电二极管即为一个象素。各
光电二极管的光电变换作用和光生电荷的存储作用
，与分立元件时的原理相同。如图中 Φp（行扫描电
压）为高电平时，各光电二极管为反偏置，光生的
电子空穴对中的空穴被 PN结的内电场推斥，通过衬
底入地，而电子则积存于 PN结的耗尽区中。在入射
光的持续照射下，内电场的分离作用也在持续地进
行，从而即可得到光生电荷的积累。
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线阵 CCD的工作原理
? 转移栅（ Φx）由铝条或多晶硅构成，转移栅接低电
平时，在它下面的衬底中将形成高势垒，使光电二
极管阵列与 CCD移位寄存器彼此隔离。转移栅接高
电平时，它下面衬底中的势垒被拆除，成为光生电
荷（电荷包）流入 CCD的通道。这时，电荷包并行
地流入 CCD移位寄存器，接着，在驱动脉冲的作用
下，电荷包按着它在 CCD中的空间顺序，通过输出
机构串行地转移出去 。
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线阵 CCD的工作原理
? 对于二相 CCD，时钟电压波形，每变化 T/2，电荷
包将转移过一个极板，变化一个周期，则转移过二
个极板。因为二相 CCD是二个极板对应着一个光敏
元，所以时钟波形变化一个周期，电荷包所转移过
的空间距离也是一个光敏元的中心距。对于三相
CCD，时钟电压波形每变化 T/3周期，电荷包就要
转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过三个
极板，时钟电压波形变化一个周期，电荷包所转移
过的空间距离，正好是一个光敏元的中心距。这就
是线阵列固体摄象器件大致的工作过程 。
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面阵 CCD的工作原理
二维固体摄象器件电荷包帧转移结构图
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面阵 CCD的工作原理
? 二维固体摄象器件中，电荷包转移情况与线阵列器件类似，只
是它的形式较多。有的结构简单，但摄象质量不好，有的摄象
质量好些，但驱动电路复杂，目前比较常用的形式是帧转移结
构。光敏区是由光敏 CCD阵列构成的，其作用是光电变换和
在自扫描正程时间内进行光积分，暂存区是由遮光的 CCD构
成的，它的位数和光敏区一一对应，其作用是在自扫描逆程时
间内，迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移到它里面暂存起来
。然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而暂存区则利用这
个时间，将电荷包一次一行地转移给 CCD移位寄存器，变为
串行信号输出。当 CCD移位寄存器将其中的电荷包输出完了
以后，暂存区里的电荷包再向下移动一行给 CCD移位寄存器
。当暂存区中的电荷包全部转移完毕后，再进行第二帧转移。
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CCD器件电荷包输出机构
? 利用二极管的输出机构
? 选通积分型输出机构
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CCD器件电荷包输出机构
? 二极管机构中，与 Φ1Φ2Φ3相连的电极称为栅极，与 OG相连
的电极称为输出栅，输出栅的右边就是输出二极管。输出栅和
其它栅极一样，加正电压时，它下面的半导体表面也产生势阱
。它的势阱介于 Φ3的势阱和输出二极管耗尽区之间，能够把
二者连通起来，因此可以通过改变 OG上所加的电压来控制它
下面的通道。例如，电荷包已由 Φ2转入 Φ3，当 Φ3下的势阱由
深变浅的同时,OG下的势陇正好也比较深，这时 Φ3势阱中的
电荷包就能够通过 OG下的势阱流入输出二极管的耗尽区。因
输出二极管是反偏置的，内部有很强的自建电场，因此电荷包
一进入二极管的耗尽区，即可被迅速地拉走，成为输出回路的
电子流。因此，在没有电荷包输出时,a点为高电平，而有电
荷包输出时，因为电子流通过负载电阻要产生电压降,a点则
为低电平,a点电压降低的程度正比于电荷包所携带的电量，
所以这个电压变化即是输出信号。
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CCD器件电荷包输出机构
? 选通积分型输出机构 V1为复位管,R1为限流电阻，
V2为输出管,R2为负载电阻,C为等效电容。电荷
包输出前，要先给 V1的栅极加一窄的复位脉冲 ΦR，
这时,V1导通,C被充电到电源电压,V2管的源极
S2的电压也跟随上升接近于电源电压。 ΦR变为低电
平以后,V1截止，但 V2在栅极电压的控制下仍为导
通状态。当电荷包经过输出栅 OG流过来时,C被放
电,V2的源极电压也跟随下降，下降的程度则正比
于电荷包所携带的电量，即构成输出信号。
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CCD成像器件的特性参数
1、转移效率
2、时钟频率上下限
3、暗电流
4、响应率
5、光谱特性
6、噪声
7、调制传递函数
8、动态范围与线性度
9、损耗率
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CCD成像器件的特性参数
? 转移效率 η
电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，不是
立即的和全部的，而是有一个过程。为了描述电荷
包转移的不完全性，引入转移效率的概念。在一定
的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为 Q0，转移
到下一个势阱时电荷包的电量为 Q1，则转移效率 η
定义为
η=Q1/Q0
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CCD成像器件的特性参数
? 损耗率 ε
ε表示残留于原势阱中的电量与原电量之比，故
ε=1-η
如果线阵列 CCD共有 n个极板，则总效率为 ηn
。
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CCD成像器件的特性参数
引起电荷包转移不完全的主要原因是表面态对
电子的俘获和时钟频率过高，所以表面沟道 CCD在
使用时，为了减少损耗，提高转移效率，常采用偏
置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个
势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。这
样，即使是零信息，势阱中也有一定量的电荷。因
此，也称这种技术为“胖零（ fat zero）”技术。另
外，体内沟道 CCD采取体内沟道的传输形式，有效
避免了表面态俘获，提高了转移效率和速度。
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CCD成像器件的特性参数
? 时钟频率的上、下限
CCD是利用极板下半导体表面势阱的变化来
储存和转移信息电荷的，所以它必须工作于非热平
衡态。时钟频率过低，热生载流子就会混入到信息
电荷包中去而引起失真，时钟频率过高，电荷包来
不及完全转移，势阱形状就变了，这样，残留于原
势阱中的电荷就必然多，损耗率就必然大。因此，
使用时，对时种频率的上、下限要有一个大致的估
计。
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CCD成像器件的特性参数
? 时钟频率的下限 f下
f下 决定于非平衡载流子的平均寿命 τ，一般为毫
秒量级。电荷包在相邻两电极之间的转移时间 t，应
小于 τ，对于三相 CCD，电荷包从前一个势阱转移
到后一个势阱所需的时间为 T/3，所以
f下 ＞ 1/3τ
对于二相 CCD,
f下 ＞ 1/2τ
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CCD成像器件的特性参数
? 时钟频率的上限 f上
f上 决定于电荷包转移的损耗率 ε，就是说，电荷
包的转移要有足够的时间，电荷包转移所需的时间
应使之小于所允许的值。时钟频率上限 f上 可作如下
估算，设 τD为 CCD势阱中电量因热扩散作用衰减的
时间常数，与材料和极板的结构有关，一般为 10-8s
级。若使 ε不大于要求的 ε0值，则对于三相 CCD有
f上 ≤-1/(3τDlnε0)
对于二相 CCD有
f上 ≤-1/(2τDlnε0)
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CCD成像器件的特性参数
? 光谱特性
现在固件摄象器件中的感光元件都是用半导体
硅材料来作的，所以灵敏范围为 0.4～ 1.15μm左右
，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利
，峰值波长为 0.65～ 0.9μm左右。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD成像器件的特性参数
CCD的光谱特性与光电特性曲线
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD成像器件的特性参数
? 光电特性
在低照度下,CCD的输出电压与照度有良好的
线性关系。照度超过 1001x以后，输出有饱和现象
。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
思考
? 1,CCD器件中的电荷包为什么会沿着半导
体表面转移，以三相或二相 CCD为例具体研
究一下它的转移过程。
? 2、为什么 CCD必须在动态下工作？其驱动
脉冲的上、下限受哪些条件限制，应如何估
算？
CCD检测系统的典型应用实例
? CCD用于钢管内径的检测
在钢铁工业中，为了保证管类产品的质量，提
高生产效率，降低成本，不仅要检查钢管的外径，
还要检查钢管的内径。目前国内的厂家大多停留在
用量规检测管径的水平上，且只能检验钢管两端的
口径。而国外一些发达国家，已经开始采用光电仪
器来检测钢管内径。这里我们介绍一种应用线阵
CCD作传感器的测量钢管内径的光电检测装置。使
用此装置可以检测内径 60－ 110mm、长度 20m以内
的各种不同规格的钢管内径和圆度，仪器分辨率为
0.001mm，测量误差小于 0.02mm。装置行进速度
为 1m/s，每个检测位置测径时间为 10ms左右。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD检测系统的典型应用实例
? 检测装置的工作原理
检测装置主要由牵引车、光电测头、光电信息
处理电路、微机控制与数据处理系统等四部分组成
。检测装置工作时，首先由牵引车 Ⅰ 带动光电测头
Ⅱ 在被检测钢管 Ⅲ 内移动。每次移动量可根据被检
测钢管的长度预先设定。牵引车移动至给定的距离
后制动，这时光电测头内的两个硬质合金触头 2自
动弹出与被检测钢管 Ⅲ 的内表面接触进行检测。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD检测系统的典型应用实例
内径检测原理框图
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD检测系统的典型应用实例
钢管内径检测装置结构图
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD检测系统的典型应用实例
? 在检测装置中，光电测头是整个检测系统中的关键部分，由光
发射器 1、触头 2、测刀 3、光学成像系统 4和 CCD 5以及机壳 6
组成。光学系统如图所示
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CCD检测系统的典型应用实例
? 上图又分为光发射器、光学成像系统两个子系统。
光发射器由白炽灯 1、毛玻璃 2、聚光镜组 3、小孔
光阑 4和准直镜组 5组成；成像系统采用 2.13倍的倒
置望远镜，目镜 7的结构参数与准直镜 5完全相同，
两者对称的分置在测刀 6的两侧。在目镜 7和物镜 9
的公共焦点处，装设小孔光阑 8，用于滤掉杂散光
。 10为线阵 CCD。 CCD象素数要求为 5000像元，
像元尺寸为 7微米。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD检测系统的典型应用实例
? 光电信息处理电子学系统
从下图可以看出，当光发射器发出的光遇到测
刀后，一部分光被测刀遮挡，另一部分光则携带被
测钢管内径尺寸信息，经光学系统后被 CCD接收。
这种光信息通过 CCD转换，将携带尺寸的空间分布
的光信息转换为时域电信号，经过信号处理后送入
微机，再经微机数据处理，可以给出测量结果。光
电信息处理电路由时钟驱动电路、输出信息处理电
路、特征信息提取与处理电路、峰值跟随保持电路
、逻辑控制及接口电路等组成。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD检测系统的典型应用实例
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD检测系统的典型应用实例
? 微机控制与数据处理系统
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
教 师：郭大勇 博士
2002年 3月 11日
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
? 检测的定义
? 检测的分类
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
视觉检测专题
视觉检测的基础
? 视觉检测的技术基础
? 视觉检测的主要方式
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
电荷耦合器件（ CCD）
? MOS电容的特性
1,结构
2,热平衡态特性
3,非平衡态特性
? CCD的工作原理
1、定向转移
2、三相 N沟 CCD工作原理
3、线列 CCD的工作原理
4、面阵 CCD的工作原理
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预备知识 ——能带理论
? 原子能级与晶体能带
能级（ Enegy Level）：在孤立原子中，原子核外的电子
按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳
层上的电子具有分立
的能量值，也就是电子
按能级分布。为简明起
见，在表示能量高低的
图上，用一条条高低不
同的水平线表示电子的
能级，此图称为电子能
级图。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
预备知识 ——能带理论
? 能带（ Enegy Band）
晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅
为例，每立方厘米的体积内有 5× 1022个原子，原子之间的最短距离
为 0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不
再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可
能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有
化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此
相对应的能级扩展为能带。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
预备知识 ——能带理论
电子共有化，能级扩展为能带示意图
a) 单个原子 b) N个原子
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
预备知识 ——能带理论
? 禁带（ Forbidden Band）：允许被电子占据的能带称为允许带，允
许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中
的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的
允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的
能带称为空带。
? 价带（ Valence Band）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电
子能级相对应的能带称为价带。
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预备知识 ——能带理论
? 导带（ Conduction Band）：价带以上能量最低的允许带称为导
带。
? 导带的底能级表示为 Ec，价带的顶能级表示为 Ev,Ec与 Ev之间的
能量间隔称为禁带 Eg。
绝缘体、半导体、金属的能带图
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
预备知识 ——能带理论
? 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）
来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自
由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴
。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同
，从而有不同的导电性。例如，绝缘材料 SiO2的 Eg约为 5.2eV
，导带中电子极少，所以导电性不好，电阻率大于 1012Ω·cm
。半导体 Si的 Eg约为 1.1eV，导带中有一定数目的电子，从而
有一定的导电性，电阻率为 10-3— 1012Ω·cm。金属的导带与价
带有一定程度的重合,Eg=0，价电子可以在金属中自由运动
，所以导电性好，电阻率为 10-6— 10-3Ω·cm。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
预备知识 ——能带理论
? 本征半导体与杂质半导体
现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备，半
导体材料大多为晶体（晶体中原子有序排列，非晶体中原子无
序排列。）晶体分为单晶与多晶,
1、单晶 —— 在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列 。
2、多晶 —— 只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶
粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开 。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
预备知识 ——能带理论
? 本征半导体,
结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。例如纯净的
硅称为本征硅。本征硅中，自由电子和空穴都是由于共价键破
裂而产生的，所以电子浓度 n等于空穴浓度 p，并称之为本征
载流子浓度 ni,ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减
小，室温下硅的 ni约为 1010/cm3。
? 杂质半导体,
半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体，杂质对
半导体导电性能影响很大。在技术上通常用控制杂质含量（即
掺杂）来控制半导体导电特性。
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预备知识 ——能带理论
? N型半导体,
在四价原子硅（ Si）晶体中掺入五价原子，例如磷（ P）
或砷（ As），形成 N型半导体。在晶格中某个硅原子被磷原子
所替代，五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键
，而多余一个电子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上电
子所受束缚力小得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带
上形成自由电子。易释放电子的原子称为施主，施主束缚电子
的能量状态称为施主能级 ED。 ED位于禁带中，较靠近材料的
导带底。 ED与 Ec间的能量差称为施主电离能。 N型半导体由施
主控制材料导电性。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
预备知识 ——能带理论
杂质硅的原子图象和能带图
a) N型半导体 b) P型半导体
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
预备知识 ——能带理论
? P型半导体,
在四价原子硅（ Si）晶体中掺入三价原子，例如硼（ B）
，形成 P型半导体。晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原
子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键，
形成八个电子的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶
体中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子外层多了一个电子
变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。容易获取电子的原子称
为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级 EA，也位于
禁带中。在价带顶 Ev附近,EA与 Ev间能量差称为受主电离能
。 P型半导体由受主控制材料导电性。
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预备知识 ——能带理论
? 热平衡态下的载流子
在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自
由电子和空穴是由热激发产生的。电子从不断热振动的晶体中
获得一定的能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子，同时在
价带中出现自由空穴。在热激发同时，电子也从高能量的量子
态跃迁到低能量的量子状态，向晶格放出能量，这就是载流子
的复合。在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为
热平衡状态，此时载流子浓度即为某一稳定值。
热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一
是在能带中能态（或能级）的分布，二是这些能态中每一个能
态可能被电子占据的概率。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
预备知识 ——能带理论
? 非平衡态下的载流子
半导体在外界条件有变化（如受光照、外电场作用、温
度变化）时，载流子浓度要随之发生变化，此时系统的状态称
为非热平衡态。载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量称为
非平衡载流子。
电注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热平
衡受到破坏。
光注入：光注入下产生非平衡载流子表现为价带中的电
子吸收了光子能量从价带跃迁到导带，同时在价带中留下等量
的空穴 。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
预备知识 ——能带理论
? 输入电路是连接光电器件和电信号放大器的中间环节，它的基
本作用是为光电器件提供正常的电路工作条件，进行电参量的
变换（例如将电流和电阻转换为电压），同时完成和前置放大
器的电路匹配。输入电路的设计应根据电信号的性质、大小，
光学的和器件的噪声电平等初始条件以及输出电平和通频带等
技术要求来确定电路的连接形式和工作参数，保证光电器件和
后级电路最佳的工作状态，并最终使整个检测电路满足下列技
术要求：灵敏的光电转换能力,快速的动态响应能力,最佳
的信号检测能力,长期工作的稳定性和可靠性 。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
MOS电容的结构
? CCD是由按照一定规律排列的 MIS（金属－绝缘体－半导体）
电容阵列组成的。对于 Si-CCD，绝缘体就是硅的氧化物，因
而常称为 MOS结构。其中金属为 MOS结构的上电极，称为“
栅极”；半导体作为底电极，俗称“衬底”。两电极之间夹层
绝缘体构成电容，所以常称 MOS电容。这种电容器具有一般
电容器所没有的一些特性,CCD的工作原理即基于这些特性
,
1、热平衡态特性
2、非平衡态特性
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
MOS电容结构图
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
MOS电容的热平衡态特性
? 半导体的能带
代表电子的能
量。半导体内
的能带结构如
图,
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MOS电容的热平衡态特性
? 热平衡条件下，整个系统都具有同一的 EF。然而表
面的存在影响了靠近表面的电子的运动，从而影响
了表面附近的能带结构。
1、体内原子与自由表面原子的差异
2、表面的电荷吸附
3、局域化电子能级
所有这些电荷总的效果等于是在半导体表面施
加一电场，使得体内接近界面处的电子能带发生变
化，从而使得表面层内的电荷重新分布。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
MOS电容的热平衡态特性
? 根据界面上以及氧化层内有效电荷的不同半导体表
面可分为,
1、积累层 —— 负电荷
2、耗尽层 —— 正电荷
3、反型层 —— 外加正电压
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MOS电容的热平衡特性
? 半导体表面上和绝缘层中都可能有电荷存在，但各
种电荷对表面层内载流子的运动有不同的作用。在
半导体与绝缘体的界面上有许多电子局域态，这些
能态可作为载流子的复合中心。根据这些能态对载
流子运动的影响不同可以将他们分为快态与慢态。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
MOS电容的非平衡态特性
? 以 P型半导体为例，考虑外电场加到 MOS电容的瞬时状态：电
源正极接栅极，负极接底级，当电压足够大时使得半导体近界
面处的能带下弯进入反型层，即近界面有一层 N型导电层。在
电压加到电容器的瞬间，金属电极上即感应生成负电荷,
半导体中只有多数载流子－空穴能跟上这个变化，少数载流子
－电子的变化取决于产生复合过程，在介电驰豫时间内不会发
生变化，因此有 N个空穴从半导体近界面的表面层流向体内，
体内则有同样数目的空穴流向底电极，保持体内的电中型。而
近界面层内留下了同样数目的 离子，这时的能带结构如下
图 (a)所示。外界电压大部分降落在半导体的空间电荷层内（
Vs），只有一小部分（ V0）降落在绝缘层上。这时，近界面
虽是强反型层，但电子尚没有产生，实质上是空的电子势阱。
上述状态是一个非平衡态。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
nQ?
?AN
MOS电容在外加电压下表面附近的 能带结构
(a) (b)
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
MOS电容的非平衡态特性
? 在非平衡态后，快态可能产生电子－空穴对，体内
也由于热激发而产生电子－空穴对。产生出来的电
子将由于电场作用进入势阱，空穴则被赶入体内。
势阱内的电子增加将使该处的能带抬高，最后恢复
到热平衡状态，如上图 (b)。从平衡态的建立到达到
热平衡所需的时间，称为存储时间
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD的工作原理
? CCD工作的主要基础就是 MOS电容的非平衡态，在
这个状态下，势阱可用来存储信号电荷，也可以用
来使信号电荷从一个势阱转移到另一个势阱内。在
一定条件下，势阱的深度随着其中的电荷量的增加
而线性地下降,CCD利用这个特性把信号电荷从一
个因带有这些电荷而变浅了的势阱中，驱入相邻的
尚未变浅的深势阱中。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD的工作原理
势阱图
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD的工作原理
CCD单元与线阵列结构的示意图
a) CCD单元 b) CCD线阵列
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD的工作原理
CCD单元部分，就是一个由金属 -氧化物 -半导
体组成的电容器，简称 MOS（ Metal -Oxide -
Semiconductor）结构。如果衬底接地，突然给金
属极板加一个正的电压 UG（栅极电压），则金属极
板和衬底之间就会产生一个电场。这个电场就要迫
使半导体表面部分的空穴离开表面入地，从而在表
面附近形成一个带负电荷的耗尽区，这个耗尽区也
称为表面势阱。表面势阱的深度，近似地与极板上
所加的电压成正比（在形成反型层之前）。这时，
电子在表面处的势能为 Ep＝－ qUs，其中的 Us称为
表面势，即半导体表面对于衬底的电势差。如果以
某种方式（电注入或光注入）向势阱中注入电子，
则这些电子将要聚集于表面附近，称为电荷包。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD的工作原理
? 电荷包的存储
因为每个 CCD单元都是一个电容器，所以它能
储存电荷。但是，当有电荷包注入时，势阱深度将
随之变浅，因为它始终要保持极板上的正电荷总量
恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和。每个极
板下的势阱中所能储存的最大信息电荷量 Q为
Q＝ CoxUG
Cox：单位面积氧化层的电容
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD的工作原理
? 定向转移
MOS电容阵列构成的 CCD器件具有存储与转移
信息电荷的能力，为了实现 CCD中信号电荷的转移
。首先必须使 MOS电容阵列的排列足够紧密，以致
相邻 MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。通常
MOS电容电极间的间隙必须小于 3微米。其次，根
据加在 MOS电容上的电压愈高，产生的势阱愈深的
原理，通过控制相邻 MOS电容栅极电压高低来调节
势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深
处。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD的工作原理
在 CCD中电荷的转移必须按照确定方向，因此
，在 MOS阵列上所加的多路电压脉冲－时钟脉冲。
必须严格满足相位要求，使得任何时刻，势阱变化
总是朝着一个方向。比如：电荷是向右转移，则任
何时刻，当存在信号的势阱抬起时，在它右边的势
阱总比它左边的深。为了实现这种转移，在 CCD的
MOS阵列上划分成以几个相邻电容为一单元的无限
循环结构，每一个单元称为一位，将每一位中对应
位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共
同电极称为相线。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD的工作原理
显然，一位 CCD中包含的电容个数即为 CCD的
相数，每相电极连接的电容个数一般来说即为 CCD
的位数，通常 CCD有二相、三相、四相等结构。
在 CCD中电荷的转移除了有确定的方向外，还
必须沿着确定路线。所以，工艺上要考虑沟道与沟
阻。电荷转移的通道称为沟道，限定沟道的部分称
为沟阻。所以 CCD器件又有 N沟与 P沟的区别 。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD的工作原理
? 三相 N沟 CCD工作原理
为了理解 CCD中势阱及电荷如何从一个位置转移到另
一个位置，可观察如下图所示的 CCD中四个彼此靠得很近
的电极。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
三相 CCD势阱及电荷移动图
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD的工作原理
三相 CCD的电荷包的转移过程
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD的工作原理
? CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称
和势阱耦合引起的。将线阵列各极板分为三组，然
后分别加以相位不同的时钟脉冲驱动，这即是所谓
的三相 CCD。这时，由于同一时刻三相脉冲的电平
不同，各极板下面所造成的势阱深度也就不同。从
而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能
低的地方流动。三相 CCD的时钟波形刚好互相错开
T/3周期，因此时钟电压波形每变化 T/3周期，电荷
包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移
过三个极板。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD的工作原理
? 二相 CCD的电荷转移
对于二相 CCD，时钟
电压波形每变化 T/2,
电荷包将转移过一个
极板，每变化一个周
期，则转移过二个极
板。由此可见,CCD
具有移位寄存器的功
能。
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CCD摄像器件
? 实用固体摄象器件都是在一块硅片上同时制作出光
电二极管阵列和 CCD移位寄存器两部分。光电二极
管阵列专门用来完成光电变换和光积分,CCD移位
寄存器专门用来完成光生电荷转移。因为这种转移
不是借助于外来的扫描，而是依靠驱动脉冲来完成
的，故也称为自扫描。根据光敏象素的排列方式，
CCD摄象器件分为线阵列和面阵列两大类。
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线阵 CCD的工作原理
线阵列固体摄象器件基本结构简图
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线阵 CCD的工作原理
? 对于线阵列 CCD摄象器件来说，不论是三相的还是
二相的，都有单侧传输和双侧传输两种结构形式。
单侧传输的特点是结构简单，但电荷包转移所经过
的极板数多，传输效率低。双侧传输的特点是结构
复杂一些，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧
传输的一半，所以损耗小，传输效率高。一般光敏
元位数少的片子，多采用单侧传输结构，而位数多
的片子，则多采用双侧传输结构。
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线阵 CCD的工作原理
? 光电二极管阵列和 CCD移位寄存器统一集成在一块
半导体硅片上，分别由不同的脉冲驱动。设衬底为
P－ Si，光电二极管阵列中各单元彼此被 SiO2隔离
开，排成一行，每个光电二极管即为一个象素。各
光电二极管的光电变换作用和光生电荷的存储作用
，与分立元件时的原理相同。如图中 Φp（行扫描电
压）为高电平时，各光电二极管为反偏置，光生的
电子空穴对中的空穴被 PN结的内电场推斥，通过衬
底入地，而电子则积存于 PN结的耗尽区中。在入射
光的持续照射下，内电场的分离作用也在持续地进
行，从而即可得到光生电荷的积累。
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线阵 CCD的工作原理
? 转移栅（ Φx）由铝条或多晶硅构成，转移栅接低电
平时，在它下面的衬底中将形成高势垒，使光电二
极管阵列与 CCD移位寄存器彼此隔离。转移栅接高
电平时，它下面衬底中的势垒被拆除，成为光生电
荷（电荷包）流入 CCD的通道。这时，电荷包并行
地流入 CCD移位寄存器，接着，在驱动脉冲的作用
下，电荷包按着它在 CCD中的空间顺序，通过输出
机构串行地转移出去 。
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线阵 CCD的工作原理
? 对于二相 CCD，时钟电压波形，每变化 T/2，电荷
包将转移过一个极板，变化一个周期，则转移过二
个极板。因为二相 CCD是二个极板对应着一个光敏
元，所以时钟波形变化一个周期，电荷包所转移过
的空间距离也是一个光敏元的中心距。对于三相
CCD，时钟电压波形每变化 T/3周期，电荷包就要
转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过三个
极板，时钟电压波形变化一个周期，电荷包所转移
过的空间距离，正好是一个光敏元的中心距。这就
是线阵列固体摄象器件大致的工作过程 。
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面阵 CCD的工作原理
二维固体摄象器件电荷包帧转移结构图
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面阵 CCD的工作原理
? 二维固体摄象器件中，电荷包转移情况与线阵列器件类似，只
是它的形式较多。有的结构简单，但摄象质量不好，有的摄象
质量好些，但驱动电路复杂，目前比较常用的形式是帧转移结
构。光敏区是由光敏 CCD阵列构成的，其作用是光电变换和
在自扫描正程时间内进行光积分，暂存区是由遮光的 CCD构
成的，它的位数和光敏区一一对应，其作用是在自扫描逆程时
间内，迅速地将光敏区里整帧的电荷包转移到它里面暂存起来
。然后，光敏区开始进行第二帧的光积分，而暂存区则利用这
个时间，将电荷包一次一行地转移给 CCD移位寄存器，变为
串行信号输出。当 CCD移位寄存器将其中的电荷包输出完了
以后，暂存区里的电荷包再向下移动一行给 CCD移位寄存器
。当暂存区中的电荷包全部转移完毕后，再进行第二帧转移。
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CCD器件电荷包输出机构
? 利用二极管的输出机构
? 选通积分型输出机构
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CCD器件电荷包输出机构
? 二极管机构中，与 Φ1Φ2Φ3相连的电极称为栅极，与 OG相连
的电极称为输出栅，输出栅的右边就是输出二极管。输出栅和
其它栅极一样，加正电压时，它下面的半导体表面也产生势阱
。它的势阱介于 Φ3的势阱和输出二极管耗尽区之间，能够把
二者连通起来，因此可以通过改变 OG上所加的电压来控制它
下面的通道。例如，电荷包已由 Φ2转入 Φ3，当 Φ3下的势阱由
深变浅的同时,OG下的势陇正好也比较深，这时 Φ3势阱中的
电荷包就能够通过 OG下的势阱流入输出二极管的耗尽区。因
输出二极管是反偏置的，内部有很强的自建电场，因此电荷包
一进入二极管的耗尽区，即可被迅速地拉走，成为输出回路的
电子流。因此，在没有电荷包输出时,a点为高电平，而有电
荷包输出时，因为电子流通过负载电阻要产生电压降,a点则
为低电平,a点电压降低的程度正比于电荷包所携带的电量，
所以这个电压变化即是输出信号。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD器件电荷包输出机构
? 选通积分型输出机构 V1为复位管,R1为限流电阻，
V2为输出管,R2为负载电阻,C为等效电容。电荷
包输出前，要先给 V1的栅极加一窄的复位脉冲 ΦR，
这时,V1导通,C被充电到电源电压,V2管的源极
S2的电压也跟随上升接近于电源电压。 ΦR变为低电
平以后,V1截止，但 V2在栅极电压的控制下仍为导
通状态。当电荷包经过输出栅 OG流过来时,C被放
电,V2的源极电压也跟随下降，下降的程度则正比
于电荷包所携带的电量，即构成输出信号。
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD成像器件的特性参数
1、转移效率
2、时钟频率上下限
3、暗电流
4、响应率
5、光谱特性
6、噪声
7、调制传递函数
8、动态范围与线性度
9、损耗率
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CCD成像器件的特性参数
? 转移效率 η
电荷包从一个势阱向另一个势阱中转移，不是
立即的和全部的，而是有一个过程。为了描述电荷
包转移的不完全性，引入转移效率的概念。在一定
的时钟脉冲驱动下，设电荷包的原电量为 Q0，转移
到下一个势阱时电荷包的电量为 Q1，则转移效率 η
定义为
η=Q1/Q0
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CCD成像器件的特性参数
? 损耗率 ε
ε表示残留于原势阱中的电量与原电量之比，故
ε=1-η
如果线阵列 CCD共有 n个极板，则总效率为 ηn
。
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CCD成像器件的特性参数
引起电荷包转移不完全的主要原因是表面态对
电子的俘获和时钟频率过高，所以表面沟道 CCD在
使用时，为了减少损耗，提高转移效率，常采用偏
置电荷技术，即在接收信息电荷之前，就先给每个
势阱都输入一定量的背景电荷，使表面态填满。这
样，即使是零信息，势阱中也有一定量的电荷。因
此，也称这种技术为“胖零（ fat zero）”技术。另
外，体内沟道 CCD采取体内沟道的传输形式，有效
避免了表面态俘获，提高了转移效率和速度。
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CCD成像器件的特性参数
? 时钟频率的上、下限
CCD是利用极板下半导体表面势阱的变化来
储存和转移信息电荷的，所以它必须工作于非热平
衡态。时钟频率过低，热生载流子就会混入到信息
电荷包中去而引起失真，时钟频率过高，电荷包来
不及完全转移，势阱形状就变了，这样，残留于原
势阱中的电荷就必然多，损耗率就必然大。因此，
使用时，对时种频率的上、下限要有一个大致的估
计。
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CCD成像器件的特性参数
? 时钟频率的下限 f下
f下 决定于非平衡载流子的平均寿命 τ，一般为毫
秒量级。电荷包在相邻两电极之间的转移时间 t，应
小于 τ，对于三相 CCD，电荷包从前一个势阱转移
到后一个势阱所需的时间为 T/3，所以
f下 ＞ 1/3τ
对于二相 CCD,
f下 ＞ 1/2τ
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CCD成像器件的特性参数
? 时钟频率的上限 f上
f上 决定于电荷包转移的损耗率 ε，就是说，电荷
包的转移要有足够的时间，电荷包转移所需的时间
应使之小于所允许的值。时钟频率上限 f上 可作如下
估算，设 τD为 CCD势阱中电量因热扩散作用衰减的
时间常数，与材料和极板的结构有关，一般为 10-8s
级。若使 ε不大于要求的 ε0值，则对于三相 CCD有
f上 ≤-1/(3τDlnε0)
对于二相 CCD有
f上 ≤-1/(2τDlnε0)
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CCD成像器件的特性参数
? 光谱特性
现在固件摄象器件中的感光元件都是用半导体
硅材料来作的，所以灵敏范围为 0.4～ 1.15μm左右
，但光谱特性曲线不象单个硅光电二极管那么锐利
，峰值波长为 0.65～ 0.9μm左右。
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CCD成像器件的特性参数
CCD的光谱特性与光电特性曲线
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CCD成像器件的特性参数
? 光电特性
在低照度下,CCD的输出电压与照度有良好的
线性关系。照度超过 1001x以后，输出有饱和现象
。
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思考
? 1,CCD器件中的电荷包为什么会沿着半导
体表面转移，以三相或二相 CCD为例具体研
究一下它的转移过程。
? 2、为什么 CCD必须在动态下工作？其驱动
脉冲的上、下限受哪些条件限制，应如何估
算？
CCD检测系统的典型应用实例
? CCD用于钢管内径的检测
在钢铁工业中，为了保证管类产品的质量，提
高生产效率，降低成本，不仅要检查钢管的外径，
还要检查钢管的内径。目前国内的厂家大多停留在
用量规检测管径的水平上，且只能检验钢管两端的
口径。而国外一些发达国家，已经开始采用光电仪
器来检测钢管内径。这里我们介绍一种应用线阵
CCD作传感器的测量钢管内径的光电检测装置。使
用此装置可以检测内径 60－ 110mm、长度 20m以内
的各种不同规格的钢管内径和圆度，仪器分辨率为
0.001mm，测量误差小于 0.02mm。装置行进速度
为 1m/s，每个检测位置测径时间为 10ms左右。
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CCD检测系统的典型应用实例
? 检测装置的工作原理
检测装置主要由牵引车、光电测头、光电信息
处理电路、微机控制与数据处理系统等四部分组成
。检测装置工作时，首先由牵引车 Ⅰ 带动光电测头
Ⅱ 在被检测钢管 Ⅲ 内移动。每次移动量可根据被检
测钢管的长度预先设定。牵引车移动至给定的距离
后制动，这时光电测头内的两个硬质合金触头 2自
动弹出与被检测钢管 Ⅲ 的内表面接触进行检测。
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CCD检测系统的典型应用实例
内径检测原理框图
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CCD检测系统的典型应用实例
钢管内径检测装置结构图
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CCD检测系统的典型应用实例
? 在检测装置中，光电测头是整个检测系统中的关键部分，由光
发射器 1、触头 2、测刀 3、光学成像系统 4和 CCD 5以及机壳 6
组成。光学系统如图所示
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CCD检测系统的典型应用实例
? 上图又分为光发射器、光学成像系统两个子系统。
光发射器由白炽灯 1、毛玻璃 2、聚光镜组 3、小孔
光阑 4和准直镜组 5组成；成像系统采用 2.13倍的倒
置望远镜，目镜 7的结构参数与准直镜 5完全相同，
两者对称的分置在测刀 6的两侧。在目镜 7和物镜 9
的公共焦点处，装设小孔光阑 8，用于滤掉杂散光
。 10为线阵 CCD。 CCD象素数要求为 5000像元，
像元尺寸为 7微米。
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CCD检测系统的典型应用实例
? 光电信息处理电子学系统
从下图可以看出，当光发射器发出的光遇到测
刀后，一部分光被测刀遮挡，另一部分光则携带被
测钢管内径尺寸信息，经光学系统后被 CCD接收。
这种光信息通过 CCD转换，将携带尺寸的空间分布
的光信息转换为时域电信号，经过信号处理后送入
微机，再经微机数据处理，可以给出测量结果。光
电信息处理电路由时钟驱动电路、输出信息处理电
路、特征信息提取与处理电路、峰值跟随保持电路
、逻辑控制及接口电路等组成。
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CCD检测系统的典型应用实例
检测与测试技术基础 —— 视觉检测专题
CCD检测系统的典型应用实例
? 微机控制与数据处理系统
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