CCD傳感器的工作原理是什么？詳細(xì)介紹

CCD是貝爾實驗室W.S. Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明，由于它有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能，且集成度高，功耗低，因此得到飛速發(fā)展。CCD是圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的關(guān)鍵器件，廣泛應(yīng)用于科學(xué)、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)、軍事和消費領(lǐng)域。CCD系統(tǒng)主要包括光學(xué)系統(tǒng)(微鏡頭)，CCD及圖像處理模塊，部分還包括濾色片。比喻：CCD就像人的視網(wǎng)膜，鏡頭相當(dāng)于人的眼球，圖像(信號)處理器相當(dāng)于大腦。

CCD圖像傳感器是一種新型半導(dǎo)體器件一電荷禍合器件，是一種MOS集成電路。它作為一種新型的光電轉(zhuǎn)換型傳感器，不但具有體積小、重量輕、功耗小、工作電壓低和抗燒毀等優(yōu)點，而且在分辨率、動態(tài)范圍、靈敏度、實時傳輸和自掃描等方面的優(yōu)越性，也是其他攝像器件無法比擬的。目前，CCD圖像傳感器不論在文件復(fù)印、傳真、零件尺寸的自動測量和文字識別、交通監(jiān)控等民用領(lǐng)域，還是在空間遙感遙測、水下掃描攝像、圖像跟蹤制導(dǎo)等軍事系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要作用。近年來又向圖像識別和在線精密檢測方面發(fā)展。

一個完整的CCD器件由光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD(電荷禍合器件)是一種MOS集成器件，是美國貝爾實驗室的W.S. Boyle和G.E. Smith在1970年3月的電氣電子工程師協(xié)會(TEEE)國際會議上首次發(fā)表的。它的基本功能是電荷的轉(zhuǎn)移和電荷的存儲。CCD技術(shù)不僅可以制造大容量存儲器，還可以使模擬延遲和攝像技術(shù)納入半導(dǎo)體電子軌道。所以，CCD一經(jīng)問世就引起了世界各國的重視。首先應(yīng)用在攝像、模擬延遲和大容量存儲等三大技術(shù)領(lǐng)域。

00001. CCD工作的基本原理

CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS電容器組成的陣列，在P型或N型硅襯底上生長一層很薄(約120nm)的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極(柵極)，形成規(guī)則的MOS電容器陣列就構(gòu)成了CCD芯片。

CCD工作過程有四個，原理示意圖如下圖。

(1)信號電荷產(chǎn)生;

(2)信號電荷存儲;

(3)信號電荷傳輸;

(4)信號電荷檢測與輸出。

(1)信號電荷產(chǎn)生

CCD工作過程第一步是電荷的產(chǎn)生。CCD可以將入射光信號轉(zhuǎn)換為電荷輸出，原理是半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)(光生伏特效應(yīng))。MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器是構(gòu)成CCD的最基本單元。

(2) 信號電荷的存儲

CCD工作過程第二步是信號電荷的收集，就是將入射光子激勵出的電荷收集，就是將入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程。

(3)CCD電荷傳輸(耦合)

CCD工作過程第三步是信號電荷包的轉(zhuǎn)移，就是將所收集起來的電荷包從一個像元轉(zhuǎn)移到下一個像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。

如下圖所示為三相CCD中電荷的轉(zhuǎn)移過程。

(4)信號電荷檢測與輸出

CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉(zhuǎn)移到輸出級的電荷轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的過程。輸出類型主要有以下三種：電流輸出、浮置柵放大器輸出和浮置擴散放大器輸出。

CCD傳感器類型

(1)線陣CCD

線陣CCD：用一排像素掃描過圖片，做三次曝光——分別對應(yīng)于紅、綠、藍(lán) 三色濾鏡，正如名稱所表示的，線性傳感器是捕捉一維圖像。初期應(yīng)用于廣告界拍攝靜態(tài)圖像，線性陣列，處理高分辨率的圖像時，受局限于非移動的連續(xù)光照的物體。

(2)面陣CCD

面陣CCD的結(jié)構(gòu)一般有3種。第一種是幀轉(zhuǎn)性CCD。它由上、下兩部分組成，上半部分是集中了像素的光敏區(qū)域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存儲區(qū)域。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較簡單并容易增加像素數(shù)，缺點是CCD尺寸較大，易產(chǎn)生垂直拖影。第二種是行間轉(zhuǎn)移性CCD。它是CCD的主流產(chǎn)品，它們是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特點是在1個單片上，價格低，并容易獲得良好的攝影特性。第三種是幀行間轉(zhuǎn)移性CCD。它是第一種和第二種的復(fù)合型，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但能大幅度減少垂直拖影并容易實現(xiàn)可變速電子快門等優(yōu)點。

(3)三線傳感器CCD

三線傳感器CCD：在三線傳感器中，三排并行的像素分別覆蓋RGB濾鏡，當(dāng)捕捉彩色圖片時,完整的彩色圖片由多排的像素來組合成。三線CCD傳感器多用于高端數(shù)碼相機，以產(chǎn)生高的分辨率和光譜色階。

交織傳輸CCD：這種傳感器利用單獨的陣列攝取圖像和電量轉(zhuǎn)化，允許在拍攝下一圖像時在讀取當(dāng)前圖像。交織傳輸CCD通常用于低端數(shù)碼相機、攝像機和拍攝動畫的廣播拍攝機。

(4)全幅面CCD

全幅面CCD：此種CCD具有更多電量處理能力,更好動態(tài)范圍，低噪音和傳輸光學(xué)分辨率，全幅面CCD允許即時拍攝全彩圖片。全幅面CCD由并行浮點寄存器、串行浮點寄存器和信號輸出放大器組成。全幅面CCD曝光是由機械快門或閘門控制去保存圖像，并行寄存器用于測光和讀取測光值。圖像投攝到作投影幕的并行陣列上。此元件接收圖像信息并把它分成離散的由數(shù)目決定量化的元素。這些信息流就會由并行寄存器流向串行寄存器。此過程反復(fù)執(zhí)行,直到所有的信息傳輸完畢。接著，系統(tǒng)進行精確的圖像重組。

目前廣泛應(yīng)用的CCD傳感器主要有兩大類，即線陣CCD傳感器和面陣CCD傳感器。