固态图像感测器是利用光敏元件的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的电荷包空间分布，然后利用移位暂存器功能将这些电荷包在时钟脉冲控制实现读取与输出，形成一系列幅值不等的时钟脉冲序列，完成光图像的电转换。

固态图像感测器是在同一半导体衬底上布设光敏元件阵列和电荷转移器件而构成的集成化、功能化的光电器件，其核心是电荷转移器件（Charge Transfer Device，CTD），包括电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）、电荷注入器件（Charge Injected Device，CID）、金属氧化物半导体器件等，最常用的是CCD。自1970年问世以后，CCD图像感测器以它的低噪声、易集成等特点，已广泛套用于微光电视摄像、信息存储和信息处理等众多领域。

图1给出了光导摄像管与固态图像感测器的基本结构，其中（a）为光导摄像管，（b）为固态图像感测器。

图1 摄像管与固态图像感测器结构

与光导摄像管相比，固态图像感测器再生图像失真度极小，因此，非常适合测试技术及图像识别技术。此外，固态图像感测器还具有体积小、重量轻、坚固耐用、抗冲击、抗振动、抗电磁干扰能力强以及耗电少等许多优点。又因为固态图像感测器所用的敏感元件易于批量生产，所以固态图像感测器的成本较低。

固态图像感测器也有不足之处，例如解析度和图像质量都不如光导摄像管。此外，固态图像感测器的光谱回响通常只能限定在0.4～1.2μm（可见光与近红外光）範围内，套用有一定的局限性。

固态图像感测器一般都包括光敏单元和电荷暂存器两个主要部分。根据光敏元件排列形式不同，固态图像感测器可分为线形和面型两种。根据所用的敏感器件不同，又可分为CCD、MOS线型感测器以及CCD、CID、MOS阵列式面型感测器等。

线型固态感测器有4种类型，分别为：

l MOS式，以光电二极体构成，如图2（a）所示；

l 光积蓄式，採用CCD元件构成，如图2（b）所示；

l 分离式，即光敏单元与电荷暂存器分离，採用CCD元件构成，如图2（c）所示；

l 光敏单元两侧放置电荷暂存器的双读出式，採用CCD元件，如图2（d）所示。

其中，双读出式器件是线型固态图像感测器的主要形式。

图2 固态线型图像感测器

固态面型图像感测器主要有4种类型：

l X-Y选址式，由MOS或CID器件构成，如图3（a）所示；

l 行选址式，由CCD器件构成，如图3（b）所示；

l 帧场传输式，由CCD器件构成，如图3（c）所示；

l 行间传输式，由CCD器件构成，如图3（d）所示。

上述面型图像感测器中，基于MOS元件的X-Y选址式感测器最早出现。因图像质量不佳，MOS型感测器正在被CID型X-Y选址式图像感测器取代。帧场传输式和行间传输式是比较实用的面型图像感测器。

图3 固态面型图像感测器

目前，面型CCD图像感测器使用得越来越多，产品的单元数也越来越多。无论面型或是线型，CCD图像感测器都是当今图像探测技术的主流。

遥感技术多套用于5～10μm的红外波段，现有的基于MOS器件的图像感测器和CCD图像感测器均无法直接工作于这一波段，因此，需要研究专门的红外图像感测技术及器件来实现红外波段的图像探测与採集。目前，红外CCD图像感测器有集成（单片）式和混合式两种。

（1）集成红外图像感测器

集成红外CCD固态图像感测器是在一块衬底上，同时集成光敏元件和电荷转移部件而构成的，整个片体要进行冷却。目前使用的红外CCD感测器多为混合式的。除了光敏部件，单片红外CCD图像感测器的电荷转移部件同样需要在低温状态工作，这实现起来有一定困难，目前尚未实用。

（2）混合式红外图像感测器

混合式红外CCD图像感测器的感光单元与电荷转移部件相分离，工作时，红外光敏单元处于冷却状态，而Si-CCD的电荷转移部件工作于室温条件。这克服了单片式固态红外感测器的难点，但光敏单元与电荷转移部件的连线过长将带来其他困难。目前，正在研製光敏单元与电荷转移部件比较靠近的固态红外光电图像感测器。此外，提高光敏单元的红外光图像解析度将提高晶片的集成度，这又会导致光敏单元与电荷转移部件的连线加长，这也是红外CCD器件发展中亟待解决的一个问题。

超导感测器包括超导红外感测器、超导可见光感测器、超导微波感测器、超导磁场感测器等。超导感测器的最大特点是噪声很小，其噪声电平小到接近量子效应的极限，因此，超导感测器具有极高的灵敏度。

超导图像感测器隧道结叠层断面如图4所示。这个结由氮化银膜基底电极，NbN自然氧化膜（隧道绝缘膜）和对置铅膜电极构成。隧道结布设在9 mm×6 mm的硅衬底上，形成由9个结构成的线阵SIS器件，然后再将它们装入低温恆温器中冷却至4.2 K左右。

使用时，还要配以準光学结构组成的测量系统。来自电磁喇曼的被测波图像，通常用光学透镜聚光，然后在感测器上成像。因此，在水平和垂直方向上微动感测器总是能够探测空间的图像。这种测量系统适用于毫米波段。利用线阵隧道结器件的图像感测器可以测量35GHz空间电场强度分布，这种感测器已套用于生物断层检测，也可用于乳腺癌的非接触探测等。

图4 超导感测器隧道结结构