第二章 测试系统的设计
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② 图像畸变小，尺寸重现性好；
③ 具有较高的空间分辨率，光敏元间距的几何尺寸精度高，可获得较高的定位精度；
④ 具有较高的线阵灵敏度和较大的动态范围。
典型的CCD 图像传感器的结构如图2.7 所示，是由一列光敏元阵列和与之平行的位移寄存器构成的。在光敏元阵列与位移寄存器之间，有一列转移栅，控制电荷由光敏元转移到位移寄存器。图2.7-a 图所示的是单列位移寄存器结构，2.7-b 是双列寄存器结构。采用两列移位寄存器，可以提高电荷的转移速度，进一步减小图像信息的失真。
(a) 单行结构 (b) 双行结构
图2.7 线阵型CCD 图像传感器
CCD 是一种MOS 结构的新型器件，由金属（M）—氧化物（O）—半导体（S）三层组成一个MOS 电容。将这些MOS 电容以一定间隔排列后，如图2.8 所示，为三个相邻的MOS 结构。当半导体材料为P 型硅时，如在1、3 两个金属电极上施加适当的正电压V，在电极2 上加上正电压V’，少数载流子—电子被吸收到电极下的区域内。当V’>V，则在电极2 下面形成较深的耗尽区，从而形成电荷包。电压维持时，电荷也保持不变。把电极连成三组，构成三相CCD。当加驱动脉冲，则以使电极下存储的电荷朝一定方向移动，实现了电荷的转移。由上述CCD 的构造，可以归纳出P 型硅衬底CCD 的工作过程分为以下三步： ① 电荷存储
当在金属电极加一正向电压时，在硅衬底中形成耗尽区，称为势阱。势阱的深度与栅极电压以及势阱内是否存有电荷有关。当光入射到耗尽区时，因内线阵效应将产生光生电子—空穴对，在耗尽区电场作用下，空穴流入衬底底部，电子则积存于半导体表面。这样，势阱中有一定量的电荷，且势阱中积存的电荷量与入射光强度成正比（CCD 饱和情况除外）
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利用线阵CCD测量物体的振动实验
图2.8 电荷存储示意图
② 电荷转移
如图2.9 所示，左图为电荷转移的过程，右图为驱动脉冲时序。半导体表面势阱的大小随栅极电压变化而变化。调整相邻电极间的电压，可以使得一个电极下的势阱比另一个深，则电荷会流向势阱深的电极下，则实现了电荷按照驱动脉冲的顺序进行转移。
图2.9 三相CCD 电荷转移原理示意图
③ 电荷输出
电荷的输出主要有三种方式：电流输出；浮置扩散放大器输出；浮置栅放大器输出。这三种方法可以将电荷信号转换为可以方便检测出的电流或电压信号，且电流、电压与电荷之间满足一定的函数关系。
线阵CCD 器件的像元数越多，器件的分辨率也越高，对于尺寸的测量，采用高 位数光敏元件的线阵CCD 器件，可以得到较高的测量精度。
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2.4.3 CCD的基本特性参数
(1) 电荷转移效率
电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数。一次转移后到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率。影响电荷转移效率的主要原因是界面态对电荷的俘获常采用胖零工作模式来提高电荷转移效率即让零信号也有一定的电荷。
(2) 工作频率f
决定工作频率下限，为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一电极到另一个电极所用的时间t必须小于少数载流子的平均寿命T 即t< T。工作频率的上限，当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时间t大于驱动脉冲使其转移的时间T/3 ，那么信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，将会使转移效率大大下降，因此要求t<=T/3。
(3) 光谱响应
CCD接受光的方式有正面光照和背面光照两种。由于CCD的正面布置着很多电极，电极的反射和散射作用使得正面照射光谱灵敏度比背面照射时低。即使是透明的多晶硅电极也会因为电极的吸收以及在整个硅即二氧化硅界面上的多次反射引起某些波长的光产生干涉现象，出现若干个明暗条纹使光谱响应曲线，为此用于摄像或像敏的CCD(简称为ICCD)常采用背面光照射的方法。
(4) 动态范围
动态范围由势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比。CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量取决于CCD的电极面积及器件结构(SCCD还是BCCD) ，时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素。
(5) 暗电流
在正常工作的情况下，MOS电容处于未饱和的非平衡态，然而随着时间的推移由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡。因此即使在没有光照或其他方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存在不希望有的电流。暗电流是大多数摄像器件所共有的特性，是判断一个摄像器件好坏的重要标准，尤其是暗电流在整个摄像区域不均匀时更是如此。
(6) 分辨率
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利用线阵CCD测量物体的振动实验
分辨率是图像传感器的重要特性。常用调制传递函数MTF来评价线阵CCD。现在256x1,1024x1,2048x1,5000x1,10550x1等多种。像位数高的器件具有更高的分辨率，尤其是用于物体尺寸测量中采用高位数光敏单元的线阵CCD器件可以得到更高的测量精度。 2.4.4 CCD器件的选择
CCD电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号而不同于其它大多数器件是 以电流或者电压为信号CCD，其功能是电荷的存储和电荷的转移因此CCD工作程的主要问题是信号电荷的产生存储传输和检测CCD有两种基本型。一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面并沿界面传输这类器称为表面沟道CCD(简称SCCD) 二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内并在半导体内沿一定向传输这类器件称为体沟道或者埋沟道器件(简称BCCD) 。 在本设计中，我们采用TCD1252AP器件。 (1) TCD1252AP器件的基本结构
CCD是一种线阵转换器件，采用集成电路工艺制成。它以电荷包的形式存储和传送信息，主要由光敏单元、输入结构和输出结构等部分组成。下面以线阵CCD为例说明：
TCD1252AP器件为2700像敏单元的长阵列器件，采用双沟道结构形式。TCD1252AP的结构如图2.10所示。从结构图可以看出，TCD1252AP是有两个转移栅和两个模拟移位寄存器的双沟道型线阵器件。
信号输出单元模拟移位寄存器转 移 栅光电二 极管转 移 栅补偿输出单元模拟移位寄存器
图2.10 TCD1252AP的原理结构图
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TCD1252AP的光敏阵列共有2738个线阵二极管，其中有38个线阵二极管被遮蔽（前边D13～D39的和后边的D40～D50），中间的2700个线阵二极管为有效的光敏单元。
(2) TCD1252AP的外形尺寸如图2.11所示。
图2.11 TCD1252AP外形尺寸
TCD1252AP为DIP22封装形式的双列直插型器件，外形尺寸如图2-11所示。器件的外形尺寸总长为41.6mm,宽9.65mm，高7.22mm；器件的光敏单元总长为29.7mm；光敏单元（像敏面）距离器件表面玻璃的距离为1.72mm，表面玻璃的厚度为（0.7?0.1）mm。这些参数对于实际应用都是很重要的。而且，器件的外形尺寸与封装尺寸等对于同系列器件基本相同。
(3) TCD1252AP的基本工作原理
在图2-12中，TCD1252AP的驱动器应产生SH、φl、φ2、RS等4路脉冲，其中转移脉冲的周期远远大于其他4路脉冲的周期。φl、φ2为像素脉冲，两者互为反相，RS为复位脉冲．SH为光积分脉冲，OS为像元输出，DOS为像元补偿输出。当SH为低电平时，在φ1、φ2交变后，OS输出像元电压信号，随后发RS脉冲，以便去掉信号输出缓冲中的残余电荷，为下一点像素电压输出做准备。
(4) TCD1252AP的特性
如TCD1252AP的驱动脉冲波形图所示。转移脉冲SH的高电平期间，驱动脉冲