CCD原理——特性
CCD传感器将光学信号转换为模拟电流信号，通过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：
Ⅰ.体积小重量轻;
Ⅱ.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长;
Ⅲ灵敏度高，噪声低，动态范围大;
Ⅳ.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像;
Ⅴ.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。
因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。
CCD原理——分类
CCD在功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两类。
线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是：处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。
用于扫描仪中的线性CCD
面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。
CCD原理——光电转换与储存
CCD的工作过程分为四个部分，分别是光电转换、电荷储存、电荷转移、电荷检测。
光电转换就是将光信号转换为电信号，CCD内部是由许多的光敏像素组成的，每像素就是一个光敏二极管，检测像素上产生的电荷，产生的信号电荷的数量直接与入射光的强度及曝光时间成正比。
CCD原理——电荷的转移
CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器,它的表面由不透光的铝层覆盖,以实现光屏蔽。 MOS电容器上的电压愈高,产生的势阱愈深,当外加电压一定,势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小.利用这一特性,通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅.制造时将MOS电容紧密排列,使相邻的MOS电容势阱相互“沟通”.认为相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小(目前工艺可做到0.2μm),在信号电荷自感生电场的库仑力推动下,就可使信号电荷由浅处流向深处,实现信号电荷转移。
在数字电路中，移位寄存器（英语：shift register）是一种在若干相同时间脉冲下工作的以触发器为基础的器件，数据以并行或串行的方式输入到该器件中，然后每个时间脉冲依次向左或右移动一个比特，在输出端进行输出。这种移位寄存器是一维的，事实上还有多维的移位寄存器，即输入、输出的数据本身就是一些列位。实现这种多维移位寄存器的方法可以是将几个具有相同位数的移位寄存器并联起来。
CCD原理——电荷的测量
CCD的电荷测量是将转移的信号电荷转换成电信号的过程，有两种方法。
Ⅰ：浮置扩散放大器
Ⅱ：浮置栅极放大器
在CCD的图像传感器中使用较多的是浮置扩散放大器。
浮置扩散输出端是信号电荷注入末级浮置扩散的PN结之后, 所引起的电位改变作用于MOSFET的栅极。这一作用结果必然调制其源-漏极间电流, 这个被调制的电流即可作为输出。 当信号电荷在浮置栅极下方通过时, 浮置栅极输出端电位必然改变, 检测出此改变值即为输出信号。
总结：CCD的原理是通过镜头滤光，以保证光线的直线射入，CCD内部的感光元件将光能转换为电信号，通过工艺排列将感光出的电荷转移，再浮置扩散放大器或浮置栅极放大器进行检测。
CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。它以电荷为信号，通过光电的转换，经过输入、转移、输出成图像信号，以便于对图像的分析处理。是集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，典型的固体成像器件。
机器视觉CCD总共有三种电荷转移方式，分别为帧转移（FT）方式、行间转移（IT）方式和帧行间转移（FIT）方式。对于整个机器视觉系统来说，CCD的电荷转移是实现图像处理的重要环节。下面，中国机器视觉商城将针对这三种方式为您简单的解析。
帧转移方式CCD，是机器视觉CCD中结构最为简单、制作最为容易的一种。FT CCD早年被认为是一种非常不错的CCD结构，尽管其尺寸是其感光区域的2倍，但它的性能较光电摄像管而言有了多方面的改进。
像素上的电荷积累情况与光照的时间是相关联的，即使在垂直消隐期间的垂直传输过程中，像素上的电荷积累也会发生，因此，就产生了一种垂直拖尾的现象。这种现象主要表现为一条通过高光点的上下的垂直线，我们把这种现象称为传输拖尾。传输拖尾对于帧转移方式CCD来说，属于一个较严重的问题。如果想要防止传输拖尾，唯一的方法就是在垂直传输期间将光线挡住，在早期使用CCD帧转移方式的摄像机上的确有这种装置，但是随着CCD技术的发展，也已经逐步出现了新的改进措施。
行间转移方式CCD，将感光矩阵和存储矩阵交叉成为一个单一的矩阵。这种结构，每个像素包含两个并列的CCD细胞，其中的一个细胞用来感光，而另一个被遮挡的细胞则用来组成垂直移位寄存器，这种结构就解决了传输拖尾对机器视觉CCD的影响。但是，由于垂直移位寄存细胞的周围泄露出来的一些光或者是像红光那样的长波光很深地穿入底层从而产生电荷，而这些电荷又转移到了垂直移位寄存器中，因此，在高光区仍然存在类似于传输拖尾的影响，我们称之为垂直拖尾。相比而言，垂直拖尾虽然很像是传输拖尾，但产生它所需要的高光水平相对却要低的多。
帧行间转移方式CCD，顾名思义是针对帧转移方式CCD与行间转移方式CCD的结合，是目前机器视觉CCD的最佳转移方式。帧行间转移方式CCD的电荷积累工作方式与行间转移方式是相同的，因此，同样很好的规避了传输拖尾的影响。同时，由于其像素电荷在垂直消隐期开始时就被移入到垂直移位寄存器中，而垂直消隐进行时，这些电荷就又被迅速地转移到下半部分遮光的储存寄存器中，整个过程非常迅速，因此，垂直拖尾现象也就得到了很好的解决。
