CCD傳感器的基本原理及過程示意圖

CCD傳感器，全稱為電荷耦合器件（Charge-coupled Device），是一種用于圖像捕獲的半導(dǎo)體器件。它通過將光線轉(zhuǎn)換成電荷來記錄圖像，然后將這些電荷轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以供處理或存儲。

CCD傳感器由數(shù)百萬到數(shù)千萬個微小的光敏元件（稱為像素）組成，這些像素按照矩陣排列。每個像素都能獨立地感測光線的強度和顏色，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電荷。當(dāng)光線照射到CCD傳感器上時，它會被像素吸收，并產(chǎn)生與光線強度成比例的電荷。

一旦像素捕獲了足夠的電荷，這些電荷就會被轉(zhuǎn)移到相鄰的像素中，形成一個電荷包。這個過程通過傳感器內(nèi)部的電荷轉(zhuǎn)移機制進(jìn)行，類似于水桶傳遞水的原理。電荷包隨后被讀取并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這樣就可以在計算機上顯示或處理圖像了。

CCD傳感器的基本原理

CCD的最基本單元：MOS電容器是構(gòu)成CCD的最基本單元是，它是金屬一氧化物一半導(dǎo)體（MOS〉器件中結(jié)構(gòu)最為簡單的。

MOs電容器

信號電荷的產(chǎn)生：CCD工作過程的第一步是電荷的產(chǎn)生。CCD可以將入射光信號轉(zhuǎn)換為電荷輸出，依據(jù)的是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)（也就是光生伏特效應(yīng)）。

CCD工作過程示意圖

信號電荷的存儲：CCD工作過程的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起來成為信號電荷包的過程。

信號電荷的傳輸（耦合〉：CCD工作過程的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。

信號電荷的檢測：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：

1〉電流輸出

2）浮置棚放大器輸出

3）浮置擴散放大器輸出

cCD傳感器的結(jié)構(gòu)類型

CCD（Charge-Coupled Device）傳感器的結(jié)構(gòu)類型主要包括以下幾種：

1. **Interline Transfer CCD（IT-CCD）**：IT-CCD 結(jié)構(gòu)是最常見的 CCD 結(jié)構(gòu)之一。它通過交錯排列的感光單元和垂直傳輸通道實現(xiàn)圖像的捕捉和傳輸。在曝光期間，光信號被轉(zhuǎn)換為電荷并存儲在感光單元中，然后通過傳輸通道逐行傳輸至讀取單元。

2. **Frame Transfer CCD（FT-CCD）**：FT-CCD 結(jié)構(gòu)包括感光區(qū)域和存儲區(qū)域兩部分。在曝光期間，光信號被轉(zhuǎn)換為電荷并存儲在感光單元中，然后通過垂直移位將光電二極管區(qū)域的電荷傳輸至存儲單元，以實現(xiàn)圖像的暫存和傳輸。

3. **Full Frame Transfer CCD（FFT-CCD）**：FFT-CCD 結(jié)構(gòu)將整個圖像區(qū)域分為感光區(qū)域和存儲區(qū)域，整個圖像被同時轉(zhuǎn)換為電荷并存儲在感光區(qū)域中，然后通過垂直移位將電荷傳輸?shù)酱鎯^(qū)域，最后轉(zhuǎn)移到讀取單元進(jìn)行輸出。

4. **Backside Illumination CCD**：背照式 CCD 結(jié)構(gòu)將感光區(qū)域置于傳感器的背面，光線可以直接通過襯底進(jìn)入感光區(qū)域，提高了光量子效率，適合于對光線敏感度要求高的應(yīng)用領(lǐng)域。

5. **Time Delay Integration CCD（TDI-CCD）**：TDI-CCD 結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng) CCD 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了多個存儲區(qū)域，允許電荷沿著傳感器的垂直方向累積，從而實現(xiàn)對運動場景進(jìn)行高速掃描和捕捉。

這些不同結(jié)構(gòu)類型的 CCD 傳感器在設(shè)計時根據(jù)不同的應(yīng)用需求和性能要求進(jìn)行選擇，以提高圖像質(zhì)量、性能和適用范圍。

CCD傳感器因其高靈敏度、低噪聲和良好的色彩再現(xiàn)性而被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機、天文望遠(yuǎn)鏡、醫(yī)學(xué)成像設(shè)備和科學(xué)儀器等領(lǐng)域。與CMOS傳感器相比，CCD傳感器通常具有更高的圖像質(zhì)量和更低的功耗，但制造成本也較高。

審核編輯：黃飛