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CCD器件及应用技术（实验报告样板）

实验目的和要求：

1、了解CCD的基本结构及工作原理；

2、学习掌握一维线阵CCD投影测量物体尺寸的原理及方法；

3、了解学习二维面阵黑白CCD摄像机的成像。

实验原理：

阵列式光电传感器是用于对空间的物理量分布进行采集和获取的传感元件，典型的例如

CCD（ChargeCoupleDevice的缩写）电荷耦合器件。同类的传感器件还有：CMOS影像传感

器、光电二极管阵列、硅光电池阵列等，根据上述传感器的敏感阵列分布可分为一维阵列（也

叫线阵列器件）和二维阵列（也叫面阵器件）。阵列式光电传感器目前被广泛应用到图像采

集、光谱测量、分析仪器和测量仪器中。

一、CCD的基本结构：

CCD（ChargeCoupleDevice）电荷偶合器件是一种空间阵列光电转换传感器件，70年代

中期由美国贝尔实验室发明。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而其他大多数光电器件

是以电流或者电压为信号。CCD的基本结构非常简单，是由半导体硅片上紧密排列的MOS

电容器阵列或PN光电二极管阵列构成的。

二、CCD的工作原理：CCD的基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。

1、电荷的产生：CCD在光照下产生电荷，其产生的电荷量可由下式给出：



QqnAT

eoc

qnA

式中为材料的量子效率，为电子电荷量，为入射光的光子流速率，为光敏单

eo

元的受光面积，T为光注入时间。

c

2、电荷的存储：构成CCD的基本单元是MOS金属一氧化物一半导体)结构，在栅极G施加

正偏压U之前，P型半导体中空穴(多数载流子)的分布是均匀的。当栅极施加正偏压(此时

G

U小于P型半导体的阈值电压U)后，空穴被排斥，产生耗尽区。偏压继续增加，耗尽区

Gth

将进一步向半导体体内延伸。当UU时，半导体与绝缘体界面上的电势(常称为表面势，

Gth

1

用O表示)变得如此之高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成一

s

层极薄的但电荷浓度很高的反型层。

3、电荷的传输：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，它

的电荷转移过程就像一排水杯从第一个水杯开始将一杯水挨个倒到下一个杯中，一直将这杯

水从最后一个杯中倒出。

4、电荷的检测：在CCD中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。CCD的重要特性之

一是信号电荷在转移过程中与时钟电荷脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避免。因

此。选择适当的输出电路可以尽可能地减小时钟脉冲容性地馈入输出电路的程度。目前CCD

的输出方式主要有电流输出，浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。

三、一维线阵CCD尺寸测量原理：

为了很好的了解和认识线扫描CCD的工作原理和用于尺寸测量的原理和方法，结合图4

来了解CCD尺寸测量的原理。

图中W为成像视场，D为标准件（被测物体）尺寸，f为透镜的焦距，h为CCD到透镜焦

平面的距离，N为CCD的像元总数，N为物体在CCD上像所占的像元数，L为CCD感光面尺

00

LL

寸。Kf/h为光学系统的变化常数，EK0为系统标定常数，0为像空间CCD