詳細(xì)介紹CCD圖像傳感器的工作原理是什么？

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(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。

CCD傳感器是一種新型光電轉(zhuǎn)換器件，它能存儲(chǔ)由光產(chǎn)生的信號(hào)電荷。當(dāng)對(duì)它施加特定時(shí)序的脈沖時(shí)，其存儲(chǔ)的信號(hào)電荷便可在CCD內(nèi)作定向傳輸而實(shí)現(xiàn)自掃描。它主要由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等組成。它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和延時(shí)等功能，而且集成度高、功耗小，已經(jīng)在攝像、信號(hào)處理和存貯3大領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在圖像傳感器應(yīng)用方面取得令人矚目的發(fā)展。

當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時(shí)，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)(勢(shì)阱)，耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子(電子)被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)，形成電荷包(勢(shì)阱)電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)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(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。

CCD基本單位是MOS電容器，這種電容器可以儲(chǔ)存電荷。以P型硅為例，在P型硅襯底上氧化形成表面SiO2層，然后在SiO一層金屬上淀積為柵極，P型硅中的大多數(shù)載流子是帶有正電荷的孔，少數(shù)載流子是帶有負(fù)電荷的電子。當(dāng)正電壓施加在金屬電極上時(shí)，其電場(chǎng)可以通過(guò)SiO絕緣層排斥或吸引這些載流子。因此，帶正電源的空穴被排除在遠(yuǎn)離電極的地方，留下一些帶負(fù)電源的載流子，這些載流子無(wú)法移動(dòng)SiO二層形成負(fù)電荷層(耗盡層)，這種現(xiàn)象就形成了電子陷阱，電子一旦進(jìn)入就無(wú)法復(fù)出，因此也被稱為電子潛在陷阱。

當(dāng)設(shè)備被照亮?xí)r(光可以通過(guò)每個(gè)電極的間隙SiO當(dāng)光子的能量被半導(dǎo)體吸收并產(chǎn)生電子空穴時(shí)，電子被吸引并存儲(chǔ)在潛在的陷阱中。這些電子可以傳輸。光線越強(qiáng)，在潛在陷阱中收集的電子越多，光線越弱，反之亦然。這樣，光的強(qiáng)度就變成了電荷的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了光和電的轉(zhuǎn)換，在潛在陷阱中收集的電子被儲(chǔ)存起來(lái)，即使停止照明一段時(shí)間，也不會(huì)丟失，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)照明的記憶。 總之，上述結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是小的MOS電容，用它來(lái)形成象素，可以“感光”又可留下“潛影”，感光效應(yīng)是由光強(qiáng)產(chǎn)生的電子積累的電荷。潛在的陰影是由每個(gè)電容器中留下的每個(gè)像素的不同電荷形成的。如果每個(gè)電容器中的電荷可以依次傳輸?shù)狡渌胤?，然后形成行和幀并通過(guò)“顯影”實(shí)現(xiàn)了圖像的傳遞。

CCD分類：

面陣CCD

允許拍攝者在任何快門速度下一次曝光拍攝移動(dòng)物體。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(chǔ)區(qū)域。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單并容易增加像素?cái)?shù)，缺點(diǎn)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。它是目前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(diǎn)是在1個(gè)單片上，價(jià)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(shí)現(xiàn)可變速電子快門等優(yōu)點(diǎn)。

線陣CCD

用一排像素掃描過(guò)圖片，做三次曝光——分別對(duì)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(shí)，受局限于非移動(dòng)的連續(xù)光照的物體。

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(shí)，完整的彩色圖片由多排的像素來(lái)組合成。三線CCD傳感器多用于高端數(shù)碼相機(jī)，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(dú)的陣列攝取圖像和電量轉(zhuǎn)化，允許在拍攝下一圖像時(shí)在讀取當(dāng)前圖像。交織傳輸CCD通常用于低端數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)和拍攝動(dòng)畫的廣播拍攝機(jī)。

全幅面CCD

此種CCD具有更多電量處理能力，更好動(dòng)態(tài)范圍，低噪音和傳輸光學(xué)分辨率，全幅面CCD允許即時(shí)拍攝全彩圖片。全幅面CCD由并行浮點(diǎn)寄存器、串行浮點(diǎn)寄存器和信號(hào)輸出放大器組成。全幅面CCD曝光是由機(jī)械快門或閘門控制去保存圖像，并行寄存器用于測(cè)光和讀取測(cè)光值。圖像投攝到作投影幕的并行陣列上。此元件接收?qǐng)D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(huì)由并行寄存器流向串行寄存器。此過(guò)程反復(fù)執(zhí)行，直到所有的信息傳輸完畢。接著，系統(tǒng)進(jìn)行精確的圖像重組。