CCD圖像傳感器工作原理圖解

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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(fā)明了電荷耦合組件(Charge Coupled Device，CCD)。1970年，二人把記述CCD發(fā)明的技術文章提交到《貝爾系統(tǒng)技術期刊》(Bell System Technical Journal)。他們開發(fā)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(fā)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(yōu)化尖峰信號。

在這區(qū)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(jié)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(yōu)化輸出，盡可能減小噪聲并實現極高的動態(tài)范圍。一般的CCD可以提供100dB 的動態(tài)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(chuàng)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(tài)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(tài)范圍。

當光線來到CCD上，光子會轉換成電子。CCD的動態(tài)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(tài)。在典型的科學用CCD，這情況大約會在150,000個電子時發(fā)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(tǒng)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(jié)點上轉換為電壓的工作。噪聲的幅度取決于輸出節(jié)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(xù)成為現在和未來CCD發(fā)展的重要部分。

讀出噪聲能影響動態(tài)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(wèi)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。

編輯：黃飛

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