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ccd圖像傳感器的工作原理：50年前發明的CCD圖像傳感器工作原理圖解

原標題：50年前發明的CCD圖像傳感器工作原理圖解

1969年，沃勒德?保爾(Willard Boyle)與喬治?艾沃德?史密斯(George E. Smith)于美國電報電話公司的貝爾實驗室(AT&T Bell Labs)發明了電荷耦合組件(Charge Coupled Device，CCD)。1970年，二人把記述CCD發明的技術文章提交到《貝爾系統技術期刊》(Bell System Technical Journal)。他們開發CCD的原意是把它用于建構內存裝置。不過，保爾和史密斯1970年的研究出版后，其它科研人員開始把有關技術試作于其它方面的應用。天文學家發現CCD具有相較攝影膠片高100倍的感光能力，因而可以用于拍攝高分辨率的遙距圖像。

Teledyne e2v CCD47-20 背照13.3 μm 像素1024 x 1024傳感器

CCD是一個具有極高靈敏度的光子傳感器。一個CCD 會被分割成大量微小光敏單元(就是我們常說的像素)，以便用于整合成目標畫面。一個光子來到某個像素的范圍時，便會轉換成一個(或多個)電子，而收集到的電子數量會與每個像素接收的光線強度成正比例。當CCD時鐘輸出時，每個像素內的電子數目便會被測量出來，以用于重建畫面。

CCD陣列切面圖

在集成級，電荷通過電子云或電子斗采集到偏置電極。每個像素需要最少兩個電極用于控制這一電荷采集，不過科學設備一般會使用四個電極以便于優化尖峰信號。

在這區域里，電荷會與一個正向施加電壓一同采集。在具體工作中，電荷儲存于掩埋通道部分以避免與表面有接觸，而各個通道‘行’之間則有通道阻絕層作分隔。上圖顯示了單個CCD像素的結構。大量的像素組合起來，便構成一個成像設備，例如Teledyne e2v 的CCD290便具有8100萬像素。下圖顯示的是一個3x3的像素陣列。

帶電極和通道‘行’的CCD陣列切面圖

用于控制CCD內電子活動的電極或門是以多晶硅(而不是金屬)制成，它的透明度能夠讓400 nm左右波長的光線通過。由于所有像素都是一致而且通過同一端口讀出，所以能夠提供質量均一的圖像。

讀出

在大多數的CCD里，每個像素里的電極經配置，電荷會沿著通道‘行’向下轉移。因此，當CCD時鐘工作時，各個列會向下轉移到最后一行(即讀出記錄器)，然后把每一像素的電荷轉移到CCD外部以便于測量。而在讀出記錄器里的電極經配置，電荷會以水平方向在記錄器內轉移。

電荷從被采集到讀出，它是以每次一個電荷包的形式傳送到一個輸出放大器，在那里電荷會轉換為電壓。在讀出工作進行時，電極會在高電壓和低電壓之間交換偏置，以便于電荷沿著陣列向下轉移。

下圖顯示單個轉移步驟的工作原理。在一個4相位架構里，要把一個像素沿著陣列傳送到底部，便要進行4次轉移。

在某個相位的圖像范圍內的所有電極都是互連的，所以要把電荷傳送到圖像范圍底部的讀出記錄器，只需要4個時鐘。每次只有一行電荷轉移到讀出記錄器。然后讀出記錄器會以相同的時鐘，每次讀出一個像素到輸出節點，把電荷轉為電壓。下圖顯示了一個4x4像素三相位器件的工作原理：

電荷轉移原理

由于整個陣列是通過單個放大器進行閱讀，因而可以高度優化輸出，盡可能減小噪聲并實現極高的動態范圍。一般的CCD可以提供100dB 的動態范圍以及小于2e的噪聲。

一部CCD相機或儀器一般包含一個CCD芯片以及相關電子器件，這些相關器件是用于放大CCD上的小電壓、移除噪聲、數字化像素數值，以及把每個像素的數值輸出到外部，例如是處理器。CCD是一個模擬器件，而模擬電壓數值會由相機的電子部件轉換為數字格式。

讀出記錄器

Teledyne成像的傳感器的功能涵蓋從X光到超長波紅外線的整個光譜范圍

硬X光/軟X光/真空紫外線/紫外線/可見光/短波紅外線/中波紅外線/長波紅外線/超長波紅外線

硅/InAs/GaSb (T2SL)/HgCdTe (MCT)/去基板HgCdTe (MCT)/InSb/InGaAs/鍺(GE)/InAs/PbS/PbSe/SiAs/VOx

Teledyne e2v可以提供多種成像工程元素周期表上的復合半導體材料，依照應用需求提供合適技術解決方案。其具備的各種圖像傳感器技術，包括從CCD、CMOS，到混合紅外ROIC數組和微測輻射熱計，以及更多其它技術。

主要CCD 參數

量子效率

CCD能夠測得的光子百分比被稱為量子效率(Quantum Effciency，QE)。人類肉眼的QE大約是20%，攝影膠片的QE則是10%左右。而現代的CCD能夠實現大于90%的QE。量子效率會因波長而有差異，而通過諸如背薄(backthinning)、 背照 (back-illumination)、反眩光涂層和高阻硅等各種創新，可以使CCD的量子效率涵蓋到各種波長。

波長范圍

CCD的波長范圍可以從0.1nm (軟X光) 到 400 nm (藍色可見光)，甚至達到1000 nm (近紅外線)，而尖峰靈敏度可達到700 nm左右。利用背照可以實現較短的X光和紫外光波長檢測，而低噪聲和高阻硅技術則有助于提高對較長的近紅外線波長的靈敏度。

動態范圍

能夠正確讀出同一圖像的光亮和模糊來源，是測量器的一個非常有用的特點。測量器準確讀出圖像內最光亮和最模糊來源二者之間的差異被稱為動態范圍。

當光線來到CCD上，光子會轉換成電子。CCD的動態范圍一般是以可成像的最小和最大電子數目為量度單位。落可CCD上的光線越多，在電位井(p-井)內收集到的電子數目也就越多。當電位井無法再接收更多的電子時，意味著像素達到飽和狀態。在典型的科學用CCD，這情況大約會在150,000個電子時發生。

可測量的最小信號單位不一定是一個電子(相等于可見波長的一個光子)。具體來說，最小電子噪聲一般是與CCD實體結構相關，最小大約是每像素2至4個電子。所以可測量的最小信號是由這讀出噪聲來決定。單電子或電子倍增CCD(Electron Multiplication CCD，EMCCD) 都是經設計用于高靈敏度測量的超低噪聲傳感器，可以量度出小至數個光子或電子的信號。

線性度

測量器的另一重要考慮是對它所見的任何圖像的線性響應能力。如果CCD測出100個光子，它便會把它們轉換為100個電子(假設QE為100%)。在這一狀況下，測量器有一個線性響應。線性響應的用處在于無需對圖像進行附加處理，便可以測定圖像上不同主體的真正和真實密度。

噪聲

CCD的噪聲表現取決于多個因素。

暗電流

暗電流是由溫度產生的噪聲。在室溫，CCD的噪聲表現可以是每像素每秒數千個電子。在這情形下，每個像素有機會在數秒間達到滿井容量，使得CCD飽和。

可以利用諸如珀耳帖冷凝器(Peltier cooler)甚至是致冷器(cryo-cooler)等系統來為檢測器降溫來解決暗電流問題。在-40° C溫度下， CCD的噪聲表現可以降低到每像素每秒數十個電子。

讀出噪聲

讀出噪聲源于每個像素內的電子在CCD輸出節點上轉換為電壓的工作。噪聲的幅度取決于輸出節點的大小。在減小CCD讀出噪聲方面已有一些技術進步，而這一工作將繼續成為現在和未來CCD發展的重要部分。

讀出噪聲能影響動態范圍，所以必需盡可能減小，這在微小能量檢測應用方面至關重要。歐洲航天局(ESA)的 XMM-牛頓太空衛星內檢測X光能量中的光子就是一個例子。

功耗

CCD本身需要很小功耗。主要的功耗考慮來自操作CCD和處理圖像所需的電子器件。返回搜狐，查看更多

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ccd圖像傳感器的工作原理：ccd傳感器工作原理

　　電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器芯片轉換成數字信號，數字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據需要和想像來修改圖像。
ccd傳感器工作原理
　　CCD傳感器是一種新型光電轉換器件，它能存儲由光產生的信號電荷。當對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便可在CCD內作定向傳輸而實現自掃描。它主要由光敏單元、輸入結構和輸出結構等組成。它具有光電轉換、信息存貯和延時等功能，而且集成度高、功耗小，已經在攝像、信號處理和存貯3大領域中得到廣泛的應用，尤其是在圖像傳感器應用方面取得令人矚目的發展。
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　　當光照射到ＣＣＤ硅片上時，在柵極附近的半導體體內產生電子－空穴對，其多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。當向SiO2表面的電極加正偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區（勢阱），耗盡區的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區域內，形成電荷包（勢阱）電荷轉移的控制方法，類似于步進電極的步進控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉移的過程。
?
　　三相控制是每一排像素上有三個金屬電極P1，P2，P3，依次施加三個相位不同的脈沖，使得每排電極下電荷包向一側移動。

　　隨著控制脈沖的分配，電荷包從一側轉移到最終端，由輸出二極管收集后送給放大器處理，實現電荷移動。當各排電荷全部移出感應區即掃描完成一幅畫面，這些電荷最終以二進制的形式存儲或修改。
　　以上是從微觀方面介紹了CCD圖像傳感器中核心原件感官電路的原理，在宏觀方面按照結構又可分為兩類：CCD線列圖像傳感器和CCD面陣圖像傳感器，它們在結構方面的差異導致了用途的不同，但原理一樣，都是利用了CCD的光電轉換和電荷轉移的雙重功能制成， 線陣CCD：用一排像素掃描過圖片，做三次曝光——分別對應于紅、綠、藍 三色濾鏡，正如名稱所表示的，線性傳感器是捕捉一維圖像。而CCD面陣圖像傳感器有呈二維矩陣排列的感光單元——感光區、信號存儲區和輸出轉移部分組成，根據傳輸和讀出的結構方式不同又分為：行傳輸、幀傳輸、行間傳輸等。

ccd圖像傳感器的工作原理：CCD圖像傳感器的工作原理及其特點

展開全文
　　構成CCD的基本單元是MOS（金屬－氧化物－半導體）結構。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移。工作時，需要在金屬柵極上加一定的偏壓，形成勢阱以容納電荷，電荷的多少與光強成線性關系。電荷讀出時，在一定相位關系的移位脈沖作用下，從一個位置移動到下一個位置，直到移出CCD，經過電荷ˉ電壓變換，轉換為模擬信號。由于在CCD中每個像元的勢阱所容納電荷的能力是有一定限制的，所以如果光照太強，一旦電荷填滿勢阱，電子將產生“溢出”現象。另外，在電荷讀出時，由于它是從一個位置到下一個位置的電荷轉移過程，所以存在電荷的轉移效率和轉移損失問題。
　　電荷耦合攝像器件（CCD）的突出特點是以電荷為信號載體。它的功能是接受存儲模擬電荷信號，并將它逐級轉移（并存儲）輸送到輸出端。其基本工作過程主要是信號電荷的產生、存儲、轉移和檢測，因此實際上相當于一個模擬移位存儲器。主要有信息處理用延遲線、存儲器和光電攝像器件三個方向應用。
　　CCD有表面（溝道）CCD（SCCD）和埋溝CCD（BCCD）兩種基本類型。作為圖像傳感器用攝像器件還另外具有光敏元陣列和轉移柵，以進行光電轉移，并將光電轉換的信號電荷轉移到CCD轉移電極下。
　　由CCD圖像傳感器的結構和工作原理決定了這類器件有以下優點：
　　● CCD是一種固體化器件，體積小、重量輕、可靠性高、壽命長：
　　● 圖像畸變小、尺寸重現性好；
　　● 具有較高的空間分辨率；
　　● 光敏元間距的幾何尺寸精度高，可獲得較高的定位精度和測量精度；
　　● 具有較高的光電靈敏度和較大的動態范圍。
　　
 來源:ks99
技術資料出處:楊真人
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