電荷藕合器件原理

　　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。CCD有面陣和線陣之分，面陣是把CCD像素排成1個(gè)平面的器件;而線陣是把CCD像素排成1直線的器件。由于在軍事領(lǐng)域主要用的是面陣CCD，因此這里主要介紹面陣CCD。

　　電荷藕合器件種類

　　面陣CCD

　　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

　　線陣CCD：用一排像素掃描過圖片，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

　　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組合成。三線CCD傳感器多用于高端數(shù)碼相

　　CCD傳感器 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

　　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?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。

　　電荷藕合器件結(jié)構(gòu)

　　CCD是由許多個(gè)光敏像元按一定規(guī)律排列組成的。每個(gè)像元就是一個(gè)MOS電容器(大多為光敏二極管)，它是在P 型Si襯底表面上用氧化的辦法生成1層厚度約為1000A～15

　　CCD傳感器 00A的SiO2,再在SiO2表面蒸鍍一金屬層(多晶硅)，在襯底和金屬電極間加上1個(gè)偏置電壓，就構(gòu)成1個(gè)MOS電容器。當(dāng)有1束光線投射到MOS電容器上時(shí)，光子穿過透明電極及氧化層，進(jìn)入P型Si襯底，襯底中處于價(jià)帶的電子將吸收光子的能量而躍入導(dǎo)帶。光子進(jìn)入襯底時(shí)產(chǎn)生的電子躍遷形成電子-空穴對(duì)，電子-空穴對(duì)在外加電場的作用下，分別向電極的兩端移動(dòng)，這就是信號(hào)電荷。這些信號(hào)電荷儲(chǔ)存在由電極形成的“勢阱”中。

　　MOS電容器的電荷儲(chǔ)存容量可由下式求得：

　　QS=Ci×VG×A

　　式中： QS是電荷儲(chǔ)存量;

　　Ci是單位面積氧化層的電容;

　　CCD傳感器 VG是外加偏置電壓;

　　A是MOS電容柵的面積。

　　由此可見，光敏元面積越大，其光電靈敏度越高。1個(gè)3相驅(qū)動(dòng)工作的CCD中電荷轉(zhuǎn)移的過程。

　　(a)初始狀態(tài);(b)電荷由①電極向②電極轉(zhuǎn)移;(c)電荷在①、②電極下均勻分布;

　　(d)電荷繼續(xù)由①電極向②電極轉(zhuǎn)移;(e)電荷完全轉(zhuǎn)移到②電極;(f)3相交疊脈沖。

　　假設(shè)電荷最初存儲(chǔ)在電極①(加有10V電壓)下面的勢阱中，如圖2(a)所示，加在CCD所有電極上的電壓，通常都要保持在高于某一臨界值電壓Vth，Vth稱為CCD閾值電壓，設(shè)Vth=2V。所以每個(gè)電極下面都有一定深度的勢阱。顯然，電極①下面的勢阱最深，如果逐漸將電極②的電壓由2V增加到10V，這時(shí)，①、②兩個(gè)電極下面的勢阱具有同樣的深度，并合并在一起，原先存儲(chǔ)在電極①下面的電荷就要在兩個(gè)電極下面均勻分布，(b)和(c)所示，然后再逐漸將電極下面的電壓降到2V，使其勢阱深度降低，(d)和(e)所示，這時(shí)電荷全部轉(zhuǎn)移到電極②下面的勢阱中，此過程就是電荷從電極①到電極②的轉(zhuǎn)移過程。如果電極有許多個(gè)，可將其電極按照1、4、7…，2、5、8…和3、6、9…的順序分別連在一起，加上一定時(shí)序的驅(qū)動(dòng)脈沖，即可完成電荷從左向右轉(zhuǎn)移的過程。用3相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的CCD稱為3相CCD。

　　電荷藕合器件特性

　?、僬{(diào)制傳遞函數(shù)MTF特性：固態(tài)圖像傳感器是由像素矩陣與相應(yīng)轉(zhuǎn)移部分組成的。固態(tài)的像素盡管己做得很小，并且其間隔也很微小，但是，這仍然是識(shí)別微小圖像或再現(xiàn)圖像細(xì)微部分的主要障礙。

　?、谳敵鲲柡吞匦裕寒?dāng)飽和曝光量以上的強(qiáng)光像照射到圖像傳感器上時(shí)，傳感器的輸出電壓將出現(xiàn)飽和，這種現(xiàn)象稱為輸出飽和特性。產(chǎn)生輸出飽和現(xiàn)象的根本原因是光敏二極管或MOS電容器僅能產(chǎn)生與積蓄一定極限的光生信號(hào)電荷所致。

　?、郯递敵鎏匦裕喊递敵鲇址Q無照輸出，系指無光像

　　CCD傳感器 信號(hào)照射時(shí)，傳感器仍有微小輸出的特性，輸出來源于暗〔無照)電流。

　?、莒`敏度：單位輻射照度產(chǎn)生的輸出光電流表示固態(tài)圖象傳感器的靈敏度，它主要與固態(tài)圖像傳感器的像元大小有關(guān)。

　?、迯浬ⅲ猴柡推毓饬恳陨系倪^亮光像會(huì)在象素內(nèi)產(chǎn)生與積蓄起過飽和信號(hào)電荷，這時(shí)，過飽和電荷便會(huì)從一個(gè)像素的勢阱經(jīng)過襯底擴(kuò)散到相鄰像素的勢阱。這樣，再生圖像上不應(yīng)該呈現(xiàn)某種亮度的地方反而呈現(xiàn)出亮度，這種情況稱為彌散現(xiàn)象。

　　⑥殘像：對(duì)某像素掃描并讀出其信號(hào)電荷之后，下一次掃描后讀出信號(hào)仍受上次遺留信號(hào)電荷影響的現(xiàn)象叫殘像。

　　⑦等效噪聲曝光量:產(chǎn)生與暗輸出(電壓)等值時(shí)的曝光量稱為傳感器的等效噪聲曝光量。

　　電荷藕合器件優(yōu)勢區(qū)別

　　CMOS針對(duì)CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電，不像由二極管組成的CCD，CMOS 電路幾乎沒有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通時(shí)才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，這有助于改善人們心目中數(shù)碼相機(jī)是"電老虎"的不良印象。CMOS主要問題是在處理

　　CCD傳感器 快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。

　　此外，CMOS與CCD的圖像數(shù)據(jù)掃描方法有很大的差別。例如，如果分辨率為300萬像素，那么CCD傳感器可連續(xù)掃描300萬個(gè)電荷，掃描的方法非常簡單，就好像把水桶從一個(gè)人傳給另一個(gè)人，并且只有在最后一個(gè)數(shù)據(jù)掃描完成之后才能將信號(hào)放大。CMOS傳感器的每個(gè)像素都有一個(gè)將電荷轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)的放大器。因此，CMOS傳感器可以在每個(gè)像素基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)放大，采用這種方法可節(jié)省任何無效的傳輸操作，所以只需少量能量消耗就可以進(jìn)行快速數(shù)據(jù)掃描，同時(shí)噪音也有所降低。這就是佳能的像素內(nèi)電荷完全轉(zhuǎn)送技術(shù)。

　　CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。

　　CCD傳感器中每一行中每一個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出;而在CMOS傳感器中，每個(gè)像素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。

　　造成這種差異的原因在于：CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時(shí)不會(huì)失真，因此各個(gè)像素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理;而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個(gè)像素的數(shù)據(jù)。

　　由于數(shù)據(jù)傳送方式不同，因此CCD與CMOS傳感器在效能與應(yīng)用上也有諸多差異，這些差異包括：

　　靈敏度差異

　　由于CMOS傳感器的每個(gè)象素由四個(gè)晶體管與一個(gè)感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路)，使得每個(gè)象素的感光區(qū)域遠(yuǎn)小于象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。

　　成本差異

　　由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本;除此之外，由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個(gè)象素不能運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，即使有經(jīng)驗(yàn)的廠商也很難在產(chǎn)品問世的半年內(nèi)突破50%的水平，因此，CCD傳感器的成本會(huì)高于CMOS傳感器。

　　分辨率差異

　　CMOS傳感器的每個(gè)象素都比CCD傳感器復(fù)雜，其象素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平，因此，當(dāng)比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時(shí)，CCD傳感器的分辨率通常會(huì)優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如，市面上CMOS傳感器最高可達(dá)到210萬象素的水平(OmniVision的 OV2610，2002年6月推出)，其尺寸為1/2英寸，象素尺寸為4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸與 OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率卻能高達(dá)513萬象素，象素尺寸也只有2.78μm的水平。

　　噪聲差異

　　由于CMOS傳感器的每個(gè)感光二極管都需搭配一個(gè)放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個(gè)放大器所得到的結(jié)果保持一致，因此與只有一個(gè)放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲就會(huì)增加很多，影響圖像品質(zhì)。

　　功耗差異

　　CMOS傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器為被動(dòng)式采集，需外加電壓讓每個(gè)象素中的電荷移動(dòng)，而此外加電壓通常需要達(dá)到12~18V;因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外(需外加 power IC)，高驅(qū)動(dòng)電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的水平。舉例來說，OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下運(yùn)行，功耗僅為40mW;而致力于低功耗CCD傳感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等級(jí)的產(chǎn)品，其功耗卻仍保持在90mW 以上。因此CCD發(fā)熱量比CMOS大，不能長時(shí)間在陽光下工作。

　　綜上所述，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。不過，隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢，例如，CCD傳感器一直在功耗上作改進(jìn)，以應(yīng)用于移動(dòng)通信市場(這方面的代表業(yè)者為Sanyo);CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足，以應(yīng)用于更高端的圖像產(chǎn)品。